1 引言
隨著科學技術的發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，產品市場發(fā)生了本質的變化，企業(yè)要想在激烈的市場競爭中站穩(wěn)腳跟，要想讓自己的產品在外觀設計和性能要求等方面捕獲消費者的購買欲，在眾多眼花繚亂的產品中脫穎而出，就要以市場為中心，以用戶需求為導向，采用各種新概念、新思想、新方法、新技術對產品設計、開發(fā)和制造模式進行改進，力求使產品在市場上具有較強的競爭力和生命力。在這種背景下，協(xié)同設計、虛擬制造被眾多企業(yè)廣泛采用，它要求企業(yè)共享產品的設計、制造及生產組織的相關模型信息，借助建模及仿真技術，對產品未來制造過程乃至產品全生命周期的各種活動對產品設計的影響進行模擬，預測產品性能、技術可行性、工藝質量和生命周期等，以便在產品開發(fā)和設計初期能及時發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，避免實際生產造成的損失，有助于企業(yè)的長遠發(fā)展。
2 虛擬制造技術的產生和發(fā)展
科學技術的發(fā)展、市場化程度的加深和用戶多元化的需求在無形中推動了企業(yè)生產模式的變革，早期的大規(guī)模、大批量的生產模式已遠不能滿足市場需求，虛擬制造作為一種新的生產方式，在這種環(huán)境下破殼而出，向人們展示著它鮮活的生命力，圖1描述了虛擬制造的產生。
圖1 虛擬制造的產生
從圖中可以看出，在30～60年代企業(yè)追求的是規(guī)模效益，大規(guī)模、大批量、流水線生產成為制造業(yè)的主流；70年代成本戰(zhàn)更是成為企業(yè)競爭的焦點，很多企業(yè)把低成本、高利潤作為企業(yè)獲勝的標準；80年代隨著人們消費觀念的改變，產品質量成為企業(yè)盈利、吸引用戶的籌碼，很多企業(yè)都采用質量控制技術、全面質量管理技術對產品質量嚴格把關；進入20世紀90年代，許多新概念、新觀點、新名詞爭先跳進人們的視線，如：精益生產、并行工程、敏捷制造和虛擬制造等，它們各有側重，從不同角度，運用不同的方式幫助企業(yè)增強競爭力，提高產品在市場上的占有率。虛擬制造技術作為制造技術與仿真技術相結合的產物，是現(xiàn)代生產的重要組成部分。在經歷了規(guī)模競爭、成本競爭、質量競爭之后，虛擬制造更是憑借先進的信息傳播手段和強大的無形資產的整合能力被很多企業(yè)采用，特別是制造型企業(yè)在產品設計、制造、生產乃至產品生命周期每一個環(huán)節(jié)，大膽嘗試應用虛擬制造技術，以虛擬現(xiàn)實和仿真技術為基礎，通過操縱和控制虛擬環(huán)境中的制造資源．對產品的設計、生產過程統(tǒng)一建模，在計算機上進行模擬和仿真，從而實現(xiàn)對產品制造過程的“預演”，幫助企業(yè)對產品的可加工性進行評價，達到優(yōu)化設計的日的，最大限度縮短產品開發(fā)時間和降低經營風險。
3 基于PLM（產品生命周期管理）的企業(yè)虛擬制造體系的構建
3.1 PLM的內涵
PLM作為產品生命周期管理，已經迅速從一個競爭優(yōu)勢轉變?yōu)楦偁幈匦杵罚瑢τ谶@個發(fā)展很快，又比較陌生的信息化領域，很多人對于它的定義還很模糊，正所謂眾說紛紜，CIMdata認為PLM是一種企業(yè)信息化的商業(yè)戰(zhàn)略。通過實施一整套的業(yè)務解決方案，把人、過程和信息有效地集成在一起，作用于整個企業(yè)，遍歷產品從概念到報廢的全生命周期，支持與產品相關的協(xié)作研發(fā)、管理和使用產品定義信息。Aberdeen認為PLM是覆蓋了從產品誕生到消亡的產品生命周期全過程的、開放的、互操作的一整套應用方案。Collaborative Visions則認為PLM是一種極具潛力的商業(yè)IT戰(zhàn)略，它專注于解決企業(yè)如何在一個可持續(xù)發(fā)展的基礎上，開發(fā)和交付創(chuàng)新產品所關聯(lián)的所有重大問題。AMR的觀點PLM是一種技術輔助策略，把跨越業(yè)務流程和不同用戶群體的那些單點應用集成起來。
對于PLM的定義還有很多，定義的側重點也有所不同，不論PLM是一種商業(yè)策略，還是一種業(yè)務手段，對于企業(yè)來說最根本的一點是如何應用？使之更好的融入企業(yè)現(xiàn)有的生產模式當中，幫助企業(yè)開拓潛在的業(yè)務，從時間上覆蓋產品的設計、制造、裝配、銷售等產品生命周期的各個環(huán)節(jié)，從而縮短產品的研發(fā)速度，快速響應用戶需求。圖2展示了產品從設計、制造、一直到使用的各個環(huán)節(jié)，為企業(yè)虛擬制造體系的構建做好準備工作。
圖2 產品生命周期管理的內容
3.2 基于PLM的企業(yè)虛擬制造體系的構建
企業(yè)對于市場競爭的第一反應就是戰(zhàn)略調整，其中包括管理方法的改進、管理策略的調整、技術體系的優(yōu)化、重組、引入新的生產模式等都成為企業(yè)應對市場競爭的強有力措施。在市場競爭的驅使下，虛擬制造成為企業(yè)競相追逐的焦點。
基于產品生命周期的企業(yè)虛擬制造體系的構建如圖3所示，主要涉及產品開發(fā)的整個生命周期，包括產品決策、設計、制造、測試、使用等，通過借助PLM系統(tǒng)捕捉、管理、訪問和集成不同客戶的需求，并及時將分析后的需求數(shù)據(jù)通過基礎層、數(shù)據(jù)層、應用層、界面層的相互作用，實現(xiàn)信息傳遞、共享，使設計人員在產品設計初期就能準確掌握市場需求和發(fā)展動向，并在虛擬的制造環(huán)境下，以CAD/CAE/CAM等各種仿真軟件為支撐如圖4所示，通過計算機網絡，實現(xiàn)產品設計、性能分析、制造裝配等，從而縮短產品上市時間、快速響應市場需求。
圖3 基于產品生命周期的虛擬制造體系結構
圖4 虛擬制造支撐軟件
基礎層：是虛擬制造體系的最底層，由企業(yè)基本網絡和數(shù)據(jù)交換協(xié)議組成，承擔著數(shù)據(jù)信息交換、傳輸和資源共享的重擔，為企業(yè)虛擬制造體系的構建提供了最底層的支持。
數(shù)據(jù)層：主要由數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、知識庫系統(tǒng)及其他軟硬件層和環(huán)境組成，其中知識庫系統(tǒng)集成了海量的與設計、制造相關的理論知識、實驗數(shù)據(jù)、定理、運算法則及常識性知識等，方便設計人員查閱、使用；數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)則包括面向PLM產品設計數(shù)據(jù)庫、環(huán)境影響評價數(shù)據(jù)庫、材料選擇數(shù)據(jù)庫等重要的虛擬制造的支撐數(shù)據(jù)庫，這些數(shù)據(jù)庫和知識庫是虛擬制造順利、有效實施的依據(jù)和準則。
應用層：主要包括虛擬產品設計系統(tǒng)、虛擬工藝設計系統(tǒng)、虛擬制造執(zhí)行系統(tǒng)、虛擬裝配系統(tǒng)、虛擬測試系統(tǒng)、虛擬使用系統(tǒng)、虛擬回收系統(tǒng)。以產品的全局最優(yōu)化為目標，以計算機支持的仿真技術為前提，對產品設計、制造、回收等全生命周期進行統(tǒng)一建模，在應用層，大量使用各種建模、仿真、分析技術和工具，結合用戶需求先做出三維模型，然后通過虛擬仿真技術，對虛擬產品原型的結構、功能、性能等在虛擬環(huán)境下進行仿真，對于可能出現(xiàn)的問題，予以及時有效的解決。
界面層：借助界面層，設計人員可以在產品設計開發(fā)初期讓用戶參與進來，這樣用戶需求通過界面層傳遞給設計人員，設計人員在接到用戶反饋和用戶需求信息后，實時調整設計方案，提高產品競爭力。
4 結論
虛擬制造作為一種新的制造模式，深受企業(yè)的青睞。企業(yè)設計開發(fā)人員可以在虛擬制造環(huán)境下，結合用戶需求，借助CAD/CAE/CAM基礎軟件、仿真軟件和建模技術對產品設計、開發(fā)、制造等各個環(huán)節(jié)進行仿真，優(yōu)化資源，對于可能出現(xiàn)的問題，設計人員可以及時調整、修改設計方案，避免實際投產損失，在時間上大大縮短設計開發(fā)周期，加快產品上市速度，從而可以幫助企業(yè)實現(xiàn)快速設計、快速生產、快速響應。
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