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隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，消費(fèi)者對機(jī)電產(chǎn)品除了必須滿足其基本要求外，還對質(zhì)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(shè)計(jì)多品種、多規(guī)格的新產(chǎn)品。為適應(yīng)快速變化的市場發(fā)展，20世紀(jì)80年代末期出現(xiàn)一種新的先進(jìn)制造技術(shù)－虛擬制造技術(shù)。
機(jī)電產(chǎn)品的傳統(tǒng)開發(fā)模式是一種線形階段模式，產(chǎn)品開發(fā)過程是順序過程，在設(shè)計(jì)早期不能全面地預(yù)見產(chǎn)品的可制造性、可裝配性和質(zhì)量可靠性、用戶滿意度等多種因素，從設(shè)計(jì)到樣機(jī)制作需要反復(fù)修改完善，使產(chǎn)品開發(fā)的周期長、成本高，質(zhì)量也難以達(dá)到最優(yōu)。隨著社會的不斷進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，人們對機(jī)電產(chǎn)品的要求已不再停留在可用的基礎(chǔ)上，而是逐漸進(jìn)入個性化的消費(fèi)階段。產(chǎn)品既要好用，外觀造型、顏色等又要符合消費(fèi)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(shè)計(jì)多品種、多規(guī)格、小批量的新產(chǎn)品，供消費(fèi)者作多向選擇。傳統(tǒng)串行的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)難以適應(yīng)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(jì)80年代末期出現(xiàn)了一種新的先進(jìn)制造技術(shù)－虛擬制造技術(shù)。
虛擬制造(Virtual Manufacturing)是虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality)技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用。它利用信息技術(shù)、仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)對現(xiàn)實(shí)制造活動中的人、物、信息及制造過程進(jìn)行全面的仿真。虛擬制造技術(shù)應(yīng)用於產(chǎn)品開發(fā)中，稱為虛擬產(chǎn)品開發(fā)�，F(xiàn)有的CAD/CAPP/CAM/CAE、ERP、PDM、SCM、CRM等制造系統(tǒng)模塊，主要針對產(chǎn)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(qiáng)的創(chuàng)新力，以及滿足客戶的多樣化需求；而產(chǎn)品全生命周期管理系統(tǒng)(Product Lifecycle Management System，PLMS)提供了強(qiáng)有力的信息協(xié)同平臺，將上述獨(dú)立的子系統(tǒng)結(jié)合在一起，支持產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與企業(yè)業(yè)務(wù)過程的協(xié)同運(yùn)作。
PLMS的核心技術(shù)－面向產(chǎn)品全生命周期的虛擬產(chǎn)品開發(fā)，其內(nèi)涵為：在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，充分考慮產(chǎn)品的性能要求、制造過程成本和市場銷售等產(chǎn)品全生命周期(從需求分析、產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)到產(chǎn)品報(bào)廢)的所有因素，在計(jì)算機(jī)上實(shí)時、并行地動態(tài)模擬產(chǎn)品的幾何建模、工藝設(shè)計(jì)、制造過程、生產(chǎn)管理、質(zhì)量控制、應(yīng)用維護(hù)等一系列活動。虛擬制造不會消耗現(xiàn)實(shí)資源和能量，所進(jìn)行的制造過程是虛擬的，所生產(chǎn)的產(chǎn)品也是虛擬的，因而可以減少產(chǎn)品的投資風(fēng)險，而且采用并行工程能更有效、更經(jīng)濟(jì)、更靈活地組織生產(chǎn)，以達(dá)到新產(chǎn)品的開發(fā)周期最短、成本最低、設(shè)計(jì)質(zhì)量最優(yōu)的目的。
面向產(chǎn)品全生命周期的虛擬產(chǎn)品創(chuàng)新和協(xié)同管理方案
面向產(chǎn)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(shù)，在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時不僅考慮產(chǎn)品的功能和結(jié)構(gòu)，而且考慮產(chǎn)品全生命周期的所有環(huán)節(jié)，如規(guī)劃、設(shè)計(jì)、制造、營銷、運(yùn)行、使用、維護(hù)、服務(wù)、環(huán)保、回收等，以求產(chǎn)品的綜合優(yōu)化。虛擬產(chǎn)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(chǎn)品全生命周期的虛擬產(chǎn)品創(chuàng)新和協(xié)同管理方案如圖1所示。該方案打破了產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員與生產(chǎn)制造人員、銷售人員及產(chǎn)品最終使用者之間溝通的技術(shù)障礙，借助網(wǎng)絡(luò)協(xié)同管理，使企業(yè)的產(chǎn)品創(chuàng)新能力獲得極大提升。圖中各功能模塊依賴PDM進(jìn)行產(chǎn)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(wù)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)、交流和溝通數(shù)據(jù)，使虛擬產(chǎn)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(nèi)外暢通無阻。
虛擬產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)
零件三維造型
零件三維造型是虛擬產(chǎn)品開發(fā)的核心內(nèi)容，其進(jìn)一步的應(yīng)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(shí)體造型或?qū)嶓w曲面一體化混合造型等。目前，實(shí)體造型技術(shù)主要以參數(shù)化設(shè)計(jì)和面向特征設(shè)計(jì)為主。參數(shù)化設(shè)計(jì)是虛擬設(shè)計(jì)的重要方向，目前大多數(shù)CAD軟件都提供這項(xiàng)功能，讓用戶方便地反復(fù)修改設(shè)計(jì)參數(shù)。此外，采用的“精確特征實(shí)體造型”技術(shù)拋棄了傳統(tǒng)的體素拼合和交并差的繁瑣方式，使整個設(shè)計(jì)過程更加直觀、簡單。大多數(shù)三維CAD軟件都提供獨(dú)立環(huán)境的曲面造型工具，可任意造型與編輯復(fù)雜曲面，并通過曲面和實(shí)體之間的相互配合，實(shí)現(xiàn)曲面裁剪實(shí)體、曲面生成實(shí)體、曲面約束實(shí)體等混合造型操作。
虛擬裝配
在對部件或整機(jī)進(jìn)行有限元分析或動態(tài)分析之前，要先對已完成造型設(shè)計(jì)的虛擬零件進(jìn)行虛擬裝配。虛擬裝配是零件模型按約束關(guān)系進(jìn)行重新定位的過程，它根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的形狀特性及精度特性，真實(shí)地模擬產(chǎn)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(guān)系)和借助精確定位工具(如CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)V2軟件的三維球)進(jìn)行無約束裝配。裝配完後一般進(jìn)行干涉檢查，以檢驗(yàn)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(jié)果。
有限元分析
虛擬產(chǎn)品開發(fā)的目標(biāo)是滿足產(chǎn)品的性能要求、縮短產(chǎn)品周期及降低成本，這與性能優(yōu)良的計(jì)算分析系統(tǒng)分不開。計(jì)算分析的目標(biāo)包括：構(gòu)件的受力分析(靜力分析與動力學(xué)分析)、構(gòu)件對失效的安全性、產(chǎn)品功能檢測、外部影響的評價、通過輕型構(gòu)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(yīng)用最廣泛的計(jì)算機(jī)輔助分析方法。直接將產(chǎn)品的三維零件模型或經(jīng)過降維等方法轉(zhuǎn)換成有限元分析模型，依據(jù)數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)傳至CAE軟件系統(tǒng)，就可進(jìn)行有限元分析。
工藝設(shè)計(jì)
借助CAM、CAPP軟件，確定已設(shè)計(jì)的零件工藝方案，主要內(nèi)容包括：核準(zhǔn)加工零件的尺寸、公差及精度等加工要求、設(shè)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(shè)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(diǎn)、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(shí)時或快速地仿真刀具—工件幾何體的運(yùn)動，以驗(yàn)證生成的刀具軌跡是否正確和有否產(chǎn)生過切現(xiàn)象。
虛擬數(shù)控技術(shù)
通過CAM軟件對已生成的刀具軌跡進(jìn)行加工機(jī)床設(shè)置和後置處理，即按機(jī)床規(guī)定的格式進(jìn)行定制，從而生成和特定機(jī)床相匹配的NC代碼。虛擬數(shù)控技術(shù)就是借助數(shù)控加工仿真CNC軟件，采用完全模擬真實(shí)機(jī)床的虛擬數(shù)控機(jī)床對NC代碼的切削狀態(tài)進(jìn)行檢驗(yàn)，用戶可以生動地看到實(shí)時的加工過程仿真，以檢驗(yàn)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(jī)床有否碰撞等問題。較先進(jìn)的虛擬CNC系統(tǒng)還可以進(jìn)行力學(xué)仿真，通過切削過程的動態(tài)力學(xué)特性來預(yù)測刀具破損、刀具振動、控制切削參數(shù)，從而達(dá)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(jī)床的操作過程，在調(diào)試過程還能減少和避免在真實(shí)加工環(huán)境中出現(xiàn)的各種錯誤，特別是用虛擬機(jī)床代替真實(shí)機(jī)床進(jìn)行培訓(xùn)，在降低費(fèi)用的同時，還可獲得更佳的培訓(xùn)效果。
產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理
產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)是虛擬產(chǎn)品開發(fā)的重要使能條件之一，是虛擬產(chǎn)品開發(fā)得以實(shí)現(xiàn)的核心功能。由於整個產(chǎn)品開發(fā)過程會形成大量的信息，包括產(chǎn)品、過程的數(shù)字模型、模型的連續(xù)循環(huán)以及相關(guān)的過程信息等。設(shè)計(jì)參與者不僅包括生產(chǎn)廠家的設(shè)計(jì)、工藝、制造、裝配等人員，還包括供應(yīng)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)和不同的軟件工具來產(chǎn)生整個產(chǎn)品生命周期所需要的各種數(shù)據(jù)，而且這些計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和軟件可能建立在不同的網(wǎng)絡(luò)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(fàn)圍內(nèi)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(chǎn)品開發(fā)是產(chǎn)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(chǎn)品開發(fā)過程的哲學(xué)方法，它應(yīng)被看作是管理策略，而不是制造策略。對虛擬產(chǎn)品進(jìn)行需求分析、零件造型設(shè)計(jì)、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(chǎn)品整個生命周期內(nèi)活動的過程是并行工程；虛擬產(chǎn)品開發(fā)中以顧客為第一驅(qū)動，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、分析、測試、裝配、銷售、維護(hù)等專業(yè)人員，以及供應(yīng)商、合作夥伴和用戶同時參與產(chǎn)品開發(fā)的過程是并行工程；虛擬產(chǎn)品開發(fā)通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在不同地點(diǎn)、不同單位和部門、不同專業(yè)人員之間進(jìn)行協(xié)同也可以認(rèn)為是并行工程�？傊�，虛擬產(chǎn)品開發(fā)以并行工程為開發(fā)機(jī)制的主要目標(biāo)是：提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮短產(chǎn)品開發(fā)時間和降低開發(fā)成本等。
虛擬產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)的軟硬件平臺
虛擬產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)硬件平臺和軟件平臺的有機(jī)結(jié)合。其硬件平臺包括：計(jì)算機(jī)(圖形工作站)、網(wǎng)絡(luò)、虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備(如3D傳感器、頭套、眼鏡等)、圖形掃描儀、三座標(biāo)測量儀、繪圖儀、打印機(jī)、快速成型機(jī)、投影儀等。虛擬機(jī)電產(chǎn)品的擬實(shí)原型就是通過這些設(shè)備能夠感知的方式表現(xiàn)出來。虛擬產(chǎn)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(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)工具、優(yōu)化設(shè)計(jì)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(chǎn)供應(yīng)鏈管理軟件，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)軟件等。
應(yīng)用實(shí)例
應(yīng)用面向產(chǎn)品全生命周期的虛擬開發(fā)系統(tǒng)，已經(jīng)成功地開發(fā)了洗衣機(jī)、投影儀、電視機(jī)、電訊產(chǎn)品、燈具、鍋爐、空調(diào)、燃?xì)鉄崴�、電氣控制柜、發(fā)動機(jī)、減速器等眾多新型機(jī)電產(chǎn)品。現(xiàn)以發(fā)動機(jī)開發(fā)為例，說明虛擬制造技術(shù)在全生命周期機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)中的主要應(yīng)用過程。主要步驟如下：
步驟1：對發(fā)動機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行需求分析，明確產(chǎn)品設(shè)計(jì)的技術(shù)要求，進(jìn)行產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)；
步驟2：應(yīng)用CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)V2軟件，或Pro-Engineer、UG等三維CAD軟件進(jìn)行零件造型設(shè)計(jì)。發(fā)動機(jī)零件大多外形復(fù)雜，一般采用基於參數(shù)化設(shè)計(jì)和特征設(shè)計(jì)的實(shí)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(jìn)行材質(zhì)、色彩、環(huán)境、光澤等真實(shí)感顯示；
步驟3：先對已造型的零件進(jìn)行相鄰各相關(guān)件色彩搭配的渲染，再通過約束關(guān)系或無約束的精確定位方式進(jìn)行部件裝配及發(fā)動機(jī)整機(jī)裝配，并對裝配件進(jìn)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(jī)進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動模擬（如應(yīng)用CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)V2軟件的智能動畫模塊或Pro-Engineer軟件的Mechanism模塊），顯示機(jī)構(gòu)運(yùn)動的效果；
步驟4：通過將三維幾何模型轉(zhuǎn)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(jī)中的運(yùn)動機(jī)構(gòu)進(jìn)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(yīng)分析等)、屈曲分析、強(qiáng)度分析、疲勞壽命分析、熱傳導(dǎo)分析、設(shè)計(jì)靈敏度及優(yōu)化分析等。若對初步設(shè)計(jì)的虛擬發(fā)動機(jī)進(jìn)行有限元分析時不合要求，則重新轉(zhuǎn)入步驟1，直至合格為止；
步驟5：對經(jīng)過CAE軟件分析合格的零件進(jìn)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(jī)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(shè)定零件毛坯、工藝參數(shù)、選擇設(shè)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(jìn)行實(shí)時或快速仿真校驗(yàn)。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(shè)備進(jìn)行後置處理，即按要實(shí)際加工的數(shù)控機(jī)床規(guī)定的格式進(jìn)行定制，可將步驟6經(jīng)過仿真校驗(yàn)正確的刀具軌跡，方便地生成和特定機(jī)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(nèi)的金銀花V-cnc系統(tǒng)等)的虛擬數(shù)控機(jī)床對步驟7生成的數(shù)控G代碼進(jìn)行虛擬實(shí)時加工。有些虛擬CNC系統(tǒng)借助虛擬照相機(jī)等動態(tài)視點(diǎn)實(shí)時監(jiān)控機(jī)床加工狀態(tài)，輸出加工參數(shù)便於實(shí)現(xiàn)加工過程的實(shí)時優(yōu)化與控制。最後生成優(yōu)化的數(shù)控G代碼，以便進(jìn)行進(jìn)一步的真實(shí)數(shù)控加工；
步驟9：用戶評價虛擬發(fā)動機(jī)樣機(jī)，在專業(yè)技術(shù)人員的協(xié)助下檢測性能，對其做出公正的評價。設(shè)計(jì)人員結(jié)合用戶的意見，對產(chǎn)品進(jìn)行部分或全部的修改，重新轉(zhuǎn)入步驟1，直至用戶滿意。
由于在設(shè)計(jì)開發(fā)中運(yùn)用了虛擬制造技術(shù)，可提高機(jī)電產(chǎn)品的質(zhì)量，降低成本，大大縮短設(shè)計(jì)周期，提高了產(chǎn)品的市場競爭力。
結(jié)語
當(dāng)今，制造業(yè)市場的全球化和競爭加劇是人盡皆知的事實(shí)。以PLM為管理協(xié)同平臺、以并行工程為指導(dǎo)思想、以PDM為集成手段的面向產(chǎn)品全生命周期的虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)，則是目前最先進(jìn)的設(shè)計(jì)制造模式，為企業(yè)提供了強(qiáng)有力的競爭工具。它一經(jīng)提出就受到了廣泛關(guān)注，并得到大量的研究與成功的應(yīng)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(chǎn)品開發(fā)技術(shù)在發(fā)達(dá)國家還未完全取代傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，在發(fā)展中國家更是剛剛起步，而且其相關(guān)的部分單元技術(shù)還不是很成熟。但隨著虛擬制造技術(shù)的發(fā)展，虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)將日臻完善，對21世紀(jì)的制造業(yè)產(chǎn)生不可估量的影響。
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