虚拟制造技术在家电制造业的应用分析
摘 要 介绍虚拟制造技术的产生背景，对虚拟制造技术的涵义与特点进行分析，在此基础上，重点探讨如何将虚拟制造技术融入到家电制造行业中，认为虚拟制造技术与家电产品制造相结合，可以显著提高设计效率和质量，提升决策准确性，降低改善方案风险。
关键词 虚拟制造技术；信息化；仿真技术
中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）20-0010-02
当今随着科技进步和人类生活水平的提高，消费市场已经逐步进入需求个性化、多样化、快速响应的时代。在竞争日趋激烈的全球市场环境下，消费产品企业必须能够更好地满足市场快速反应的需求，即要以更短的产品开发周期，个性化的产品服务，更高的产品质量，更低廉的制造成本和更好的售后服务来赢得客户市场。为应对快速变化的产品变更，制造企业的生产加工活动必须与时俱进，具备柔性的生产加工能力。随着近年来计算机软硬件技术的快速发展和生产管理理念升级，20世纪90年代以来产生了很多创新的概念和方法，虚拟制造（Virtual Manufacture，VR）就是其中一种全新的制造体系和模式创新方法。在虚拟制造系统中，充分利用信息技术、三维仿真技术、计算机技术对制造系统进行系统化组织与分析，在基础上采采集相关的数据进行系统建模，从而不断优化整个设计过程。整个过程采用虚拟制造技术，并没有制造实物产品，而是利用计算机进行模拟整个制造过程。从而可以做出更为准确的决策与优化方案，大大提高了企业的快速响应和市场开拓能力，降低企业决策风险。
1 虚拟制造技术简介
1.1 虚拟制造技术简介
目前，信息技术技术发展日新月异，信息技术的迅猛发展给制造业的发展提供了巨大支持。从世界制造业发展潮流来看，信息技术与制造业的不断融合是必然的趋势。在这个领域产生了很多新概念，其中虚拟制造技术引起了广泛的关注。所谓虚拟制造技术是采用计算机仿真与虚拟现实技术，在高性能计算机及软件技术的支持下，实现产品设计工艺规划、制造流程、性能分析、质量检验，并进行过程管理与控制。从这个概念我们可以看出，虚拟生产技术并没有生产出实物产品，这是与传统的制造加工过程最明显的不同。虚拟生产技术将传统的设计加工过程在计算机上进行虚拟演示，在计算机整个模拟过程中，设计师可以清楚看到产品虚拟加工的整个过程，设计人员可以随时在虚拟的空间中根据市场需要和用户需求对产品设计进行不断的修改和完善。虚拟制造技术的出现只有几年的时间，但对制造业的影响是巨大的，虚拟技术摆脱了传统制造业设计、生产的不可逆性，优化了产品的设计流程，提高了产品的设计质量，缩短了产品的研发周期，在极短的时间内迎合市场需求，生产出用户受欢迎的产品，占领市场，赢得竞争优势。
1.2 虚拟制造的关键技术
虚拟制造技术是制造技术的一大突破，也是未来制造技术发展的潮流。事实上，虚拟生产技术涉及范围很广，应用也比较广泛，其核心技术分别是信息技术、仿真技术以及虚拟现实技术。
1.2.1 信息技术
在现代制造技术中的信息技术主要包括管理信息系统（MIS）技术、生产排程系统、仓储管理系统（WMS）、配送优化系统等。通过虚拟制造系统应用，可以模拟这些系统运行情况，设计合理的系统功能和数据库结构。
1.2.2 仿真技术
计算机仿真技术是以计算机系统为基础，根据用户的要求建立实际系统的数学模型，并使之转换为仿真模型，在不同的工况下在计算机系统中运行演示，从而真实地展现实际系统运行状态的过程。仿真技术主要优点有：
1）减少方案设计与开发时间。
2）减少运营瓶颈的风险。
3）降低方案改善成本。
1.2.3 虚拟现实技术
虚拟现实技术是一种综合计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、人机交互技术、网络技术、立体显示技术以及仿真技术等多种科学及时而发展起来的计算机领域的新技术。
它包括以下关键技术：
1）动态环境建模技术。
2）三维显示和传感器技术。
3）实时三维图形生成技术。
4）系统集成技术。
2 虚拟制造技术在家电制造业中的应用
家电是制造业中竞争最为激烈的领域之一，我国的家电企业经过短短几十年的发展，通过人性化的产品设计、敏捷的市场反应能力和低廉的制作成本，目前已经在以高科技为依托的家电市场上找到了立足点，特别是以电视、空调、冰箱为代表的大家电在国内市场占有率超过70%。家电业为了提高产品的市场竞争力，对产品的制造技术的应用力度明显加大，随着CAD，CAM等技术的广泛应用，家电产品在产品设计和质量标准上得到了大大改善，产品更新换代速度加大，市场竞争力不断加强，其中虚拟制造技术的使用更使得家电产品设计与制造发生了根本性的改变。下面本文分别对虚拟制造技术在家电制造业中的虚拟设计、虚拟产品制造来阐述虚拟制造技术在家电制造业的应用。
2.1 虚拟设计在家电产品设计中的应用
设计阶段是家电产品走入市场的最重要阶段，这个阶段对产品的质量和成本具有重要影响。在家电产品设计阶段利用虚拟技术是家电设计领域的一大突破，家电设计师们利用虚拟技术对家电产品这个过程进行计算机模拟，与以往的实物模型设计不同，采用虚拟技术后，设计师们对虚拟的家电产品进行零部件装配，大大提高了设计效率和质量。还可以通过动画演示来展示家电产品的性能和结构，发现问题及时进行修改和补充，尤其是对家电产品的零部件进行有限元分析，来对家电产品的可加工性、可采购性、可装配性等因素进行分析，并参考客户反馈的意见进行优化综合优化设计，必要时用快速成型样机予以验证。
虚拟产品设计主要包含以下两类。
1）增强的可视化系统。
利用先行的CAD系统进行建模，在对数据格式进行转换后输入虚拟环境系统进行进一步的设计；目前的虚拟设计系统大都属于这种类型。
2）基于虚拟现实的CAD系统。
CAD技术最早的应用就是在设计中，将虚拟技术用于CAD系统中，创建虚拟现实的集成化CAD系统，这种系统不再是传统的二维交互手段进行建模，而直接是进行三维设计，用户可以在这种虚拟环境中进行设计活动，大大提高设计效率。另外，这种系统也支持其它的输入方法，如语音识别、手势和眼神跟踪等。整个系统操作方便、简单易懂，设计人员经过简单了解后就可以进行操作，不需要进行专门的培训，因而拥有广阔的应用市场。
2.2 虚拟产品制造在家电生产中的应用
虚拟产品制造在家电生产中的应用主要是虚拟家电产品生产线制造流程。利用计算机仿真技术，模拟产品生产整体流程，对生产线规划方案进行评估，择优选择设计方案，大大降低产品生产风险，降低后期生产线改造成本，并对部分难以通过手工分析的复杂控制逻辑模块进行仿真分析，验证优化生产线控制逻辑，以实现设备、人员、物料、生产计划的最优化运作。图1为虚拟制造分析流程。
图1 虚拟制造分析流程
进行生产系统仿真分析主要包含以下步骤：系统分析→收集数据→抽象系统模型→建立仿真模型→运行仿真模型→仿真实验→输出结果并分析。图2为仿真技术在生产线规划中的应用。
2.3 应用虚拟制造技术可以给家电企业带来的好处
1）为家电制造企业提供高质量的设计产品，虚拟制造技术在家电生产领域的应用，改变了家电产品设计模式，降低了设计成本，设计师们可以在计算机虚拟环境中正确处理家电产品生产成本与效率之间的关系，帮助管理者做出正确的决策，获取最大利润。
2）家电产品开发中使用虚拟制造技术，可以在建模方法、虚拟运动仿真中的运动链简化和等价转换的精度评价等技术或应用上有所创新，
3）家电制造企业采用虚拟制造技术，可以迅速根据市场的发展以及用户的要求来修改产品设计，实现了家电产品的定制化设计和生产，为家电产品迅速占据市场形成竞争优势提供了巨大帮助。
图2 虚拟制造中的生产系统仿真技术
3 总结
结合本文所述和相关文献知识，虚拟制造技术是制造技术的一大突破，虚拟制造技术在制造行业的使用可以大大提高制造业的生产效率，降低成本。对家电制造行业而言，随着家电市场竞争的日益白热化，传统的家电生产方式已经滞后于家电市场的发展以及用户的实际需要，急需创造新的制造技术突破口。在这方面，虚拟制造技术的使用更使得家电产品设计与制造发生了根本性的改变，帮助家电企业迅速的适应市场需求、形成竞争优势。当然，虚拟制造技术在我国发展不过短短几年，还处于理论研究阶段，对于我国制造行业而言，要积极借鉴国外成熟的虚拟制造技术理论，与我国实际相结合，在生产实践中不断完善和强化，最终进行大规模的推广和应用。
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