什么是“虚拟制造”---智能制造工程师必须知道的20个概念

什么是“虚拟制造”---智能制造工程师必须知道的20个概念

虚拟制造是20世纪80年代提出的概念，但是“虚拟制造”一词在90年代才第一次突显出来，其部分原因来自美国国防部发起的虚拟制造项目。

在理解什么是虚拟制造之前，我们有必要先了解一下虚拟制造到底是一个怎样的存在。

图上是波音777，它拥有非常多的世界第一。

比如：1994-2013，连续18年从未发生过造成人员死亡的事故，可以飞越大半个地球的客机。

但是我们还需要知道，波音777同时还是有史以来第一架完全在电脑虚拟现实中设计制造的飞机。什么意思呢？原来所有飞机在生产前都会按照设计先做一个一模一样的样机，然后里面各个零部件不断的优化，保证强度、契合、安装空间等等。而这个波音777，是第一个在生产前没有做原理样机的飞机。

说到这，有必要通过一些数据说一下这个意味着什么，300万零部件、用了2200台电脑参与虚拟制造，从90年10月启动到95年4月出厂，只用了5年，而之前飞机的研发生产周期大约是八年。

说一个网上盛传有关波音777的内部故事。我们知道，波音777虚拟制造所用的电脑设备完全由IBM公司所提供。试飞前，波音公司的总裁非常热情的邀请IBM的技术主管去参加试飞，可那位主管却说道：“啊，非常荣幸，可惜那天是我妻子的生日，So......”波音公司的总载一听就生气了：“胆小鬼，我还没告诉你试飞的日期呢！”。

当然，我想IBM那些搞IT的人不会那么怂。那么，虚拟制造是怎么和真实制造发生交联和作用的呢？

我们很清楚，制造的源头是订单和产品的定义，我们称之为生产输入；而制造的过程则受空间环境、制造工艺、制造流程、人财物的约束，我们统称生产约束。

我们有了生产输入和约束后，就可以安排生产了，从排程到过程控制、检测，而其中的很多环节，比如用什么刀具、如何进刀、铸造脱模斜度是否合适，这些都和我们使用的物理设备，包括模具、刀具、机床有关系。

我们可以先在计算机里三维建模，然后用运动模型驱动它活动路径，最后就能知道刀具是否合适、进刀角度怎么才能合适，进刀量是否合适等等。如果没有虚拟制造，这些都需要我们在真实世界里用刀具去试，这个过程就会产生废料、会需要比较长时间的试验。而现在有很多计算机软件帮助快速建模，模拟上述过程，这样可能几分钟就可以得到我们希望得到的结果。

通常我们把虚拟制造的成果称之为数字产品，对应物理世界的实际产品。这个产品有更广泛的定义，不一定是具体制造的那个东西，更多的是制造过程和设备的设计、环境的定义、控制量的设定等等。比如，我们可以用专用软件去设计一个流水线和厂房，满足工艺流程设定，又能提前验证有效性和高效性。我们不能真的建了再修改，费时费力。这就是虚拟制造的作用，用虚拟世界里模拟出真实的东西去验证想法。

那虚拟制造的内涵和技术边界又是怎样的呢？

我画了一张图，从上面可以看到，灰色的两块“计算机仿真”和“虚拟现实”技术是虚拟制造的两大技术版块。其实，很多情况下，虚拟现实技术也是作为“计算机仿真”技术的其中一部分出现的，所以，我们理解虚拟制造就是，利用计算机仿真技术满足制造过程所需的物理呈现方面的虚拟化。因为是物理世界的虚拟映射，那么把虚拟现实技术单独抽出来理解也是可以的。

正如图上所示，计算机仿真通过将真实制造过程中的经验建模，形成数学模型。模型解算过程把结果数据发送到虚拟现实版块，必要时真实制造过程也会把生产过程数据发给虚拟现实版块，虚拟现实版块把这些数据形成可视的图形，也就是三维模型。

你们可能会好奇，这些数据都是些什么数据呢？总共有三类，图形数据、位置数据还有控制数据。图形数据就是三维模型的长宽高，专业点就是点数据、面片栅格数据、体数据等等；位置数据就是三维模型在虚拟场的定位；控制数据则包括观察对象的位移和转动角度、观察人员的视角切换、沉浸角色的漫游路径、以及众多的预设性动作，比如爆炸、切割、溶解、颜色变化等等。总之一句话，虚拟现实是根据仿真结果去呈现可感知的虚拟世界。

而我们可以利用这个虚拟化过程完成什么制造相关事情呢？包括产品设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验、过程管理。我们回到制造本身，一个产品从厂里构思到制造上货架，全过程是：概念设计、原理样机验证、定型、选材开模、工艺设定、厂区规划、流水线设计、设备工具选型加工、原材料加工、部件存取检测、装配包装、仓储物流。

这些都属于制造范畴，而我们所知道的虚拟制造，在其中很多环节都已经得到了应用。而且达到明显的效果，包括：加快产品设计和确保产品性能；优化制造流程；检验和优化制造设备设计/验证工艺设定以保证加工能力。

举一个围绕产品设计的例子。还是飞机设计的，世界顶尖的飞机短舱设计公司赛峰短舱有一个虚拟虚拟现实室，里面配备了两块4米×2.5米的屏幕。其中一块屏幕水平置于地板，使工程师、技术人员和操作员能够更近距离地观看投射到屏幕上的虚拟现实。使用者通过佩戴3D眼镜，可以根据其所在位置对图像进行动态调整，从而观看借助集团内部使用计算机辅助三维交互应用软件（CATIA）CAD所设计的所有零部件的同比例版本。

在生产线设计过程中，每天都用它来验证他们的工装。它的投入使用使技术审核的时间缩短了一半，各类工装预算降低了10％。在虚拟制造的帮助下，A330neo飞机短舱项目工期提前了18个月。

除此之外还有我们熟知的虚拟热成形、虚拟装配、虚拟流体性能分析、仓储物流、甚至于生产线运营还有工厂布局规划，都是虚拟制造的典型应用范畴。

总的来说，可以分为五大类别应用，设计、加工、装配、物流和工厂布局。

从上述例子可以看出，与实际制造相比较，虚拟制造存在两个关键特点，一个是虚拟模型，虚拟模型很容易理解，虚拟制造出来的数字产品，都是计算机视觉产物；

另一个是协同工作。协同工作则需要解释一下，通过将研究和生产对象虚拟化后，很多人就可以坐在电脑前通过快速分享和修改进行协同工作，不用都跑到原理样机前才可以协同工作。比如每个人只负责一部分的设计，自动集成到一起形成最终设计。还有就是，一个人操作的结果可以快速呈现给协同方进行检验、修改，共同完成一项工作。

那么，我们把具体的工作再抽象一下，虚拟制造的目标可以很清晰的分为三个版块：

以设计为中心，目标是优化产品设计过程和结果，虚拟化的对象是产品和设备的参数本身，比如尺寸、材料、形状、质感等；

以生产为中心，目标是优化生产过程，虚拟化的对象是工艺、资源排列、流程系统，比如生产计划、加工过程、物流过程等；

以控制为中心，目标是优化测试过程，虚拟化的对象是过程数据，比如半成品尺寸、刀具磨损、产品重量等。

设计为中心，就是用虚拟化的手段，把我们围绕制造相关要素进行视觉呈现。可以用来比对验证、可以用作装配试错，可以辅助外观改善，可以结构优化，可以厂区规划等等。

比如，这个无风扇交换机的热交换仿真，可以判断产品散热能力是否满足预期；

这个轴承运动学分析，可以判断产品安装干涉；

这个流体分析，可以决策内通结构是否满足。

生产为中心，虚拟制造技术应用则围绕工艺和过程优化，

比如这个切屑形态分析，可以决策刀具和具体工艺参数；

比如这个高级排程，就是结合了人/设备/原料供给等多种制约生产的因素，可以帮助快速决策生产计划和决定采购周期；

比如这个工厂物流仿真，可以帮助决策者快速选择合理的物流方式，比如车辆、传送带，还可以得到具体的时间窗口评估。

以控制为中心，其实就是把生产过程中涉及到临时控制所需要决策的数据抽象出来，做成可感知的声图数形式，帮助生产管控人员快速进行决策。

比如这个管道仿真，一旦把现场流量阀数据同步到这个仿真系统里，我们就可以快速知悉现场情况，可以做故障分析和排除。

比如这个典型的石油化工流程仿真示意，每个探测器数据呈现在故障模型解算帮助下，可以帮助生产管理者快速确立系统的健康运行状态，而执行器工作结果也是对最终生产任务的直接指标，我们能获得精确的生产进度。

比如这个生产监控白板，可以实时体现生产各个关键环节，并以图形化手段呈现运行状态结果，这些都将是生产计划控制的依据。如果输入的数据是虚拟的，那么这个就会很好的体现模拟生产的效率。

现在我们来做一下小测试。

与真实制造相比较，虚拟制造的主要特点是什么？1）依赖的是虚拟模型来进行工作；2）支持分布式协同。按生产阶段，虚拟制造分为哪几类？以设计为中心的虚拟制造，优化产品设计；以生产为中心的虚拟制造，优化生产过程；以控制为中心的虚拟制造，优化测试过程。