由于國內(nèi)外市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)加劇，科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速，產(chǎn)品更新?lián)Q代速度加快及人們對(duì)產(chǎn)品多樣化的需求增加，使得機(jī)械制造業(yè)向多品種小批量生產(chǎn)方式發(fā)展。因此，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期成為決定制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的首先因素。并行工程、智能制造、敏捷制造、虛擬制造等多種有關(guān)先進(jìn)制造技術(shù)的新思想、新概念相繼誕生。而其中基于計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的虛擬制造技術(shù)被認(rèn)為是加速新產(chǎn)品開發(fā)的有效手段，它能很好地解決制造業(yè)的TQCS難題，即以最快的上市速度(T,Time to Market)、最好的質(zhì)量(Q,Quality)、最低的成本(C,Cost)、最優(yōu)的服務(wù)(S,Service)來提高制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，虛擬制造技術(shù)對(duì)制造業(yè)又將是一次新的革命。
1.我國制造業(yè)的現(xiàn)狀
制造業(yè)是所有與制造有關(guān)的企業(yè)機(jī)構(gòu)的總體，是我國國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，它一方面創(chuàng)造價(jià)值，生產(chǎn)物質(zhì)財(cái)富和新的知識(shí)，另一方面為國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門包括國防和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展提供先進(jìn)的手段和裝備。在我國的經(jīng)濟(jì)騰飛中，制造業(yè)功不可沒。
但是，隨著計(jì)劃經(jīng)濟(jì)體制向市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體制轉(zhuǎn)變，我國制造企業(yè)的弊端日益顯露出來。我國制造業(yè)目前存在的五大難題：①產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，產(chǎn)品水平低，主要機(jī)械產(chǎn)品中達(dá)到當(dāng)代世界先進(jìn)水平的不到5%；②生產(chǎn)集中度低，分散重復(fù)嚴(yán)重；③科技基礎(chǔ)薄弱，自主開發(fā)能力差；④企業(yè)裝備陳舊，生產(chǎn)工藝落后，精密、高效、數(shù)控設(shè)備不足5%；⑤基礎(chǔ)管理薄弱，由于企業(yè)沒有現(xiàn)代管理意識(shí)，在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)新形勢(shì)下顯得很被動(dòng)。
2.虛擬制造
(1)虛擬制造(VM)
虛擬制造(VM)是以計(jì)算機(jī)仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為支持，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造等過程進(jìn)行統(tǒng)一建模，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段實(shí)時(shí)地、并行地模擬產(chǎn)品未來制造全過程及其對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的影響，預(yù)測(cè)產(chǎn)品性能、產(chǎn)品的可制造性、產(chǎn)品的成本等，從而更有效地、柔性靈活地組織生產(chǎn)，并使新產(chǎn)品開發(fā)一次獲得成功。虛擬制造的目的是盡量降低產(chǎn)品的成本，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和壽命。
為了更細(xì)致地了解虛擬制造的含義，美國的勞倫斯協(xié)會(huì)把VM分成三種類型：①以設(shè)計(jì)為中心的虛擬制造(Design Centered VM)，為設(shè)計(jì)者提供各種工具以便設(shè)計(jì)出符合設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的產(chǎn)品模型；②以生產(chǎn)為中心的虛擬制造(ProductionCentered VM)，研究開發(fā)產(chǎn)品制造過程模型和環(huán)境模型，分析各種可行的生產(chǎn)計(jì)劃和工藝規(guī)劃；③以控制為中心的虛擬制造(Control Centered VM)，能評(píng)估產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)計(jì)劃和控制策略及措施，以便通過對(duì)過程的仿真，反復(fù)地改進(jìn)所有這些工作。
(2)虛擬制造技術(shù)與其它先進(jìn)制造技術(shù)之間的關(guān)系
①敏捷制造(Agile Manufacturing, AM)與VM:敏捷制造的基本思想是通過將高素質(zhì)的員工、動(dòng)態(tài)靈活的組織機(jī)構(gòu)、企業(yè)內(nèi)及企業(yè)間的靈活管理以及柔性的先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行全面的集成，使企業(yè)能夠?qū)Τ掷m(xù)變化、不可預(yù)測(cè)的市場(chǎng)要求作出快速反應(yīng)，由此獲得長(zhǎng)期的經(jīng)濟(jì)效益。可見，敏捷制造強(qiáng)調(diào)人、組織、管理和技術(shù)的高度集成，強(qiáng)調(diào)企業(yè)面向市場(chǎng)的敏捷性。VM是敏捷制造的一種實(shí)現(xiàn)手段，是制造企業(yè)增強(qiáng)產(chǎn)品開發(fā)敏捷性，快速滿足市場(chǎng)多元化需求的有效途徑。
②并行工程(Concurrent Engineering, CE)與VM：并行工程是集成地、并行地設(shè)計(jì)產(chǎn)品及相關(guān)的各種過程(包括制造過程和支持過程)的系統(tǒng)方法。這種方法要求產(chǎn)品開發(fā)人員在設(shè)計(jì)開始就考慮在產(chǎn)品的整個(gè)生命周期中，從概念形成到產(chǎn)品報(bào)廢處理的所有因素，包括質(zhì)量、成本、進(jìn)度計(jì)劃、用戶要求等。為達(dá)到并行的目的，應(yīng)建立高度集成的主模型，在許多部分應(yīng)用仿真技術(shù)，而仿真技術(shù)是VM的核心技術(shù)，所以CE的發(fā)展為VM的誕生創(chuàng)造了條件，而VM的發(fā)展又促進(jìn)了CE的實(shí)時(shí)化、可視化。
③精益生產(chǎn)(Lean Production, LP)與VM：精益生產(chǎn)的目的是簡(jiǎn)化生產(chǎn)過程，減少信息量，消除過分臃腫的生產(chǎn)組織，使產(chǎn)品及其生產(chǎn)過程盡量簡(jiǎn)化和標(biāo)準(zhǔn)化。實(shí)行精益生產(chǎn)為虛擬制造的實(shí)施創(chuàng)造了條件。
④綠色制造(Green Manufacturing)與VM：綠色制造是一個(gè)綜合考慮環(huán)境影響和資源效率的現(xiàn)代制造模式，其目標(biāo)是使得產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、制造、包裝、運(yùn)輸、使用到報(bào)廢處理的整個(gè)產(chǎn)品生命周期中，對(duì)環(huán)境的影響(負(fù)作用)最小，資源效率最高。由于VM基本上不消耗資源和能量，也不生產(chǎn)實(shí)際產(chǎn)品，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、開發(fā)和實(shí)現(xiàn)過程都是在計(jì)算機(jī)上完成的，顯然VM為綠色制造提供了一種實(shí)現(xiàn)手段。
從以上分析可以看到，VM及其各種先進(jìn)制造技術(shù)是相互關(guān)聯(lián)、彼此交叉的，AM、LP和CE都是現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)的先進(jìn)制造技術(shù)，它們既為VM創(chuàng)造了條件，又同時(shí)受到VM的影響。同時(shí)它們都離不開網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫的支持。
3.實(shí)施虛擬制造的利益及面臨的難題
(1)實(shí)施虛擬制造的利益
①虛擬制造作為一種哲理、一種制造策略為制造業(yè)的發(fā)展指明了方向。它可以全面改進(jìn)企業(yè)的組織管理工作，提高企業(yè)整體運(yùn)作及全面最優(yōu)決策的效能和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
②可以打破傳統(tǒng)的地域、時(shí)域的限制，通過Internet/Intranet實(shí)現(xiàn)資源共享，變分散為集中，可實(shí)現(xiàn)異地設(shè)計(jì)、異地制造，從而使產(chǎn)品開發(fā)能以快速、優(yōu)質(zhì)、低耗響應(yīng)市場(chǎng)變化。
③通過分析設(shè)計(jì)的可制造性，利用有效的工具和加工方法來支持生產(chǎn)，虛擬制造可以大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和質(zhì)量的穩(wěn)定性。
④由于采用了虛擬生產(chǎn)，使企業(yè)不再需要投入大量的設(shè)備和儀器，從而避免了不必要的設(shè)備閑置，可充分利用其它企業(yè)的先進(jìn)設(shè)備和儀器進(jìn)行生產(chǎn)，能很好地解決一些中小企業(yè)資金短缺的難題。
(2)實(shí)施虛擬制造面臨的難題
①從國家政策方向看，雖然國家對(duì)制造業(yè)十分重視，但由于我國當(dāng)前正處于改革過程中，多種機(jī)制同時(shí)運(yùn)行，在資金使用時(shí)較難協(xié)調(diào)，國家難以投入重金支持虛擬制造技術(shù)研究。
②從研究工作方面看，我國有虛擬制造研究方面存在科研經(jīng)費(fèi)短缺，力量分散，科研成果難以推廣應(yīng)用，人才流失嚴(yán)重等問題。
③從企業(yè)方面看，由于企業(yè)的整體素質(zhì)不高，而先進(jìn)的技術(shù)往往不易取得立竿見影的效果，是一項(xiàng)長(zhǎng)期而艱苦的工作，這影響了企業(yè)應(yīng)用先進(jìn)制造技術(shù)的熱情。另外，企業(yè)人員的素質(zhì)不高也制約了先進(jìn)制造技術(shù)的應(yīng)用。
4.實(shí)施虛擬制造應(yīng)采取的措施
(1)高度重視和全面規(guī)劃
虛擬制造技術(shù)與其它的先進(jìn)制造技術(shù)是相互關(guān)聯(lián)、彼此交叉的，其涉及面廣、技術(shù)難度大，研究及推廣應(yīng)用需要投入大量人力、物力及資金，政府部門應(yīng)從宏觀上加強(qiáng)對(duì)虛擬制造技術(shù)的指導(dǎo)，同時(shí)要使虛擬制造技術(shù)與各種先進(jìn)制造技術(shù)相互銜接、協(xié)調(diào)發(fā)展，盡早制訂符合我國國情的發(fā)展計(jì)劃，最終實(shí)現(xiàn)虛擬制造技術(shù)在我國的廣泛應(yīng)用。
(2)加強(qiáng)人才培養(yǎng)和培訓(xùn)工作
人是先進(jìn)制造的主體，沒有高素質(zhì)的人的參與，再好的技術(shù)也發(fā)揮不了應(yīng)有的作用。因此，企業(yè)應(yīng)樹立以人為本的思想，采用人—機(jī)一體的技術(shù)路線。企業(yè)在培養(yǎng)和引進(jìn)高層次、高質(zhì)量研究型、管理型和開發(fā)應(yīng)用型人才的同時(shí)，還應(yīng)在企業(yè)中大力普及CAD技術(shù)，及時(shí)推行精益生產(chǎn)、并行工程等思想和技術(shù)，全面提高企業(yè)人員的素質(zhì)。
(3)加強(qiáng)關(guān)鍵技術(shù)的研究、開發(fā)和應(yīng)用
虛擬制造技術(shù)包括軟件技術(shù)和硬件技術(shù)，其中建模技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等是實(shí)施虛擬制造的關(guān)鍵技術(shù)。針對(duì)我國科研力量分散的特點(diǎn)，建立分布式網(wǎng)絡(luò)化研究中心，以企業(yè)為主體，產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合，重點(diǎn)投資與自身發(fā)展有關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)的研究，開發(fā)和推廣應(yīng)用。
(4)從企業(yè)實(shí)際出發(fā)，分階段實(shí)施
企業(yè)要實(shí)現(xiàn)虛擬制造，應(yīng)分階段逐步實(shí)行，不能隨便超越階段，要做好全面扎實(shí)的基礎(chǔ)工作，應(yīng)加強(qiáng)CAD、CAPP、CAM、NC、FMC、CAE技術(shù)的研究和推廣應(yīng)用，在全面實(shí)施并行工程的基礎(chǔ)上實(shí)施虛擬制造。
總之，虛擬制造技術(shù)的發(fā)展應(yīng)結(jié)合我國制造業(yè)自身的特點(diǎn)，在吸收國外成熟經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上大膽創(chuàng)新，形成特色發(fā)展。可以預(yù)言，隨著我國對(duì)虛擬制造技術(shù)研究的深入，其應(yīng)用已為期不遠(yuǎn)。