80年代以來，日趨激烈的全球化競爭，迫使制造企業(yè)必須通過不斷地提高生產(chǎn)效率，改善產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本，提供優(yōu)良的服務，以期在市場中占有一席之地。

與此同時，計算機技術(shù)、計算機網(wǎng)絡技術(shù)和信息處理技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展。這些條件就使得信息技術(shù)不斷地融合到傳統(tǒng)的制造業(yè)中，并對其進行改造，這也是現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展趨勢。進入90年代后，先進的制造技術(shù)向著更高的水平發(fā)展，在原有的計算機集成制造（CIMS即Computer Integrated Manufacturing System）和并行工程（CE即Concurrent Engineering）的基礎(chǔ)上，又出現(xiàn)了虛擬制造（VM即Virtual Manufacturing）、虛擬企業(yè)（VE即Virtual Enterprise）等概念。其中“虛擬制造”近年來不斷引起科技界和企業(yè)界的關(guān)注，成為競相研究的熱點。

虛擬制造的基礎(chǔ)是虛擬現(xiàn)實技術(shù)。所謂的虛擬現(xiàn)實技術(shù)是指利用計算機和外圍設(shè)備，生成與真實環(huán)境相一致的三維虛擬環(huán)境，允許用戶從不同的角度和視點來觀看這個環(huán)境，并且能夠通過輔助設(shè)備與環(huán)境中的物體進行交互關(guān)聯(lián)。虛擬制造則是利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，在計算機上完成制造過程的技術(shù)。采用此技術(shù)，在實際的制造之前，可以對產(chǎn)品的功能和制造性、經(jīng)濟性等方面的潛在問題進行分析和預測，實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計、工藝規(guī)劃、加工制造、性能分析、質(zhì)量檢測及企業(yè)各級的管理控制等，增強制造過程中各級的決策和控制能力。

虛擬制造的特點
虛擬制造是集計算機輔助設(shè)計（CAD）、計算機輔助制造（CAM）和計算機輔助工藝設(shè)計（CAPP）于一體的技術(shù)，它是在計算機中完成制造過程的。正因為如此，虛擬制造具有下述主要特點。

虛擬制造的制造模型是一個計算機模型，完成這一制造過程的主要工作集中在模型的建立過程上，一旦這個模型建立完成，就可以不斷與之進行交互，模擬各種情況的生產(chǎn)和制造過程。模型的可反復修改性是虛擬制造過程有別于實際制造過程的一個最主要的特點，也正是這一特點使得虛擬制造可以根據(jù)不同情況快速的更改設(shè)計、工藝和生產(chǎn)過程，從而大幅度壓縮新產(chǎn)品的開發(fā)時間，提高制造質(zhì)量，降低成本。

虛擬制造的另一個特點是它可以是分布式的，完成虛擬制造的人員和設(shè)備在空間上可以是相互分離的，不同地點的技術(shù)人員可以通過網(wǎng)絡來協(xié)同完成同一個虛擬制造過程。

此外，虛擬制造還可以是一個并行的過程，產(chǎn)品設(shè)計、加工過程和裝配過程的仿真可以同時進行，大大加快了產(chǎn)品設(shè)計過程，減少新產(chǎn)品的試制時間。

• 虛擬原型和產(chǎn)品設(shè)計，即在計算機中設(shè)計虛擬的產(chǎn)品或零部件
  
• 生產(chǎn)過程仿真（優(yōu)化、調(diào)度），即對車間或工段的生產(chǎn)過程進行仿真優(yōu)化
  
• 設(shè)備仿真，即對機器人等生產(chǎn)設(shè)備進行離線仿真，動態(tài)特性分析和模擬
  
• 物流仿真，即物流規(guī)劃，對AGV（自動搬運設(shè)備）進行仿真
  
• 裝配過程仿真
  
• 復雜數(shù)據(jù)的可視化，數(shù)值模擬計算結(jié)果的可視化輸出
  
• 設(shè)備的遠程操作，用計算機網(wǎng)絡將空間上分散的設(shè)備結(jié)合起來，進行集成管理運行，遙控制造
  
• 增強通訊效果
  
• 操作培訓

  虛擬制造的層次
  虛擬制造的根本目的就是利用計算機生產(chǎn)出虛擬產(chǎn)品。

  實際的制造系統(tǒng)可以抽象成由物理系統(tǒng)、信息系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成的集合。物理系統(tǒng)包括制造中的所有資源，如材料、機床、機器人、夾具、控制器和操作工人等；信息系統(tǒng)包括信息的處理和決策，如生產(chǎn)的調(diào)度、計劃和設(shè)計等；控制系統(tǒng)的任務是實現(xiàn)信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)的信息交換。

  對應于實際的制造系統(tǒng)，在虛擬制造系統(tǒng)中可以劃分出對應的層次：虛擬物理系統(tǒng)、虛擬信息系統(tǒng)和虛擬控制系統(tǒng)。根據(jù)不同生產(chǎn)階段所面對的不同對象，可以將虛擬制造分為 3類：以設(shè)計為核心的虛擬制造，以生產(chǎn)為核心的虛擬制造和以控制為核心的虛擬制造。以設(shè)計為核心的虛擬制造，其主要目標是優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計、優(yōu)選工藝和加工方案；以生產(chǎn)為核心的虛擬制造，其主要目標是優(yōu)化資源，對選擇工藝進行評價和驗證；以控制為核心的虛擬制造，其目標為優(yōu)化車間控制的制造過程。

  虛擬制造在鑄造生產(chǎn)中的應用
  鑄造生產(chǎn)中的虛擬制造技術(shù)可以稱為虛擬鑄造技術(shù)。目前虛擬鑄造技術(shù)主要應用于鑄件設(shè)計、澆注充型或造型過程的數(shù)值模擬及結(jié)果的可視化和鑄造生產(chǎn)過程的仿真優(yōu)化3個領(lǐng)域。

  鑄件設(shè)計
  美國威斯康星大學的I-CARVE實驗室研制了一套虛擬鑄造平臺。該系統(tǒng)使用立體眼鏡來觀察三維圖象，用語言建立各種兒何模型，用數(shù)據(jù)手套來確定幾何體的尺寸和位置。目前，I-CARVE實驗室已經(jīng)利用這個系統(tǒng)成功地完成了注塑和壓鑄零件的設(shè)計，該系統(tǒng)的目標是達到傳統(tǒng)CAD方法10～30倍的設(shè)計效率。

  澆注充型或造型過程的數(shù)值模擬及結(jié)果的可視化
  許多商品化的澆注過程模擬軟件，都具有利用二維圖像技術(shù)開發(fā)的計算結(jié)果可視化模塊，使用戶可以更直觀的觀察模擬結(jié)果，分析鑄件的成形過程。

  鑄造生產(chǎn)過程的仿真優(yōu)化
  越來越多的公司和企業(yè)在作出重大投資決定之前都希望了解他們將購買設(shè)備的詳細情況，傳統(tǒng)的可行性分析往往不足以回答在規(guī)劃設(shè)計過程中有關(guān)生產(chǎn)率、生產(chǎn)周期、設(shè)備利用率以及物流等方面的問題，這些對于鑄造廠來說都是十分必要的。利用虛擬制造技術(shù)對生產(chǎn)過程進行仿真分析，恰恰可以幫助企業(yè)回答這些問題。

  德國的鑄造設(shè)備制造商Laempe公司利用離散事件仿真和機器人模擬技術(shù)為Waupaca鑄造公司的制芯生產(chǎn)線進行了工程分析。工程技術(shù)人員首先對初步設(shè)計的布置圖進行了盡可能真實的模擬，對沖突點和機器人的運動時間進行優(yōu)化，向用戶展示整個生成線每個部件的運動。每個部件的生成周期確定之后，在很早的階段就可以對生成線的生成率作出分析報告。對生產(chǎn)過程進行幾百操作工時的模擬，綜合考慮砂芯的破損率和設(shè)備部件的故障停機時間，確定各種布置方案每小時能生產(chǎn)砂芯的平均數(shù)量。在項目實施的最初階段就對各種可能的情況進行分析和評估，成為項目投資分析的重要部分。高質(zhì)量的三維圖形充分演示了生產(chǎn)的實際情況，可以從任何角度進行三維放大，這種模擬過程可以取代復雜的圖紙與流程圖，幫助用戶和設(shè)計人員理解和分析生產(chǎn)過程。

  美國的Foundry Service公司（FSC）為了將其熔化設(shè)備的熔化能力從每爐1350kg增加到2000kg，計劃增加一個大型澆包和相應澆包運輸設(shè)備，目的是減少鐵液輸送系統(tǒng)對熔化能力的制約。該公司利用Witness仿真軟件包建立了一個包括給料、預熱、熔化、出鐵液、鐵液的運輸、澆注以及造型的完整工藝過程的仿真模型。這個模型還通過和AutoCAD接口獲取車間的布局信息，從而得到各種設(shè)備的位置和距離。這個模型的數(shù)據(jù)是建立在各種設(shè)備的生產(chǎn)報告、維修報告和生產(chǎn)計劃等數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果上的。但是，在得到的仿真分析結(jié)果中出現(xiàn)了與預期相反的結(jié)論。仿真分析表明，爐料的增加與快速的出鐵液周期相抵觸，在三次快速出鐵液之后，熔化爐就只能起到鐵液容器的作用，直到下一次或兩次出鐵液后才能繼續(xù)向熔化爐中填料，這就會導致在生產(chǎn)周期中有一段時間生產(chǎn)線得不到鐵液供應。仿真分析表明，適當?shù)臏p少爐料加入量并調(diào)整每次加爐料后取鐵液的量和次數(shù)，會加快鐵液供應的周期，減少熔化工段對生產(chǎn)效率的制約。

  美國的Grede Foundries公司在1996年5月計劃改造其制芯車間，以提高福特造型線的生產(chǎn)能力。該公司建立了制芯車間的仿真模型，通過仿真分析確定了制芯車間的最優(yōu)工人數(shù)量，并決定在制芯工部傳送帶的末端增加一臺殼型機，用來增加砂芯產(chǎn)量。這一虛擬仿真模型幫助Grede Foundries公司通過重新安排操作過程以及增加一臺制芯車間設(shè)備，在沒有增加一名工人的情況下提高了生產(chǎn)能力。采用虛擬生產(chǎn)分析所得到的方案，以最小的改動和成本實現(xiàn)了預期的目標。

  目前虛擬制造技術(shù)在鑄造領(lǐng)域中的應用主要集中在生產(chǎn)過程的三維動態(tài)仿真、工藝參數(shù)優(yōu)化和投資前的生產(chǎn)分析等方面，主要解決鑄造生產(chǎn)中的“如果怎樣（what if）”問題。

  結(jié)論
  虛擬制造技術(shù)將會對制造業(yè)中日益自動化、復雜化、大規(guī)模化的制造系統(tǒng)進行更為詳細的設(shè)計、仿真及評價，并能夠?qū)崿F(xiàn)在信息空間里對大規(guī)模、復雜快速變化的生產(chǎn)系統(tǒng)給予明確的“規(guī)定”、“推斷”和“預測”。

  鑄造行業(yè)中虛擬制造技術(shù)的應用，目前主要集中于與鑄件成形相關(guān)的模擬仿真分析和鑄造生產(chǎn)過程的仿真優(yōu)化兩個方面。通過計算機仿真分析，可以對生產(chǎn)過程的各種可能情況進行虛擬運行，分析現(xiàn)有生產(chǎn)系統(tǒng)中制約生產(chǎn)率的瓶頸，預測新生產(chǎn)調(diào)度方案的可行性，可以幫助企業(yè)優(yōu)化生產(chǎn)過程，減少投資的盲目性。但是必須看到，在生產(chǎn)過程可視化仿真過程中，仿真模型的建立是一項很費時間的工作，它需要有大量完備可靠的數(shù)據(jù)和高素質(zhì)的工程技術(shù)人員。此外，國內(nèi)的企業(yè)一般對虛擬制造技術(shù)的內(nèi)涵和意義尚缺乏足夠的認識，這些因素是制約虛擬制造技術(shù)在國內(nèi)應用的不利因素。同時也應當看到，由于我國正面臨產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整和技術(shù)改造的艱巨任務，利用虛擬制造技術(shù)可以有助于找到影響生產(chǎn)發(fā)展的薄弱環(huán)節(jié)，減少投資的盲目性，提高生產(chǎn)效率，使企業(yè)潛力能充分發(fā)揮。因此，虛擬制造技術(shù)在國內(nèi)鑄造行業(yè)中具有廣闊的應用前景，較高的應用價值和較大潛力。