1、虛擬制造的定義

    在Lawrence Associates的Virtual Manufacturing User Workshop報(bào)告中，VM被定義為：它是一個集成的、綜合的可運(yùn)行制造環(huán)境，用來提高各個層次的決策和控制。各部分的語義說明如下：

·綜合 指真實(shí)的和仿真的對象、活動和過程的混合狀態(tài)。
·環(huán)境 通過協(xié)同地提供分析工具、仿真工具、應(yīng)用工具、控制工具、模型（產(chǎn)品、過程和資源）、設(shè)備以及組織方法的集合，用以支持構(gòu)造和使用分布式制造仿真。
·運(yùn)行 用環(huán)境來構(gòu)造和操作特定的制造仿真。
·提高 增加它的精度和可靠性。
·層次 是指從產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)到回收利用、從車間到執(zhí)行位置、從物質(zhì)的轉(zhuǎn)換到信息的傳遞等各個方面。
·決策 是指改變（可視化、組織、定義和選擇）后的影響。
·控制 預(yù)測效果的真實(shí)性。

    上述關(guān)于VM的定義沒有充分強(qiáng)調(diào)VM在預(yù)測過程、成本和質(zhì)量方面的能力，而且它沒有說明VM預(yù)測的可靠性和精度，因此它還存在下面的缺點(diǎn)：

·該定義限制了它處理的范圍，并且提高了工程和制造之間的交互性。

·雖然它的最理想的定義達(dá)到了對VM最全面的描述，但是,根據(jù)不同用戶的對象、技術(shù)背景和水平,VM應(yīng)該有不同的定義。

·VM的定義應(yīng)與特定用戶的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)相聯(lián)系，這里的制造應(yīng)該是廣義的、企業(yè)范圍的“大”制造。因?yàn)樵谲囬g之外的重要活動也包含在建模、數(shù)據(jù)和仿真中。

    VM的定義必須與特定用戶的經(jīng)驗(yàn)和要求相聯(lián)系，因此，VM不可能只有一種定義，對于每一個人來說，VM并不是完全相同的，所以應(yīng)了解它與其他相關(guān)概念的區(qū)別。給出一個象VM這樣覆蓋面廣的定義，是非常困難的。VM的定義不可能包含它的每一個方面。因此，為了更好地解釋VM，下面對VM的內(nèi)涵進(jìn)行說明：

·通過基于建模的途徑和利用仿真，VM主要是為了提高加工過程的質(zhì)量。

·VM最重要的作用是為實(shí)施IPPD(Integrated Product Process Development)提供一個工具，特別是用于預(yù)測產(chǎn)品成本和控制功能。

·VM的基本目的是基于計(jì)算機(jī)模擬產(chǎn)品的開發(fā)環(huán)境，使得設(shè)計(jì)者在真正的加工之前就能夠模擬地制造產(chǎn)品。這里的“產(chǎn)品開發(fā)”包括了與產(chǎn)品相關(guān)的所有活動，不僅包括技術(shù)上的和商業(yè)上的，而且包含了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。但是，VM并不仿真所有的這些方面。例如，VM不仿真設(shè)計(jì)過程，但它支持設(shè)計(jì)過程。VM不模擬可靠性或質(zhì)量工程，但是在許多情況下VM的仿真需要有到設(shè)計(jì)、可靠性、質(zhì)量和其他信息的接口。

·VM是基于模型的制造，使用的工具反過來影響這些模型。最初始的工具是仿真，利用仿真可以降低制造成本，而且可以檢查真實(shí)空間和虛擬空間的許多參數(shù)。

·從全局的觀點(diǎn)來講，在一個IPPD環(huán)境下，通過在計(jì)算機(jī)中完成“制造”，VM提供了對部分或全部設(shè)計(jì)過程的評價(jià)方法。

·VM并不是單個的解決方案、結(jié)構(gòu)或數(shù)據(jù)庫，它是許多小的、相對獨(dú)立的工具集合，這些工具都利用了建模和仿真技術(shù)。

 2、VM的流派

    VM的研究都與特定的應(yīng)用環(huán)境和對象相聯(lián)系，在VM的研究過程中，由于應(yīng)用的不同要求，各有不同的側(cè)重點(diǎn)，因此出現(xiàn)了三個不同的流派，它們是以設(shè)計(jì)為中心的VM、以生產(chǎn)為中心的VM和以控制為中心的VM。

 2.1 以設(shè)計(jì)為中心的VM

    以設(shè)計(jì)為中心的VM是通過加制造信息到IPPD的過程和在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行“制造”,仿真多種制造方案和產(chǎn)生許多“軟”
的模型。因此它的短期目標(biāo)是：為了達(dá)到特殊的制造目的(例如為了裝配進(jìn)行設(shè)計(jì)、精良操作或柔性等)，VM用以制造為基礎(chǔ)的仿真來優(yōu)化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程。它的長期目標(biāo)為：VM在不同的層次上用仿真過程來評估生產(chǎn)情況，并且反饋給設(shè)計(jì)和生產(chǎn)控制。

 2.2 以生產(chǎn)為中心的VM

    以生產(chǎn)為中心的VM是通過加仿真能力到生產(chǎn)過程模型，達(dá)到方便和快捷地評價(jià)多種加工過程的目的。它的短期目標(biāo)是：VM是基于生產(chǎn)的IPPD的轉(zhuǎn)換，用以優(yōu)化制造過程和物理層。它的長期目標(biāo)是：為了實(shí)現(xiàn)新工藝和流程的更高的可信度，VM是增加生產(chǎn)仿真到其它集成和分析技術(shù)。

 2.3 以控制為中心的VM

    以控制為中心的VM是通過增加仿真到控制模型和實(shí)際的生產(chǎn)過程，來實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的真實(shí)仿真。

 2.4 三類VM之間的關(guān)系

    雖然三種VM的定義不相同，但是它們都涉及到虛擬產(chǎn)品生命周期中不同的方面，因此，它們具有下面的特點(diǎn)：

    以設(shè)計(jì)為中心的VM為設(shè)計(jì)者提供了一個設(shè)計(jì)產(chǎn)品和評估可制造性的環(huán)境,它的結(jié)果包括產(chǎn)品建模、成本預(yù)測等，所以，在設(shè)計(jì)中的潛在問題能夠被發(fā)現(xiàn)，同時(shí)它的一些指標(biāo)(例如成本等)也能被預(yù)測。

    為了生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品而不做實(shí)際的樣品，以生產(chǎn)為中心的VM為工藝計(jì)劃和生產(chǎn)計(jì)劃的生成、工藝資源的要求以及對這些計(jì)劃的評價(jià)提供了一個環(huán)境，它能夠更精確地提供成本信息和產(chǎn)品的供給計(jì)劃。

    通過提供仿真實(shí)際生產(chǎn)的能力，以控制為中心的VM為設(shè)計(jì)者提供了一個環(huán)境，用以評估新產(chǎn)品或改進(jìn)的設(shè)計(jì)以及與車間生產(chǎn)相關(guān)的活動，它為優(yōu)化制造過程和提高制造系統(tǒng)提供了信息。

 3、VM與其它相關(guān)技術(shù)之間的區(qū)別

當(dāng)前在先進(jìn)制造技術(shù)的研究過程中，產(chǎn)生了許多新的概念，如IPPD、虛擬企業(yè)VE（Virtual Enterprise）、建模與仿真M&S(Modeling and Simulation)等。因此，為了更詳細(xì)說明VM的內(nèi)涵，需要了解VM與其它相關(guān)概念之間的關(guān)系。

 3.1 VM與IPPD

    IPPD是一種交錯功能協(xié)調(diào)機(jī)理，它使得與設(shè)計(jì)和制造相關(guān)的信息可以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程的各模塊間流動。VM仿真制造、生產(chǎn)和裝配過程，因此它必須有與上面信息的接口，但是VM并不是各模塊的集合，也不能使信息在模塊間流動。它們的關(guān)系如圖1所示。
             
                       圖1: 產(chǎn)品開發(fā)過程

     按照IPPD的觀點(diǎn)，VM增加了IPPD的過程，它提供了一種方法將制造知識綜合到產(chǎn)品開發(fā)的早期階段。因此，它在IPPD中的作用是重要的。首先它允許IPPD直接通過模擬加工過程來設(shè)計(jì)、分析和制造產(chǎn)品，而不用關(guān)心實(shí)際的加工。其次，它允許IPPD在原型系統(tǒng)中任意層次上增加過程。IPPD的優(yōu)勢并不在于過程中模塊的多少，因?yàn)閹讉�最好的單個模型組合到一起并不是最好的。利用VM，IPPD可以逆向分析加工過程，而不用重構(gòu)加工過程。按照并行工程CE(Concurrent Engineering)的觀點(diǎn)，VM增加了上面提到的能力外，它共享的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)比CE所需要的更可靠。

 3.2 VM與M&S(Modeling and Simulation)

    VM依靠M&S技術(shù)模擬制造、生產(chǎn)和裝配過程，使設(shè)計(jì)者可以在計(jì)算機(jī)中“制造”產(chǎn)品。M&S是VM的基礎(chǔ)。VM是M&S的應(yīng)用，但是它擴(kuò)展了傳統(tǒng)的M&S技術(shù)。在傳統(tǒng)上，M&S建模的目的僅僅是為了仿真和相關(guān)的分析。而在VM中，使用主要部分已存在的模型，而不是優(yōu)化的仿真。因?yàn)樵赩M中，由于其他的原因，模型是動態(tài)的，隨著仿真環(huán)境的改變，它是變化的。

 3.3 VM與VE(Virtual Enterprise)

    虛擬企業(yè)是敏捷制造的基本的動態(tài)組織形態(tài)，是指為了贏得某一機(jī)遇性市場競爭，圍繞某種新產(chǎn)品開發(fā)，通過選用不同組織或公司的優(yōu)勢資源，綜合成單一的靠網(wǎng)絡(luò)通訊聯(lián)系的階段性經(jīng)營實(shí)體。動態(tài)聯(lián)盟具有集成性和時(shí)效性兩大特點(diǎn)。它實(shí)質(zhì)上是不同組織或企業(yè)間的動態(tài)集成，隨市場機(jī)遇的存亡而聚散。在具體表現(xiàn)上，結(jié)盟的可以是同一個大公司的不同組織部門，也可以是不同國家的不同公司。在VE中伙伴能夠共享生產(chǎn)、工藝和產(chǎn)品的信息，這些信息以數(shù)據(jù)的形式表示，能夠分布到不同的計(jì)算環(huán)境中。VE與VM沒有很強(qiáng)的相互依靠關(guān)系。在信息的集成和共享領(lǐng)域，VE主要強(qiáng)調(diào)網(wǎng)絡(luò)，而VM主要強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，而且在設(shè)計(jì)階段VM的重點(diǎn)是仿真產(chǎn)品的生命周期中的各個活動。

 3.4 VM與VP(Virtual Prototyping)

    虛擬原型(Virtual Prototype)是相對物理原型，具有一定功能的基于計(jì)算機(jī)的仿真系統(tǒng)。它主要用于測試和評價(jià)多種設(shè)計(jì)的指定特性。VP是使用虛擬原型的過程。目前，它主要用于縮短產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間和降低成本。在VP中，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)信息直接被傳送到產(chǎn)品模型，而不用構(gòu)造物理原型來檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的有效性和進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。如果虛擬原型是通過模擬工藝計(jì)劃來構(gòu)造的，那么VP就是用VM來產(chǎn)生的，在大部分情況下，VP比物理原型具有更大的優(yōu)點(diǎn)，在虛擬產(chǎn)品周期中，VP是一個必需的組成部分。所以，VP的發(fā)展將增強(qiáng)VM的能力，反過來，VM為VP提供了一個應(yīng)用環(huán)境。

 3.5 VM與AM(Agile Manufacturing)

    敏捷制造作為一個新概念，其基本思想是通過將高素質(zhì)的員工、動態(tài)靈活的組織機(jī)構(gòu)、企業(yè)內(nèi)及企業(yè)間的靈活管理以及柔性的先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行全面集成，使企業(yè)能夠?qū)Τ掷m(xù)變化、不可預(yù)測的市場要求作出快速反應(yīng)，由此獲得長期的經(jīng)濟(jì)效益。由此可見，敏捷制造強(qiáng)調(diào)人、組織、管理和技術(shù)的高度集成，強(qiáng)調(diào)企業(yè)面向市場的敏捷性(Agility)。在一個企業(yè)的組織管理中，它的敏捷性可以用四個主要變量表示，即通訊連同性(Communication Connectedness)、跨組織參與性(Interorganization Participation)、生產(chǎn)的靈活性(Production Flexibility)和雇員的使能性(Employee Empowerment)。VM是敏捷制造的一種實(shí)現(xiàn)手段,是制造企業(yè)增強(qiáng)產(chǎn)品開發(fā)敏捷性、快速滿足市場多元化需求的有效途徑。