虛擬制造是20世紀末在全球制造業(yè)中引起廣泛關(guān)注的一種新的制造方法與模式，其本質(zhì)是以計算機支持的仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)為前提，對產(chǎn)品設(shè)計、工藝規(guī)劃、加工制造等生產(chǎn)過程進行統(tǒng)一建模Ⅲ，在產(chǎn)品設(shè)計階段，實時地、并行地模擬出產(chǎn)品未來制造全過程及其對產(chǎn)品設(shè)計的影響，預(yù)測產(chǎn)品性能、產(chǎn)品制造技術(shù)、產(chǎn)品的可制造性，從而更有效、更經(jīng)濟、柔性靈活地組織生產(chǎn)，以達到產(chǎn)品的開發(fā)周期和成本的最小化，產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量的最優(yōu)化，生產(chǎn)效率的最高化.

　　1 虛擬制造的特點分析

　　1.1虛擬制造與虛擬現(xiàn)實

　　虛擬現(xiàn)實是一種計算機生成的動態(tài)的虛擬環(huán)境，人通過適當?shù)慕涌谥蒙砥渲?，可以參與和操縱虛擬環(huán)境中的對象.虛擬制造強調(diào)虛擬現(xiàn)實(VR)在設(shè)計和制造過程仿真中的應(yīng)用.強調(diào)以一種可視化的直觀的方式增進技術(shù)人員對所設(shè)計的產(chǎn)品或過程的理解，從而發(fā)現(xiàn)其中的問題.

　　1.2虛擬制造與智能制造

　　智能制造的特征是：以制造工業(yè)的各個環(huán)節(jié)的高度柔性與高度集成的方式，通過計算機和模擬人類專家的智能活動，進行分析、判斷、推理、構(gòu)思和決策，旨在取代或延伸制造環(huán)境中人的部分腦力勞動.顯然，虛擬制造是實現(xiàn)智能制造強有力的支撐環(huán)境和有效的支持工具.

　　1.3虛擬制造與虛擬企業(yè)

　　虛擬企業(yè)是以競爭力和信譽度為基礎(chǔ)，選擇合作者分工合作，組成動態(tài)聯(lián)盟，為同一目標共同努力來增強整體競爭能力，達到敏捷制造.虛擬制造可為虛擬企業(yè)協(xié)同提供包括異地設(shè)計、裝配、測試的環(huán)境，特別是基于廣域網(wǎng)的三維圖形的異地快速傳送、過程控制、人機交互等環(huán)境.

　　1.4虛擬制造與數(shù)字制造

　　數(shù)字制造是用信息技術(shù)對實際制造的全面改造和提升，是將產(chǎn)品傳統(tǒng)開發(fā)和制造在計算機上表示出來的技術(shù).虛擬制造雖然也是在計算機上實現(xiàn)實際制造，但它強調(diào)的是實際制造在計算機上的“本質(zhì)實現(xiàn)”，因此，可以說，虛擬制造技術(shù)是實際制造在計算機上的“本質(zhì)實現(xiàn)”技術(shù).

　　從以上的分析中可以看出，各種先進制造技術(shù)是相互關(guān)聯(lián)、彼此交叉、互為補充的.沒有必要也不可能用一個技術(shù)替代另一個，準確地把握其內(nèi)涵，促進其良性發(fā)展才是最重要的任務(wù).

　　2 虛擬制造技術(shù)在工程機械制造技術(shù)中的應(yīng)用

　　虛擬制造技術(shù)不是已有各單項技術(shù)的簡單組合，而是對制造知識進行系統(tǒng)化組織，對工程對象和制造活動進行全面建模，在相關(guān)理論和已積累知識的基礎(chǔ)上實現(xiàn)集成.虛擬制造進展最重要的是在制造業(yè)中的廣泛應(yīng)用.

　　2.1虛擬裝配

　　虛擬裝配采用計算機仿真與虛擬現(xiàn)實技術(shù)，通過仿真模型在計算機上進行仿真裝配，實現(xiàn)產(chǎn)品的工藝規(guī)劃、加工制造、裝配和調(diào)試，它是實際裝配過程在計算機上的本質(zhì)體現(xiàn).虛擬裝配是在虛擬環(huán)境中，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)將設(shè)計的產(chǎn)品三維模型進行預(yù)裝配，在滿足產(chǎn)品性能與功能的條件下，通過分析、評價、規(guī)劃、仿真等改進產(chǎn)品的設(shè)計和裝配的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)產(chǎn)品可裝配性和經(jīng)濟性.

　　據(jù)統(tǒng)計，產(chǎn)品的裝配費用占整個生產(chǎn)成本的30%～50%乃至更高，虛擬裝配技術(shù)將從根本上改變傳統(tǒng)的產(chǎn)品研發(fā)模式，其目的是研究虛擬產(chǎn)品模型的建立和虛擬裝配環(huán)境的建立，并將其應(yīng)用于實際產(chǎn)品的生產(chǎn)技術(shù)研究中，對實際產(chǎn)品的性能和可裝配性等進行評價，從而達到全局最優(yōu)，以縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，降低成本，獲得最大的經(jīng)濟效益.

　　2.2虛擬車間布局設(shè)計

　　制造系統(tǒng)的布局設(shè)計就是在企業(yè)經(jīng)營策略的指導(dǎo)下，針對生產(chǎn)過程，將人員物料及所需的相關(guān)設(shè)備設(shè)施等，做最有效的組合和規(guī)劃，并與其他相關(guān)設(shè)施協(xié)調(diào)，以期獲得安全、效率與經(jīng)濟的操作，滿足企業(yè)經(jīng)營需求.運用面向?qū)ο蟮哪M仿真，可以幫助使用者建立用于規(guī)劃、設(shè)計和流程優(yōu)化的虛擬模型，依據(jù)不同決策變量之組合，分析設(shè)備使用率、系統(tǒng)產(chǎn)能、有效產(chǎn)出率，以及交貨期、成本等策略，達到產(chǎn)能最大化、排程最優(yōu)化、半成品及庫存最小化等目標.

　　圖1～3分別為三一重機使用Flexsim仿真軟件，對規(guī)劃中的7號廠房挖掘機裝配線及高架倉庫進行的模擬.

　　圖1 7號裝配廠房模型全局圖

　　圖2 上車部分裝配線模擬

　　圖3 下車部分裝配線模擬

　　模型中以1格為1 mm2，然后按照實際的設(shè)備、邊線庫、行車、人員的尺寸，體現(xiàn)三維的產(chǎn)品流向和工藝布局.對于廠房內(nèi)不同零件的物流方式分別采用叉車、轉(zhuǎn)運小車、行車、自動導(dǎo)引運輸車(AGV)體現(xiàn)，構(gòu)建存放區(qū)，并且在各道工位設(shè)定了加工時間，配以工位標識.模型數(shù)據(jù)方面，導(dǎo)入下料計劃、物流轉(zhuǎn)運速度及工位月加工能力，最后導(dǎo)出工位的負荷率、AGV小車的使用率、產(chǎn)能統(tǒng)計，目的是尋找瓶頸，并分析規(guī)劃中的裝配線是否滿足預(yù)期的生產(chǎn)要求.對于以上數(shù)據(jù)，可以以圖表的形式查看，也可以以Excel文檔的形式將數(shù)據(jù)導(dǎo)出來。

　　2.3虛擬焊接

　　著焊接技術(shù)的不斷提高，采用虛擬制造與仿真技術(shù)，通過CAD/CAE等技術(shù)把產(chǎn)品的數(shù)據(jù)集成到一個計算機環(huán)境中，對焊接制造系統(tǒng)的物理模型及其相互關(guān)系在計算機中映射，對系統(tǒng)的設(shè)計與分析進行仿真，實現(xiàn)工藝規(guī)劃、加工制造與裝配、設(shè)備選型和質(zhì)量檢驗等焊接產(chǎn)品的制造周期的全部過程.

　　在未焊接之前，所有條件的確定都是根據(jù)經(jīng)驗或者公式估計出來的，而在實際生產(chǎn)中則需要合理有效的參數(shù).為了提高焊接質(zhì)量、縮短產(chǎn)品的開發(fā)時間、提高企業(yè)的效益，有必要定量分析各個參數(shù)會產(chǎn)生什么樣的焊接質(zhì)量，利用有限元分析方法能夠進行有效準確的非線性分析，預(yù)測不同參數(shù)條件下的焊接質(zhì)量.

　　以薄板焊接為例，薄板在焊接過程中經(jīng)歷了焊接熱循環(huán)，焊縫與熱影響區(qū)受周圍低溫金屬的約束產(chǎn)生了焊后等效的壓縮塑性應(yīng)變，這些應(yīng)變直接導(dǎo)致了薄板焊接的變形，采用熱彈塑性有限元法可以確定薄板焊接中失穩(wěn)發(fā)生的位置與時間.圖4為3 mm薄板的焊接熱分析，圖5為失穩(wěn)變形試驗數(shù)據(jù)與計算數(shù)據(jù)的對比，通過試驗值與計算值的對比，可以看出計算與試驗測試結(jié)果一致，計算值與試驗測量值的誤差主要是忽略了收縮引起的角變形、高溫性能等因素.因此，能夠利用熱彈塑性有限元法實現(xiàn)焊接失穩(wěn)變形預(yù)測，從而對生產(chǎn)工藝進行進一步的完善.

　　圖4 焊接薄板的熱分析

　　圖5 計算與試驗結(jié)果

　　3 虛擬制造技術(shù)在工程機械產(chǎn)品研發(fā)中的應(yīng)用

　　虛擬樣機是利用計算機仿真技術(shù)建立的，取代物理樣機進行評估和測試以獲取候選設(shè)計方案特性的等效數(shù)字模型，是存在于計算機中的參數(shù)化“軟模型”，它能像物理樣機一樣，反映最終產(chǎn)品的外觀、結(jié)構(gòu)、動力學(xué)和運動學(xué)等綜合特性.

　　虛擬樣機工程忉以虛擬樣機和虛擬樣機環(huán)境為基礎(chǔ)，將系統(tǒng)工程方法、反求工程方法、優(yōu)化方法、計算機建模仿真技術(shù)、計算機輔助設(shè)計技術(shù)和計算機支持的協(xié)同工作(CSCW)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)等有機地結(jié)合在一起，為產(chǎn)品的全壽命周期設(shè)計和評估提供分布式的集成環(huán)境，以達到優(yōu)化整個設(shè)計周期，節(jié)約開發(fā)成本的目的.

　　3.1利用虛擬樣機技術(shù)對挖掘機進行仿真

　　挖掘機虛擬樣機技術(shù)就是采用系統(tǒng)建模、模型集成、模型的參數(shù)化處理、數(shù)據(jù)接口和仿真實驗等技術(shù)，建立一個包括實際挖掘機中各個子系統(tǒng)的模型，能夠模擬實際系統(tǒng)的各種功能.以此虛擬樣機模型代替實際物理樣機進行各種仿真實驗，得到包括運動學(xué)及動力學(xué)響應(yīng)、液壓系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)等在內(nèi)的各種系統(tǒng)性能參數(shù).

　　根據(jù)圖6所示，三一重機公司CAE工程師采用虛擬樣機技術(shù)平臺建立了單斗反鏟液壓挖掘機整機模型，利用機械、液壓及控制系統(tǒng)模型進行聯(lián)合仿真，基于多體動力學(xué)原理，利用拉格朗日動力學(xué)方程求解其雅可比矩陣，在計算機上再現(xiàn)挖掘、提升、轉(zhuǎn)向、卸土等作業(yè)工況.對液壓缸的摩擦力、油缸動作速度、結(jié)構(gòu)件的強度等指標進行仿真.

　　圖6 利用虛擬樣機技術(shù)對挖掘機工作裝置進行仿真

　　挖掘機的工作要求操作精度和重復(fù)精度，需要確定摩擦力和摩擦因數(shù)以進行控制補償，達到提高作業(yè)精度和運動控制精度的目的.傳統(tǒng)的液壓缸摩擦力測定方法由于是與工作系統(tǒng)分離測定，不能反映液壓缸工作時摩擦力的變化.利用虛擬樣機靜力學(xué)和逆動力學(xué)計算的方法，根據(jù)挖掘機實際工作時的實驗數(shù)據(jù)計算得到各組油缸的摩擦力數(shù)值曲線，較好地反映了挖掘機實際工作時摩擦力的變化情況，找出了摩擦力與運動之間的關(guān)系，為挖掘機的控制提供了一定的依據(jù).

　　虛擬樣機技術(shù)采用數(shù)字仿真進行虛擬產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)，仿真模型的參數(shù)就是物理樣機的設(shè)計參數(shù)，可以用仿真模型代替物理樣機進行設(shè)計參數(shù)的測試評估.因為參數(shù)修改方便，能很容易地實現(xiàn)模型的多樣化，柔性好.圖7利用虛擬樣機技術(shù)對挖掘機的油缸動作速度曲線進行仿真，通過不斷調(diào)整液壓元件的各個參數(shù)，對液壓系統(tǒng)進行優(yōu)化，提高挖掘機的油缸動作速度，進而提升作業(yè)效率.

　　圖7 油缸動作速度響應(yīng)曲線

　　圖8通過虛擬樣機技術(shù)，結(jié)合Craig-Bampton模態(tài)綜合法，對挖掘機的斗桿進行了剛?cè)狁詈戏治黾敖Y(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，最終解決了困擾多年的20 t級挖掘機的斗桿開裂問題，并成功開發(fā)了一款新一代的SY235威猛型工作裝置.

　　圖8 20 t斗桿新結(jié)構(gòu)

　　3.2利用虛擬樣機技術(shù)對礦用機械進行仿真

　　超大型礦用機械在運行時，工況比較惡劣，電控柜等電子控制系統(tǒng)對振動有嚴格的要求，為了提取振動響應(yīng)數(shù)據(jù)，三一重機CAE工程師建立SET230礦用自卸車的整車多體動力學(xué)模型，在計算機上再現(xiàn)車輛在路面上爬坡、轉(zhuǎn)彎、卸貨、過坎等作業(yè)情況，如圖9所示為礦車在30%坡道爬坡時的工作情況.利用虛擬樣機技術(shù)，提取了底盤系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、油氣懸掛及車廂等時間歷程載荷數(shù)據(jù)，控制柜的加速度響應(yīng)數(shù)據(jù).并結(jié)合有限元技術(shù)對車架減重達1 t，大大提高了產(chǎn)品的高速行駛性能與重載作業(yè)性能.

　　圖9 SET230礦車爬坡工況模擬

　　3.3利用虛擬樣機技術(shù)分析蛇行問題

　　輪式機械在運行時，轉(zhuǎn)向輪突然遇到側(cè)向外力或二輪遇到阻力不等時，轉(zhuǎn)向輪會發(fā)生偏擺，而不能迅速回正，車體也隨之改變行駛方向.這種改變具有偶然性與經(jīng)常性.車速愈高，道路條件愈差，此現(xiàn)象愈嚴重.約翰迪爾(John Deere)公司針對工程機械在高速行駛時的蛇行現(xiàn)象以及在重載下機械的自激振動問題，利用虛擬樣機技術(shù)，不僅找到了原因，而且提出了改進方案，并且在虛擬樣機上得到了驗證，大大提高了產(chǎn)品的高速行駛性能與重載作業(yè)性能.

　　3.4利用專用仿真軟件對裝載機進行優(yōu)化設(shè)計及分析

　　世界上最大的工程機械制造商卡特彼勒(Caterpillar)公司的工程師們采用了虛擬樣機技術(shù)，對裝載機和挖掘機的工作裝置進行了優(yōu)化設(shè)計及分析，對其進行了上萬個工位的運動和受力分析僅需要1 d的時間.Caterpillar公司還與美國Iowa大學(xué)聯(lián)合開發(fā)了裝載機專用仿真軟件IDS(Iowa Driving Simulator).裝載機專用仿真軟件IDS在考慮了輪胎和液壓系統(tǒng)作用的前提下，建立裝載機開環(huán)模型，并仿真裝載機行駛過程中的操作性能以及仿真裝載機行走過程中和工作過程中駕駛員的運動.除此之外，利用該專用仿真軟件的圖形用戶界面，還可建立裝載機在礦山路面和礦山場景的虛擬仿真環(huán)境，并且對裝載機仿真模型的參數(shù)，包括底盤參數(shù)、傳動系統(tǒng)參數(shù)、液壓系統(tǒng)參數(shù)和輪胎參數(shù)進行修改.修改所需要研究的參數(shù)后，仿真軟件在虛擬環(huán)境中快速改變設(shè)計參數(shù)，裝載機按照修改后的參數(shù)重新裝配，精確性較高，實時性較強.更重要的是，IDS還考慮到裝載機的發(fā)動機的驅(qū)動液壓馬達，在仿真模型中連接了液壓系統(tǒng)與傳動系統(tǒng)，對裝載機底盤和工作裝置模型進行細化，進一步提高仿真精度.模型仿真工作裝置的工作過程，研究解決了機械系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性能.瑞典的Volvo公司也與瑞典Link6ping大學(xué)、瑞典Royal Institute of Technology等合作，發(fā)展多學(xué)科仿真集成軟件技術(shù)，制訂了虛擬系統(tǒng)編程(VISP)研究項目，解決了很多關(guān)于復(fù)雜工程車輛多學(xué)科仿真問題.VISP目標針對工程人員采用合適的方法，開發(fā)界面友好的動力學(xué)分析研究軟件平臺，進行復(fù)雜工程車輛的建模和準確的仿真.VISP以裝載機為研究對象，仿真內(nèi)容包含裝載機整車機械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和液壓系統(tǒng).

　　4 結(jié)論

　　在工程機械行業(yè)的制造技術(shù)和產(chǎn)品研發(fā)中，引用虛擬制造技術(shù)具有一定的理論創(chuàng)新和實際應(yīng)用意義.它已經(jīng)成為跨學(xué)科、融合各種先進技術(shù)為一體的現(xiàn)代制造支撐技術(shù)之一.在給出虛擬制造技術(shù)的定義、特點等的基礎(chǔ)上，闡述了虛擬制造在制造裝配、車間布局設(shè)計、焊接等工程機械制造技術(shù)中的應(yīng)用，進而介紹了虛擬制造技術(shù)在挖掘機、礦用機械、裝載機等工程機械產(chǎn)品研發(fā)中的應(yīng)用，并對工程機械中的蛇形問題進行了探討.虛擬制造以產(chǎn)品的“軟”模型取代了實物樣機，通過對模型的模擬測試進行產(chǎn)品評估，能夠以較低的生產(chǎn)成本獲得較高的設(shè)計質(zhì)量，縮短了產(chǎn)品的發(fā)布周期，提高了企業(yè)生產(chǎn)效率.企業(yè)的生產(chǎn)因為虛擬制造技術(shù)的應(yīng)用而具有了高度的柔性化和快速的市場反應(yīng)能力，因而市場競爭能力大大增強.作為一種先進的制造模式，虛擬制造的應(yīng)用范圍必然會不斷擴大，給更多的企業(yè)帶來更大的收益.