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隨著科學技術的快速發(fā)展，消費者對機電產品除了必須滿足其基本要求外，還對質量和外觀造型有愈來愈高的期望。這就要求企業(yè)的開發(fā)人員根據(jù)市場需求，迅速地設計多品種、多規(guī)格的新產品。為適應快速變化的市場發(fā)展，20世紀80年代末期出現(xiàn)一種新的先進制造技術－虛擬制造技術。
機電產品的傳統(tǒng)開發(fā)模式是一種線形階段模式，產品開發(fā)過程是順序過程，在設計早期不能全面地預見產品的可制造性、可裝配性和質量可靠性、用戶滿意度等多種因素，從設計到樣機制作需要反復修改完善，使產品開發(fā)的周期長、成本高，質量也難以達到最優(yōu)。隨著社會的不斷進步和科學技術的快速發(fā)展，人們對機電產品的要求已不再停留在可用的基礎上，而是逐漸進入個性化的消費階段。產品既要好用，外觀造型、顏色等又要符合消費者個人的審美情趣，這就要求企業(yè)的開發(fā)人員根據(jù)市場的需求，很快地設計多品種、多規(guī)格、小批量的新產品，供消費者作多向選擇。傳統(tǒng)串行的設計與制造技術難以適應快速變化的市場要求，為解決制造業(yè)面臨的問題，在20世紀80年代末期出現(xiàn)了一種新的先進制造技術－虛擬制造技術。
虛擬制造(Virtual Manufacturing)是虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality)技術在制造業(yè)中的應用。它利用信息技術、仿真技術、計算機技術對現(xiàn)實制造活動中的人、物、信息及制造過程進行全面的仿真。虛擬制造技術應用於產品開發(fā)中，稱為虛擬產品開發(fā)。現(xiàn)有的CAD/CAPP/CAM/CAE、ERP、PDM、SCM、CRM等制造系統(tǒng)模塊，主要針對產品全生命周期某些階段的解決方案，難以支持企業(yè)作為一個整體來獲得更高的效率及更強的創(chuàng)新力，以及滿足客戶的多樣化需求；而產品全生命周期管理系統(tǒng)(Product Lifecycle Management System，PLMS)提供了強有力的信息協(xié)同平臺，將上述獨立的子系統(tǒng)結合在一起，支持產品的創(chuàng)新設計與企業(yè)業(yè)務過程的協(xié)同運作。
PLMS的核心技術－面向產品全生命周期的虛擬產品開發(fā)，其內涵為：在產品設計階段，充分考慮產品的性能要求、制造過程成本和市場銷售等產品全生命周期(從需求分析、產品概念設計到產品報廢)的所有因素，在計算機上實時、并行地動態(tài)模擬產品的幾何建模、工藝設計、制造過程、生產管理、質量控制、應用維護等一系列活動。虛擬制造不會消耗現(xiàn)實資源和能量，所進行的制造過程是虛擬的，所生產的產品也是虛擬的，因而可以減少產品的投資風險，而且采用并行工程能更有效、更經濟、更靈活地組織生產，以達到新產品的開發(fā)周期最短、成本最低、設計質量最優(yōu)的目的。
面向產品全生命周期的虛擬產品創(chuàng)新和協(xié)同管理方案
面向產品全生命周期的虛擬開發(fā)系統(tǒng)，借助於并行工程管理策略和PDM集成技術，在設計產品時不僅考慮產品的功能和結構，而且考慮產品全生命周期的所有環(huán)節(jié)，如規(guī)劃、設計、制造、營銷、運行、使用、維護、服務、環(huán)保、回收等，以求產品的綜合優(yōu)化。虛擬產品開發(fā)過程中雖然存在局部串行現(xiàn)象，但從系統(tǒng)的整體來看，各模塊又是并行作業(yè)。
面向產品全生命周期的虛擬產品創(chuàng)新和協(xié)同管理方案如圖1所示。該方案打破了產品設計人員與生產制造人員、銷售人員及產品最終使用者之間溝通的技術障礙，借助網(wǎng)絡協(xié)同管理，使企業(yè)的產品創(chuàng)新能力獲得極大提升。圖中各功能模塊依賴PDM進行產品數(shù)據(jù)集成，這里的集成包括兩方面的含義：一是PDM與系統(tǒng)各工具軟件的集成，二是各工具軟件自身眾多模塊的集成。通過PDM集成系統(tǒng)的圖形和文檔數(shù)據(jù)、業(yè)務和經驗數(shù)據(jù)、交流和溝通數(shù)據(jù)，使虛擬產品開發(fā)系統(tǒng)的各功能模塊相互聯(lián)系、相互依存、協(xié)同發(fā)揮、共享資源及并行工作，保證信息流在虛擬企業(yè)內外暢通無阻。
虛擬產品開發(fā)系統(tǒng)的關鍵技術
零件三維造型
零件三維造型是虛擬產品開發(fā)的核心內容，其進一步的應用是虛擬裝配、動態(tài)過程仿真、圖形數(shù)據(jù)處理、有限元分析和動畫制作等。零件三維造型的方法有曲面造型、實體造型或實體曲面一體化混合造型等。目前，實體造型技術主要以參數(shù)化設計和面向特征設計為主。參數(shù)化設計是虛擬設計的重要方向，目前大多數(shù)CAD軟件都提供這項功能，讓用戶方便地反復修改設計參數(shù)。此外，采用的“精確特征實體造型”技術拋棄了傳統(tǒng)的體素拼合和交并差的繁瑣方式，使整個設計過程更加直觀、簡單。大多數(shù)三維CAD軟件都提供獨立環(huán)境的曲面造型工具，可任意造型與編輯復雜曲面，并通過曲面和實體之間的相互配合，實現(xiàn)曲面裁剪實體、曲面生成實體、曲面約束實體等混合造型操作。
虛擬裝配
在對部件或整機進行有限元分析或動態(tài)分析之前，要先對已完成造型設計的虛擬零件進行虛擬裝配。虛擬裝配是零件模型按約束關系進行重新定位的過程，它根據(jù)產品設計的形狀特性及精度特性，真實地模擬產品的三維裝配過程。常見裝配方法有約束裝配法(如共軸、平衡、重合、垂直等約束關系)和借助精確定位工具(如CAXA實體設計V2軟件的三維球)進行無約束裝配。裝配完後一般進行干涉檢查，以檢驗零件間有否發(fā)生干涉或超過了定義的間隙限制，虛擬裝配直接影響後續(xù)的有限元分析和動態(tài)仿真的結果。
有限元分析
虛擬產品開發(fā)的目標是滿足產品的性能要求、縮短產品周期及降低成本，這與性能優(yōu)良的計算分析系統(tǒng)分不開。計算分析的目標包括：構件的受力分析(靜力分析與動力學分析)、構件對失效的安全性、產品功能檢測、外部影響的評價、通過輕型構件減少重量、優(yōu)化材料等。有限元分析法是目前最重要及應用最廣泛的計算機輔助分析方法。直接將產品的三維零件模型或經過降維等方法轉換成有限元分析模型，依據(jù)數(shù)據(jù)交換標準傳至CAE軟件系統(tǒng)，就可進行有限元分析。
工藝設計
借助CAM、CAPP軟件，確定已設計的零件工藝方案，主要內容包括：核準加工零件的尺寸、公差及精度等加工要求、設定毛坯、確定工件裝卡方式、選擇加工刀具、確定加工方法、確定加工工藝路線、設定工藝參數(shù)等。
仿真系統(tǒng)
借助CAM軟件，根據(jù)所要加工工件的形狀特點、不同的工藝要求和精度要求，靈活地選擇各種加工方式和加工參數(shù)，快速生成、編輯所需要的刀具軌跡(即刀具的切削路徑)，并可通過CAM軟件的幾何仿真系統(tǒng)實時或快速地仿真刀具—工件幾何體的運動，以驗證生成的刀具軌跡是否正確和有否產生過切現(xiàn)象。
虛擬數(shù)控技術
通過CAM軟件對已生成的刀具軌跡進行加工機床設置和後置處理，即按機床規(guī)定的格式進行定制，從而生成和特定機床相匹配的NC代碼。虛擬數(shù)控技術就是借助數(shù)控加工仿真CNC軟件，采用完全模擬真實機床的虛擬數(shù)控機床對NC代碼的切削狀態(tài)進行檢驗，用戶可以生動地看到實時的加工過程仿真，以檢驗加工過程中刀具軌跡的正確性，以及刀具有否過切、刀具與夾具及機床有否碰撞等問題。較先進的虛擬CNC系統(tǒng)還可以進行力學仿真，通過切削過程的動態(tài)力學特性來預測刀具破損、刀具振動、控制切削參數(shù)，從而達到優(yōu)化切削過程的目的。采用虛擬數(shù)控加工，用戶不僅可以迅速地掌握CNC機床的操作過程，在調試過程還能減少和避免在真實加工環(huán)境中出現(xiàn)的各種錯誤，特別是用虛擬機床代替真實機床進行培訓，在降低費用的同時，還可獲得更佳的培訓效果。
產品數(shù)據(jù)管理
產品數(shù)據(jù)管理(PDM)是虛擬產品開發(fā)的重要使能條件之一，是虛擬產品開發(fā)得以實現(xiàn)的核心功能。由於整個產品開發(fā)過程會形成大量的信息，包括產品、過程的數(shù)字模型、模型的連續(xù)循環(huán)以及相關的過程信息等。設計參與者不僅包括生產廠家的設計、工藝、制造、裝配等人員，還包括供應商、合作夥伴和客戶等。這些人員在地理位置上往往是分散的，且各自使用不同的計算機系統(tǒng)和不同的軟件工具來產生整個產品生命周期所需要的各種數(shù)據(jù)，而且這些計算機系統(tǒng)和軟件可能建立在不同的網(wǎng)絡體系上。在這種情況下，如何使數(shù)據(jù)保持最新的和正確的，并且在整個虛擬企業(yè)的範圍內得到充分的共享和有效的傳輸，同時保證數(shù)據(jù)免遭有意或無意的破壞。這些都是PDM需要解決的問題。
并行工程
虛擬產品開發(fā)是產品開發(fā)的方法，是一種制造策略，而并行工程是貫穿全個虛擬產品開發(fā)過程的哲學方法，它應被看作是管理策略，而不是制造策略。對虛擬產品進行需求分析、零件造型設計、虛擬裝配、有限元分析、工藝規(guī)劃、仿真加工及測試的同時，考慮產品整個生命周期內活動的過程是并行工程；虛擬產品開發(fā)中以顧客為第一驅動，產品的設計、制造、分析、測試、裝配、銷售、維護等專業(yè)人員，以及供應商、合作夥伴和用戶同時參與產品開發(fā)的過程是并行工程；虛擬產品開發(fā)通過計算機網(wǎng)絡在不同地點、不同單位和部門、不同專業(yè)人員之間進行協(xié)同也可以認為是并行工程。總之，虛擬產品開發(fā)以并行工程為開發(fā)機制的主要目標是：提高產品質量、縮短產品開發(fā)時間和降低開發(fā)成本等。
虛擬產品開發(fā)系統(tǒng)的軟硬件平臺
虛擬產品開發(fā)系統(tǒng)得以實現(xiàn)硬件平臺和軟件平臺的有機結合。其硬件平臺包括：計算機(圖形工作站)、網(wǎng)絡、虛擬現(xiàn)實設備(如3D傳感器、頭套、眼鏡等)、圖形掃描儀、三座標測量儀、繪圖儀、打印機、快速成型機、投影儀等。虛擬機電產品的擬實原型就是通過這些設備能夠感知的方式表現(xiàn)出來。虛擬產品開發(fā)系統(tǒng)的軟件平臺包括：市場需求分析軟件、三維CAD軟件(含裝配、渲染模塊)、產品創(chuàng)新設計工具、優(yōu)化設計軟件、圖形數(shù)據(jù)處理軟件、工程數(shù)據(jù)庫管理軟件、規(guī)劃OA軟件、CAPP軟件、CAM軟件(含仿真模塊)、CAE軟件、虛擬CNC軟件、過程監(jiān)控軟件、PDM軟件、成本分析軟件、CRM、SCM、ERP等生產供應鏈管理軟件，計算機網(wǎng)絡操作系統(tǒng)軟件等。
應用實例
應用面向產品全生命周期的虛擬開發(fā)系統(tǒng)，已經成功地開發(fā)了洗衣機、投影儀、電視機、電訊產品、燈具、鍋爐、空調、燃氣熱水器、電氣控制柜、發(fā)動機、減速器等眾多新型機電產品。現(xiàn)以發(fā)動機開發(fā)為例，說明虛擬制造技術在全生命周期機電產品開發(fā)中的主要應用過程。主要步驟如下：
步驟1：對發(fā)動機產品進行需求分析，明確產品設計的技術要求，進行產品概念設計；
步驟2：應用CAXA實體設計V2軟件，或Pro-Engineer、UG等三維CAD軟件進行零件造型設計。發(fā)動機零件大多外形復雜，一般采用基於參數(shù)化設計和特征設計的實體曲面混合造型。零件造型完成後，利用三維CAD軟件的渲染模塊對零件進行材質、色彩、環(huán)境、光澤等真實感顯示；
步驟3：先對已造型的零件進行相鄰各相關件色彩搭配的渲染，再通過約束關系或無約束的精確定位方式進行部件裝配及發(fā)動機整機裝配，并對裝配件進行干涉檢查。若有干涉，可以修改步驟2的零件尺寸和形狀，直至干涉檢查至合格為止。裝配後，可對已虛擬裝配的發(fā)動機進行機構運動模擬（如應用CAXA實體設計V2軟件的智能動畫模塊或Pro-Engineer軟件的Mechanism模塊），顯示機構運動的效果；
步驟4：通過將三維幾何模型轉換為有限元分析模型，利用ANSYS軟件或其它CAE軟件(如美國MSC軟件)對發(fā)動機中的運動機構進行靜力分析、動力分析(如汽車發(fā)動振動特性分析、排氣管的動力響應分析等)、屈曲分析、強度分析、疲勞壽命分析、熱傳導分析、設計靈敏度及優(yōu)化分析等。若對初步設計的虛擬發(fā)動機進行有限元分析時不合要求，則重新轉入步驟1，直至合格為止；
步驟5：對經過CAE軟件分析合格的零件進行CAM加工工藝分析，根據(jù)零件加工面的形狀特征確定工藝方案，選擇機床、工藝裝備及切削用量，確定加工工藝路線及工藝規(guī)程；
步驟6：設定零件毛坯、工藝參數(shù)、選擇設定刀具和走刀方式，借助CAM軟件(如Pro-Engineer、UG、CAXA制造工程師等)，生成加工刀具軌跡，并對軌跡進行實時或快速仿真校驗。若仿真過程中出現(xiàn)刀具過切或干涉等錯誤，CAM仿真系統(tǒng)可以編輯修改已生成的刀具軌跡，直至仿真刀具軌跡正確；
步驟7：借助CAM軟件對選定的數(shù)控設備進行後置處理，即按要實際加工的數(shù)控機床規(guī)定的格式進行定制，可將步驟6經過仿真校驗正確的刀具軌跡，方便地生成和特定機床相匹配的數(shù)控G代碼；
步驟8：借助虛擬CNC軟件(如國外的Deneb系統(tǒng)、國內的金銀花V-cnc系統(tǒng)等)的虛擬數(shù)控機床對步驟7生成的數(shù)控G代碼進行虛擬實時加工。有些虛擬CNC系統(tǒng)借助虛擬照相機等動態(tài)視點實時監(jiān)控機床加工狀態(tài)，輸出加工參數(shù)便於實現(xiàn)加工過程的實時優(yōu)化與控制。最後生成優(yōu)化的數(shù)控G代碼，以便進行進一步的真實數(shù)控加工；
步驟9：用戶評價虛擬發(fā)動機樣機，在專業(yè)技術人員的協(xié)助下檢測性能，對其做出公正的評價。設計人員結合用戶的意見，對產品進行部分或全部的修改，重新轉入步驟1，直至用戶滿意。
由于在設計開發(fā)中運用了虛擬制造技術，可提高機電產品的質量，降低成本，大大縮短設計周期，提高了產品的市場競爭力。
結語
當今，制造業(yè)市場的全球化和競爭加劇是人盡皆知的事實。以PLM為管理協(xié)同平臺、以并行工程為指導思想、以PDM為集成手段的面向產品全生命周期的虛擬產品開發(fā)技術，則是目前最先進的設計制造模式，為企業(yè)提供了強有力的競爭工具。它一經提出就受到了廣泛關注，并得到大量的研究與成功的應用，取得了可觀的效益，展示出光明的發(fā)展前景。目前，虛擬產品開發(fā)技術在發(fā)達國家還未完全取代傳統(tǒng)的設計方法，在發(fā)展中國家更是剛剛起步，而且其相關的部分單元技術還不是很成熟。但隨著虛擬制造技術的發(fā)展，虛擬產品開發(fā)技術將日臻完善，對21世紀的制造業(yè)產生不可估量的影響。
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