新型机电产品开发中的虚拟制造技术(上)

　　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，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。

声明：本网站所收集的部分公开资料来源于互联网，转载的目的在于传递更多信息及用于网络分享，并不代表本站赞同其观点和对其真实性负责，也不构成任何其他建议。本站部分作品是由网友自主投稿和发布、编辑整理上传，对此类作品本站仅提供交流平台，不为其版权负责。如果您发现网站上所用视频、图片、文字如涉及作品版权问题，请第一时间告知，我们将根据您提供的证明材料确认版权并按国家标准支付稿酬或立即删除内容，以保证您的权益！联系电话：010-58612588 或 Email:editor@blueai.net.cn。