测试技术在制造业中所涉及领域的普遍意义已成为常识。在新材料研制、制造过程自动化、特种制造技术、智能化系统及机电一体产品的实现中，在设备服役时的各种功能实现和发挥中，测试技术起到了越来越重要的作用；在测试领域的虚拟现实应用方面，诸如计算机视觉、力学、触觉、动感等电子装置（如头部跟踪器、数据手套、数据衣等）的成功开发，以及以虚拟仪器和 VXI 技术为代表的新测试系统技术的发展，使测试技术成为具有多学科交叉特征的独立领域，计算机技术使测试系统从硬件向软件化发虚拟制造技术（ VM ）作为一种新的制造战略，涉及到产品的虚拟设计、虚拟加工、虚拟装配和性能虚拟检测等各方面。在各自独立的研究范围内，上述方面都取得了一定的进展。如何借鉴传统制造业的发展经验，结合测试技术的计算机应用成果，使虚拟制造技术各层面更好的融合，有助于产品的开发和生产，是值得探索的问题。

1 、虚拟测试系统建立的必要性

虚拟制造技术，又称拟实制造技术，是在计算机飞速发展的前提下，从虚拟外观设计，运动仿真等方面率先突破而提出来的制造战略。由于设计、制造和装配等领域存在不同的影响因素，因此各领域发展不平衡。一般而言，虚拟制造技术首先建立合理的虚拟制造系统，选取合理的虚拟制造对象，针对各种虚拟制造环境下的虚拟制造和虚拟使用信息，进行各种仿真，包括可视化工程分析；对实际制造和性能测试中存在的大量测试信息进行分析，修改虚拟设计和虚拟制造有关参数，得到制造工艺性好及合乎使用要虚拟现实（ VR ）从流行的图形操作界面、优秀的三维游戏等传统人机交互界面发展到人的主观全面投入的新型交互界面，虚拟仪器（ VI ）使仪器硬件向软件化的发展，使人们认识到：虚拟制造技术所具有的宏观和微观的虚拟现实的特征，使其发展应在计算机辅助下遵循实际设计、制造、装配和使用的规律，即在虚拟制造技术中建立虚拟测试系统（ VT ）。虚拟制造技术发展的一个客观的原因是产品的使用总滞后于制造，而制造又滞后于设计，而设计中人的主观性与制造和使用中各种客观条件存在着不相吻合的地方。如：产品设计包括零件材料选用、零件结构设计、零件加工和装配等方面，需要考虑材料的力学性能、产品零件的动、静力学性能、热性能、电性能等因素；产品或零件的性能是由各阶段的测试过程识别基本参数信息，并及时反馈、控制来保证的。进入虚拟制造领域，就必须在虚拟制造各阶段的虚拟测试中识别虚拟测试基本参数信息（这种虚拟测试基本参数信息必须具有在计算机环境下、虚拟制造各阶段通用的特征），这样才能使虚拟制造技术真正为产品的开发、生产和使用服务。特别是在设计过程中，考虑技术性、经济性等方面的原因，比如新产品的开发采用了新材料、新结构等，诸多的变量，使产品设计从刚开始就只能是相对优化的。因此，从底部建立虚拟测试系统，使材料、零件、产品在虚拟制造环境下，具有符合实际工况的、贯穿虚拟设计、虚拟加工、虚拟装配和虚拟使用性能的虚拟测试信息就更有必要。

实际制造业，模拟信号是基本的测试信息，模拟信号通过传感器进入信号处理系统中，得到有关数据，用于分析和控制。虚拟制造技术中，采用的都是数字信号，因此构造各种数据传感器及数据集成块软件，在窗口化的图形界面中，借助数据传感器和数据集成块软件方便地构造虚拟测试系统，在虚拟测试环境下“在线” 或“离线”测试虚拟产品和零件，是必要的。从上面的分析还可以知道，虚拟测试系统不象实际测试系统，实际测试系统在 A/D 和 D/A 转换方面上有大量工作要做，虚拟测试系统着眼于建模。

２、虚拟测试系统的研究内容

可视化使虚拟制造技术中大量的符号和数字转换成更容易理解的二维图形和三维实体图象模型。对数据分析而言，虚拟现实的进步，为人们提供了四维的数据原型，这个数据原型具有纹理、重量、颜色、声音等属性，在具有交互作用的仿真工作环境中，人可以直接临场于数据原型中，构造虚拟测试系统，通过数据传感器感知、测量、理解、分析产品和零件在虚拟测试环境中的变化，并进行一维时间的历史回溯和前景展望，使人由滞后的、被动的参与者变成领先的、主动的参与者。

以一个成功开发的虚拟球体自由回弹运动为例，球体具有形状、尺寸、重量、纹理、颜色等多种属性。因此，在虚拟测试系统中，除了可以逼真地描述自由回弹运动过程外，还可以对运动中球体的应力、变形、形状、尺寸的变化作出测试。在虚拟制造中，虚拟零件的形位精度、尺寸精度、表面粗糙度、应力分布以及虚拟产品的振动、变形和失效等可以利用数据原型的各种属性加以仿真及可视化，即虚拟测试。

上图所示为虚拟测试环境示意图。

虚拟测试系统的研究内容包括：虚拟测试系统的基本原理和方法，虚拟测试系统、虚拟测试对象、虚拟测试信息的建模方法，虚拟测试环境的描述与生成方法等几个主要方面。现阶段计算机技术中窗口化的工作平台、三维实体描述、图标化操作键以及模块化可视分析软件和有限元技术，已经为虚拟测试系统的建立奠定了一定的基础。

建立虚拟测试系统应该考虑以下几个问题：

首先，应该采用新一代人工智能技术，汲取传统数字仿真分析方法成熟的部分，采用面向对象的分析方法以及构筑虚拟制造过程中的虚拟测试体系，这种构筑应该成为虚拟制造系统的有机组成部分，进而可作为虚拟制造系统的反馈控制器。从理论和现实的角度看，这样的系统已可建立。这是因为从制造过程来看，加工系统、加工对象和加工过程之间的关系相对明确，随机因素易于虚拟，非线性系统的处理方法也较成熟；同时，计算技术的发展从命令式的操作方式到窗口化的操作系统，从要求很高的实时运算到虚拟过程的在线运算等等都为虚拟制造过程中虚拟测试系统的建立提供了基础和借鉴。当然，新一代人工智能在测试技术、控制理论和计算方法上应能较多的融合大量信息，提供较好的协调和交互作用。

第二，虚拟测试系统分析法所涉及的子系统耦合、离散化分析和系统的建模方法应该具有可视化的特征。因为虚拟制造过程中的系统动力学性能 ( 包括输入类型和系统模型类型等 ) 较为确定，只要赋予参量以相关的、不太多的属性即可。如：这些属性具有不同虚拟测试的难度系数（现有的大量实验模型和实验数据已可提供足够的基本信息），这样就按类别对整个虚拟制造系统从工程实用的层面建立了低精度、普通精度、高精度和经济精度的虚拟测试系统模块，减少数学处理的难度，便于工程技术界的应用。

总之，就特定虚拟制造过程中的虚拟测试系统而言，其应该具有：

一致性－－即虚拟测试系统的复杂性在可视化的界面上被降低，变化规律较确定，变量易于处理。

多功能性－－一个复杂的虚拟测试系统可以采用基本“元”软件包来组合，通过赋予不同程度的属性值，即可得到直观的结果显示。

扩展性－－随着系统不可避免的扩大，开放的模块接口编码为面向对象的编程提供了可能性。

３、虚拟测试系统的工作方法及展望

目前，首先需要解决的是虚拟设计、虚拟加工、虚拟装配和虚拟使用中，测试信息的规范化。例如传统测试技术中，力、声、光、电等信号是基本的测试信息，在虚拟制造技术中，各种属性是基本测试信息，必须在虚拟制造各个阶段统一考虑。虚拟测试信息的表达是虚拟现实得以实用的关键之一。以颜色为例，人眼一般只能识别二十余级灰度，即对灰度不敏感，但人眼能识别多达几千种不同色度和亮度的颜色。因此，颜色属性的极大信息量已成功用于金相定量分析、塑料熔体流动分析模拟、磨损过程分析；又如汽车 ABS 装置在虚拟测试系统中进行的冲击试验，是以有限元分析为基础，由颜色、纹理和重量共同表达的。

虚拟测试工作中，首先应建立模块化的理想虚拟测试对象，并通过合理的数学推导或从实用数据中由反求工程建立数学模型作为虚拟测试对象的测试信息数据原型，然后在可视化环境下，建立静态、动态和热态等虚拟测试系统。在虚拟测试系统中，甚至可以模拟虚拟加工和虚拟使用中线膨胀系数的变化造成的微量变形，借助数据传感器和数据集成块软件方便地构造虚拟测试系统，在虚拟测试环境下“在线”或“离线”测试虚拟产品或零件的动静态参数，并利用计算机强大的计算功能分析虚拟变形产品装配质量和工作性能的影响。而不仅仅是只考虑形状、尺寸的干涉。

数据传感器部分地借鉴模拟量传感器在实验系统中的作用，在虚拟测试过程中起到沟通变量信息的作用。从特定的虚拟测试过程看，既要考虑温度、作用力、重量、长度、速度和加速度等数据变量，又要考虑具体虚拟测试系统中变量的应用与否，即是否激活某些参量。

按数据输入输出的方式以及处理方法分类，数据传感器也可以是脉冲式、连续式和频率变化式。需要注意的是多（数据）传感器的信息融合度问题在象机器人研究过程中的后续处理方面已经列入有关研究，这方面的内容将另作论述。

４、结论

虚拟测试系统的建立，可以使产品历经虚拟设计、虚拟制造、虚拟装配和虚拟使用过程，得到的虚拟测试信息可用于改进有关的虚拟制造技术参数；由于建立的虚拟测试系统在虚拟制造技术中的广泛性，可以使整个虚拟制造技术体系更完备，更实用化。

因此，建立虚拟测试系统，具有深远的意义，而计算机技术的发展及已积累的大量实用数据使虚拟测试系统的建立具备了现实的可能性。