引言
随着全球知识经济的兴起和快速发展，整个世界范围内制造企业之间的竞争越来越激烈。为了适应瞬息万变的市场需求，提高竞争力，现代制造企业就必须更好地满足市场所提出的TQCS要求，即以最短的产品开发周期(Time)、最优质的产品质量(Quality)、最低廉的制造成本(Cost)、最好的技术支持与售后服务(Service)来赢得市场与用户。面对当前众多严峻的挑战，各制造企业不得不将许多新出现的技术引入到设计和制造领域中，为此产生了许多新的制造技术和制造系统，如柔性制造系统(FMS)、计算机集成制造系统(CIMS)、智能制造系统(IMS)等。然而，这些系统仍然存在着一些问题：
(1)系统投资较大、周期较长，在正式建立与运行之前，难以对这些系统的效益和风险进行确实有效地评估；
(2)在前述系统的环境下开发一个新产品，无法在投入大量人力和经费之前就确定其开发价值和对投产后所取得的效益和风险进行确实有效地评估；
(3)在产品设计开发的各个阶段中，无法把握产品制造过程的实况和确实有效的协调设计与制造关系，从而难以寻求企业整体的最优效益。为了解决上述问题，随着计算机网络和虚拟现实等先进技术的出现，虚拟制造(Virtual Manufacturing，VM)应运而生，它的诞生是现代科学技术和生产技术发展的必然结果，是各种现代制造技术与系统发展的必然趋势，被誉为21世纪的新型生产模式。
1 虚拟制造的定义和内涵
虚拟制造又叫拟实制造，其中的“虚拟”是指现实世界的数字化，即对真实世界的动态模拟，又称为虚拟现实技术；“制造”是虚拟现实技术在制造中的应用和实现。虚拟制造是实际制造过程在计算机上的本质体现，即采用计算机仿真和虚拟现实技术，在高性能计算机及高速网络的支持下，在计算机上群组协同工作，实现产品设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验，以及企业各级过程的管理与控制等产品制造的本质过程，以增强制造过程各级的决策与控制能力。
虚拟制造技术是集计算机技术、信息技术、虚拟现实技术、计算机仿真技术等为一体的多学科交叉前沿技术。它通过在虚拟环境下，以计算机支持的仿真技术为前提，对设计、制造等生产过程进行统一建模。在产品设计阶段，实时、并行地模拟出产品未来制造过程及其对产品设计的影响。预测产品的性能、制造技术、可制造性，从而更有效、经济、柔性灵活地组织生产，有力降低了由于前期设计给后期制造带来的回溯更改，达到产品的开发周期和成本最低化、产品设计质量的最优化、生产效率的最高化。虚拟与实际制造系统关系如图1所示。
图1虚拟与实际制造系统的关系
2 虚拟制造的分类
广义的虚拟制造过程不仅包括与产品开发制造有关的工程活动的虚拟，还包含对企业组织经营有关的管理活动的虚拟。因此，虚拟设计、生产和控制机制是虚拟制造的有机组成部分，按照这种思想可将虚拟制造分成3类。
(1)以设计为中心的虚拟制造。强调以统一制造信息模型为基础，对数字化产品模型进行仿真与分析、优化，就产品的结构性能、运动学、动力学、热力学方面和可装配性进行分析，以获得对产品的设计评估与性能预测结果。
(2)以生产为中心的虚拟制造。它是在企业资源的约束条件下，对企业的生产过程进行仿真，对不同的加工过程及其组合进行优化。它分析和评价产品的“可生产性”，优化组合制造资源和环境，通过提供精确的生产成本信息对生产计划与调度进行合理化决策。
(3)以控制为中心的虚拟制造。它是将仿真技术引入控制模型，提供模拟实际生产过程的虚拟环境，使企业在考虑车间控制行为的基础上对制造过程进行优化控制。
以上3种虚拟制造技术分别侧重于制造过程的不同方面。但它们都以计算机建模、仿真技术为一个重要的实现手段，通过对制造过程进行统一建模，用仿真支持设计过程、模拟制造过程。进行成本估算和生产调度。
3虚拟制造的特征
虚拟制造系统基本上不消耗资源和能量，也不生产实际产品，而只模拟产品的设计、开发与实现过程，它具有以下特征。
(1)高度集成。基于计算机虚拟制造环境，进行产品设计、制造、测试，设计人员或用户可“进入”虚拟制造环境，检验其设计、加工、装配和操作，而不依赖于传统的原型样机的反复修改。通过综合运用系统工程、知识工程、并行工程和人机工程等多学科先进技术，实现信息集成、知识集成、串并行交错工作机制集成和人机集成。
(2)敏捷灵活。开发的产品(部件)可存放在计算机里，不但大大节省仓储费用，而且可根据用户需求或市场变化快速改型设计、投入批量生产，从而缩短新产品的开发周期，提高质量，降低成本。
(3)分布合作。可使分布在不同地点、不同部门的专业人员在同一个产品模型上同时工作，相互交流，信息共享，减少大量的文档生成及其传递的时间和误差，从而使产品开发更快捷、优质、低耗，以适应市场变化。
4虚拟制造的关键技术
虚拟制造系统是各制造功能的虚拟集成。计算机仿真、建模和优化技术，虚拟现实环境是虚拟制造的核心与关键技术。
4．1建模技术
VMS的建模包括：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划)、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)的信息体系结构。
4．2计算机仿真技术
仿真就是应用计算机对复杂的现实系统经过抽象和简化，形成系统模型，然后在分析基础上运行此模型，从而得到一系列的统计性能。基本步骤为：研究系统-收集数据-建立系统模型-确定仿真算法-建立仿真模型-运行仿真模型-输出结果并分析。
4．3虚拟现实技术VRT
虚拟现实技术VRT(Virtual Reality Technology)是为改善人与计算机的交互方式，提高计算机可操作性产生的，它是综合利用计算机图形系统、各种显示和控制等接口设备，在计算机上生成可交互的三维环境(称为虚拟环境)中提供现实感觉的技术。
4．4优化技术
以一定的约束条件构造合适的优化算法，通过较少的分析次数得到局部或全局的最优解。
5虚拟制造技术在电子工业中的应用
5．1 电子虚拟制造的实际意义
虚拟制造(VM)的意义在于摒弃了过去依赖于经验的保守方法，将全过程预测的崭新方法引入到工业产品制造从当中。这一飞跃性的进步填补了CAD／CAM技术与生产过程和企业管理之间的鸿沟，为企业的工程师们提供了从产品概念的形成、设计到制造全过程的三维可视和空间交互的环境，从而实现了制造驱动设计。
VM已经在机械、电子等诸多领域得到了广泛应用，但从应用范围来看，主要集中在机械行业。现在，电子电路设计CAD或EDA(Electronic DesignAutomation)3X具都已经发展成熟，可以在很短时间内完成从概念、电路设计、前仿真、自动布局布线、后仿真，到PCB板的设计完成的全过程。对于普通的简单插装元件组装过程，加工精度不高的情况，只要电路组装人员和调试人员有足够的耐心和时间，就可以实现一个产品的研发过程。但对于SMD和BGA元件的组装来说，则不太容易，将虚拟制造技术应用于电子产品制造中是十分必要的。因为想做到新产品的一次制造成功，只依靠柔性化的制造分析是不够的，还必须在设计阶段考虑制造阶段可能出现的问题，并加以解决。显然，VM技术成为了解决问题的最佳途径。
广义上的虚拟制造是作为制造企业生产环节中的一个重要步骤而存在，具体面向电子产品制造企业将涉及：产品设计(包括方案设计、详细设计、生产设计)、工艺流程、计划与管理、物流供应、过程控制等。理论上讲，它将以信息制造观为指导，用系统论构造信息模型的体系结构，用信息论进行流程设计，用控制论以实施规划和管理。数字化的生产过程是物质生产过程在虚拟现实的综合环境中的仿真和预演，将直接控制物质生产过程，即信息流驱动物流。
5．2 电子虚拟制造技术的初步应用
在国外，许多知名企业和科研院所已在积极地开展虚拟制造技术在电子产品制造领域的应用研究，并取得了一定的成果。如日本索尼公司下属半导体公司的H．KORIYAMA，Y．YAZAKI，I．HONBORI，Y．KATO和T．KIsAⅪBARU，他们首先阐述了半导体IC生产的设备和环境要求，IC的生产成本以及IC的生产循环时间；然后指出为了更新现有的生产线和设计一个新的生产线，就必须要对生产线的规范进行研究和对IC成本和IC生产循环时间进行校验，而这些工作是非常复杂和费时的。为了更加简便、快速地完成整个过程，最终建立起了一个VM系统，这个VM系统主要由“COSMOS”成本计算器、循环时间模拟器和数据库组成，如图2所示。它被用到了FAB计划编制和现有生产线的更新上后，很快地得出了在各种不同条件下IC的生产循环时间和生产成本，由此不但改进了现有的生产线而且设计出了一条新的生产线。他们所建立的VM系统在生产评估和调整生产线的KANBAN数量上都体现出了极高的效率。
波兰华沙科技大学的Wieslaw Kuzmicz第一次提出了基于因特网的虚拟制造技术的概念，主要内容是：设计者在设计阶段能够将想要在设计上使用的器件描述提交到网站上，然后接收该网站上显示的具有详细统计信息(包括相互关系和错配)的器件模型参数；当设计完成后再将设计文件提交给虚拟制造系统进行处理后，再回馈给设计者。这种方法不但避免了真实原型的制造，而且在设计过程中用户也不需要知道处理细节和机密的实际制造信息，就能够达到完成设计并验证制造可行性和优化IC设计的目的，因此节省了大量设计时间，减少了设计费用。VM系统的操作过程如图3所示。
太平洋Numerix公司的Rob Tomasek将VM系统运用到了电路板从设计到生产过程实现当中，并建立了设计程序框图，如图4所示。在实际应用中得出：虚拟原型(模拟复杂的电路图案、环境条件和制造过程)与测试物质的原型比起来花费要少很多并且更容易理解；虚拟原型和虚拟制造通过高精确的数字分析和综合设计系统能够更加彻底地检查和帮助纠正设计和生产中出现的问题。
图2虚拟制造系统
图3基于Internet的虚拟系统操作图
图4 PCB综合设计程序框图
日本横滨大学的Yang jianhua和Yasutaka Fujimoto将实时有色的Petri网(RTCPN)应用到虚拟工厂的设计描述中，同时把Java语言用到RrrCPN工具的操作上，并实际建立了印刷电路板虚拟制造工厂来验证这一工具的高效与省时的优点。虚拟工厂的结构如图5所示。
图5 虚拟工厂结构
其虚拟工厂的工作流程设计：
(1)确定建立多少制造单元和怎样将它们分成模块；
(2)绘制和描述模块(包括位置、形状、标识符、特性等)；
(3)制图和描绘模块的单元，例如：机器、缓冲器、运输器；
(4)建立每一个模块相对应的RTCPN模型，它们能够互相联系和共享；
(5)确定哪个部分与最终结果相联系并被用来描述GANTT和LOAD图表；
(6)确定转换方法；
(7)给出从模型单元中得出的模型记号，并将从外部文件和数据库中得到的记号涂色；
(8)模拟；
(9)给出包括每项工作完成时间的GANTT和LOAD图表。
在国内，虚拟制造技术应用于电子产品制造领域的研究虽然起步较晚，但在许多科研机构的努力下已有很大进展。例如经西安电子科技大学陈怀琛教授提议，由原电子部军事电子科学研究院在北京建立的电子设计制造一体化中心，目前主要的研究成果有：
(1)对VM系统与CAD系统的无缝连接技术的研究。主要实现了CAD中输出的PCB图形数据与VM中PCB图的无缝链接，定义了一种CAD数据与VM系统的接口格式，并实现了GERBER格式转化为VM系统的接口数据；CAD元器件库到VM元器件库的无缝链接；CAD中PCB图与在VM中PCB图动画贴片时元器件位置的关联；CAD数据与生产线VM动画仿真的无缝链接。
(2)从生产制造电子产品瓶颈的角度，建立了贴装机、丝网印刷机、回流焊炉、飞针测试仪的时间模型。同时，使用SIMAN／CINEMA语言建立出整个生产线的模型图，还对生产线的性能、参数调整和仿真结果进行了分析。
(3)比较了SIMPLE++，MATLAB和SIMAN/CINEMA这3种典型动画仿真软件的特点。西安电子科技大学的常宏对PCB版图的恢复问题进行了研究；完成了器件库的建立工作；提出了一种VM系统开发环境，即以VC++和OpenGL为核心的建立方法；开发了VM表贴子系统。西安电子科技大学的朱宝宏利用JAVA语言和ORACLE数据库建立了一种面向PCB制造企业全面集成的VM体系结构，同时建立了比较完备的VM工程数据库，它包括：二维图形元器件库、三维图形元器件库、设备模型数据库和动画仿真数据库，并给出了一种搜索元器件的算法和针对一种情况纠正CAD设计中出现错误的方法。
6 结论
综上所述，虚拟制造技术的推广可以帮助企业缩短设计周期、减少成本、提高产品质量、优化产品性能；使其在竞争日益激烈的市场上抓住商机，立于不败之地。我国虚拟制造技术的研究刚刚起步，系统、全面的研究尚未开展，目前仍停留在对国外的理论消化与国内环境的结合上。面对新世纪商品经济的飞速发展，VM系统在电子产品制造领域各方面的应用有着巨大的潜力，将虚拟制造技术应用于电子产品制造企业的产品设计和生产线的升级改造，应该是非常有前景的。只要我们努力创造一个良好的基础，虚拟制造技术在我国电子产品制造企业的广泛应用为期不远。