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论虚拟设计与技术在新产品开发中的应用< 一 >.论虚拟设计在新产品开发中的应用1 虚拟设计在新产品开发中的特征由于当今市场竞争日益激烈与科学技术进步的加快，使得产品开发的技术 含量与复杂程度日益增加，同时也由于产品的生命周期不断地缩短，因此， 缩短新产品开发的周期、提高新产品开发的技术水平、降低新产品开发的 成本，并保证上市后产品的上市周期，是当前新产品开发着重要解决的问 题。虚拟设计(Virtual Design )属于多学科交叉技术，涉及众多的学科和专业 技术知识，它是随着科学技术的发展，特别是计算机辅助 CAX技术的发展,开始广泛地应用于企业的生产与制造之中。由于虚拟设计技术在新产品开 发过程中的应用，使产品设计实现更自然的人机交互，采用并行设计工作 模式，系统考虑各种因素，使相关的人员之间相互理解、相互支持，把握 了新产品开发周期的全过程，提高了产品设计的一次性成功。从而缩短产 品开发周期，降低生产成本，提高了产品质量，给企业带来了更多的商机。2 虚拟设计在新产品开发中的应用2 . 1虚拟产品设计近几年来，CAID技术为企业在新产品开发过程中提供了有力的支持，但目前在虚拟产品设计中多使用软件组合来完成产品设计过程。例如复杂曲面 的产品造型，多采用 Rhino和Pro/Engineer 等软件的组合使用来完成虚 拟产品设计模型，其实质并没有把设计人员从二维鼠标与键盘上解放出来， 设计人员也并没有真正参与到虚拟产品设计中来，在某种角度上限制了设 计人员的积极性与创造性的发挥。随着虚拟现实(Virtual Reality )技术与多媒体技术的发展，虚拟现实技术 与多媒体技术有机结合在新产品开发过程中的使用，以及科技人员在不断 提高的计算机操作的人机界面综合技术，改善了虚拟产品设计中人与计算 机的交互方式。目前，所采用的将虚拟现实技术引入CAD环境，这将便于模拟新产品开发中产品的某些性能，又便于设计人员对产品的修改。技术 条件好的公司，在进行虚拟产品设计时，设计人员可以先利用现有的CAD系统建模，再转换到VR环境中，让设计人员或准客户来感知产品。设计人员也可以利用 VR-CAD系统，直接在虚拟环境中进行设计与修改。例如在 对汽车的设计时，设计人员在具有全交互性的设计环境中，利用头盔显示 器、具有触觉反馈功能的数据手套、操纵杆、三维位置跟踪器等装置，将 视觉、听觉、触觉与虚拟概念产品模型相连，不仅可以进行虚拟的合作， 产生一种身临其境的感觉，而且还可以实时地对整个虚拟产品(VirtualProduct )设计过程进行检查、评估，实地解决设计中的决策问题，使设计 思想得到综合。在交互性的虚拟环境快速成型设备上，设计人员对虚拟产 品设计模型的直接设计，提高了设计人员积极性与创造性的发挥。有的企业在新产品开发设计时，还建立了物理试验模型PMU ( PhysicalMock-up )，如油泥模型(Clay Modeling )等已逐步被计算机和仿真代替， 在此基础上进行产品设计建模和仿真设计，以达到改进产品方案设计的目的。虚拟产品也就是最初的数字试验模型DMU ( Digital Mock-up )，虚拟产品设计初级阶段的虚拟油泥建模( Virtual Clay Modeling )，可以适应创 造性设计过程所提出的直观要求，设计人员可以在虚拟环境空间中，利用 轨迹跟踪系统可以削掉和涂抹虚拟的油泥材料。所设计的产品可得到精确 的描述，物理模型能通过快速原型方法被迅速的制作出来。例如：美国波 音公司777飞机的虚拟原形机，就利用虚拟产品设计对该产品进行全数字 化三维描述，实现了产品设计的虚拟油泥模型和无纸工程等，这个模型可 为产品开发不同的阶段和设计原则提供参考。同时，虚拟产品设计在造船 等其他新产品开发方面也得到了成功的应用。另外，虚拟产品设计与其它设计过程进行数字连接，可实现新产品开发过程的集成，使并行工程(Co ncurre ntEngin eeri ng) 得到充分体现与实施。从而缩短开发时间，降低开发成本，发挥设计人员的创造性潜能。2 . 2 虚拟装配设计(Virtual Assembly Design )虚拟装配设计(Virtual Assembly Desig n)是虚拟设计在新产品开发方面具有较大影响力的一个领域。虚拟装配(Virtual Assembly )采用计算机仿真与虚拟现实技术，通过仿真模型在计算机上进行仿真装配，实现产品 的工艺规划、加工制造、装配和调试，它是实际装配的过程在计算机上的 本质体现。目前，就其技术而言，已经成熟，虽尚没有商用虚拟装配系统， 也尚未充分地应用于新产品开发的分析和评价，但这项技术在新产品开发 中已得到肯定，并具有很重要的意义。过去传统的产品开发，常需要花费大量的时间、人力、物力来制作实物模型进行各种装配实验研究，力求在产品的可行性、实用性和产品性能等方 面进行各种测试分析。现代设计要求设计人员在虚拟产品开发早期就应考 虑装配问题，在进行虚拟装配的同时创建产品、分析装配精度，及时优化虚拟装配的第一步是在CAD系统创建虚拟产品模型，然后进入并利用虚拟装配设计环境(Virtual Assembly Design En viro nment )系统，产品开 发人员在 VADE系统中开展工作，借助虚拟装配设计环境系统，设计人员 可以在虚拟环境中使用各种装配工具对设计的机构进行装配检验，帮助设 计人员及时发现设计中的装配缺陷，全面掌握在虚拟制造中的装配过程， 尽可能早地发现在新产品开发过程中的设计、生产和装配工艺等问题。利 用这个虚拟环境，评价产品的公差、选择零部件的装配顺序、确定装拆工 艺，可将结果进行可视化处理。实验表明，虚拟装配设计的完善将有效缩短新产品开发的周期，减轻设计 返工的负担，加快了引入高级设计方法和技术的速度，提高新产品开发的 质量与可靠性，同时也降低新产品开发的成本。2 . 3虚拟人机工程学设计虚拟人机工程学设计是借助虚拟样机(Virtual prototype )系统，也有人称其为虚拟人机工程学环境，将它引入虚拟人机工程学评价系统，设计人 员可以精确研究产品的人机工程学参数，并且在必要时可以修改虚拟部件 的位置，重新设计整个产品的构造。另外，它还允许不同技术背景的人直 接与设计的产品进行交互及评价产品的性能，有助于满足不同用户的特殊 要求。英国航空实验室研究人员研制了一个虚拟人机工程学评价系统。通过这个 系统设计人员可以精确研究轿车内部的人机工程学参数，适时修改轿车虚 拟部件的位置，对整个轿车的内部构造重新设计。这项技术为新产品开发 在产品的人机工程学研究方面提供了新的方法，可以不断地利用该系统来 验证假设，既减少开发费用，又缩短了制造模型的时间，同时又可以满足 产品多样化的要求。2 . 4虚拟设计在新产品开发中应用前景随着多媒体技术软硬件飞速发展，特别是虚拟现实技术与多媒体技术有机 结合，加快了设计人员从键盘和鼠标上解脱下来的速度，使虚拟设计技术 在新产品开发应用方面也得到提升。虽然目前仅是起步阶段，在通过多种 传感器与多维的信息环境进行自然的交互方面，及实现全方位的认识方面 还有待于进一步提高，但在新产品开发设计应用方面具有很大的潜力，而 且应用前景广阔。应该深入开发研究，使虚拟设计技术更好地帮助设计 员在新产品开发中提升设计创新思维能力与产品设计水平。3、虚拟设计在新产品开发中应用使科学与艺术更好地得到融合虚拟设计技术与新产品的开发都是建立在科学技术进步的基础之上，都需 要科学技术的支持。新产品开发以科学技术理论为基础，然而在新产品开 发中的虚拟产品设计等问题上，虚拟现实技术又为设计人员提供了有艺术 创造性思维的空间，扩展了设计人员的艺术设计思维，使设计人员能够从 理论认识到感性认识对产品进行设计、分析和评价。使设计人员在精神世 界的存在中获得心灵自由，让设计更趋人性化、艺术化。虚拟设计在新产品开发中的应用，使科学的思维方式和艺术的思维方式悄 悄地相互侵入和占有着。科学的发明和创造溶入了艺术的想象和品格，艺 术的创造和对产品形态美的探索又渗入科学的理论和品质，虚拟设计在新 产品开发中的应用是科学与艺术的融合。4、结束语 虚拟设计技术为新产品开发提供了数字设计平台，使新产品开发的周期减 少、费用降低，提高了新开发的产品质量。但是如何更有效地利用虚拟设计技术为新产品开发服务，还有待于我们在实际的设计中进行探索。 参考文献：1 柳冠中科学X艺术的时代,卢新华科学与艺术一一互溶的两个世界， 中央工艺美术学院艺术设计论集 北京工艺美术出版社，1996.102 刘宏增，黄靖远 编著.虚拟设计.北京：机械工业出版社,1999.123 Co nradBere nson ,IRIS Mohr-Jacks on,MARCo Ian siti .新产品开发（第二版）北京：中国人民大学出版社 2002.94 杨锟,刘继红.面向虚拟装配的装配建模技术.机械科学与技术，2001或其他成像技术获取）送入仿真系统，外科医生就可以对实际的外科手术 作出相应的规划，因而使得他可以预料到难以预料到的某些复杂性。利用 虚拟现实技术进行虚拟外科手术还可以为那些刚走上工作岗位的医生或医学院的学生提供更多的机会去演练以前从未做过的手术。在虚拟外科手术中，外科医生戴着可以显示计算机生成立体图像的头盔显 示器，头盔上装有空间跟踪定位器，显示的图像始终跟踪着外科医生的视 线，当外科医生转动头部时，空间跟踪定位器就发信号给虚拟现实系统去 调整仿真中的视图。当外科医生用头盔显示器看着虚拟手术台上的用计算 机制作的三维仿真人体模型时，头盔显示器同时可以显示出该虚拟病人的 血压、心率或其他生理信息。在虚拟外科手术中，外科医生戴着数据手套，拿着虚拟手术刀，数据手套 上也配备位置跟踪定位装置，这样虚拟现实系统便可以精确的跟踪人体的 运动和位置，以及在医生和虚拟病人之间的手术动作。一些类似手术仪器、而且可以提供力反馈的设备正在研制当中，他们可以提供手术刀或其他器 械通过虚拟肌肉是的真实阻力。完成一次虚拟手术后外科医生还可以按一下复位按钮重复进行。如果虚拟病人死了还可以让他马上起死回生，以便重头开始，重复练习，积累经验，从而增加实际手术的成功率。<二 >.虚拟技术在新产品开发中的应用一、前言随着科技的飞速发展，企业间的竞争日趋激烈，市场的变化不断加快。企业的新产品开发也随之出现一些新的特点：(1) 产品生命周期明显缩短。以汽车为例，新产品的生命周期从 20世纪90 年代的58年降至目前的 35年。(2) 产品品种急剧增加。为适应用户需求，企业大力发展订货式的个性化产品。即使是大批量生产的产品，也可根据顾客多样化的功能要求和喜好实现订货方式的销售模式。(3) 产品开发周期极大压缩。以汽车为例，产品改型设计开发周期从过去的45年压缩为目前2年左右。因此，对大型企业来言，及时开发出适应市场需求的高质量、高性能和低成本产品已成为企业保持竞争力的关键，而建立高效、低成本的新产品快速响应开发体系则是实现这一目标的保证。显而易见，传统的产品设计方 法已经很难满足需要，面对这种严峻挑战，要求不断发展和应用先进的生 产制造技术来适应这一变化。正是在这种日益严酷环境的催生下，虚拟产 品开发技术正在迅速发展起来。它为企业带来了一个全新的发展空间。二、虚拟产品开发技术的分类虚拟产品开发技术不是直接建立智能化的思维模型，而是将动态仿真技术 与拟实环境相结合，使开发人员能通过视觉和思维来感知及判断拟实环境 中的产品运行情况，两者可交互互动，因而能比较完善地把人与计算机结 合成一体，使人的智慧得到充分的发挥和应用，而不仅仅是计算机的被动 伙伴，由此引发了产品开发技术新的突破。按功能及所处理的不同模型可将虚拟产品开发技术划分为三类：产品的虚 拟设计技术、产品的虚拟制造技术和虚拟制造系统。1. 面向对象不同产品的虚拟设计技术的对象是产品的结构和性能，从产品设计、分析、模 拟、评测出发，对客户需求的产品性能和成本进行优化。它的对象是产品 本身。而产品的虚拟制造技术则是对向产品制造过程的模拟、检验和优化，检验 产品的可制造性、加工方法和工艺的合理性，从而保证产品的制造质量， 以缩短制造周期和达到最低的制造成本为目标。它的对象是产品的制造。虚拟制造系统则着重于生产过程的规划、组织管理、资源调度、物流、信 息流等的建模、仿真与优化。它的对象是整个工厂和企业。2. 在企业产品开发过程中应用阶段不同对于企业来说，新产品开发过程有两个关键阶段：产品设计与开发，过程 设计与开发。前者重点是考虑产品的功能、设计的可行性、能否满足顾客 的要求等，后者则着重考虑实现产品生产的可行性、可控性、经济性。产 品的虚拟设计属于产品设计与开发范畴，虚拟制造系统则属于过程设计与 开发范畴，而产品的虚拟制造则将两者有机结合起来：既是产品的可行性 输出又是过程设计的输入。3. 所要求的软件平台不同基于目前的软件开发和计算机能力，这三类虚拟技术对软件平台有不同的 要求：虚拟设计要求计算机提供便捷和多样的造型能力，稳定和高精度的 图形显示能力以及相应的测量和分析能力。而虚拟制造需要处理的对象不 仅是虚拟样机，还有设备、环境、操作人员等虚拟模型，在数据的容量和 类型上较前者要复杂得多，此时需要计算机更多着重于图形显示和数据处 理速度。虚拟制造系统着眼整个制造系统性能分析，要处理的数据规模相 比更大，此外还要求软件能提供管理层需要的各种工艺报表和图表等。当 然，不排除将来有一天，随着计算机能力和软件水平的提高，出现一个集 成所有虚拟产品开发技术的软件平台。虽然将虚拟产品开发技术分为三种类型，但它们都是围绕着产品而活动， 是一个彼此相互联系有机整体。虚拟模型大致关系如图1所示。图1虚拟制造模型相互关系图三、虚拟产品开发技术的应用通过以上介绍可知，虚拟技术基本上可以分为三类，而每类虚拟产品开发 技术的输出内容当然也有所不同。1. 产品的虚拟设计目前，3D产品设计软件在工厂已得到广泛应用，而传统的2D设计软件正在逐渐退出。概括地说，现代生产中产品设计和开发就是建立虚拟样机。相对于2D设计，3D设计不仅可以让设计师直观评价产品，而且使设计本身更加便捷，快速，如有必要的话还可选定材质渲染进行外观评估。此外，这些造型软件基本都有运动分析、产品干涉分析等功能，有的甚至具有有限元分析工具。现代设计软件还集成了加工制造辅助功能，具有从产品设计直接过渡到工装模具设计，最后到数控加工设备的制造数据输出，由此形成的一条由产品和加工数据组成的产品设计链。这个阶段的主要输出如下：虚拟产品样机，包括工装、模具设计等；包含完整信息的产品设计图；产品外观和性能评估；加工程序；初步工艺流程。2. 虚拟制造技术在虚拟样机的数据基础上，引入相应的加工设备、工装、模具、操作人员等虚拟工位模型，在计算机上可进行预先制造模拟仿真。图2所示的是汽车发动机底盘托架虚拟焊接制造。通过模拟，可以检验焊接机器人的位置 是否合适，能否完成所有焊点要求，制造过程需要的安全空间和时间、操 作人员的行动要求等要素。图2汽车发动机底盘托架焊接虚拟制造与实物验证开发相比，显然采用虚拟制造技术可以缩短开发周期，大大降 低人力和物力的投入，节约开发成本。一个拥有完整虚拟制造技术的企业 相当于拥有一个样品试制车间。在虚拟样机的制造可行性分析过程中，可 以得到如下信息：虚拟样机整体配合分析报告；制造可行性分析报告；合理的工艺路径和安排；工艺参数的初步确定；操作工时预估。3. 虚拟制造系统技术在虚拟制造系统中，不仅要关注产品和制造生产线，还要考虑涉及生产的一切因素：如厂房布局、辅助工具、物流安排等。图3所示的是汽车侧围虚拟焊接生产线的一部分。建立虚拟制造系统的目的是通过对产品正常生 产状态的模拟和分析，了解产品正常生产时对企业的全局影响，进而优化 公司的生产作业。通过虚拟制造系统可以获得信息如下:规划工位布局；生产线性能分析；生产线平衡；生产节拍控制；工艺文件；操作人员配制；物流安排；制造投资的预算。由于虚拟技术的操作是在软件平台的基础上进行的，最终实际输出内容还是决定于所采用的软件功能。图3汽车侧围焊接虚拟生产线四、虚拟技术与新产品开发 现代企业按照自己的特点、规模和结构建立相应的质量管理体系，以保证 企业的生产和公司运作是在受控状态进行，其中也包含了新产品的开发。虽然上面介绍了虚拟技术的许多优势和特点，但如果要在企业中真正发挥 作用，还要融入企业的质量管理体系，并与企业的新产品开发程序有机结 合起来。 以汽车及汽车零部件行业为例：目前广泛采用新产品先期质量策划（APQP ）方式进行，将整个开发过程分为五个阶段：计划和项目的确定、产品设计 和开发、过程技术和开发、产品和过程的确认、反馈评价和纠正措施，如 图4所示。和淮離Kfr昭产 弃产图4 APQP先期产品质量策划模式先期产品质量策划是一个系统工程，是用于确保企业满足顾客对产品质量、 交付、成本和准时性等方面需求的必须步骤。结合本文对虚拟产品开发技术的论述，大体上可以给出在开发过程中虚拟 技术参与的阶段和时间，如图5所示。域fe* W卅即田曲由K1悴伸 试产报产JIIL产币I:担衬什耳总4兰i亠亠丁一 J立Kbwt成i :吒料制=蛊曲上*;汀瓷瓷l+斗：芒严忌和i左劉臨认-尺囱亶1虫好生T芒正撞vYww.souvr .co rr|图5虚拟技术与APQP先期产品质量策划模式值得强调的是，样品试制这一在产品开发过程中的重要阶段。样品的主要 目的是对产品和过程的确认，是在投产前通对产品的全面评估，是企业开 发新产品并批量生产前的一个重要阶段。虚拟技术基本上覆盖这些方面， 对于一些简单的产品而言，虚拟产品技术已可以完全替代实物验证。然而， 由于虚拟制造技术还处在发展过程中，对于复杂产品，目前还不能完全替 代样品，但已大大减少样品制造的数量，从而减低开发成本的投入。而对 于非正式样品-手工样品，目前虚拟样机技术已可满足和替代手工样品验证 新产品的尺寸配合和外观形状的需求。随着时间的推移，产品开发过程完全虚拟化运作将是不可避免的。五、结论综上所述，虚拟产品开发技术将CAx/DFx技术、设计过程管理、虚拟现实技术等集成起来，形成一个交互式环境，以支持产品设计过程中的并行工程方法，从而缩短新产品研制周期，降低开发费用。一般地，结合企业实 际情况，选择和购买选择适合行业特点的软件并配备相应的硬件，先从虚 拟产品开发入手，再到虚拟制造和虚拟制造系统建立，从而实现企业技术 的整体提升。在发展虚拟开发技术过程中，应与本企业产品开发的特点结 合，制定一个行之有效的产品开发流程，让虚拟开发技术在实际应用发挥 最大作用，以免不必要的资源浪费。最后，应当重视加强产品和制造数据的标准化和规范化管理，确保企业内 部有统一的数据交流平台，并制定相应的流程保证虚拟模型和实物的一致 性，从而避免数据的潜在缺陷并提高数据的重复使用率，以求提高开发质 量，缩短开发周期，降低开发成本。