1 引言
从国际范围来看，制造业遵循着 “劳动密集、设备密集、信息密集、知识密集”的轨迹，并正在经历着从信息集成走向知识集成的新的发展阶段，对市场的响应时间将成为21世纪企业赢得竞争优势的最主要因素。所以，以制造过程的知识融合为基础、以数字化建模仿真与优化为特征的“数字化制造”正成为制造技术发展的重要领域。在这个新的领域中，国内外的差距相对比较小，主要差距表现在在中国的工业化远没有西方发达国家那样成熟，大部分企业仍处于设备密集状态或者一些好的企业在向信息密集发展的过程中，长期对引进的依赖(包括产品、工艺过程及装备系统)，使我们在知识的积累方面十分贫乏，因此，“自主创新”也就成了无本之木。“数字化制造”的一个主要内容就是通过揭示制造工艺过程的本质，获得知识及进行制造工艺自主设计和优化控制的能力。如我国汽车自主开发的主要瓶颈之一就是缺乏大型覆盖件冲压模具的自主开发能力，如目前国内汽车工业依赖高价进口，难以推出自己的新车型，又如推行高速切削工艺，需要机床振动和高速状况下材料变性、润滑理论等多方面的知识，我们尚待研究。国外的高速机床已经大量商品化，且速度还在不断提高，而我国机床工业目前难以竞争。
如果将制造工艺过程中的研究作为微观过程数字化的范畴，那么生产系统的布局设计与实际优化运作可算作宏观生产过程数字化的领域。目前，由于缺乏对生产行为或生产线性能的自主知识，往往在引进国外新产品的同时，花高价全盘引进的生产工艺及生产线设计方案，或者是在不能清楚地知道“所以然”的情况下，凭经验、粗放型地决定生产线的布局。这样，甚至会出现完全相同的生产线在国内工厂的运行状况不如在国外工厂的，而我们却不知原因何在，不敢作自主的调整。因此，以数字化描述为基础的虚拟设计和虚拟制造的重要性日益增加。数字化制造在产品设计、制造活动中，进行两个层次的虚拟过程，一是设计阶段用户能够参与建立数字化产品模型，实现高交互和沉浸式并行开发的虚拟环境，从而达到预先体验产品性能的目的；二是在制造系统层次上强调对生产制造性能进行有效而近乎实时的评价。数字化制造将通过虚拟运作实现事先风险评估、实时运筹调度和全局优化等，是科技发展(各种信息支撑技术)和现代企业需求的必然结果。
以因特网为代表的网络技术，使设计制造各个环节的信息与知识在数字化描述的基础上得到流通与集成，从而使异地的、不同企业的资源可以共享，使以满足全球化市场用户需求为牵引的快速响应制造活动——网络化制造成为可能。这个方向在国际上也是属于刚开始发展的研究热点，是国内外差距比较小的领域。综上可知，数字化与网络化必将对未来制造业发挥实际的推动作用。
2 虚拟设计
虚拟设计的主要技术内容包括：虚拟制样、网络化并行设计、虚拟装配和工程分析以及设计参数的交互式可视化。所谓虚拟现实 (VR)技术，是基于自然方式的人机交互系统，利用计算机生成一个虚拟环境，并通过多种传感设备，使用户有身临其境的感觉。
2.1 虚拟设计的特点
(1)沉浸性。集成三维图形、声音等多种媒体的现代设计方法，用户能身临其境地感受产品的设计过程和性能，从仿真的旁观者成为虚拟环境的组成部分。
(2)设计简便性。自然的人机交互方式，所见即所得用逼真的临场感，支持不同的用户背景，支持并行工程，丰富设计理念，提供设计新方法和激发设计灵感。
(3)多信息通道。用户感受视觉、听觉触觉和嗅觉等多种信息，发挥人的多种潜能，增加设计的成功性。
(4)多交互手段。摆脱传统的鼠标键盘输入方式。运用多种交互手段(数据手套、声音命令等)，支持更多的设计行为(建模、仿真、评估、预测等)。
(5)实时性。实时的参与、交互和显示，把人在CAD环境下的活动提升到人机融为一体的积极参与的主动活动，构成融入性的智能化开发系统。
2.2 虚拟设计的关键技术
(1)全息产品的建模理论与方法。
(2)基于知识的设计。包括设计知识的获取、表达与应用：设计信息和知识的合理流向、转换与控制；设计知识的融合、管理与共享；从设计过程数据中挖掘设计知识。
(3)设计过程的规划、集成与优化。包括设计活动的预规划和实时动态规划、设计活动的并行运作以及设计过程冲突管理与协商处理。
(4)虚拟环境中的人机工程学。
(5)虚拟环境与设计过程互连。
(6)产生虚拟环境的工具集。包括一般所需要的软件支撑系统以及能接受各种高性能传感器信息。能生成立体的显示图形；能调用和互连各种数据库和CAD软件的各种系统。
2.3 虚拟设计的应用
(1)虚拟原型可视化——取代物理原型。如1992年美国NASa建立航天飞机数字模型与虚拟风洞用以观察飞机流线分布，验证飞机外形设计合理性。
(2)沉浸式设计环境——虚拟环境与设计互连。通过建立三维数字模型，设计者使用虚拟现实装备在虚拟环境中直接指导操纵模型。
(3)虚拟装配——可以实时碰撞检测、零件穿透预防和装配件的三维公差评估。
2.4 虚拟设计的发展趋势
(1)全新的VR—CAD系统。高交互、沉浸式、三维设计环境，可以进行诸如虚拟曲面造型，在三维空间中拖动曲面的控制顶点；虚拟雕塑造型“虚拟手”修改、操纵三维物体的表面几何；虚拟实体造型(概念设计)三维感知、三维操作和快速草绘三维形状。
(2)协同式虚拟设计。沉浸式(有利于真实现场感)与半沉浸式(有利于用户间交流)之间进行优化。
3 虚拟制造
虚拟制造依靠数字建模、仿真技术和虚拟现实技术来在工厂范围内模拟各层次的系统与加工过程，在计算机上将产品 “制造”出来。其目的是在产品设计阶段，借助建模与仿真技术及时地、并行地模拟出产品未来制造过程，乃至产品全生命周期的各种活动对产品设计的影响，预测、检测和评价产品的可制造性等。
3.1 虚拟制造的特点
虚拟制造为用户提供了一种在计算机上从事生产规划、制造加工的环境[5]，完善的虚拟制造系统应具有下列特点：
(1)集成性：建模、可视化仿真、生产制造集成规划、企业资源规划、优化评价等多种相关技术集成。
(2)层次性：建模对象的层次性(工厂、车间、单元、设备；宏观、微观)和用户对象的层次性(使用者、设计者、财务经理、总经理)。
(3)动态性：在三维、多视角、多信息通道的虚拟环境中，制造系统及过程的仿真可以反映出实时系统运作所具有的动态特性，而不仅是静态信息。
(4)虚拟的真实性：利用虚拟现实技术，实现真实制造到虚拟制造的映射，达到人机和谐，发挥人的主动性，使人在虚拟环境中可以从事并感受真实制造中的各种活动。
3.2 虚拟制造的关键技术
(1)建模技术：产品模型(完备的产品模型使产品实施过程中的全部活动融于一体)、工艺模型(包括功能模型、物理和数学模型、统计模型、计算机工艺仿真、制造数据表和制造规则)、生产模型(静态描述和动态描述，从而可预测产品生产的全过程)。
(2)仿真技术：构造虚拟环境，包括从宏观、微观两个角度进行生产系统、加工过程和加工单元的仿真，甚至物理过程中运动学、动力学、热力学、应力等仿真，以支持制造全过程。
(3)可制造性评价：基于规则或基于方案，通过工艺模型和生产系统动态模型，应能精确地预测技术可行性、加工成本、工艺质量和生产周期等。
(4)系统集成支撑技术：PDM平台、数据库、ERP等。
(5)虚拟现实技术：人机接口、软件技术和虚拟现实计算平台。
3.3 虚拟制造技术的应用
虚拟制造所能起到的作用已为越来越多的企业所意识到，它能为企业填补产品设计与真实制造之间的鸿沟，精确预测企业(工厂)的运作，如鉴别并纠正潜在的问题，在工厂范围内进行分析、决策和处理“Whatif问题等；面向各个层次的使用、设计和管理人员；培训操作工人，提供制定标准的工具，使用户能漫游虚拟环境中，进行各种感官体验。成功的应用实例如，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缩短了1／2。nextpage
3.4 虚拟制造的发展趋势
虚拟制造技术的研究与应用具有巨大的潜力，发展趋势如：
(1)全方位的数字化制造——提供企业范围仿真集成的解决方案。
(2)人能够和谐地参与到虚拟制造环境之中。
4 网络化制造
信息革命促使制造业向全球方向发展，使现代企业呈现集团化、多元化的发展趋势 [6,7]。这些企业需要及时了解各地分公司的生产经营状况，同一企业不同部门、不同地区的员工之间也需要及时共享大量企业信息。企业和用户之间以及企业与其合作伙伴之间也存在着大量的信息交流。这就需要通过计算机网络的协调和操作，把分布在世界各地的制造工厂和销售点连接成一整体，以加快产品开发，提高产品质量和企业对市场的响应能力。
4.1 网络化制造的研究内容
企业信息涉及有关产品设计、计划、生产资源、组织等类型的数据，不仅数据量大，数据类型和结构复杂。而且数据间存在复杂的语义联系，数据载体也是多介质的。网络制造研究内容包括制造业内部的信息交流和共享，以及制造业的网络应用服务。如图1。
(1)制造信息共享。制造业中需要共享的信息，可分为两部分：产品制造信息和企业服务信息。其中产品制造信息包括产品信息和工艺信息。
(2)网络服务。对制造业企业来说，网络应用服务内容集中在以下几个方面：上网发布企业信息；跟踪行业技术信息，为企业开发适合市场需求的新产品；进行网上信息的交流；开展网上的商务活动；数字化产品模型共享，建立一个虚拟二维产品的“图书馆”。
在信息技术的条件下，将分布于世界各地的产品、设备、人员、资金、市场等企业资源有效地集成起来，采用各种类型的合作形式，建立以网络技术为基础的、高素质员工系统为核心的敏捷制造企业运作模式，其关键技术有：
(1)分布式网络通讯技术[8,9]。Internet、Intranet、Web等网络技术的发展使异地的网络信息传输、数据访问成为可能。特别是Web技术的实现，可以提供一种支持成本低、用户界面友好的网络访问介质，解决制造过程中用户访问困难的问题。
(2)网络数据存取、交换技术。网络按集成分布框架体系存储数据信息，根据数据的地域分布，分别存储各地的数据备份信息，有关产品开发、设计、制造的集成信息存储在公共数据中心中，由数据中心协调统一管理，通过数据中心对各职能小组的授权实现对数据的存取。
(3)产品数据管理技术。制造环境中包含许多超越事务管理的复杂数据模型，需要进行特定的数据管理，包含设计、加工、装配、质量控制、销售等各方面的数据。
(4)协同工作技术。在一定的时间(如产品生命周期中一个阶段)、一定的空间(如产品设计师和制造工程师并行解决问题这一集合形成的空间)内，利用计算机网络，小组成员共享知识与信息，避免潜在的不相容性引起的矛盾。
(5)工作流管理。其主要特征是实现人与计算机交互时间结合过程中的自动化。
4.3 制造网络的应用
制造系统通过因特网联系起来，在空间和功能上是分散的。可构建敏捷制造网络集成平台，利用企业内部局域网，负责企业的一切生产活动；利用互联网实现基于网络的信息资源共享和设计制造过程的集成，将有关企业和高校、研究所和研究中心等结合成一体，成立面向广大中小型企业的先进制造技术数据中心、虚拟服务中心和培训中心，开展网上商务。建立网络化制造工程的框架结构包括基于Intranet的制造环境内部网络化和基于Internet，制造业与外界联系的网络化，如图2。
4.4 制造网络的发展趋势
基于网络的制造系统将实现远程数据处理，远程资源调用和对远程设备的操作、控制、加工过程检测，网上信息交流、共享与服务等问题，未来的研究将面向全球制造的开放式系统及集成平台，开发协作式开放制造集成网络基础结构，研究基于信息高速公路的数据库技术、设备重组和资源重用，以及能自动进行产品建模的逆工程集成等技术，用面向对象的方法研究基于万维网的产品建模、生产管理和并行控制的方法和技术。
5 结束语
随着微电子技术的飞速发展，互联网络、计算机通信技术将在 21世纪得到广泛应用，必将对制造领域产生极其深刻的影响。未来的制造业将建立在数字化和网络化基础上，其总体目标是要达到快速设计、快速制造、快速检测、快速响应和快速重组。随着数字技术的进步，制造系统建模理论、方法和计算机仿真技术及虚拟现实的发展，虚拟制造技术将逐渐成熟；计算机网络通信和数据库技术将成为制造业研究的热点；基于Internet制造系统将在信息技术的支持下，建立起制造组织的动态联盟和制造系统中人机智能的柔性交互。这些将促使敏捷、全球制造体系的形成。数字化与网络化制造的内涵还将不断地丰富和发展。
