1.虚拟制造系统的概念

    虚拟制造是知识经济时代制造技术创新的重要标志。“虚拟制造”是一种全新概念，它是在高性能计算机及高速网络的支持下，采用计算机仿真与虚拟现实技术，以群组协同工作方式，为工程师们提供了从产品概念的形成、设计到制造全过程的三维可视及交互的环境，在计算机上实现产品制造的本质过程，包括产品的设计、性能分析、工艺规划、加工制造、质量检验，并进行过程管理与控制，通过计算机虚拟模型来模拟和预估产品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的问题，使得制造技术走出工业经济时代主要依翰于原材料物化的狭小天地，发展到基于信息、知识的***预报的新阶段。

    制造是将原材料转换为人们所需要的产品的工艺活动，制造的过程实际上就是原材料在受控状态下增加信息转换为产品的过程，原材料本质上只是记录信息的载体，产品是产品信息的物化与集成。因而，信息是规范制造过程和决定产品特性的关键性囚素，产品的性质是由人们注入的信息所决定的。产品信息就是产品实物的“灵魂”；产品信息与产品实物具有某种程度上的等价性.从这个意义上说，制造系统也是一种信息处理系统，其本质就是通过制造过程将制造信息“刻录”在原材料上，使之转换为对人类有用的产品。

    产品越复杂，所包含的信息量也就越大。在现代社会中，由于需求的个性化趋势增强，导致了产品功能品种的多样化、复杂化。要制造出复杂的功能多样的产品，就必然要将规范功能的大量的信息物化到材料中。

    因此，虚拟制造系统(Virtual Manufacturing System, VMS)需要仿真产品生命全程中的各种特性以及与此相关的制造环境、制造企业的各种活动。这就必然规定了虚拟制造系统是一个结构相当复杂的系统。作为现实制造系统在虚拟环境下的映射，它需要表现出现实制造系统所具有的一切特征、功能及运行机制。

    2.基于PDM集成的虚拟制造系统结构

    国家CIMS中心在综合目前国内外关于虚拟制造的研究成果的基础上，提出了一个虚拟制造体系结构，即基于PDM集成的虚拟制造、虚拟生产、虚拟企业框架结构，归纳出虚拟制造的目标是对产品的“可制造性”、“可生产性”和“可合作性”的决策支持.如图6-11所示。

                      图6-11基于PDM集成的虚拟制造系统结构

    所谓“可制造性”是指所设计的产品(包括零件、部件和整机)的可加工性(铸造、冲压、焊接、切削等)和可装配性：而“可生产性”是指企业在已有资源(广义资源，如：设备、人力、原材料等)的约束条件下，如何优化生产计划和调度，以满足市场或顾客的要求；考虑到制造技术的发展，虚拟制造还应对被喻为21世纪的制造模式“敏捷制造”提供支持，即为企业动态联盟的“可合作性”提供支持.而且，上述三个方面对一个企业来说是相互关联的，应该形成一个集成的环境.因此，应从三个层次，即“虚拟制造”，“虚拟生产”，“虚拟企业”，开展产品全过程的虚拟制造技术及其集成的虚拟制造环境的研究，包括产品全信息摸型、支持各层次虚拟制造的技术并开发相应的支撑平台、以及支持三个平台及其集成的产品数据管理技术。

      (1)虚拟制造平台

    该平台支持产品的并行设计、工艺规划、加工、装配及维修等过程，进行可加工性分析(包括性能分析、费用估计，工时估计等)和可装配性分析。它是以全信息模型为墓础的众多仿真分析软件的集成，包括力学、热力学、运动学、动力学等可制造性分析，具有以下研究环境：

    .基于产品技术复合化的产品设计与分析，除了几何造型与特征造型等环境外，还包括运动学、动力学、热力学模型分析环境等。

    .基于仿真的零部件制造设计与分析，包括工艺生成优化、工具设计优化、刀位轨迹优化、控制代码优化等。

    .基于仿真的制造过程碰撞干涉检验及运动轨迹检验一虚拟加工、虚拟机器人等：

    .材料加工成形仿真，包括产品设计，加工成形过程温度场、应力场、流动场的分析.加工工艺优化等。

    .产品虚拟装配，根据产品设计的形状特征，精度特征，三维真实地模拟产品的装配过程，并允许用户以交互方式控制产品的三维真实模拟装配过程，以检验产品的可装配性。

    (2)虚拟生产平台

    该平台将支持生产环境的布局设计及设备集成、产品远程虚拟测试、企业生产计划及调度的优化.进行可生产性分析。

    .虚拟生产环境布局，根据产品的工艺特征、生产场地、加工设备等信息，三维真实地模拟生产环境，并允许用户交互地修改有关布局，对生产动态过程进行模拟，统计相应评价参数，对生产环境的布局进行优化。

    .虚拟设备集成，为不同厂家制造的生产设备实现集成提供支撑环境，对不同集成方案进行比较。

    .虚拟计划与调度，根据产品的工艺特征，生产环境布局，模拟产品的生产过程，并允许用户以交互方式修改生产排程和进行动态调度，统计有关评价参数，以找出最满意的生产作业计划与调度方案。

    3.虚拟企业平台

    被预言为21世纪制造模式的敏捷制造，利用虚拟企业的形式，以实现劳动力、资源、资本、技术、管理和信息等的**配置，这就给企业的运行带来了一系列新的技术要求。虚拟企业平台为敏捷制造提供这种可合作性分析支持。

    .虚拟企业协同工作环境，支持异地设计、装配、测试的环境，特别是荃于

广域网的三维图形的异地快速传送、过程控制、人机交互等环境。

    .虚拟企业动态组合及运行支持环境，特别是Internet与Internet下的系统集

成与任务协调环境。

    4.基于PDM的虚拟制造集成平台

    如图6-12所示，虚拟制造平台应其有统一的框架、统一的数据模型，并具有开放的体系结构。

    .支持虚拟制造的产品数据模型，包括虚拟制造环境下产品全局数据模型定义的规范，多种产品信息(设计信息、几何信息、加工信息、装配信息等)的一致组织方式。

    .基于产品数据管理(PDM)的虚拟制造集成技术，提供在PDM环境下，“零件工部件虚拟制造平台”、“虚拟生产平台”、“虚拟企业平台”的集成技术研究环境。

    .基于PDM的产品开发过程集成，提供研究PDM应用接口技术及过程管理技术，实现虚拟制造环境下产品开发全生命周期的过程集成。

 图6-12墓于五月协议的VM的集成平台

    5.基于PDM的虚拟样机管理平台

    (1)虚拟样机技术

    虚拟样机技术(Vutual Prototyping, VP)是一种基于产品的计算机仿真模型的数字化设计方法。应用计算机技术、仿真技术和集成技术等，将分散的产品设计开发和仿真过程集成在一起，在虚拟环境中直观、形象地对虚拟的产品原型进行设计优化、性能测试、制造仿真和使用仿真，为产品的研发提供了一个全新的设计方法。可以显著地提高设计质量、降低产品开发成本，极大地提高企业的创新能力、竞争能力和经济效益。

    采用虚拟样机设计方法可以在产品的概念设计阶段就迅速地分析(如产品静态性能中的刚度分析、强度分析和产品动态性能中的碰撞分析等)、比较多种设计方案.确定影响性能的敏感参数，并通过可视化技术设计产品、预测产品在真实工况下的特征以及所具有的响应，直至获得**工作性能。虚拟样机设计方法有助于摆脱对物理样机的依赖。通过计算机技术建立产品的数字化模型(即虚拟样机)，以完成无数次物理样机无法进行的虚拟试验(多数情况下是成本和时间条件不允许)，从而无需制造及试验物理样机就可获得**方案，因此不但减少了物理样机的数最，而且缩短了研发周期、提高了产品质量。

      (2)虚拟样机系统的管理平台

    管理平台系统与CAD系统之间的数据传输是通过符合ISO(STEP或IGES文件格式等)要求的交换文件进行的。此时，可以通过利用前置处理程序将有关的数据写入传输文件，然后利用后置处理程序从传输文件中读取有关的数据。通信的方式与调用或打开应用软件的方式有关，如可以采用同步程序通信的方式。在管理平台端，由一些标准对象和消息负责进行数据库和交换文件之间的数据传输。管理平台系统通过其提供的通用应用程序接口(API)与一些重要的标准应用软件集成(图6-13)；对于个别特殊的CAD系统，则可供借助专用接口完成其与管理平台间的数据交换。

                  图6-13利用通用接口进行CAD集成的虚拟样机管理平台

    管理平台系统通过开发接口和集成工具箱将外部应用软件作为一个个对象封装和集成到系统中，使不同的应用软件系统之间能够共亨信息和实现对应用系统产生的数据的统一管理。在仿真过程中，利用管理平台系统和网络可将铁路机车车辆的仿真过程置于受控状态，即一方面允许被授权的用户方便、快捷地存取和管理他们所需要的各种数据，一方面又阻止未经授权的用户越权存取数据，确保产品开发数据的安全。管理平台系统通过对产品开发中的各类人员的角色、权限的指派，使得他们能集中精力，商效率地从奉各自的工作，在产品开发过程中发生的每一个事件都及时、准确地通知到相关的人员。

    管理平台系统的重要功能：数据和文档管理、过程管理和应系统集成等在此处得以充分发挥：3D建模者利用管理平台系统选择并整理发送给接收者的数据，被传送的数据可以是建模工具自身默认的格式及其管理平台描述数据。如果数据提供方和数据接收方使用不同的计算机应用系统，那么还可以将所传送的信息转换成一个中性的数据格式，如DFX, TGES, VDA-FS或STEP等。管理平台系统能够对己集成的应用系统所产生的模型数据进行普理，井且在必要时将有关数据分配给相应的数据处理系统，并考虑到用户的访问权限。

    在数据流上层，引入管理平台(Product Data Management, PDM)系统，完成3D建模工具的集成与封装，以实现工具的互操作，以及工具间的数据集成和过程集成，管理平台作为集成框架，提供了工具集成和工具封装机制。

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