在新型机电产品开发中虚拟制造技术的应用

　　随着科学技术的快速发展，消费者对机电产品除了必须满足其基本要求外，还对质量和外观造型有愈来愈高的期望。这就要求企业的开发人员根据市场需求，迅速地设计多品种、多规格的新产品。为适应快速变化的市场发展，在20世纪80年代末期出现一种新的先进制造技术-虚拟制造技术。

　　机电产品的传统开发模式是一种线形阶段模式，产品开发过程是顺序过程，在设计早期不能全面地预见产品的可制造性、可装配性和质量可靠性、用户满意度等多种因素，从设计到样机制作需要反复修改完善，使产品开发的周期长、成本高，质量也难以达到最优。随着社会的不断进步和科学技术的快速发展，人们对机电产品的要求已不再停留在可用的基础上，而是逐渐进入个性化的消费阶段。产品既要好用，外观造型、颜色等又要符合消费者个人的审美情趣，这就要求企业的开发人员根据市场的需求，很快地设计多品种、多规格、小批量的新产品，供消费者作多向选择。传统串行的设计与制造技术难以适应快速变化的市场要求，为解决制造业面临的问题，在20世纪80年代末期出现了一种新的先进制造技术-虚拟制造技术。

　　虚拟制造(Virtual Manufacturing)是虚拟现实(Virtual Reality)技术在制造业中的应用。它利用信息技术、仿真技术、计算机技术对现实制造活动中的人、物、信息及制造过程进行全面的仿真。虚拟制造技术应用於产品开发中，称为虚拟产品开发。现有的CAD/CAPP/CAM/CAE、ERP、PDM、SCM、CRM等制造系统模块，主要针对产品全生命周期某些阶段的解决方案，难以支持企业作为一个整体来获得更高的效率及更强的创新力，以及满足客户的多样化需求;而产品全生命周期管理系统(Product Lifecycle Management System，PLMS)提供了强有力的信息协同平臺，将上述独立的子系统结合在一起，支持产品的创新设计与企业业务过程的协同运作。

　　PLMS的核心技术-面向产品全生命周期的虚拟产品开发，其内涵为：在产品设计阶段，充分考虑产品的性能要求、制造过程成本和市场销售等产品全生命周期(从需求分析、产品概念设计到产品报废)的所有因素，在计算机上实时、并行地动态模拟产品的几何建模、工艺设计、制造过程、生产管理、质量控制、应用维护等一系列活动。虚拟制造不会消耗现实资源和能量，所进行的制造过程是虚拟的，所生产的产品也是虚拟的，因而可以减少产品的投资风险，而且采用并行工程能更有效、更经济、更灵活地组织生产，以达到新产品的开发周期最短、成本最低、设计质量最优的目的。

　　面向产品全生命周期的虚拟产品创新和协同管理方案

　　面向产品全生命周期的虚拟开发系统，借助於并行工程管理策略和PDM集成技术，在设计产品时不仅考虑产品的功能和结构，而且考虑产品全生命周期的所有环节，如规划、设计、制造、营销、运行、使用、维护、服务、环保、回收等，以求产品的综合优化。虚拟产品开发过程中虽然存在局部串行现象，但从系统的整体来看，各模块又是并行作业。

　　面向产品全生命周期的虚拟产品创新和协同管理方案如图1所示。该方案打破了产品设计人员与生产制造人员、销售人员及产品最终使用者之间沟通的技术障碍，借助网络协同管理，使企业的产品创新能力获得极大提升。图中各功能模块依赖PDM进行产品数据集成，这里的集成包括两方面的含义：一是PDM与系统各工具软件的集成，二是各工具软件自身众多模块的集成。通过PDM集成系统的图形和文档数据、业务和经验数据、交流和沟通数据，使虚拟产品开发系统的各功能模块相互联系、相互依存、协同发挥、共享资源及并行工作，保证信息流在虚拟企业内外畅通无阻。

　　虚拟产品开发系统的关键技术

　　零件三维造型

　　零件三维造型是虚拟产品开发的核心内容，其进一步的应用是虚拟装配、动态过程仿真、图形数据处理、有限元分析和动画制作等。零件三维造型的方法有曲面造型、实体造型或实体曲面一体化混合造型等。目前，实体造型技术主要以参数化设计和面向特征设计为主。参数化设计是虚拟设计的重要方向，目前大多数CAD软件都提供这项功能，让用户方便地反复修改设计参数。此外，采用的“精确特征实体造型”技术抛弃了传统的体素拼合和交并差的繁琐方式，使整个设计过程更加直观、简单。大多数三维CAD软件都提供独立环境的曲面造型工具，可任意造型与编辑复杂曲面，并通过曲面和实体之间的相互配合，实现曲面裁剪实体、曲面生成实体、曲面约束实体等混合造型操作。

　　虚拟装配

　　在对部件或整机进行有限元分析或动态分析之前，要先对已完成造型设计的虚拟零件进行虚拟装配。虚拟装配是零件模型按约束关系进行重新定位的过程，它根据产品设计的形状特性及精度特性，真实地模拟产品的三维装配过程。常见装配方法有约束装配法(如共轴、平衡、重合、垂直等约束关系)和借助精确定位工具(如CAXA实体设计V2软件的三维球)进行无约束装配。装配完後一般进行干涉检查，以检验零件间有否发生干涉或超过了定义的间隙限制，虚拟装配直接影响後续的有限元分析和动态仿真的结果。

　　有限元分析

　　虚拟产品开发的目标是满足产品的性能要求、缩短产品周期及降低成本，这与性能优良的计算分析系统分不开。计算分析的目标包括：构件的受力分析(静力分析与动力学分析)、构件对失效的安全性、产品功能检测、外部影响的评价、通过轻型构件减少重量、优化材料等。有限元分析法是目前最重要及应用最广泛的计算机辅助分析方法。直接将产品的三维零件模型或经过降维等方法转换成有限元分析模型，依据数据交换标准传至CAE软件系统，就可进行有限元分析。

　　工艺设计

　　借助CAM、CAPP软件，确定已设计的零件工艺方案，主要内容包括：核准加工零件的尺寸、公差及精度等加工要求、设定毛坯、确定工件装卡方式、选择加工刀具、确定加工方法、确定加工工艺路线、设定工艺参数等。

　　仿真系统

　　借助CAM软件，根据所要加工工件的形状特点、不同的工艺要求和精度要求，灵活地选择各种加工方式和加工参数，快速生成、编辑所需要的刀具轨迹(即刀具的切削路径)，并可通过CAM软件的几何仿真系统实时或快速地仿真刀具—工件几何体的运动，以验证生成的刀具轨迹是否正确和有否产生过切现象。

　　虚拟数控技术

　　通过CAM软件对已生成的刀具轨迹进行加工机床设置和後置处理，即按机床规定的格式进行定制，从而生成和特定机床相匹配的NC代码。虚拟数控技术就是借助数控加工仿真CNC软件，采用完全模拟真实机床的虚拟数控机床对NC代码的切削状态进行检验，用户可以生动地看到实时的加工过程仿真，以检验加工过程中刀具轨迹的正确性，以及刀具有否过切、刀具与夹具及机床有否碰撞等问题。较先进的虚拟CNC系统还可以进行力学仿真，通过切削过程的动态力学特性来预测刀具破损、刀具振动、控制切削参数，从而达到优化切削过程的目的。采用虚拟数控加工，用户不仅可以迅速地掌握CNC机床的操作过程，在调试过程还能减少和避免在真实加工环境中出现的各种错误，特别是用虚拟机床代替真实机床进行培训，在降低费用的同时，还可获得更佳的培训效果。

　　产品数据管理

　　产品数据管理(PDM)是虚拟产品开发的重要使能条件之一，是虚拟产品开发得以实现的核心功能。由於整个产品开发过程会形成大量的信息，包括产品、过程的数字模型、模型的连续循环以及相关的过程信息等。设计参与者不仅包括生产厂家的设计、工艺、制造、装配等人员，还包括供应商、合作夥伴和客户等。这些人员在地理位置上往往是分散的，且各自使用不同的计算机系统和不同的软件工具来产生整个产品生命周期所需要的各种数据，而且这些计算机系统和软件可能建立在不同的网络体系上。在这种情况下，如何使数据保持最新的和正确的，并且在整个虚拟企业的範围内得到充分的共享和有效的传输，同时保证数据免遭有意或无意的破坏。这些都是PDM需要解决的问题。

　　并行工程

　　虚拟产品开发是产品开发的方法，是一种制造策略，而并行工程是贯穿全个虚拟产品开发过程的哲学方法，它应被看作是管理策略，而不是制造策略。对虚拟产品进行需求分析、零件造型设计、虚拟装配、有限元分析、工艺规划、仿真加工及测试的同时，考虑产品整个生命周期内活动的过程是并行工程;虚拟产品开发中以顾客为第一驱动，产品的设计、制造、分析、测试、装配、销售、维护等专业人员，以及供应商、合作夥伴和用户同时参与产品开发的过程是并行工程;虚拟产品开发通过计算机网络在不同地点、不同单位和部门、不同专业人员之间进行协同也可以认为是并行工程。总之，虚拟产品开发以并行工程为开发机制的主要目标是：提高产品质量、缩短产品开发时间和降低开发成本等。

　　虚拟产品开发系统的软硬件平台

　　虚拟产品开发系统得以实现硬件平台和软件平台的有机结合。其硬件平台包括：计算机(图形工作站)、网络、虚拟现实设备(如3D传感器、头套、眼镜等)、图形扫描仪、三座标测量仪、绘图仪、打印机、快速成型机、投影仪等。虚拟机电产品的拟实原型就是通过这些设备能够感知的方式表现出来。虚拟产品开发系统的软件平台包括：市场需求分析软件、三维CAD软件(含装配、渲染模块)、产品创新设计工具、优化设计软件、图形数据处理软件、工程数据库管理软件、规划OA软件、CAPP软件、CAM软件(含仿真模块)、CAE软件、虚拟CNC软件、过程监控软件、PDM软件、成本分析软件、CRM、SCM、ERP等生产供应链管理软件，计算机网络操作系统软件等。

　　应用实例

　　应用面向产品全生命周期的虚拟开发系统，已经成功地开发了洗衣机、投影仪、电视机、电讯产品、灯具、锅炉、空调、燃气热水器、电气控制柜、发动机、减速器等众多新型机电产品。现以发动机开发为例，说明虚拟制造技术在全生命周期机电产品开发中的主要应用过程。主要步骤如下：

　　步骤1：对发动机产品进行需求分析，明确产品设计的技术要求，进行产品概念设计;

　　步骤2：应用CAXA实体设计V2软件，或Pro-Engineer、UG等三维CAD软件进行零件造型设计。发动机零件大多外形复杂，一般采用基於参数化设计和特征设计的实体曲面混合造型。零件造型完成後，利用三维CAD软件的渲染模块对零件进行材质、色彩、环境、光泽等真实感显示;

　　步骤3：先对已造型的零件进行相邻各相关件色彩搭配的渲染，再通过约束关系或无约束的精确定位方式进行部件装配及发动机整机装配，并对装配件进行干涉检查。若有干涉，可以修改步骤2的零件尺寸和形状，直至干涉检查至合格为止。装配後，可对已虚拟装配的发动机进行机构运动模拟(如应用CAXA实体设计V2软件的智能动画模块或Pro-Engineer软件的Mechanism模块)，显示机构运动的效果;

　　步骤4：通过将三维几何模型转换为有限元分析模型，利用ANSYS软件或其它CAE软件(如美国MSC软件)对发动机中的运动机构进行静力分析、动力分析(如汽车发动振动特性分析、排气管的动力响应分析等)、屈曲分析、强度分析、疲劳寿命分析、热传导分析、设计灵敏度及优化分析等。若对初步设计的虚拟发动机进行有限元分析时不合要求，则重新转入步骤1，直至合格为止;

　　步骤5：对经过CAE软件分析合格的零件进行CAM加工工艺分析，根据零件加工面的形状特征确定工艺方案，选择机床、工艺装备及切削用量，确定加工工艺路线及工艺规程;

　　步骤6：设定零件毛坯、工艺参数、选择设定刀具和走刀方式，借助CAM软件(如Pro-Engineer、UG、CAXA制造工程师等)，生成加工刀具轨迹，并对轨迹进行实时或快速仿真校验。若仿真过程中出现刀具过切或干涉等错误，CAM仿真系统可以编辑修改已生成的刀具轨迹，直至仿真刀具轨迹正确;

　　步骤7：借助CAM软件对选定的数控设备进行後置处理，即按要实际加工的数控机床规定的格式进行定制，可将步骤6经过仿真校验正确的刀具轨迹，方便地生成和特定机床相匹配的数控G代码;

　　步骤8：借助虚拟CNC软件(如国外的Deneb系统、国内的金银花V-cnc系统等)的虚拟数控机床对步骤7生成的数控G代码进行虚拟实时加工。有些虚拟CNC系统借助虚拟照相机等动态视点实时监控机床加工状态，输出加工参数便於实现加工过程的实时优化与控制。最後生成优化的数控G代码，以便进行进一步的真实数控加工;

　　步骤9：用户评价虚拟发动机样机，在专业技术人员的协助下检测性能，对其做出公正的评价。设计人员结合用户的意见，对产品进行部分或全部的修改，重新转入步骤1，直至用户满意。

　　由于在设计开发中运用了虚拟制造技术，可提高机电产品的质量，降低成本，大大缩短设计周期，提高了产品的市场竞争力。

　　结语

　　当今，制造业市场的全球化和竞争加剧是人尽皆知的事实。以PLM为管理协同平台、以并行工程为指导思想、以PDM为集成手段的面向产品全生命周期的虚拟产品开发技术，则是目前最先进的设计制造模式，为企业提供了强有力的竞争工具。它一经提出就受到了广泛关注，并得到大量的研究与成功的应用，取得了可观的效益，展示出光明的发展前景。目前，虚拟产品开发技术在发达国家还未完全取代传统的设计方法，在发展中国家更是刚刚起步，而且其相关的部分单元技术还不是很成熟。但随着虚拟制造技术的发展，虚拟产品开发技术将日臻完善，对21世纪的制造业产生不可估量的影响。