新型机电产品开发中的虚拟制造技术(上)

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　　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。

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　　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。

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　　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。

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　　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。

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　　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。

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　　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。

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　　虚拟产品开发系统的关键技术

　　零件三维造型

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　　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。

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　　虚拟装配|MechNet|欢迎登陆中国机械专家网www.MechNet.com.cn

　　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。