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进入20世纪90年代，世界制造业竞争不断加剧，使得当前制造业面临着极大的挑战。这一挑战主要来源于市场和技术两个方面。新的制造技术的不断发展以及FMS、CIMS、AI等技术的相互渗透，使得整个制造业出现了第二次生产方式的转变。面对这种挑战，美国GM公司与Lehigh大学1988年提出了Agile Manufacturing(敏捷制造)；1990年日美加澳等国及欧共体联合提出了为期10年的IMS(智能制造系统)的研究和开发；1992年德美(MIT)提出了Lean Production(精益生产方式)；1994年日本提出了Lean and Profitable Manufacturing(可获利的精益制造)；1994年德国提出了改变工业组织结构的Fractural Company(分形公司)。上述先进技术中，最具代表性且社会反响最大的是敏捷制造。
现代化模具制造加工业，应是以面向全球市场需求为特点，以应用模具CAD/CAE/CAM技术来实现优质、高效、低费用的产品生产为国际市场共同追求的目标。而传统的模具设计和制造大都凭借经验或者使用引进的或自己研制的CAD/CAM软件来实现，整个过程是长期的、高费用的和低效率的。因此，也就不能适应现代化制造业中要求柔性化、快捷、低成本及高质量的要求。这样就提出了如何利用国内外目前较成熟的模具CAD或CAD/CAM或CAD/CAE/CAM系统的问题。本文认为一种最好的解决方法就是互相借助于彼此的硬件和软件技术，把最先进的技术集成起来。但这种集成与常规的集成技术是不同的，它是虚拟的，仅由一个虚拟公司控制。它是并行工程思想与先进制造技术的综合体现。
本文分析了模具行业存在的问题，提出了一种虚拟模具CAD/CAE/CAM系统的思想，即VC3(VIRTUAL CAD/CAE/CAM)，这里，C3指CAD、CAE、CAM三项；对其思想基础、组织方式、结构特点进行了探讨，对其环境技术进行了分析研究；最后对其投资效益和发展前景给出了评价。可以预见，这样的系统得以实现的话，可以缩短产品的开发和模具设计与加工周期，提高设计的一次性成功率，快速响应市场，提高竞争优势。且将有助于整个模具制造业找到一个新的应用发展突破点，真正体现高速、高效、高质的优势。
一、VC3思想提出的理由
1.模具行业存在的问题
(1)当前模具行业普遍存在着不可忽视的问题有设计科学性差，对经验的依赖性强，模具的试制周期长，再设计的可能性加大，从而导致模具的总成本增高。
(2)市场需求分析，模具设计、制造和产品加工独立分化。生产管理没有全局的观念。对项目往往缺乏可行性和经济效益评估，不能积极关注全球市场的需求动态。
(3)尽管近几年模具行业采用了一些先进的CAD、CAE和CAM等技术，但在总体管理上，整个运转过程是串行的而非并行的。
(4)自行开发一些新的系统，需要很大的时间和精力，且软件的实用化和商品化也需要几年到十几年的努力；购置一些成熟的软件需要花费较大的前期投资和后期的维护资金，而大部分这样的软件都仅有某一方面的功能，对其它项目可能不适应。
上述这些弊端是制约模具行业发展和繁荣的主要原因，将虚拟系统思想引入并应用于模具的设计、分析和制造中，对解决这些问题，实现技术进步，提高经济效益和增强企业竞争能力是极有效的手段，也是二十一世纪最有生机的新型市场经营的方式之一。
2.对模具行业现实性的要求
模具行业不仅计算机辅助技术上要过关，而且还要对用户的需求能够做出快速响应，只有显著地缩短整个模具的开发周期，降低其制造成本，才能快速占领市场。要想具有快速反应性，持续变化适应性，高质量标准的可选择性和低的费用优势，方法之一就是可以探讨实现这样的一个虚拟系统，它通过动态地组合分散在各个地域的技术优势，分别利用最优的CAD、CAE或CAM或它们的组合技术来对整体项目提供有力的决策和技术支持，以实现全局优化，最终赢得市场。
3.虚拟模具加工系统的可行性
目前国内外已有一些较成熟的软件系统，加之一些现代化的并行通信环境和计算机网络技术，虚拟技术已在某些领域得到了实际的应用，如多媒体会议系统、远程专家对病人的诊断系统等，经论证也表明，虚拟模具CAD/CAE/CAM系统是可行的。
二、虚拟系统的结构框架
图1所示为虚拟系统的结构图。VC3系统包括了内层的核心数据仓库即数据库和知识库及其管理系统、应用专家系统，它是一个紧密型的结构，由虚拟公司的总监理控制，各个专家系统通过共享数据仓库中的信息进行决策，总监理对这些决策有最终的审计决策权；外层虚拟系统由模具CAD、CAE和CAM系统，经济技术咨询系统、质量检验系统和销售服务系统等一些子系统组成，但这是一个松散的结构体系，依项目的要求而定；内外层通过网络连接，依靠强有力的网络协议实现信息的交换，除了销售服务系统直接归虚拟公司总监理负责外，其它系统均由各个专家系统的专家负责。
图1 虚拟模具CAD/CAE/CAM系统子结构
由于篇幅所限，仅给出CAE子结构功能模型，如图2所示。它简单地展示了模具CAE子系统通过读取数据库中的CAD结构模型数据(当然这些数据是经过模具设计专家检验过的和工艺方案及经济技术分析确认过的)，利用有限元数值模拟来分析结构的合理性和提供最佳的成形工艺参数。在分析过程中可随时通过网络上的专家系统获得支持，并且其它子系统马上也会给
图2 CAE子结构功能模型 出分析结果的可行性评价，几乎是同时地，只要其它系统和数值模拟专家认为结果正确，模具CAD系统就马上可以输出其正确的装配图和零件图提供给模具CAM系统，然后通过CAPP和CAM完成模具的制造工作。 三、虚拟模具CAD/CAE/CAM系统环境技术分析
1.思想和技术基础
(1)敏捷制造(AM)：利用“竞争—合作/合同”机制，组建虚拟公司，发挥局部特长；
(2)并行工程(CE)：同步实现设计、加工、核算和管理的一体化；
(3)专家系统(ES)：实现领域知识与复杂问题的求解评价和建议；
(4)网络技术及先进的管理系统(NT-MS)：实现先进集成技术的最快捷的手段。
虚拟模具CAD/CAE/CAM系统实质是集成技术的虚拟实现。是成熟的商品化的软件系统、现代化通讯系统和飞速发展的计算机网络技术等的集成。它借助于强大的网络通信环境，采用可共享的数据库和知识库，使异地的设计者、仿真人员、制造者、质量检验者和产品销售人员能随时、方便地交流信息，而且彼此之间的信息都是透明的，就好象大家都在一个车间里同时进行工作来完成整个模具的设计和制造的全过程一样。但和真实世界不一样的是，大家都只是认识数据和相关信息，并不彼此相识，因此称之为虚拟系统。
2.CAD/CAE/CAM技术
目前欧美市场上和国内一些大的研究机构CAD/CAE/CAM系统还是较多的、较成熟的。如表1所示为可选用的通用设计、制造和分析的软件系统，表2所示为可选用的模具设计、制造和分析的专用软件系统。
3.网络技术
这方面包括选取网络环境和确定网络协议及应采取的网络安全措施。网络计算环境要求：带宽的可调节性、等时功能、以更低的费用使原有应用程序提供更好的性能以及一个可适应未来的环境。虚拟系统网络的日常管理必须适应一个规模和类型都在不断变化的环境，因此，要求网络必须是具有最先进的技术服务支持和良好的安全保密性。
根据虚拟系统的要求，建议：(1)整体系统采用广域网如Internet网，各个子系统采用局域网或自定义网络环境；(2)在网络联接上，应该优先选用集成型网络互联结构，以改善系统的动态性能和柔性；(3)在网络传输技术方面，应采用最新的ATM技术确定网络传输模式，它能以完善的端到端协议将局域网和广域网结合起来；(4)在网络安全性方面，整体系统应采用TCP/IP网络协议；企业级的网络安全措施可以采用网络路由器或Internet的防火墙技术，如由Raptor公司推出的EagleNetwatch和Technologic公司推出的Interceptor2.0；(5)在CAD/CAM制造信息交换方面，企业内通信联网采用MAP/TOP工业标准协议［1注］。
4.应用数据仓库技术
在大量的网上信息处理过程中，不仅要保证方便地对数据进行存取、管理和协调，最关键的还是要能够为用户提高决策支持。对生产厂家而言，通过应用数据仓库而得到产品的各种需求信息，将是数据采掘、技术集成和提高效率的最有效的方法。
区别于一般的数据库，数据仓库除包括数据库外，还集成了不同种类的应用系统和对历史数据的分析系统，因而不能简单地把它认为是“大的数据库”，而应看成是动态的“信息处理工厂”。数据仓库技术已有较成熟的支撑工具如智能代理工具(Intelligent Agent)和多维分析工具(MDA)，具有代表性的实用工具有：IDIS、Essbase和DssAgent。目前，Oracle公司正在帮用户建立数据仓库及开发策略；Sybase公司也正在集中相关工具产品和关系数据库集成。对数据仓库信息存储结构进行分析，在虚拟系统应采用层次关系存储数据为好，图3所示为虚拟公司的数据层次关系图。
表1 通用设计、制造和分析软件系统(部分)
 
图3 虚拟系统的数据层次关系 5.环境管理技术要求
整个系统归属一个大的数据仓库进行数据交换。其中有一个共享的数据库和知识库；由总监理协调各个专家的工作，当有项目时，形成一个公司；当没有项目时，这个公司就不存在。因此，总监理的任务就是向各个专家进行咨询，分配和协调工作任务，信息总负责；要全权掌握好自己所拥有的信息管理系统。虚拟系统与传统方法表现最不同之处就是真正的实施手段及相关软件掌握在不同的网络端点上而不是在虚拟公司自己手中，因此，虚拟公司只有使用权而无拥有权，但是，在一个良好的网络协议的基础上，总监理及其下面的专家们对网络端点系统需求的数据和传输来去的信息与数据有绝对的支配权。靠良好信任度的网络合同协议相互之间进行远程合作，可以保证最优、最快、费用最合适地完成各个子功能。各个子系统之间不能互相联络，要有绝对地保障绝密的管理程序。 四、结论
通过实施VC3技术，预计产生的效益将是巨大的。可能的效果如下：
(1)大大缩短产品的上市时间，一般保守的估计要比传统的方式快10～20倍；
(2)根据公司的能力，可推销更多的产品，而且产品的总成本会削减很多；
(3)可实现虚拟协同并行工作环境，对产品的柔性化、最优化、集成化达到最好的应用，而且产品的更新换代不会对整个产品开发过程形成大的冲击，也不会对公司的基础有任何的动摇；
(4)数据的备份和安全性控制最佳，使用期限、权限和存档相当容易。在一个大系统数据库下，可保证数据和过程的一致性，所有技术文档都以电子邮件方式产生，并可随时随地同时分享；
(5)专家在产品的开发初期就能充分发挥其作用，而不用等到后期试验阶段才受到重视。产品用户的要求可及时得到满足，而且产品可实现最佳的环境，最好的质量保证。
可以预见，这样的系统在未来的实现是必然的。而且随着技术的成熟，模具加工业虚拟现实技术也会随之实现，亦即对远程终端上的模具就象真的摆在你的面前一样，在带上头盔后，可以用手触摸到模具的表面，就象真的模具一样，而且还可以自己实现产品的加工过程，当然这些都是虚拟的。
展望虚拟模具CAD/CAE/CAM系统的优越性，可以看出，基于虚拟系统的模具业，将是21世纪市场上一种较好的、较快的实现产品的运营方式，可大大减低新产品开发的风险，提高经济效益，最终使企业在激烈的市场竞争中立于不败之地。但目前就全球市场来看，建立和应用这样的全新机制下的系统还很少很少，在此本文提出了其组织结构和关键技术要求，还需要进一步地研究和探讨系统的理论、技术和实施方法。 | 
