虛擬制造是20世紀末在全球制造業中引起廣泛關注的一種新的制造方法與模式，其本質是以計算機支持的仿真技術和虛擬現實技術為前提，對產品設計、工藝規劃、加工制造等生產過程進行統一建模Ⅲ，在產品設計階段，實時地、并行地模擬出產品未來制造全過程及其對產品設計的影響，預測產品性能、產品制造技術、產品的可制造性，從而更有效、更經濟、柔性靈活地組織生產，以達到產品的開發周期和成本的最小化，產品設計質量的最優化，生產效率的最高化.

　　1 虛擬制造的特點分析

　　1.1虛擬制造與虛擬現實

　　虛擬現實是一種計算機生成的動態的虛擬環境，人通過適當的接口置身其中，可以參與和操縱虛擬環境中的對象.虛擬制造強調虛擬現實(VR)在設計和制造過程仿真中的應用.強調以一種可視化的直觀的方式增進技術人員對所設計的產品或過程的理解，從而發現其中的問題.

　　1.2虛擬制造與智能制造

　　智能制造的特征是：以制造工業的各個環節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、構思和決策，旨在取代或延伸制造環境中人的部分腦力勞動.顯然，虛擬制造是實現智能制造強有力的支撐環境和有效的支持工具.

　　1.3虛擬制造與虛擬企業

　　虛擬企業是以競爭力和信譽度為基礎，選擇合作者分工合作，組成動態聯盟，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協同提供包括異地設計、裝配、測試的環境，特別是基于廣域網的三維圖形的異地快速傳送、過程控制、人機交互等環境.

　　1.4虛擬制造與數字制造

　　數字制造是用信息技術對實際制造的全面改造和提升，是將產品傳統開發和制造在計算機上表示出來的技術.虛擬制造雖然也是在計算機上實現實際制造，但它強調的是實際制造在計算機上的“本質實現”，因此，可以說，虛擬制造技術是實際制造在計算機上的“本質實現”技術.

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

　　2 虛擬制造技術在工程機械制造技術中的應用

　　虛擬制造技術不是已有各單項技術的簡單組合，而是對制造知識進行系統化組織，對工程對象和制造活動進行全面建模，在相關理論和已積累知識的基礎上實現集成.虛擬制造進展最重要的是在制造業中的廣泛應用.

　　2.1虛擬裝配

　　虛擬裝配采用計算機仿真與虛擬現實技術，通過仿真模型在計算機上進行仿真裝配，實現產品的工藝規劃、加工制造、裝配和調試，它是實際裝配過程在計算機上的本質體現.虛擬裝配是在虛擬環境中，利用虛擬現實技術將設計的產品三維模型進行預裝配，在滿足產品性能與功能的條件下，通過分析、評價、規劃、仿真等改進產品的設計和裝配的結構，實現產品可裝配性和經濟性.

　　據統計，產品的裝配費用占整個生產成本的30%～50%乃至更高，虛擬裝配技術將從根本上改變傳統的產品研發模式，其目的是研究虛擬產品模型的建立和虛擬裝配環境的建立，并將其應用于實際產品的生產技術研究中，對實際產品的性能和可裝配性等進行評價，從而達到全局最優，以縮短產品研發周期，降低成本，獲得最大的經濟效益.

　　2.2虛擬車間布局設計

　　制造系統的布局設計就是在企業經營策略的指導下，針對生產過程，將人員物料及所需的相關設備設施等，做最有效的組合和規劃，并與其他相關設施協調，以期獲得安全、效率與經濟的操作，滿足企業經營需求.運用面向對象的模擬仿真，可以幫助使用者建立用于規劃、設計和流程優化的虛擬模型，依據不同決策變量之組合，分析設備使用率、系統產能、有效產出率，以及交貨期、成本等策略，達到產能最大化、排程最優化、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，然后按照實際的設備、邊線庫、行車、人員的尺寸，體現三維的產品流向和工藝布局.對于廠房內不同零件的物流方式分別采用叉車、轉運小車、行車、自動導引運輸車(AGV)體現，構建存放區，并且在各道工位設定了加工時間，配以工位標識.模型數據方面，導入下料計劃、物流轉運速度及工位月加工能力，最后導出工位的負荷率、AGV小車的使用率、產能統計，目的是尋找瓶頸，并分析規劃中的裝配線是否滿足預期的生產要求.對于以上數據，可以以圖表的形式查看，也可以以Excel文檔的形式將數據導出來。

　　2.3虛擬焊接

　　著焊接技術的不斷提高，采用虛擬制造與仿真技術，通過CAD/CAE等技術把產品的數據集成到一個計算機環境中，對焊接制造系統的物理模型及其相互關系在計算機中映射，對系統的設計與分析進行仿真，實現工藝規劃、加工制造與裝配、設備選型和質量檢驗等焊接產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經驗或者公式估計出來的，而在實際生產中則需要合理有效的參數.為了提高焊接質量、縮短產品的開發時間、提高企業的效益，有必要定量分析各個參數會產生什么樣的焊接質量，利用有限元分析方法能夠進行有效準確的非線性分析，預測不同參數條件下的焊接質量.

　　以薄板焊接為例，薄板在焊接過程中經歷了焊接熱循環，焊縫與熱影響區受周圍低溫金屬的約束產生了焊后等效的壓縮塑性應變，這些應變直接導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發生的位置與時間.圖4為3 mm薄板的焊接熱分析，圖5為失穩變形試驗數據與計算數據的對比，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焊接失穩變形預測，從而對生產工藝進行進一步的完善.

　　圖4 焊接薄板的熱分析

　　圖5 計算與試驗結果

　　3 虛擬制造技術在工程機械產品研發中的應用

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

　　虛擬樣機工程忉以虛擬樣機和虛擬樣機環境為基礎，將系統工程方法、反求工程方法、優化方法、計算機建模仿真技術、計算機輔助設計技術和計算機支持的協同工作(CSCW)、產品數據管理(PDM)等有機地結合在一起，為產品的全壽命周期設計和評估提供分布式的集成環境，以達到優化整個設計周期，節約開發成本的目的.

　　3.1利用虛擬樣機技術對挖掘機進行仿真

　　挖掘機虛擬樣機技術就是采用系統建模、模型集成、模型的參數化處理、數據接口和仿真實驗等技術，建立一個包括實際挖掘機中各個子系統的模型，能夠模擬實際系統的各種功能.以此虛擬樣機模型代替實際物理樣機進行各種仿真實驗，得到包括運動學及動力學響應、液壓系統狀態參數等在內的各種系統性能參數.

　　根據圖6所示，三一重機公司CAE工程師采用虛擬樣機技術平臺建立了單斗反鏟液壓挖掘機整機模型，利用機械、液壓及控制系統模型進行聯合仿真，基于多體動力學原理，利用拉格朗日動力學方程求解其雅可比矩陣，在計算機上再現挖掘、提升、轉向、卸土等作業工況.對液壓缸的摩擦力、油缸動作速度、結構件的強度等指標進行仿真.

　　圖6 利用虛擬樣機技術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精度，需要確定摩擦力和摩擦因數以進行控制補償，達到提高作業精度和運動控制精度的目的.傳統的液壓缸摩擦力測定方法由于是與工作系統分離測定，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和逆動力學計算的方法，根據挖掘機實際工作時的實驗數據計算得到各組油缸的摩擦力數值曲線，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系，為挖掘機的控制提供了一定的依據.

　　虛擬樣機技術采用數字仿真進行虛擬產品的設計開發，仿真模型的參數就是物理樣機的設計參數，可以用仿真模型代替物理樣機進行設計參數的測試評估.因為參數修改方便，能很容易地實現模型的多樣化，柔性好.圖7利用虛擬樣機技術對挖掘機的油缸動作速度曲線進行仿真，通過不斷調整液壓元件的各個參數，對液壓系統進行優化，提高挖掘機的油缸動作速度，進而提升作業效率.

　　圖7 油缸動作速度響應曲線

　　圖8通過虛擬樣機技術，結合Craig-Bampton模態綜合法，對挖掘機的斗桿進行了剛柔耦合分析及結構優化設計，最終解決了困擾多年的20 t級挖掘機的斗桿開裂問題，并成功開發了一款新一代的SY235威猛型工作裝置.

　　圖8 20 t斗桿新結構

　　3.2利用虛擬樣機技術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對振動有嚴格的要求，為了提取振動響應數據，三一重機CAE工程師建立SET230礦用自卸車的整車多體動力學模型，在計算機上再現車輛在路面上爬坡、轉彎、卸貨、過坎等作業情況，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，提取了底盤系統、轉向系統、油氣懸掛及車廂等時間歷程載荷數據，控制柜的加速度響應數據.并結合有限元技術對車架減重達1 t，大大提高了產品的高速行駛性能與重載作業性能.

　　圖9 SET230礦車爬坡工況模擬

　　3.3利用虛擬樣機技術分析蛇行問題

　　輪式機械在運行時，轉向輪突然遇到側向外力或二輪遇到阻力不等時，轉向輪會發生偏擺，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常性.車速愈高，道路條件愈差，此現象愈嚴重.約翰迪爾(John Deere)公司針對工程機械在高速行駛時的蛇行現象以及在重載下機械的自激振動問題，利用虛擬樣機技術，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，大大提高了產品的高速行駛性能與重載作業性能.

　　3.4利用專用仿真軟件對裝載機進行優化設計及分析

　　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，對裝載機和挖掘機的工作裝置進行了優化設計及分析，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大學聯合開發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作用的前提下，建立裝載機開環模型，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境，并且對裝載機仿真模型的參數，包括底盤參數、傳動系統參數、液壓系統參數和輪胎參數進行修改.修改所需要研究的參數后，仿真軟件在虛擬環境中快速改變設計參數，裝載機按照修改后的參數重新裝配，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動機的驅動液壓馬達，在仿真模型中連接了液壓系統與傳動系統，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與液壓系統的協調性能.瑞典的Volvo公司也與瑞典Link6ping大學、瑞典Royal Institute of Technology等合作，發展多學科仿真集成軟件技術，制訂了虛擬系統編程(VISP)研究項目，解決了很多關于復雜工程車輛多學科仿真問題.VISP目標針對工程人員采用合適的方法，開發界面友好的動力學分析研究軟件平臺，進行復雜工程車輛的建模和準確的仿真.VISP以裝載機為研究對象，仿真內容包含裝載機整車機械系統、控制系統和液壓系統.

　　4 結論

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