摘  要： 虛擬樣機(jī)是一種能夠反映實(shí)際產(chǎn)品特性的數(shù)字化模型，可有效支持并行工程和并行設(shè)計(jì)。在分析了虛擬樣機(jī)與并行工程關(guān)系的基礎(chǔ)上，提出了基于虛擬樣機(jī)的產(chǎn)品研發(fā)方法，并闡述了虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)方法一體化解決方案。
關(guān)鍵詞： 虛擬樣機(jī)；數(shù)字化模型；并行工程

　隨著21世紀(jì)世界經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，全球性的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈。產(chǎn)品消費(fèi)結(jié)構(gòu)不斷向多元化、個(gè)性化方向發(fā)展。面對(duì)無(wú)法預(yù)測(cè)、持續(xù)發(fā)展的市場(chǎng)需求，面對(duì)現(xiàn)代高技術(shù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)復(fù)雜性障礙，產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)部門(mén)非常需要能有效地提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量、縮短產(chǎn)品研發(fā)周期、降低產(chǎn)品研發(fā)成本。
　由于產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段決定了70%以上的產(chǎn)品成本，而設(shè)計(jì)階段的費(fèi)用占產(chǎn)品成本的10%~15%，因此，產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段采用的方法在產(chǎn)品研發(fā)全過(guò)程中占有重要的地位。本文就傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與研發(fā)中存在的弊病，分析了并行工程對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要求，提出了虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)方法，并構(gòu)筑了該方法的模型框架[1-3] 。
1 虛擬樣機(jī)與并行工程
　20世紀(jì)90年代，出現(xiàn)了一種新的產(chǎn)品生命周期管理方法，通過(guò)建立在企業(yè)不同職能部門(mén)之間協(xié)作基礎(chǔ)之上的并行運(yùn)行方式來(lái)取代連續(xù)的、泰勒式的任務(wù)處理方式。把時(shí)間作為關(guān)鍵因素，以縮短產(chǎn)品上市時(shí)間為目標(biāo)，全方位地解決從設(shè)計(jì)到產(chǎn)品報(bào)廢的整個(gè)產(chǎn)品生命周期所用時(shí)間問(wèn)題，這種管理過(guò)程就是并行工程CE(Concurrent Engineering)或同步工程(SE)。CE是形成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程的一種指導(dǎo)方案，其目標(biāo)就是使產(chǎn)品決策盡可能早地進(jìn)行，而不是在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)之后的產(chǎn)品制造階段和使用階段才發(fā)現(xiàn)是正確的或錯(cuò)誤的。這樣可進(jìn)行無(wú)資源浪費(fèi)地錯(cuò)誤修改，使得開(kāi)發(fā)產(chǎn)品不同零組件的工作盡可能平行進(jìn)行，并且產(chǎn)品規(guī)劃和過(guò)程計(jì)劃相互之間不斷協(xié)調(diào)。CE應(yīng)將以前只能通過(guò)順序的運(yùn)行過(guò)程連接的工廠部門(mén)引導(dǎo)至交互地解決問(wèn)題。并行設(shè)計(jì)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)及其相關(guān)過(guò)程并行地實(shí)施，使設(shè)計(jì)及相關(guān)過(guò)程并行化、一體化、系統(tǒng)化的工作模式。這種工作模式力圖使開(kāi)發(fā)者從一開(kāi)始就考慮到產(chǎn)品的生命周期。并行工程的工作重心是產(chǎn)品并行設(shè)計(jì)，并行設(shè)計(jì)工作模式是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的同時(shí)考慮其相關(guān)過(guò)程，包括加工工藝、裝配、檢測(cè)、質(zhì)量保證、銷(xiāo)售、維護(hù)等。在并行設(shè)計(jì)中，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程的各階段工作交叉進(jìn)行，可及早發(fā)現(xiàn)與其相關(guān)過(guò)程不相匹配的地方，并及時(shí)評(píng)估、決策，以達(dá)到縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、提高質(zhì)量、降低成本的目的。
　隨著信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)向集成化、敏捷化、網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化的方向進(jìn)一步發(fā)展，出現(xiàn)了精益生產(chǎn)、敏捷制造、擬實(shí)制造、大批量定制生產(chǎn)等多種生產(chǎn)模式，這些都是以并行工程和并行設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)的。虛擬樣機(jī)這一新技術(shù)正是在這樣的背景下應(yīng)運(yùn)而生。
所謂虛擬樣機(jī)就是在建造第一臺(tái)(或件)物理樣機(jī)之前，利用軟件技術(shù)建立的數(shù)字化模型，即虛擬樣機(jī)是一種計(jì)算機(jī)模型，它能夠反映實(shí)際產(chǎn)品的特性，包括外觀、空間關(guān)系以及運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的特性。通過(guò)對(duì)虛擬樣機(jī)采用基于實(shí)體可視化的仿真分析，模擬該系統(tǒng)在真實(shí)工作環(huán)境條件下的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力特性，從而反復(fù)修改設(shè)計(jì)方案，最終得到最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。它利用虛擬環(huán)境在可視化方面的優(yōu)勢(shì)以及可交互式地探索虛擬物體的功能，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行幾何、功能、制造等方面交互的建模與分析。并在CAD模型的基礎(chǔ)上，把虛擬技術(shù)與仿真方法相結(jié)合，為產(chǎn)品的研制提供了一個(gè)全新的設(shè)計(jì)方法。
　虛擬樣機(jī)集成了CAD建模技術(shù)、CSCW技術(shù)、用戶(hù)界面設(shè)計(jì)、基于知識(shí)的推理技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真方法論、現(xiàn)代管理理論、系統(tǒng)工程方法以及計(jì)算機(jī)支持工具等，為產(chǎn)品的全壽命周期設(shè)計(jì)和評(píng)估提供分布式的集成化環(huán)境，從而達(dá)到縮短研發(fā)周期、降低成本、提高效率的目的。這項(xiàng)技術(shù)將建模和仿真擴(kuò)展到新產(chǎn)品研發(fā)的全過(guò)程，它以計(jì)算機(jī)支持的協(xié)同工作(CSCW)為底層技術(shù)基礎(chǔ)，通過(guò)支持協(xié)同工作、CAD、CAM、建模仿真、效能分析、可視化、虛擬現(xiàn)實(shí)的計(jì)算機(jī)工具，將各個(gè)集成化產(chǎn)品小組(ITP)的設(shè)計(jì)人員、分析人員聯(lián)系在一起，共同完成新產(chǎn)品的概念探討、運(yùn)作分析、初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、可制造性分析、效能評(píng)估、生產(chǎn)計(jì)劃和生產(chǎn)管理等工作。
　目前世界范圍內(nèi)廣泛地接受了動(dòng)態(tài)聯(lián)盟(Virtual Company)的概念，即為了適應(yīng)快速變化的全球市場(chǎng)，克服單個(gè)企業(yè)資源的局限性，出現(xiàn)了在一定時(shí)間內(nèi)，通過(guò)Internet(或Intranet)臨時(shí)締結(jié)成的一種虛擬企業(yè)。為實(shí)現(xiàn)并行設(shè)計(jì)和制造，參盟企業(yè)之間的產(chǎn)品數(shù)據(jù)要求敏捷交流，各種信息共享尤顯重要。在并行設(shè)計(jì)環(huán)境中，由于不同設(shè)計(jì)階段需要同時(shí)進(jìn)行，每個(gè)階段生成(或需要)的數(shù)據(jù)，在沒(méi)有完成設(shè)計(jì)之前是不完整的，而數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)共享的管理成為并行設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。而且，設(shè)計(jì)過(guò)程中，更改總是不可避免的，所以支持并行工程和并行設(shè)計(jì)需要有一個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)主模型以完成快速交流，并能將產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)定義成多個(gè)對(duì)象。這些對(duì)象的組合可以構(gòu)成面向不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ο螅鱾€(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程在同一個(gè)設(shè)計(jì)主模型上操作，保證數(shù)據(jù)模型的一致性和安全性。而虛擬樣機(jī)正能滿(mǎn)足上述要求，如見(jiàn)圖1所示。

2 虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)方法
　針對(duì)上述情況，本文提出了基于虛擬樣機(jī)的產(chǎn)品研發(fā)方法PDBVP(Product Developing Based on Virtual Prototyping)。從PDBVP的流程中可以看出，設(shè)備虛擬樣機(jī)的開(kāi)發(fā)是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。實(shí)施虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)方法的核心是開(kāi)發(fā)切合實(shí)際的虛擬樣機(jī)，即深入理解系統(tǒng)零部件之間的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)關(guān)系，并實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，如圖2所示。為此，本文構(gòu)筑了以基于可視化的機(jī)械動(dòng)力學(xué)仿真為核心的虛擬樣機(jī)及虛擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法一體化解決方案，如圖3所示。

　該設(shè)計(jì)方法一體化解決方案表述如下：
　(1)在開(kāi)始實(shí)際產(chǎn)品的三維設(shè)計(jì)前，首先是方案的選擇和確定，也可以運(yùn)用運(yùn)動(dòng)學(xué)/動(dòng)力學(xué)分析軟件進(jìn)行產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)，這樣能幫助設(shè)計(jì)師在開(kāi)始設(shè)計(jì)前迅速驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)原理，確定和優(yōu)化運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的一部分設(shè)計(jì)參數(shù)。可選擇的軟件有：ADAMS/view、MSC/Working Model 2D等。
　(2)設(shè)計(jì)師在確定方案、獲得產(chǎn)品的設(shè)計(jì)原理和運(yùn)動(dòng)參數(shù)后，就可以利用三維CAD軟件進(jìn)行三維幾何模型的構(gòu)造設(shè)計(jì)，并利用產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)軟件系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程、自動(dòng)管理設(shè)計(jì)過(guò)程的電子文檔。推薦使用的三維CAD軟件有I-DEAS、HELIX、PRO/Engineer、UG、MDT、SolidWorks、SolidEdge、Cimatron等；推薦使用的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)軟件有SDRC公司的Metaphase、HP公司的WorkManager、IBM公司的PM、Autodesk公司的WorkCenter、SuperSky-Master。
　(3)產(chǎn)品的三維模型設(shè)計(jì)完成后，可以通過(guò)圖形交換接口將CAD三維模型傳入動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真軟件，也可以通過(guò)具有自動(dòng)約束映射技術(shù)(ACM)的軟件，如MSC/Working Model把三維模型輸出到仿真軟件中進(jìn)行虛擬樣機(jī)的開(kāi)發(fā)工作。之后最重要的兩項(xiàng)工作就是運(yùn)動(dòng)激勵(lì)的產(chǎn)生和各種動(dòng)力特性的施加，推薦使用的仿真軟件有ADAMS、DADS、Working/Model，與流體有關(guān)的仿真軟件有Phoenics、Flow3D，控制仿真軟件有Matlab、Matrixx。
　(4)產(chǎn)品的虛擬樣機(jī)開(kāi)發(fā)完成后，可進(jìn)行虛擬試驗(yàn)(即基于可視化的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)解算及仿真)，從虛擬試驗(yàn)的結(jié)果不僅可以得到產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)的動(dòng)畫(huà)、速度、加速度、位移、軌跡，檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)是否合理、是否出現(xiàn)干涉、卡死的結(jié)果，還可以得到各零部件實(shí)際所受的各種載荷。根據(jù)虛擬試驗(yàn)的結(jié)果可以判斷開(kāi)發(fā)的虛擬樣機(jī)的準(zhǔn)確性，如果不符合要求，重復(fù)上一步；如果符合要求，則進(jìn)行下一步。
　(5)得到正確運(yùn)動(dòng)特性和動(dòng)力特性的虛擬樣機(jī)后，便進(jìn)行虛擬樣機(jī)的尋優(yōu)工作。建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的工作包括：虛擬樣機(jī)參數(shù)化、確定設(shè)計(jì)變量、確定目標(biāo)函數(shù)、確定約束函數(shù)。尋優(yōu)結(jié)束后，對(duì)優(yōu)化的虛擬樣機(jī)進(jìn)行虛擬試驗(yàn)，并存儲(chǔ)虛擬試驗(yàn)結(jié)果。
　(6)有了零件所受的力和力矩作為載荷條件，可以將載荷自動(dòng)傳遞給有限元分析軟件進(jìn)行零件的強(qiáng)度、振動(dòng)、屈曲等分析，以獲得零件的應(yīng)力、應(yīng)變分布、位移以及固有頻率和振型等。有限元分析的結(jié)果可以返回設(shè)計(jì)階段并指導(dǎo)修改初始設(shè)計(jì)，也可以將關(guān)鍵零件經(jīng)剛體彈性化后返遞回仿真環(huán)境，再度開(kāi)發(fā)虛擬樣機(jī)及進(jìn)行虛擬試驗(yàn)，以便能得到更加符合實(shí)際的結(jié)果。推薦使用的有限元軟件有SAPV、ADINA、ANSYS、Nastran、Working Model/FEA、I-DEAS/FEA。
　(7)利用產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)軟件系統(tǒng)(如SuperSky－Master)系統(tǒng)可以自動(dòng)統(tǒng)計(jì)該產(chǎn)品零部件的質(zhì)量、數(shù)量等統(tǒng)計(jì)信息，生成各種專(zhuān)業(yè)的報(bào)表，并輸出匯總成BOM(產(chǎn)品物料清單)表，作為其他工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)(CAPP)和企業(yè)管理系統(tǒng)(MIS)的數(shù)據(jù)來(lái)源。
　(8)得到最優(yōu)的虛擬樣機(jī)后，也可以通過(guò)三維CAD系統(tǒng)將創(chuàng)建的產(chǎn)品三維模型直接輸出到CAM軟件(例如英國(guó)Pathtrace公司推出的可以在MDT內(nèi)部運(yùn)行的數(shù)控代碼自動(dòng)編程軟件EdgeCAM)中進(jìn)行數(shù)控代碼的生成和加工仿真，確認(rèn)無(wú)誤后可以驅(qū)動(dòng)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工。
　基于可視化集建模、分析、尋優(yōu)、再設(shè)計(jì)的虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)方法一體化解決方案的中心思想是讓用戶(hù)在虛擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)CAD/CAE/CAM/PDM協(xié)同作業(yè)。用三維CAD系統(tǒng)為產(chǎn)品構(gòu)造幾何模型及產(chǎn)品的虛擬樣機(jī)，并通過(guò)虛擬試驗(yàn)分析仿真虛擬樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性，對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試和評(píng)估，依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果修改產(chǎn)品的虛擬樣機(jī)，不斷循環(huán)直至最優(yōu)。從最初的產(chǎn)品三維虛擬樣機(jī)的設(shè)計(jì)、分析仿真到最終的實(shí)物樣機(jī)加工的整個(gè)過(guò)程，都可以在統(tǒng)一的過(guò)程中全部完成，為真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)/分析/加工/管理的一體化提供了重要的依據(jù)。
本文圍繞產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)到定型生產(chǎn)的整個(gè)研發(fā)周期，再?gòu)脑O(shè)計(jì)師、決策層、制造商、銷(xiāo)售商到用戶(hù)群等全方位地觀察和研究產(chǎn)品，虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)方法顯示了其強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展?jié)摿?。面?1世紀(jì)，虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)方法勢(shì)必成為將來(lái)產(chǎn)品研發(fā)的主流。
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