1 引言
隨著科學技術的發展和人們生活水平的不斷提高，產品市場發生了本質的變化，企業要想在激烈的市場競爭中站穩腳跟，要想讓自己的產品在外觀設計和性能要求等方面捕獲消費者的購買欲，在眾多眼花繚亂的產品中脫穎而出，就要以市場為中心，以用戶需求為導向，采用各種新概念、新思想、新方法、新技術對產品設計、開發和制造模式進行改進，力求使產品在市場上具有較強的競爭力和生命力。在這種背景下，協同設計、虛擬制造被眾多企業廣泛采用，它要求企業共享產品的設計、制造及生產組織的相關模型信息，借助建模及仿真技術，對產品未來制造過程乃至產品全生命周期的各種活動對產品設計的影響進行模擬，預測產品性能、技術可行性、工藝質量和生命周期等，以便在產品開發和設計初期能及時發現問題，解決問題，避免實際生產造成的損失，有助于企業的長遠發展。
2 虛擬制造技術的產生和發展
科學技術的發展、市場化程度的加深和用戶多元化的需求在無形中推動了企業生產模式的變革，早期的大規模、大批量的生產模式已遠不能滿足市場需求，虛擬制造作為一種新的生產方式，在這種環境下破殼而出，向人們展示著它鮮活的生命力，圖1描述了虛擬制造的產生。
圖1 虛擬制造的產生
從圖中可以看出，在30～60年代企業追求的是規模效益，大規模、大批量、流水線生產成為制造業的主流；70年代成本戰更是成為企業競爭的焦點，很多企業把低成本、高利潤作為企業獲勝的標準；80年代隨著人們消費觀念的改變，產品質量成為企業盈利、吸引用戶的籌碼，很多企業都采用質量控制技術、全面質量管理技術對產品質量嚴格把關；進入20世紀90年代，許多新概念、新觀點、新名詞爭先跳進人們的視線，如：精益生產、并行工程、敏捷制造和虛擬制造等，它們各有側重，從不同角度，運用不同的方式幫助企業增強競爭力，提高產品在市場上的占有率。虛擬制造技術作為制造技術與仿真技術相結合的產物，是現代生產的重要組成部分。在經歷了規模競爭、成本競爭、質量競爭之后，虛擬制造更是憑借先進的信息傳播手段和強大的無形資產的整合能力被很多企業采用，特別是制造型企業在產品設計、制造、生產乃至產品生命周期每一個環節，大膽嘗試應用虛擬制造技術，以虛擬現實和仿真技術為基礎，通過操縱和控制虛擬環境中的制造資源．對產品的設計、生產過程統一建模，在計算機上進行模擬和仿真，從而實現對產品制造過程的“預演”，幫助企業對產品的可加工性進行評價，達到優化設計的日的，最大限度縮短產品開發時間和降低經營風險。
3 基于PLM（產品生命周期管理）的企業虛擬制造體系的構建
3.1 PLM的內涵
PLM作為產品生命周期管理，已經迅速從一個競爭優勢轉變為競爭必需品，對于這個發展很快，又比較陌生的信息化領域，很多人對于它的定義還很模糊，正所謂眾說紛紜，CIMdata認為PLM是一種企業信息化的商業戰略。通過實施一整套的業務解決方案，把人、過程和信息有效地集成在一起，作用于整個企業，遍歷產品從概念到報廢的全生命周期，支持與產品相關的協作研發、管理和使用產品定義信息。Aberdeen認為PLM是覆蓋了從產品誕生到消亡的產品生命周期全過程的、開放的、互操作的一整套應用方案。Collaborative Visions則認為PLM是一種極具潛力的商業IT戰略，它專注于解決企業如何在一個可持續發展的基礎上，開發和交付創新產品所關聯的所有重大問題。AMR的觀點PLM是一種技術輔助策略，把跨越業務流程和不同用戶群體的那些單點應用集成起來。
對于PLM的定義還有很多，定義的側重點也有所不同，不論PLM是一種商業策略，還是一種業務手段，對于企業來說最根本的一點是如何應用？使之更好的融入企業現有的生產模式當中，幫助企業開拓潛在的業務，從時間上覆蓋產品的設計、制造、裝配、銷售等產品生命周期的各個環節，從而縮短產品的研發速度，快速響應用戶需求。圖2展示了產品從設計、制造、一直到使用的各個環節，為企業虛擬制造體系的構建做好準備工作。
圖2 產品生命周期管理的內容
3.2 基于PLM的企業虛擬制造體系的構建
企業對于市場競爭的第一反應就是戰略調整，其中包括管理方法的改進、管理策略的調整、技術體系的優化、重組、引入新的生產模式等都成為企業應對市場競爭的強有力措施。在市場競爭的驅使下，虛擬制造成為企業競相追逐的焦點。
基于產品生命周期的企業虛擬制造體系的構建如圖3所示，主要涉及產品開發的整個生命周期，包括產品決策、設計、制造、測試、使用等，通過借助PLM系統捕捉、管理、訪問和集成不同客戶的需求，并及時將分析后的需求數據通過基礎層、數據層、應用層、界面層的相互作用，實現信息傳遞、共享，使設計人員在產品設計初期就能準確掌握市場需求和發展動向，并在虛擬的制造環境下，以CAD/CAE/CAM等各種仿真軟件為支撐如圖4所示，通過計算機網絡，實現產品設計、性能分析、制造裝配等，從而縮短產品上市時間、快速響應市場需求。
圖3 基于產品生命周期的虛擬制造體系結構
圖4 虛擬制造支撐軟件
基礎層：是虛擬制造體系的最底層，由企業基本網絡和數據交換協議組成，承擔著數據信息交換、傳輸和資源共享的重擔，為企業虛擬制造體系的構建提供了最底層的支持。
數據層：主要由數據庫系統、知識庫系統及其他軟硬件層和環境組成，其中知識庫系統集成了海量的與設計、制造相關的理論知識、實驗數據、定理、運算法則及常識性知識等，方便設計人員查閱、使用；數據庫系統則包括面向PLM產品設計數據庫、環境影響評價數據庫、材料選擇數據庫等重要的虛擬制造的支撐數據庫，這些數據庫和知識庫是虛擬制造順利、有效實施的依據和準則。
應用層：主要包括虛擬產品設計系統、虛擬工藝設計系統、虛擬制造執行系統、虛擬裝配系統、虛擬測試系統、虛擬使用系統、虛擬回收系統。以產品的全局最優化為目標，以計算機支持的仿真技術為前提，對產品設計、制造、回收等全生命周期進行統一建模，在應用層，大量使用各種建模、仿真、分析技術和工具，結合用戶需求先做出三維模型，然后通過虛擬仿真技術，對虛擬產品原型的結構、功能、性能等在虛擬環境下進行仿真，對于可能出現的問題，予以及時有效的解決。
界面層：借助界面層，設計人員可以在產品設計開發初期讓用戶參與進來，這樣用戶需求通過界面層傳遞給設計人員，設計人員在接到用戶反饋和用戶需求信息后，實時調整設計方案，提高產品競爭力。
4 結論
虛擬制造作為一種新的制造模式，深受企業的青睞。企業設計開發人員可以在虛擬制造環境下，結合用戶需求，借助CAD/CAE/CAM基礎軟件、仿真軟件和建模技術對產品設計、開發、制造等各個環節進行仿真，優化資源，對于可能出現的問題，設計人員可以及時調整、修改設計方案，避免實際投產損失，在時間上大大縮短設計開發周期，加快產品上市速度，從而可以幫助企業實現快速設計、快速生產、快速響應。
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本文標題：基于PLM的企業虛擬制造體系的構建
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