一、概述
自70年代以来，世界市场由过去传统的相对稳定逐步演变成动态多变的特征，由过去的局部竞争演变成全球范围内的竞争；同行业之间、跨行业之间的相互渗透、相互竞争日益激。为了适应变化迅速的市场需求，为了提高竞争力，现代的制造企业必须解决TQCS难题，即以最快的上市速度(T--Time to Market)，最好的质量(Q--Quality)，最低的成本(C--Cost)，最优的服务(S--Service)来满足不同顾客的需求。
与此同时，信息技术取得了迅速发展，特别是计算机技术、计算机网络技术、信息处理技术等取得了人们意想不到进步。二十多年来的实践证明，将信息技术应用于制造业，进行传统制造业的改造，是现代制造业发展的必由之路。80年代初，先进制造技术以信息集成为核心的计算机集成制造系统(CIMS， Computer Integrated Manufacturing System)开始得到实施；80年代末，以过程集成为核心的并行工程(CE，Cocurrent Engineering)技术进一步提高了制造水平；进入90年代，先进制造技术进一步向更高水平发展，出现了虚拟制造(VM，Virtual Manufacturing)、精益生产(LP，Lean Production)、敏捷制造(AM，Agile Manufacturing)、虚拟企业(VE，Virtual Enterprise)等新概念。
在这些诸多新概念中，“虚拟制造”引起了人们的广泛关注，不仅在科技界，而且在企业界，成为研究的热点之一。原因在于，尽管虚拟制造的出现只有短短的几年时间，但它对制造业的革命性的影响却很快地显示了出来。典型的例子有波音777，其整机设计、部件测试、整机装配以及各种环境下的试飞均是在计算机上完成的，使其开发周期从过去8年时间缩短到5年。又如Perot System Team利用Dench Robotics开发的QUEST及IGRIP设计与实施一条生产线，在所有设备订货之前，对生产线的运动学、动力学、加工能力等各方面进行了分析与比较，使生产线的实施周期从传统的24个月缩短到9.5月。Chrycler公司与IBM合作开发的虚拟制造环境用于其新型车的研制，在样车生产之前，发现其定位系统的控制及其他许多设计缺陷，缩短了研制周期。
因此，近几年，工业发达国家均着力于虚拟制造的研究与应用。在美国，NIST (National Institute of Standards and Technology)正在建立虚拟制造环境(称之为国家先进制造测试床National Advanced Manufacturing Testbed,NAMT)，波音公司与麦道公司联手建立了MDA(Mechanical Design Automation)，在德国，Darmstatt技术大学Fraunhofer计算机图形研究所，加拿大的Waterloo大学，比利时的虚拟现实协会等均先后成立了研究机构，开展虚拟制造技术的研究。
由于“虚拟制造”概念出现才几年时间，目前还缺乏从产品生产全过程的高度开展虚拟制造技术的系统研究。例如，虚拟制造的内涵是什么？它包涵哪些关键技术？如何建立集产品研究、设计、工艺、制造、标准、资源共享、技术共享、信息传递、市场需求、系统控制于一体的虚拟制造环境？这些仍然是世界各国研究人员正在研究和探讨的问题。本文就“虚拟制造”的内涵。涉及到关键技术进行探讨，并提出支持产品生产全过程的虚拟制造平台的框架及体系结构。
二、虚拟制造的定义
如前所述，“虚拟制造”是近几年由美国首先提出的一种全新概念。什么是虚拟制造?它包括哪些内容？这些至今仍然是人们讨论的问题。很多人曾为虚拟制造进行定义，比较有代表性有：
佛罗里达大学Gloria J.Wiens的定义是：虚拟制造是这样一个概念，即与实际一样在计算机上执行制造过程。其中虚拟模型是在实际制造之前用于对产品的功能及可制造性的潜在问题进行预测。(VM is a concept of executing manufacturing processes in computers as well as in the real world,where virtual modelsallow for prediction of potential problems for product functionality and manufacturability before real manufacturing occurs.)该定义强调VM“与实际一样”“虚拟模型”和“预测”，即着眼于结果。
美国空军Wright实验室的定义是“虚拟制造是仿真、建模和分析技术及工具的综合应用，以增强各层制造设计和生产决策与控制。(VM is the integrated application of simulation,modeling and analysis technologies and tools to enhance manufacturing design and production decisions and control at all process levels.)该定义着眼于手段。
另一个有代表性的定义是由马里兰大学Edward Lin%26amp;etc给出的，“虚拟制造是一个用于增强各级决策与控制的一体化的、综合性的制造环境。”(VM is an integrated, synthetic manufacturing environment exercised to enhance all levels of decision and control.),则着眼于环境。
显然，上述定义强调的方面是不同的，甚至也有人认为没有必要只有一种定义。但是为了讨论和交流，普遍认为，对VM进行定义是有必要的。
综合目前国际上有代表性的文献，本文对虚拟制造给出如下定义：虚拟制造是实际制造过程在计算机上的本质实现，即采用计算机仿真与虚拟现实技术，在计算机上群组协同工作，实现产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验，以及企业各级过程的管理与控制等产品制造的本质过程，以增强制造过程各级的决策与控制能力。
可以看到，“虚拟制造”虽然不是实际的制造，但却实现实际制造的本质过程，是一种通过计算机虚拟模型来模拟和预估产品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的问题，提高人们的预测和决策水平，使得制造技术走出主要依赖于经验的狭小天地，发展到了全方位预报的新阶段。图1简要表示了虚拟制造与实际制造的联系与区别。
与实际制造相比较，虚拟制造的主要特点是：
(1)产品与制造环境是虚拟模型，在计算机上对虚拟模型进行产品设计、制造、测试，甚至设计人员或用户可“进入”虚拟的制造环境检验其设计、加工、装配和操作，而不依赖于传统的原型样机的反复修改；还可将已开发的产品(部件)存放在计算机里，不但大大节省仓储费用，更能根据用户需求或市场变化快速改变设计，快速投入批量生产，从而能大幅度压缩新产品的开发时间，提高质量、降低成本；
(2)可使分布在不同地点、不同部门的不同专业人员在同一个产品模型上同时工作，相互交流，信息共享，减少大量的文档生成及其传递的时间和误差，从而使产品开发以快捷、优质、低耗响应市场变化。
三、虚拟制造的内涵
如果将实际制造系统(RMS，Real Manufacturing System)抽象成由实际物理系统(RPS)、实际信息系统(RIS)，实际控制系统(RCS)组成的，可以简单标识为：
RMS=｛RPS，RIS，RCS｝ RPS包括所有的制造物理实体，例如材料，机床，机器人，夹具，控制器等；RIS包括信息处理和决策，如调度、计划、设计。RIS通过RCS与RPS交换信息。
那么，我们可以将实际制造系统映射于基到虚拟制造技术的虚拟制造系统，虚拟制造系统可以表示为：VMS=｛VPS，VIS，VCS｝，其中VPS是虚拟物理系统，VIS为虚拟信息系统，VCS是虚拟控制系统。
按照与生产各个阶段的关系，有些文献将虚拟制造分成三类，即以设计为核心的虚拟制造(DesignCentered VM)、以生产为核心的虚拟制造(ProductionCentered VM)和以控制为中心的虚拟制造(ControlCentered VM)。这三类虚拟制造的关系可以用图2描述。
以设计为核心的虚拟制造把制造信息引入到整个的设计过程，利用仿真来优化产品设计，例如DFX技术，通过“在计算机上制造”产生许多“软”样机；以生产为核心的虚拟制造是在生产过程模型中加入仿真技术，以此来评估和优选生产过程，例如组织与重组织技术；以控制为中心的虚拟制造是将仿真加到控制模型和实际处理中，可“无缝”地仿真使得实际生产优化。
虚拟制造从根本上讲就是要利用计算机生产出“虚拟产品”，我们不难看出，虚拟制造技术是一个跨学科的综合性技术，它涉及到仿真、可视化、虚拟现实、数据继承、优化等领域。然而，目前还缺乏从产品生产全过程的高度开展对虚拟制造的系统研究。这表现在：
● 虚拟制造的基础是产品、工艺规划及生产系统的信息模型。尽管国际标准化组织花了很大精力去开发产品信息模型，但CAD开发者尚未采用它们；尽管工艺规划模型的研究已获得了一些进展和应用，但仍然没有一种综合的，可以集成于虚拟制造平台的工艺规划模型；生产系统能力和性能模型，以及其动态模型的研究和开发需要进一步加强；
● 现有的可制造性评价方法主要是针对零部件制造过程，因而面向产品生产过程的可制造性评价方法需要研究开发，包括各工艺步骤的处理时间，生产成本和质量的估计等；
● 制造系统的布局，生产计划和调度是一个非常复杂的任务，它需要丰富的经验知识，支持生产系统的计划和调度规划的虚拟生产平台需要拓展和加强；
● 分布式环境，特别是适应敏捷制造的公司合作，信息共享，信息安全性等方法和技术需要研究和开发，同时经营管理过程重构方法的研究也需加强；
● 虚拟制造环境缺乏统一的集成框架和体系。
四、CIMSERC的虚拟制造体系结构及环境
从产品生产的全过程来看，“虚拟制造”应包括产品的“可制造性”、“可生产性”和“可合作性”。的支持”所谓“可制造性”系指所设计的产品(包括零件、部件和整机)的可加工性(铸造、冲压、焊接、切削等)和可装配性；而“可生产性”系指在企业已有资源(广义资源，如：设备、人力、原材料等)的约束条件下，如何优化生产计划和调度，以满足市场或顾客的要求；虚到制造技术的发展，虚拟制造还应对被喻为二十一世纪的制造模式“敏捷制造”提供支持，即为企业动态联盟(VE，Virtual Enterprise)的“可合作性”提供支持。而且，上述三个方面对一个企业来说的相互关联的，应该形成一个集成的环境。因此，应从三个层次，即“虚拟制造”，“虚拟生产”，“虚拟企业”开展产品全过程的虚拟制造技术及其集成的虚拟制造环境的研究，包括产品全信息模型、支持各层次虚拟制造的技术并开发相应的支撑平台、以及支持三个平台及其集成的产品数据管理(PDM)技术。
基于上述思想，国家CIMS工程技术研究中心根据先进制造技术发展的要求，正在着手建立虚拟制造研究基地。该基地建立了以下虚拟制造技术体系结构：
(1)虚拟制造平台
该平台支持产品的并行设计、工艺规划、加工、装配及维修等过程，进行可制造性(Manufacturability)分析(包括性能分析、费用估计，工时估计等)。它是以全信息模型为基础的众多仿真分析软件的集成，包括力学、热力学、运动学、动力学等可制造性分析，具有以下研究环境：
● 基于产品技术复合化的产品设计与分析，除了几何造型与特征造型等环境外，还包括运动学、动力学、热力学模型分析环境等；
● 基于仿真的零部件制造设计与分析，包括工艺生成优化、工具设计优化、刀位轨迹优化、控制代码优化等；
● 基于仿真的制造过程碰撞干涉检验及运动轨迹检验—虚拟加工、虚拟机器人等；
● 材料加工成形仿真，包括产品设计，加工成形过程温度场、应力场、流动场的分析，加工工艺优化等
● 产品虚拟装配，根据产品设计的形状特征，精度特征，三维真实地模拟产品的装配过程，并允许用户以交互方式控制产品的三维真实模拟装配过程，以检验产品的可装配性。
(2)虚拟生产平台
该平台将支持生产环境的布局设计及设备集成、产品远程虚拟测试、企业生产计划及调度的优化，进行可生产性(Producibility)分析。
※虚拟生产环境布局
根据产品的工艺特征，生产场地，加工设备等信息，三维真实地模拟生产环境，并允许用户交互地修改有关布局，对生产动态过程进行模拟，统计相应评价参数，对生产环境的布局进行优化；
※虚拟设备集成
为不同厂家制造的生产设备实现集成提供支撑环境，对不同集成方案进行比较；
※虚拟计划与调度
根据产品的工艺特征，生产环境布局，模拟产品的生产过程，并允许用户以交互方式修改生产排程和进行动态调度，统计有关评价参数，以找出最满意的生产作业计划与调度方案。
(3)虚拟企业平台
被预言为21世纪制造模式的敏捷制造，利用虚拟企业的形式，以实现劳动力、资源、资本、技术、管理和信息等的最优配置，这给企业的运行带来了一系列新的技术要求。虚拟企业平台为敏捷制造提供可合作性(Corporatability)分析支持。
※虚拟企业协同工作环境
支持异地设计、异地装配、异地测试的环境，特别是基于广域网的三维图形的异地快速传送、过程控制、人机交互等环境。
※虚拟企业动态组合及运行支持环境，特别是INTERNET与INTRANET下的系统集成与任务协调环境。
