虚拟制造的实现主要依赖于CAD/CAE/CAM和虚拟现实等技术，可以看作是CAD/CAE/CAM发展的更高阶段。虚拟制造不仅要考虑产品，还要考虑生产过程；不仅要建立产品模型，还要建立产品生产环境模型；不仅要对产品性能进行仿真，还要对产品加工、装配和生产过程进行仿真。因此，虚拟制造涉及的技术领域十分广泛，从其软件实现和人机接口而言，虚拟制造的实现在很大程度上取决于虚拟现实技术的发展，这其中包括计算机图形学技术、传感器技术及系统集成技术等。从制造技术的角度讲，可将虚拟制造技术的体系结构分为3大主体技术群，即建模技术群、仿真技术群和控制技术群。

1.虚拟现实技术

虚拟现实技术（virtual reality，VR）是在计算机图形学、计算机仿真技术、人机接口技术、多媒体技术以及传感器技术的基础上发展起来的一门交叉技术，指由计算机直接把视觉、听觉和触觉等多种信息合成，并提示给人的感觉器官，在人的周围生成一个三维的虚拟环境，从而把人、现实世界和虚拟空间结合起来，融为一体，相互间进行信息的交流和反馈的技术。

虚拟现实技术具有如下特征。

1）多感知性。多感知性指除了一般计算机所具有的视觉感知外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知，甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。理想的虚拟现实就是应该具有人所具有的几乎所有的感知功能。

2）沉浸感。又称临场感、存在感，指用户感到作为主角存在于虚拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该达到使用户难以分辨真假的程度，这种沉浸感的实现是根据人类的视觉、听觉的生理、心理特点，由计算机产生逼真的三维立体图像。用户戴上头盔显示器和数据手套等交互设备，便可将自己置身于虚拟环境中，成为虚拟环境中的一部分。用户与虚拟环境中的各种对象的相互作用，就如同在现实世界中的一样。当用户移动头部时，虚拟环境中的图像也实时地发生变化，拿起物体可使物体随着手的移动而运动，有接触感和沉浸感，而且还可以听到三维仿真声音。用户在虚拟环境中，一切感觉都是那么逼真，有一种身临其境的感觉。

3）交互性。在虚拟环境中，操作者能够对虚拟环境中的对象进行操作，并且操作的结果能够反过来被操作者准确地、真实地感觉到。例如，用户可以用手去直接抓取环境中的物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉到物体的质量，现场中的物体也随着手的移动而移动。虚拟现实系统中的人机交互是一种近乎自然的交互，用户不仅可以利用计算机键盘、鼠标进行交互，而且能够通过特殊头盔、数据手套等传感设备进行交互。计算机能根据用户的头、手、眼、语言及身体的运动，来调整系统呈现的图像及声音。用户通过自身的语言、身体运动或动作等自然技能，就能对虚拟环境中的对象进行考察或操作。

4）自主性。在虚拟环境中，对象的行为是自主的，是由程序自动完成的，要让操作者感到虚拟环境中的各种生物是有“生命的”和“自主的”，而各种非生物是“可操作的”，其行为符合各种物理规律。例如，当受到力的推动时，物体会向施加力的方向移动，或翻倒，或从桌面落到地面等。

虚拟现实系统的结构由图形系统及各种接口设备组成，用来产生虚拟环境并提供沉浸感觉，以及交互性操作的计算机系统称为虚拟现实系统（virtual reality system，VRS）。虚拟现实系统包括操作者、机器和人机接口三个基本要素，它不仅提高了人与计算机之间的和谐程度，也成为一种有力的仿真工具。利用VRS可以对真实世界进行动态模拟，通过用户的交互输入，并及时按输出修改虚拟环境，使人产生身临其境的沉浸感觉。虚拟现实技术是VM的关键技术之一。

虚拟现实系统的基本构成如图3-2所示。其中用户信息检测模块用来检测识别用户的操作命令，并透过传感器模块作用于虚拟环境；传感器模块一方面接受来自用户的操作命令，感知现实世界、提取信息，并将其作用于虚拟环境，另一方面则将操作后产生的结果向用户反馈；控制器模块对传感器进行控制，使其对用户、虚拟环境和现实世界产生作用；建模模块构建现实世界的三维模型，由此构成对应的虚拟环境。

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图3-2 虚拟现实系统的基本构成

虚拟现实技术首先在军事、航天等高科技领域以及娱乐等方面获得成功的应用。例如，用于宇航员、飞行员训练的座舱系统及战场实时演练系统（虚拟战场）等。虚拟现实系统在产品设计、制造过程中同样具有重要的应用，可大大提高产品的技术水平，如波音777飞机的设计、福特汽车外形设计与碰撞试验等。

2.建模技术

虚拟制造系统中的建模应该是能够前后连贯的一种模型表达方法，需要有效、可靠的数据接口，实现模型数据的通用和转换。与现有单独的CAD/CAM/CAE的建模技术不同，这些建模技术在某些方面的应用是相互独立、互不相同的分散建模，数据之间缺乏前后连贯和系统性。基于几何建模和图像相结合的建模方法和算法，采用虚物实化、虚实结合及增强现实的方法即可以实现模型的真实感，又可以减少模型的数据量，满足实时交互的要求。基于图像的虚拟现实技术具有模型简单、数据量小的特点，适于计算机环境的实时建模和浏览。怎样能够有效地压缩数据、快速解压算法、快速实现三维重建是需要深入研究的关键。

根据虚拟制造模型的层次可将模型分为产品级、车间级和企业级、产品级。模型指制造过程中各类实体对象模型的集合，包括产品模型和工艺模型等。产品模型中除了包含必备的几何、形状和公差等静态信息以外，还必须能够通过映射、抽象等方法提取出制造过程中所需的动态信息。

制造系统建模方法主要有广义模型方法、IDEFIX方法、GRAI方法、Petri网络方法和面向对象方法等，目前还没有一种非常合适的方式能够保证虚拟制造系统在与其他系统如MPR、CAD、CIMS之间交换数据时，信息完全不丢失。

3.仿真技术

仿真过程是实际的物理过程在计算机中的实现及进行优化。根据虚拟制造的着重点不同，可将仿真分为制造系统仿真、生产过程仿真、生产规划仿真及产品性能仿真等。其中，生产过程仿真又包括加工制造过程仿真和装配检测过程仿真。加工制造过程仿真主要包括对于产品设计合理性的仿真检验以及加工性能、方法、机床刀具等的运动仿真以及工件成型仿真。装配检测过程仿真可根据产品的几何形状和精度特征，进行虚拟环境下的模拟装配，可以检验零件装配中是否会产生干涉以及设计中的失误，并对装配过程及装配设备进行评估检验。生产规划仿真可以对车间不同的生产规划进行仿真。实际制造过程仿真包括数控机床的NC代码仿真，以及冲压过程、浇注过程、焊接过程和切削过程等的仿真。仿真结果可用于生产规划、检验产品可制造性。产品性能仿真包括运用各种软件对产品的机械性能、动力学性能和热力学性能等进行模拟。

4.控制技术

控制技术指建模过程中和仿真过程中所用到的各种管理、组织与控制的技术和方法。包括模型部件的组织、调度策略及交换技术，仿真过程的工作流程与信息流程控制、成本估计技术、动态分布式协作模型的集成技术冲突求解，以及基于仿真的推理技术模型及仿真结果的验证和确认技术，还包括面向产品开发过程的组织与管理等问题的研究等。