伴隨著制造業迅猛發展而形成的生產消費模式，正過度消耗著大量不可再生的資源，破壞著人類的生存環境。因此，發展與資源、環境的和諧，以及社會經濟的可持續發展，就成為全球性的產業結構調整的戰略導向，即向資源利用合理化、廢棄物產生少量化、環境影響無害化的方向發展。至此，運用先進技術和產業化生產，使報廢產品高質量地再生，是對產品附加值(包括能量、勞動、材料)的最優化資源回收方式，即再制造就成為必然的發展趨勢。而虛擬再制造技術是再制造設計發展的必要途徑，也是其作為先進制造技術的重要特征。

　　1 虛擬再制造的相關定義

　　(1)虛擬制造的定義。虛擬制造是先進制造技術發展的必然結果，本質上屬于仿真技術，是各種制造仿真技術的系統集成。它在CAD/CAM/CAE、CIMS、CE等技術的基礎之上發展，即利用仿真與虛擬現實等技術，在高性能計算機及高速網絡的支持下，采用群組協同工作，通過模型來模擬和預估產品功能、性能及可加工性等各種可能存在的問題，實現產品制造的本質過程，包括產品的設計、工藝規劃、加工制造、性能分析、質量檢驗、并進行過程管理與控制等。

　　(2)再制造的定義。再制造(Remanufacturing)是指通過回收、拆卸、分揀、清洗、噴涂、翻修及再裝配等環節，修復或改造廢舊產品，恢復零部件或產品性能的技術和活動。

　　(3)虛擬再制造的定義。虛擬再制造融合了虛擬制造與再制造的特點，結合虛擬環境和過程仿真技術，是在計算機內構造虛擬的再制造系統模型，進行實際再制造過程的模擬，預估出再制造產品未來的性能、再制造全過程及其對產品設計的影響，從而作出前瞻性的決策與控制方案，實現再制造產品總體優化目標。虛擬再制造不是實際的再制造，但能實現實際再制造的本質過程。它是實際制造在計算機上的虛擬實現，依托軟件，結合硬件，從舊零件到再制造品的設計，對于再制造中的產品檢測、加工、控制、試驗和管理等過程來進行虛擬仿真，并得出再制造品的可再制造性、加工的可行性、再制造的可靠性以及經濟性。在此基礎之上，作出最優決策，從而進一步降低再制造的人力、物力、財力的綜合成本，節約資源，以此來提高再制造在企業中的廣泛適用性，促進循環經濟的發展。

　　2虛擬再制造的研究現狀以及層次劃分

　　2.1虛擬再制造的研究現狀

　　理論方面，2003年崔培枝、姚巨坤等根據虛擬再制造的特點，并參照虛擬制造的研究內容，提出了虛擬再制造定義，并探討了虛擬再制造研究的體系框架。2008年胡仲翔、滕家緒等對虛擬再制造工程的發展及關鍵技術做了研究，進一步分析了虛擬再制造的特點，闡述了虛擬再制造體系結構，并提出了實現的關鍵技術。

　　實踐方面，日本、德國、美國等發達國家在虛擬制造技術方面的研究，為仍屬于起步階段的虛擬再制造發展奠定了基礎。在再制造領域，虛擬現實技術的直觀與交互性可以彌補傳統設計分析工具的不足，為虛擬裝配、虛擬加工提供有力的支持。在我國，隨著再制造工程的發展，虛擬再制造逐步成為其研究的重點之一，并且被列為國家自然科學基金重點項目《再制造基礎理論與關鍵技術》的子課題。清華大學國家CIMS工程技術研究中心實現了仿真虛擬裝配支持系統(Virtual Assembly Support System,VASS)。浙江大學CAD&CG國家重點實驗室采用CAVE系統建立了一個完全沉浸式的虛擬裝配原型系統IVAS。同時，裝備再制造技術國防科技重點實驗室設立了虛擬檢測研究室，胡仲翔等進行了設備制配零件的虛擬再制造數控加工研究，完成了數控系統幾何建模、數控系統運動建模、數控車削加工過程仿真等工作，開發了基于Windows系統下的B-CNC系統的數控車削加工仿真系統。

　　綜上，虛擬再制造理論和實踐的日趨成熟，為其進一步的發展打下了堅實基礎。

　　2.2虛擬再制造研究內容的層次劃分

　　虛擬再制造包括實現再制造過程中的虛擬檢測、虛擬加工、虛擬維修、虛擬裝配、虛擬控制、虛擬實驗、虛擬管理等再制造本質過程161。根據該過程，可以將其具體的研究內容劃分為如下3個層次(如圖l所示)。

　　▲圖1虛擬再制造的3個層次

　　(1)宏觀層是通過虛擬整個制造系統中的物流、信息流，明確各單元間的關系和約束條件等，包含了生產企業的所有活動和用戶的消費過程，是在宏觀上高層次系統仿真。

　　(2)中觀層是指對再制造系統的仿真和再制造品的加工過程仿真。包含了再制造的工藝規程，生產系統的虛擬布局、虛擬調度以及具體加工過程的一系列仿真，它是在宏觀層的基礎上，對虛擬再制造過程的進一步具體細化。

　　(3)微觀層是指加工過程中再制造系統的各種微觀特性的變化的仿真，如鑄造(鍛壓)成型過程中材料的微觀現象仿真等。通過微觀層的虛擬，預測出再制造的相關特性來有效地進行質量控制與改進。

　　3虛擬再制造關鍵技術及特點

　　關鍵技術主要包括：信息挖掘技術、再制造虛擬加工建模技術、最優決策理論與技術、虛擬環境及虛擬再制造加工過程技術、虛擬質量控制與檢測技術、基于虛擬實現與多媒體的可視化技術、虛擬再制造企業的管理策略與技術等內容(如圖2所示)，其特點如下。

　　▲圖2虛擬再制造的關鍵技術

　　(1)信息挖掘技術是實現前提。虛擬再制造包含了再制造的整個過程，參與者繁多。如圖3所示，每個節點代表了原制造和再制造等同類型多個企業，各節點之間進行技術、人員等信息的采集與反饋，最終構建繁復的信息網絡。虛擬再制造必須建立在其之上，并在繁雜的信息中挖掘有價值的來確保虛擬再制造設計及實現的合理性。

　　(2)再制造虛擬加工建模技術是基礎。虛擬再制造建立在計算機技術之上，要針對質量特性不同的原材料合理建模，統一數據結構。所建模型要包含形狀、性能、特征。緊密聯系各個模型之間的關系，從而為虛擬再制造的各個環節提供數據化、電子化的技術基礎。

　　(3)最優決策理論與技術是關鍵。加工對象的特殊性決定了再制造過程中會產生多種可行方案，如何利用計算機仿真技術來虛擬實現這些方案，預估相應的結果，再根據數學模型建立的優化方法作出最優的決策，進而降低甚至免除實際加工的相應成本，提高質量可控性和縮短再制造的周期，使綜合效益最大化，就成為虛擬再制造的關鍵所在。

　　(4)虛擬質量控制與檢測技術是必要保證。再制品的質量是一個動態、變化、發展的過程，受到諸多因素的影響。如何在虛擬加工過程中根據虛擬仿真得到的幾何參量、機械參量和物理參量的動態模型進行檢測和控制，以及對再制造產品的虛擬實驗測試，就成為虛擬再制造的必要保證。虛擬再制造的質量管理立足于整個過程的各個環節，運用全面質量管理的PDCA循環，利用虛擬仿真技術從再制造的計劃到具體加工、檢查、處理再到計劃逐一控制，以此來調整加工工藝，減少誤差，提高再制造的質量管理水平，如圖4所示。

　　(5)基于虛擬實現與多媒體的可視化能較為直觀地體現再制造的過程，展示出虛擬再制造的成品。采用多媒體手段，實現虛擬再制造在計算機上的仿真，將可視化、臨場感、交互、激發想象結合到一起產生沉浸感，這是虛擬再制造實現直觀的人機協同交互的重要方面。

　　(6)虛擬再制造企業的管理策略與技術是發展趨勢。虛擬再制造企業是根據企業參與市場競爭的需要，在強調快速和柔性的前提下提出的一種先進的生產組織模式。它結合再制造工程和虛擬企業的優點，對虛擬再制造的設計、生產和管理過程的仿真，以及對再制造企業管理策略的虛擬。

　　4虛擬再制造與實際制造、虛擬制造的關系

　　虛擬再制造是將虛擬技術應用到再制造的過程之中，融合兩者的優點，對廢舊原材料的回收、拆卸和設計、裝配工藝、再制造加工過程及質量檢測的仿真，以計算機為基礎來虛擬整個再制造過程，其開發運行環境，如圖5所示。

　　目標系統層主要是確定虛擬再制造的設計、生產和運行環境方面的具體目標，然后通過虛擬再制造模型層的相關模型，最終構建出再制造活動模型和再制造品以及再制造過程模型。基于上述開發與運行的環境，虛擬再制造與實際再制造的生產模式的流程及關系如圖6所示。虛擬再制造利用模型，計算機得到最優決策，從而指導實際再制造。實際制造的結果和暴露出來的問題又是虛擬再制造的實踐，不斷促進產品的設計，優化虛擬的過程。

　　表1中針對虛擬再制造、實際再制造和虛擬制造的加工方式、對象等9個方面做了對比。結果顯示，雖然虛擬環境較復雜，原材料來源的不確定和質量特性的個體差異，使虛擬再制造在技術上有了更高的要求，卻能夠確保問題的及時發現、方案的精進優化和整個周期的壓縮，在資源的使用上更加的高效，成本更低。此外，依托計算機數字化，虛擬再制造的整個過程可以實現信息的共享，相互交流促進，提高傳遞的速度與質量，使再制造更好地實現快捷、優質和低耗，從而適應市場需求的變化。

　　表1 虛擬再制造、虛擬制造和實際再制造對比表

　　5虛擬再制造與其他先進制造的關系

　　隨著以信息集成為核心的計算機集成制造技術的發展，多種先進制造應運而生并日趨成熟。它們均以計算機網絡和工程數據庫等為依托，與虛擬再制造相互關聯、相互促進。

　　(1)虛擬再制造與精益生產(Lean Production)。精益生產力求以最低成本生產出最高品質的產品，這里的“精益”是一種理念，也是通過持續的消除浪費向客戶提供完美價值的過程。這與虛擬再制造的追求理念完全一致，實現再制造生產過程的簡化，更有利于虛擬再制造建模仿真的實現，利用虛擬的技術手段使得再制造的過程不斷的向“精益化”發展。

　　(2)虛擬再制造技術與并行工程(Concurrent Engineefing)。并行工程把傳統的制造與計算機、自動化技術相結合，從根本上改變傳統的產品開發模式。并行工程是虛擬再制造技術的基礎，它的發展為虛擬再制造技術的誕生創造了條件。在實際再制造之前，虛擬再制造預計出再制品的可制造性、可裝配性、可測試性等，從而優化決策，縮短周期，提高質量，降低成本。

　　(3)虛擬再制造技術與綠色制造Green Manufacture)。綠色制造是一個綜合考慮環境影響和資源利用效率的先進制造模式。即在滿足產品功能、質量等要求的前提下，做到對環境產生的負面影響最小化，對資源利用效率最大化，并盡可能地使廢棄物資源化和無害化，從而使系統經濟效益和社會效益達到最優。它是可持續發展戰略在制造業中的體現，代表了現代制造業的發展方向。而再制造的過程本身就是循環經濟與可持續發展的體現，虛擬再制造技術更是在此基礎上的一種提高。綠色制造在虛擬再制造技術中必定擔當著重要的角色，是實施可持續發展戰略的重要組成部分。

　　(4)虛擬制造技術與敏捷制(Agile Manufacturing)。敏捷制造理論的基本含義是以柔性生產技術和動態聯盟結構的特點，以高素質、協同良好的工作人員為核心，實施企業間的網絡集成，形成快速響應市場的社會化制造體系。它著眼于小規模模塊化組合和企業間合作生產，發揮眾多特長企業的優勢來適應變化多端的市場需求，把宏觀的國際市場需求與具體的企業生產密切結合，充分發揮人的因素，及時抓住機遇，快速響應市場。而這些實現的基礎在于虛擬企業的建立和虛擬制造技術的應用。虛擬再制造作為現代制造業的不可或缺的方面，也是促進敏捷制造的有力途徑。

　　6虛擬再制造的應用前景

　　利用關鍵技術的虛擬性、高效性、仿真性等特點，以虛擬再制造技術來指導實際再制造，使虛擬制造的優勢在再制造工程中充分發揮，從而促進循環經濟的發展，這是虛擬再制造的最終目的。與此應運而生的虛擬再制造企業，必將隨著市場的發展形成虛擬的動態戰略聯盟，即圍繞再制造品的開發與生產，利用不同地域、不同地點的現有資源、企業或工廠，以再制造為手段快速地響應市場的需求，謀求競爭優勢。它是具有集成性和實效性兩大特點的經濟實體，能夠更加突出虛擬再制造的優勢。這種在地域上分散實質上高度集中的先進模式，必須以計算機網絡技術為基礎，進而綜合先進制造技術的優勢，其特點如下。

　　(1)業務功能的虛擬化。在虛擬再制造企業的組織形態下，再制造全過程的各種功能將以多種形式借助于聯盟成員分工實現，最后再進行實際組合和集成。而不依靠企業內部這些功能的具體執行機構。在這種情況下，企業可以更加專注于市場目標。

　　(2)組織的虛擬化。虛擬再制造企業的結構不再是固定不變的，逐步傾向于分布化，根據目標和環境的變化進行組合，動態地調整組織結構，這也更加利于再制造資源的利用。

　　(3)地域的虛擬化。憑借信息網絡，再制造的信息流和物流等可以在虛擬再制造企業聯盟中流通，從而大大降低傳統模式的地域障礙。

　　總之，不同的再制品選用不同的企業，發揮動態聯盟的合作優勢，最大限度地優化資源的整合與配置，這樣可以彌補再制造企業規模較小、發展有限的劣勢。利用計算機網絡的連接溝通，在虛擬聯盟之間實現高效的信息共享，促進虛擬再制造的發展。聯盟分工合作的模式，將使再制造的生產模式更加靈活多變，適應性更強。這里需要強調的是動態聯盟的核心問題是盟友選擇問題，即虛擬再制造企業在實際運行之前，必須分析評估出這個聯盟的組合協調性與合理性，明確投產后的風險與收益等。真正地依靠網絡技術組成的經濟實體的合理性，從而才能立足于多變的市場發揮優勢。