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,全球性的市場競爭日益激烈。產(chǎn)品消費(fèi)結(jié)構(gòu)不斷向多元化、個性化方向發(fā)展。面對無法預(yù)測、持續(xù)發(fā)展的市場需求,面對現(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,通過建立在企業(yè)不同職能部門之間協(xié)作基礎(chǔ)之上的并行運(yùn)行方式來取代連續(xù)的、泰勒式的任務(wù)處理方式。把時間作為關(guān)鍵因素,以縮短產(chǎn)品上市時間為目標(biāo),全方位地解決從設(shè)計(jì)到產(chǎn)品報(bào)廢的整個產(chǎn)品生命周期所用時間問題,這種管理過程就是并行工程CE(Concurrent Engineering)或同步工程(SE)。CE是形成產(chǎn)品開發(fā)過程的一種指導(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)是正確的或錯誤的。這樣可進(jìn)行無資源浪費(fèi)地錯誤修改,使得開發(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)劃和過程計(jì)劃相互之間不斷協(xié)調(diào)。CE應(yīng)將以前只能通過順序的運(yùn)行過程連接的工廠部門引導(dǎo)至交互地解決問題。并行設(shè)計(jì)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)及其相關(guān)過程并行地實(shí)施,使設(shè)計(jì)及相關(guān)過程并行化、一體化、系統(tǒng)化的工作模式。這種工作模式力圖使開發(fā)者從一開始就考慮到產(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)的同時考慮其相關(guān)過程,包括加工工藝、裝配、檢測、質(zhì)量保證、銷售、維護(hù)等。在并行設(shè)計(jì)中,產(chǎn)品開發(fā)過程的各階段工作交叉進(jìn)行,可及早發(fā)現(xiàn)與其相關(guān)過程不相匹配的地方,并及時評估、決策,以達(dá)到縮短產(chǎn)品開發(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(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)動學(xué)和動力學(xué)的特性。通過對虛擬樣機(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)動和動力特性,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)勢以及可交互式地探索虛擬物體的功能,對產(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)、用戶界面設(shè)計(jì)、基于知識的推理技術(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,克服單個企業(yè)資源的局限性,出現(xiàn)了在一定時間內(nèi),通過Internet(或Intranet)臨時締結(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)階段需要同時進(jìn)行,每個階段生成(或需要)的數(shù)據(jù),在沒有完成設(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)定義成多個對象。這些對象的組合可以構(gòu)成面向不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ο螅鱾€設(shè)計(jì)過程在同一個設(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)正能滿足上述要求,如見圖1所示。
2 虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)方法
針對上述情況,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)的開發(fā)是一個非常重要的環(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)動學(xué)和動力學(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)動學(xué)/動力學(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)師在開始設(shè)計(jì)前迅速驗(yàn)證運(yùn)動系統(tǒng)的運(yùn)動原理,確定和優(yōu)化運(yùn)動系統(tǒng)的一部分設(shè)計(jì)參數(shù)??蛇x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)時監(jiān)控整個產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程、自動管理設(shè)計(jì)過程的電子文檔。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,可以通過圖形交換接口將CAD三維模型傳入動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)仿真軟件,也可以通過具有自動約束映射技術(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)的開發(fā)工作。之后最重要的兩項(xiàng)工作就是運(yùn)動激勵的產(chǎn)生和各種動力特性的施加,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)開發(fā)完成后,可進(jìn)行虛擬試驗(yàn)(即基于可視化的動力學(xué)和運(yùn)動學(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)動的動畫、速度、加速度、位移、軌跡,檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動是否合理、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)動特性和動力特性的虛擬樣機(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,對優(yōu)化的虛擬樣機(jī)進(jìn)行虛擬試驗(yàn),并存儲虛擬試驗(yàn)結(jié)果。
(6)有了零件所受的力和力矩作為載荷條件,可以將載荷自動傳遞給有限元分析軟件進(jìn)行零件的強(qiáng)度、振動、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)來源。
(8)得到最優(yōu)的虛擬樣機(jī)后,也可以通過三維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Pathtrace公司推出的可以在MDT內(nèi)部運(yùn)行的數(shù)控代碼自動編程軟件EdgeCAM)中進(jìn)行數(shù)控代碼的生成和加工仿真,確認(rèn)無誤后可以驅(qū)動數(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),并通過虛擬試驗(yàn)分析仿真虛擬樣機(jī)的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)特性,對其性能進(jìn)行測試和評估,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)加工的整個過程,都可以在統(tǒng)一的過程中全部完成,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)的整個研發(fā)周期,再從設(shè)計(jì)師、決策層、制造商、銷售商到用戶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)勢和發(fā)展?jié)摿ΑC嫦?1世紀(jì),虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)方法勢必成為將來產(chǎn)品研發(fā)的主流。
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