測試技術在制造業中所涉及領域的普遍意義已成為常識。在新材料研制、制造過程自動化、特種制造技術、智能化系統及機電一體產品的實現中，在設備服役時的各種功能實現和發揮中，測試技術起到了越來越重要的作用；在測試領域的虛擬現實應用方面，諸如計算機視覺、力學、觸覺、動感等電子裝置（如頭部跟蹤器、數據手套、數據衣等）的成功開發，以及以虛擬儀器和 VXI 技術為代表的新測試系統技術的發展，使測試技術成為具有多學科交叉特征的獨立領域，計算機技術使測試系統從硬件向軟件化發虛擬制造技術（ VM ）作為一種新的制造戰略，涉及到產品的虛擬設計、虛擬加工、虛擬裝配和性能虛擬檢測等各方面。在各自獨立的研究范圍內，上述方面都取得了一定的進展。如何借鑒傳統制造業的發展經驗，結合測試技術的計算機應用成果，使虛擬制造技術各層面更好的融合，有助于產品的開發和生產，是值得探索的問題。

1 、虛擬測試系統建立的必要性

虛擬制造技術，又稱擬實制造技術，是在計算機飛速發展的前提下，從虛擬外觀設計，運動仿真等方面率先突破而提出來的制造戰略。由于設計、制造和裝配等領域存在不同的影響因素，因此各領域發展不平衡。一般而言，虛擬制造技術首先建立合理的虛擬制造系統，選取合理的虛擬制造對象，針對各種虛擬制造環境下的虛擬制造和虛擬使用信息，進行各種仿真，包括可視化工程分析；對實際制造和性能測試中存在的大量測試信息進行分析，修改虛擬設計和虛擬制造有關參數，得到制造工藝性好及合乎使用要虛擬現實（ VR ）從流行的圖形操作界面、優秀的三維游戲等傳統人機交互界面發展到人的主觀全面投入的新型交互界面，虛擬儀器（ VI ）使儀器硬件向軟件化的發展，使人們認識到：虛擬制造技術所具有的宏觀和微觀的虛擬現實的特征，使其發展應在計算機輔助下遵循實際設計、制造、裝配和使用的規律，即在虛擬制造技術中建立虛擬測試系統（ VT ）。虛擬制造技術發展的一個客觀的原因是產品的使用總滯后于制造，而制造又滯后于設計，而設計中人的主觀性與制造和使用中各種客觀條件存在著不相吻合的地方。如：產品設計包括零件材料選用、零件結構設計、零件加工和裝配等方面，需要考慮材料的力學性能、產品零件的動、靜力學性能、熱性能、電性能等因素；產品或零件的性能是由各階段的測試過程識別基本參數信息，并及時反饋、控制來保證的。進入虛擬制造領域，就必須在虛擬制造各階段的虛擬測試中識別虛擬測試基本參數信息（這種虛擬測試基本參數信息必須具有在計算機環境下、虛擬制造各階段通用的特征），這樣才能使虛擬制造技術真正為產品的開發、生產和使用服務。特別是在設計過程中，考慮技術性、經濟性等方面的原因，比如新產品的開發采用了新材料、新結構等，諸多的變量，使產品設計從剛開始就只能是相對優化的。因此，從底部建立虛擬測試系統，使材料、零件、產品在虛擬制造環境下，具有符合實際工況的、貫穿虛擬設計、虛擬加工、虛擬裝配和虛擬使用性能的虛擬測試信息就更有必要。

實際制造業，模擬信號是基本的測試信息，模擬信號通過傳感器進入信號處理系統中，得到有關數據，用于分析和控制。虛擬制造技術中，采用的都是數字信號，因此構造各種數據傳感器及數據集成塊軟件，在窗口化的圖形界面中，借助數據傳感器和數據集成塊軟件方便地構造虛擬測試系統，在虛擬測試環境下“在線” 或“離線”測試虛擬產品和零件，是必要的。從上面的分析還可以知道，虛擬測試系統不象實際測試系統，實際測試系統在 A/D 和 D/A 轉換方面上有大量工作要做，虛擬測試系統著眼于建模。

２、虛擬測試系統的研究內容

可視化使虛擬制造技術中大量的符號和數字轉換成更容易理解的二維圖形和三維實體圖象模型。對數據分析而言，虛擬現實的進步，為人們提供了四維的數據原型，這個數據原型具有紋理、重量、顏色、聲音等屬性，在具有交互作用的仿真工作環境中，人可以直接臨場于數據原型中，構造虛擬測試系統，通過數據傳感器感知、測量、理解、分析產品和零件在虛擬測試環境中的變化，并進行一維時間的歷史回溯和前景展望，使人由滯后的、被動的參與者變成領先的、主動的參與者。

以一個成功開發的虛擬球體自由回彈運動為例，球體具有形狀、尺寸、重量、紋理、顏色等多種屬性。因此，在虛擬測試系統中，除了可以逼真地描述自由回彈運動過程外，還可以對運動中球體的應力、變形、形狀、尺寸的變化作出測試。在虛擬制造中，虛擬零件的形位精度、尺寸精度、表面粗糙度、應力分布以及虛擬產品的振動、變形和失效等可以利用數據原型的各種屬性加以仿真及可視化，即虛擬測試。

上圖所示為虛擬測試環境示意圖。

虛擬測試系統的研究內容包括：虛擬測試系統的基本原理和方法，虛擬測試系統、虛擬測試對象、虛擬測試信息的建模方法，虛擬測試環境的描述與生成方法等幾個主要方面?，F階段計算機技術中窗口化的工作平臺、三維實體描述、圖標化操作鍵以及模塊化可視分析軟件和有限元技術，已經為虛擬測試系統的建立奠定了一定的基礎。

建立虛擬測試系統應該考慮以下幾個問題：

首先，應該采用新一代人工智能技術，汲取傳統數字仿真分析方法成熟的部分，采用面向對象的分析方法以及構筑虛擬制造過程中的虛擬測試體系，這種構筑應該成為虛擬制造系統的有機組成部分，進而可作為虛擬制造系統的反饋控制器。從理論和現實的角度看，這樣的系統已可建立。這是因為從制造過程來看，加工系統、加工對象和加工過程之間的關系相對明確，隨機因素易于虛擬，非線性系統的處理方法也較成熟；同時，計算技術的發展從命令式的操作方式到窗口化的操作系統，從要求很高的實時運算到虛擬過程的在線運算等等都為虛擬制造過程中虛擬測試系統的建立提供了基礎和借鑒。當然，新一代人工智能在測試技術、控制理論和計算方法上應能較多的融合大量信息，提供較好的協調和交互作用。

第二，虛擬測試系統分析法所涉及的子系統耦合、離散化分析和系統的建模方法應該具有可視化的特征。因為虛擬制造過程中的系統動力學性能 ( 包括輸入類型和系統模型類型等 ) 較為確定，只要賦予參量以相關的、不太多的屬性即可。如：這些屬性具有不同虛擬測試的難度系數（現有的大量實驗模型和實驗數據已可提供足夠的基本信息），這樣就按類別對整個虛擬制造系統從工程實用的層面建立了低精度、普通精度、高精度和經濟精度的虛擬測試系統模塊，減少數學處理的難度，便于工程技術界的應用。

總之，就特定虛擬制造過程中的虛擬測試系統而言，其應該具有：

一致性－－即虛擬測試系統的復雜性在可視化的界面上被降低，變化規律較確定，變量易于處理。

多功能性－－一個復雜的虛擬測試系統可以采用基本“元”軟件包來組合，通過賦予不同程度的屬性值，即可得到直觀的結果顯示。

擴展性－－隨著系統不可避免的擴大，開放的模塊接口編碼為面向對象的編程提供了可能性。

３、虛擬測試系統的工作方法及展望

目前，首先需要解決的是虛擬設計、虛擬加工、虛擬裝配和虛擬使用中，測試信息的規范化。例如傳統測試技術中，力、聲、光、電等信號是基本的測試信息，在虛擬制造技術中，各種屬性是基本測試信息，必須在虛擬制造各個階段統一考慮。虛擬測試信息的表達是虛擬現實得以實用的關鍵之一。以顏色為例，人眼一般只能識別二十余級灰度，即對灰度不敏感，但人眼能識別多達幾千種不同色度和亮度的顏色。因此，顏色屬性的極大信息量已成功用于金相定量分析、塑料熔體流動分析模擬、磨損過程分析；又如汽車 ABS 裝置在虛擬測試系統中進行的沖擊試驗，是以有限元分析為基礎，由顏色、紋理和重量共同表達的。

虛擬測試工作中，首先應建立模塊化的理想虛擬測試對象，并通過合理的數學推導或從實用數據中由反求工程建立數學模型作為虛擬測試對象的測試信息數據原型，然后在可視化環境下，建立靜態、動態和熱態等虛擬測試系統。在虛擬測試系統中，甚至可以模擬虛擬加工和虛擬使用中線膨脹系數的變化造成的微量變形，借助數據傳感器和數據集成塊軟件方便地構造虛擬測試系統，在虛擬測試環境下“在線”或“離線”測試虛擬產品或零件的動靜態參數，并利用計算機強大的計算功能分析虛擬變形產品裝配質量和工作性能的影響。而不僅僅是只考慮形狀、尺寸的干涉。

數據傳感器部分地借鑒模擬量傳感器在實驗系統中的作用，在虛擬測試過程中起到溝通變量信息的作用。從特定的虛擬測試過程看，既要考慮溫度、作用力、重量、長度、速度和加速度等數據變量，又要考慮具體虛擬測試系統中變量的應用與否，即是否激活某些參量。

按數據輸入輸出的方式以及處理方法分類，數據傳感器也可以是脈沖式、連續式和頻率變化式。需要注意的是多（數據）傳感器的信息融合度問題在象機器人研究過程中的后續處理方面已經列入有關研究，這方面的內容將另作論述。

４、結論

虛擬測試系統的建立，可以使產品歷經虛擬設計、虛擬制造、虛擬裝配和虛擬使用過程，得到的虛擬測試信息可用于改進有關的虛擬制造技術參數；由于建立的虛擬測試系統在虛擬制造技術中的廣泛性，可以使整個虛擬制造技術體系更完備，更實用化。

因此，建立虛擬測試系統，具有深遠的意義，而計算機技術的發展及已積累的大量實用數據使虛擬測試系統的建立具備了現實的可能性。