虛擬產品設計技術管理論文

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引言

隨著經濟的全球化與信息的社會化，市場競爭日益激烈，產品競爭已經由傳統的價格競爭轉化為技術含量的競爭，高科技產品成為市場的主流，創新成為企業發展的靈魂。為了適應新的市場變化，企業必須以最快的上市速度、最好的質量、最低的成本和最優的服務來滿足不同用戶的需求。面對不可預測、持續發展、快速多變的市場需求，企業的生產活動必須具有高度的柔性，對市場需求的變化做出快速反應。為此，探索新的設計制造方法是企業生存的最重要手段。

隨著信息技術的迅猛發展，出現了一些先進的設計制造技術，現代設計制造技術的發展方向就是不斷吸收現代科學技術，實現設計制造技術的數字化、功能化、智能化和網絡化。虛擬技術已成為當今最活躍的制造業設計技術，它的發展，促進了虛擬制造(VitrualManufacturing)的形成和發展，為機械產品的設計、加工、分析以及生產的組織和管理提供了一個虛擬的仿真環境，從而在計算機上“組織”和“實現”生產，在實際投產前對產品的可制造性等方面進行評估，保證一次成功生產，從而降低生產成本，減少上市時間，快速響應市場，提高企業競爭能力。

1虛擬制造的內涵及其分類

1.1虛擬制造的內涵

隨著制造業技術的飛速發展，人們對制造的內涵也有了全新的、更全面的認識。制造是指按照市場需求，運用知識和技能、借助工具、采用有效的方法、將原材料轉化為最終產品并投放市場的全過程。虛擬制造(VitrulaManufacturingVM)是指利用計算機模型和仿真來實現產品的設計和生產的技術，它以信息技術、仿真技術、虛擬現實技術和高性能的計算機、高速網絡為支持，在計算機上群組協調工作，實現產品的設計、工藝規劃、加工制造、性能分析、質量檢驗以及企業各級過程管理與控制等產品制造的本質過程。“虛擬制造”雖不是實際的制造，但卻實現實際制造的本質過程，它在產品設計或制造系統的物理實現之前，就能通過模型來模擬和預估未來產品的形態、功能、性能以及可加工性等方面可能存在的問題，從而可以做出前瞻性的決策和優化實施方案，從而使制造技術發展到全方位預報階段。虛擬制造是實際制造在計算機上的本質實現，它是各種計算機輔助技術面向產品全生命周期的集成化綜合運用。

實際制造具有對物質、信息、能源進行轉換的功能，即投人原材料、生產、信息、電力等能源，制造出所需的產品及與產品相關的信息。虛擬制造是將實際生產中的“物質”和“能源”信息化，針對實際生產系統中的信息及被信息化的“物質”和“能源”實現與實際生產在信息上的等價交換，虛擬制造雖然沒有制造出實際產品，但卻生成了有關產品的信息以及制造產品所需的信息。

1.2虛擬制造的分類

虛擬制造既涉及到與產品開發制造有關的活動，又包含與企業組織經營有關的管理活動。根據所涉及的范圍及工程活動類型，可將虛擬制造分為三類：以設計為核心的虛擬制造；以生產為核心的虛擬制造；以控制為核心的虛擬制造。

1）.以設計為核心的虛擬制造。以設計為核心的虛擬制造將制造信息引人設計過程，利用仿真來優化產品設計，從而在設計階段就可以對零件甚至整機進行可制造性分析，包括加工工藝分析、熱力學分析、動力學以及運動學分析等。主要解決“設計出來的產品是什么樣”的問題，以便對產品各方面性能進行仿真與評估；

2）.以生產為核心的虛擬制造。以生產為核心的虛擬制造將仿真技術溶人生產過程模型，以此來評估和優化生產過程，以低費用快速評價不同的工藝方案、資源需求計劃、生產計劃等。主要解決“這樣組織生產是否合理”的問題，以便對生產過程進行仿真，對各個生產計劃進行評估；

3）.以控制為核心的虛擬制造。以控制為核心的虛擬制造將仿真技術加到控制模型和實際處理中，實現基于仿真的最優控制。充分利用計算機的強大功能將傳統的各種控制儀表、檢測儀表的功能數字化，對生產線的優化等生產組織和管理活動進行仿真。主要解決“如何去控制”的問題。

2虛擬制造的特點

與實際制造相比，虛擬制造具有其本身的特點：

1）.虛擬性。虛擬制造不是真實的制造過程，不生產實際的產品、不消耗真實的材料與能源，是通過數字化手段來對真實制造過程進行動態模擬以實現制造的本質過程；

2）.基于數字化模型的集成。虛擬制造過程依賴于模型，涉及到的模型有產品模型、過程模型、活動模型和資源模型。通過這些數字化模型在計算機上的集成，實現對產品的設計、制造、測試、裝配等操作，而不再做對傳統的原型樣機的反復修改；

3）.支持敏捷制造。由于整個過程的信息存儲在計算機內，能夠根據用戶需求或市場的變化快速改型設計，快速投人生產，能夠大幅度壓縮開發新產品的時間、提高質量、降低成本；

4）.分布合作。借助于計算機網絡，虛擬制造可使分不在不同地點、不同部門的不同專業人員對同一個產品模型同時工作，相互交流，實現信息共享，減少大量文檔生成及其傳遞的時間和誤差，從而使產品開發更快捷、優質、低耗地響應市場變化；

5）.仿真結果的高可信度。虛擬制造就是通過模型的驗證、效驗等仿真技術來檢測設計出的產品或制訂出的生產規劃，使得產品開發或生產組織一次成功，所以它能真實地反應實際對象。

3虛擬制造的關鍵支撐技術

虛擬制造借助于虛擬環境中獲取的各種信息，集成和綜合了可運行制造的環境，用來改善從裝配產品的概念設計到動態仿真的各個階段。虛擬制造技術涉及面很廣，如環境構成技術、過程特征抽取、集成基礎結構的體系結構、制造特征數據集成、多學科交叉功能、決策支持工具、接口技術、虛擬現實技術、建模與仿真技術等。其中后三項是虛擬制造的核心技術。

3.1虛擬現實技術

虛擬現實(VirtualRealityVR)技術是美國JaronLanier于1989年首次提出的，該技術的內涵是由計算機直接把視覺、聽覺和觸覺等多種信息合成，并提示給人的感覺器官，在人的周圍生成一個三維的虛擬環境。從而把人、現實世界和虛擬空間結合起來，融為一體，相互間進行信息的交流和反饋。虛擬現實技術或由它構建的系統，最重要的特征在于沉浸感(Immersion)，交互性(Interaction)和構想性(Imagination)。

虛擬現實技術綜合利用計算機圖形系統、各種顯示和控制等接口設備，在計算機上生成可交互的三維虛擬環境。虛擬現實系統(VRS)由人機接口、軟件技術、虛擬實現的計算平臺等部分組成。利用VRS可以對真實世界進行動態模擬，通過用戶的交互輸人，并及時按輸出修改虛擬環境，使人產生身臨其境的沉浸感覺。

3.2建模技術

虛擬制造系統是現實制造系統在虛擬環境下的映射，是現實制造系統的模型化、形式化和計算機化的抽象描述和表示。虛擬制造系統的建模包括生產模型、產品模型和工藝模型。

(1)生產模型。可歸納為靜態描述和動態描述兩個方面。靜態描述是對系統生產能力和生產特性的描述，給出產品設計方案的可能性；動態描述是對系統動態行為和狀態的描述，進而預測產品生產的全過程；

(2)產品模型。產品模型是制造過程中，各類實體對象模型的集合。對虛擬制造系統來說，要使產品實施過程中的全部活動集成，就必須具有完備的產品模型，即產品模型描述的信息既包含產品結構、產品形狀特征等靜態信息，還包含能夠進行干涉檢查，各項性能分析等方面的動態信息，是能夠通過映射、抽象等方法提取產品實施中各活動所需所有信息的模型；

(3)工藝模型。將工藝參數與影響制造功能的產品設計屬性聯系起來，以反應生產模型與產品模型之間的交互作用。工藝模型必須具備以下功能：計算機工藝仿真、制造數據表、制造規劃、統計模型以及物理和數學模型。

3.3仿真技術

仿真就是應用計算機對復雜的現實系統經過抽象和簡化形成系統模型，然后在分析的基礎上運行此模型，從而得到系統一系列的統計性能。由于仿真是以系統模型為對象的研究方法，借助于計算機的快速運算能力，可以用很短時間模擬實際生產中需要很長時間的生產周期，因而可以縮短決策時間，避免資金、人力和時間的浪費，并可重復仿真，優化實施方案。

仿真的基本步驟為：研究系統、收集數據一建立系統模型*確定仿真算法*建立仿真模型神運行仿真模型*輸出結果并分析。虛擬制造系統中的產品開發涉及到產品建模仿真、設計過程規劃仿真、實際生產過程行為仿真、裝配過程仿真、檢驗過程仿真等，以便對設計結果進行評價，實現設計過程早期反饋，減少或避免產品設計錯誤。

4虛擬制造技術的現狀分析

盡管虛擬制造技術近年來在國際上取得了迅速的發展，但是目前還缺乏從產品設計全過程的高度開展虛擬制造的研究，集中體現在以下方面。

4.1基于集成的數字化產品模型技術尚處于概念階段

(1)CAD模型中的產品信息含量太低。CAD模型是在產品的設計過程中形成的，很多信息(幾何的非幾何的)需要記錄在其中，它是重要的數據源。在虛擬制造中，很多分析模型需要從CAD模型中提取相應信息。然而目前的CAD模型主要是從幾何實體的角度描述產品，遠不能全面的描述產品，能夠提供的共享信息太少；

(2)現有的CAD模型無法支持產品的概念設計。產品的全新設計要經過概念設計、詳細設計、產品工藝規劃及制造幾個過程，而CAD模型只支持產品的詳細設計；

(3)缺乏良好的產品信息重用機制。由于目前各應用軟件間的產品數據交換主要是通過專用的數據接口來實現，這種轉換也是同一問題數據的簡單映射，無法實現模型間數據的自動轉換和衍生，無疑增加了虛擬制造產品開發的復雜性。

4.2產品創新支持工具尚不充分

(1)缺少創新設計支持系統。產品創新設計是一門綜合性科學，需要新技術、新材料、新工藝的支持。虛擬制造的環境為創新設計提供了很好的運行機制，但是還需進一步組織開發創新設計的支持系統；

(2)缺乏將知識與虛擬制造結合的工具。知識可以創造革新產品和新技術，產品創新注重知識。但是由于知識表達與組織的復雜性與重要性，如何將其與虛擬制造的數字化產品結合起來是一個有待解決的難題；

(3)缺少交互式外形設計技術與虛擬制造的集成工具。

目前，虛擬制造被認為是最有發展前景的產品創新技術。如何解決將有關產品整體定位、外觀設計的交互式外形設計技術引人到產品虛擬制造中并與之有機地集成起來尚需進一步研究。

4.3產品數字化技術

(1)基于產品數據管理(PDM)與其他軟件的集成問題。產品數字化的核心是PDM技術的應用，目前，出現了各種版本的PDM軟件，但是缺乏標準，由此造成了PDM軟件與其他應用系統的集成問題。在虛擬環境下，各專業、各部門人員基于同一產品模型協同工作，必須解決PDM與其他應用軟件的集成；

(2)虛擬產品開發的產品數據組織體系。虛擬產品開發方式生成的產品數字樣機的產品結構樹既要反映產品設計階段的構造層次結構、產品的裝配順序，還要反映生產流程，制造部門可以直接根據產品數字樣機進行制造。因此，研究適合虛擬產品開發的產品數據組織體系是切實必要的；

(3)與數字化產品模型相關數據的組織和管理。

產品的數字化包括建立產品的數字模型及其相關的性能指標，包括結構分析、運動學分析、動力學分析、熱力學分析的結果，為產品的定型提供理論依據，并對產品性能進行改造。如何有效地解決數據的組織和管理，使之有效地適合虛擬制造的需要是目前研究的熱點。

4.4制造過程仿真建模方法和技術

基于物理模型的制造過程仿真技術已經得到廣泛應用，但建模方法與建模技術仍未有突破性進展。

(1)虛擬加工工具有待完善。目前已有很多商品化軟件可以進行“可加工性”評價，但虛擬制造還需研究開發大量的虛擬加工分析工具，如具有切削力分析功能的加工過程仿真系統等；

(2)虛擬裝配的基礎理論研究。虛擬制造對虛擬配中的公差分析與綜合技術還缺乏理論基礎，在模型的生成以及對ISO公差標準、形位公差的支持方面還存在很多問題，迫切需要解決；

(3)裝配工藝規劃的進一步研究。目前基于虛擬裝配工藝規劃的研究存在很大的局限性，主要是指:僅考慮沿坐標軸方向的平移，裝配運動方式過于簡單；偏重于幾何計算，工程語意知識的利用有待加強；裝配順序的選擇標準不夠廣泛和統一；

(4)虛擬測試技術研究。虛擬測試是成功運用“虛擬產品開發”技術的關鍵環節，也是必不可少的。當所有環節計算機化后，測試和效驗環節就成為影響效率的重要因素。

5結束語

由實際制造向“虛擬制造”轉變是國際制造業在信息技術推動下發生的最顯著變化。虛擬制造在工業發達國家如美國、德國、日本等已得到了不同程度的廣泛研究和應用。在我國，清華大學、北京航空航厭大學、哈爾濱工業大學等科研教學單位也已經開展了這一領域的研究工作。當前我國虛擬制造應用研究的重點方向是基于產品的三維虛擬設計、加工過程仿真和產品裝配仿真，研究如何生成可信度高的產品虛擬樣機，達到在產品設計階段能夠以較高的置信度預測所設計產品的最終性能和可制造性。隨著研究的不斷深人和相關技術的發展，虛擬制造必將得到日益廣泛的應用。