產(chǎn)品的虛擬開發(fā)技術(shù)初探

1、 產(chǎn)品的虛擬開發(fā)技術(shù)初探0、引言    全球市場(chǎng)的形成加劇了當(dāng)前的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，我國制造業(yè)的產(chǎn)值約占國民經(jīng)濟(jì)總值的30以上，它作為國民經(jīng)濟(jì)的一個(gè)重要支柱，既要生產(chǎn)高質(zhì)量、高性能和低成本的產(chǎn)品來提高本行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力，又要開發(fā)先進(jìn)、高效和可靠的產(chǎn)品為其它行業(yè)提供生產(chǎn)和生活裝備。面臨著這種嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，要求不斷地發(fā)展和應(yīng)用先進(jìn)的生產(chǎn)制造技術(shù)來適應(yīng)這一需求，其中新產(chǎn)品的快速響應(yīng)開發(fā)更是提高企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。    虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)，雖然它不是直接建立智能化的思維模型，但由于它發(fā)展了過程仿真技術(shù)并與擬實(shí)環(huán)境相結(jié)合，使開發(fā)人員能通過視覺和感覺來

2、感知擬實(shí)環(huán)境中的產(chǎn)品運(yùn)行情況，并可進(jìn)行交互作用，因而能較完善地把人與計(jì)算機(jī)結(jié)合成一體，使人的智慧得到充分的發(fā)揮和應(yīng)用，而不僅僅是計(jì)算機(jī)的輔助作用，使產(chǎn)品的開發(fā)技術(shù)有了新的突破。    本文將探討虛擬產(chǎn)品開發(fā)的使能技術(shù)，并重點(diǎn)討論機(jī)床設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)和生產(chǎn)線運(yùn)行作業(yè)設(shè)計(jì)等的動(dòng)態(tài)仿真建模技術(shù)。    1、產(chǎn)品開發(fā)面臨的挑戰(zhàn)    1.1 產(chǎn)品開發(fā)的特點(diǎn)   （1）產(chǎn)品適銷期明顯縮短。以中型加工中心為例，新產(chǎn)品的銷售旺期從80年代58年降至90年代35年。   （2）產(chǎn)品品

3、種數(shù)急劇增加。適應(yīng)用戶需求，發(fā)展訂貨式的個(gè)性化的產(chǎn)品。即使大批量生產(chǎn)產(chǎn)品，也可根據(jù)顧客多樣化的功能要求和喜愛實(shí)現(xiàn)訂貨方式的銷售模式。   （3）產(chǎn)品開發(fā)周期極大壓縮。中型數(shù)控機(jī)床的新型產(chǎn)品開發(fā)周期從80年代前期的15個(gè)月壓縮為90年代前期的9個(gè)月，預(yù)計(jì)到2000年將壓縮為6個(gè)月。 我國產(chǎn)品開發(fā)存在的主要問題   （1）產(chǎn)品仿制多、創(chuàng)新少、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力不強(qiáng)，獲利不高。   （2）設(shè)計(jì)耗時(shí)多，設(shè)計(jì)成功率低，反復(fù)試制使開發(fā)周期長，產(chǎn)品更新?lián)Q代慢，一般開發(fā)周期為國外同類產(chǎn)品的一倍左右。   （3）通用型產(chǎn)品多，面向用戶的功

4、能多樣化的產(chǎn)品少。   （4）產(chǎn)品設(shè)計(jì)從技術(shù)上考慮多、經(jīng)濟(jì)分析少、成本高。   （5）設(shè)計(jì)方法和手段不先進(jìn)。   （6）產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化通用化程度不高，生產(chǎn)準(zhǔn)備工作量大，產(chǎn)品投產(chǎn)上市速度慢。    2、虛擬產(chǎn)品開發(fā)的特征與研究?jī)?nèi)容    產(chǎn)品開發(fā)包括：產(chǎn)品設(shè)計(jì)（含概念設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工程設(shè)計(jì)）、工藝設(shè)計(jì)、樣機(jī)（原型）制造、檢測(cè)和修改定型、投產(chǎn)技術(shù)準(zhǔn)備、生產(chǎn)質(zhì)量控制以及產(chǎn)品應(yīng)用支持等過程。產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、功能和成本主要取決于設(shè)計(jì)（產(chǎn)品和工藝）階段的完善化，而縮短產(chǎn)品開發(fā)周期的

5、關(guān)鍵在于使各個(gè)階段緊密合作、并行作業(yè)，并能集中多學(xué)科知識(shí)和專業(yè)經(jīng)驗(yàn)做到產(chǎn)品開發(fā)一次成功、避免反復(fù)試制。產(chǎn)品的設(shè)計(jì)技術(shù)就是一直遵循著這些原則在不斷地發(fā)展。    虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)主要有下列三方面內(nèi)容：   （1）在整機(jī)幾何模型的基礎(chǔ)上，發(fā)展可模擬產(chǎn)品實(shí)際運(yùn)行時(shí)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力特征的仿真模型，所生成的虛擬樣機(jī)（生產(chǎn)線）通過屏幕三維直視，可真實(shí)地觀察其動(dòng)態(tài)形象。建立動(dòng)態(tài)仿真模型的基礎(chǔ)在于專業(yè)理論分析和科學(xué)實(shí)驗(yàn)，它是賦予虛擬圖像以真實(shí)產(chǎn)品動(dòng)作和性能的關(guān)鍵。   （2）開發(fā)一系列使工作人員能直接參與虛擬樣機(jī)運(yùn)作的交互設(shè)備及相應(yīng)的軟件，它能

6、形成如同實(shí)際一樣從不同視角進(jìn)行觀察，也能獲得觸覺和聽覺的感覺，這種虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)是使人機(jī)進(jìn)行交互的主要工具。   （3）高性能計(jì)算機(jī)支撐條件，采用多處理器高性能工作站（如雙奔騰處理器和64M內(nèi)存等）保證高速實(shí)時(shí)運(yùn)算，并具有查詢方便的統(tǒng)一建模的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和遵循標(biāo)準(zhǔn)（如CALS）的網(wǎng)絡(luò)信息共享系統(tǒng)。    虛擬產(chǎn)品開發(fā)的主要特點(diǎn)：    首先它把人在CAD環(huán)境下的活動(dòng)提升到人機(jī)融成一體的積極參與的主動(dòng)活動(dòng)，因而構(gòu)成了融入型的智能化開發(fā)系統(tǒng)，使CAD難于實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)品概念（方案）設(shè)計(jì)，在應(yīng)用了虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)以后能充分

7、發(fā)揮人的智慧和決策作用。    其次它又是以支持和推進(jìn)并行工程實(shí)施的使能技術(shù)，由于虛擬技術(shù)能模擬產(chǎn)品的實(shí)際運(yùn)行，并具有高度可視化，使各方面專業(yè)人員和用戶通過直觀的感受來了解產(chǎn)品，有助于深化理解和統(tǒng)一意見，保證了團(tuán)隊(duì)人員間的有效合作。    此外在設(shè)計(jì)階段通過對(duì)虛擬樣機(jī)多方位的分析、評(píng)定和修改。保證產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的合理性，從而可取消或縮短樣機(jī)的實(shí)物制造、檢測(cè)和修改定型等過程，進(jìn)一步壓縮產(chǎn)品開發(fā)周期。    現(xiàn)以機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)和生產(chǎn)線運(yùn)行的動(dòng)態(tài)仿真建模為例，對(duì)虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)作初步探討。 

8、60;  3、機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的仿真技術(shù)    機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的仿真建模有下列四類：   （1）各部件間動(dòng)作協(xié)調(diào)性和運(yùn)動(dòng)位置準(zhǔn)確性仿真，如刀具交換裝置抓取和存放動(dòng)作的順序和時(shí)間分配、工作空間的無干涉運(yùn)動(dòng)和零件裝配拆卸調(diào)整的便捷性等。   （2）機(jī)床操作和維修方便性仿真，如：操作臺(tái)位置、加工觀察窗布置、刀具和工件更換方便性以及維修工作空間的合適性等。   （3）機(jī)床工作安全性仿真，如在偶發(fā)碰撞沖擊下保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的可靠性、砂輪破碎飛濺時(shí)的防護(hù)能力等。   （4）機(jī)床工作性能的適應(yīng)性仿真，

9、如：機(jī)床運(yùn)行的平穩(wěn)性、切削抗振能力、熱變形變化和加工精度控制能力等。    所開發(fā)的AMTPOS軟件框圖如圖1所示，它可以對(duì)機(jī)床整機(jī)的動(dòng)、靜和熱態(tài)性能進(jìn)行仿真建模，調(diào)整構(gòu)件的結(jié)構(gòu)參數(shù)和結(jié)合面的剛度、阻尼和熱力特性，可以得出機(jī)床剛度、熱變形、結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)和切削穩(wěn)定區(qū)，并由動(dòng)畫顯示其振動(dòng)模態(tài)，它為設(shè)計(jì)人員提供直觀判斷的形象，同時(shí)軟件還備有結(jié)構(gòu)改進(jìn)的分析系統(tǒng)，以利于設(shè)計(jì)人員進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。圖1  機(jī)床整機(jī)動(dòng)、靜、熱態(tài)性能信真分析軟件（AMTPOS）框圖    4、加工過程的仿真技術(shù)    加工過程仿

10、真是優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，它主要有下列二個(gè)方面：   （1）切削路徑和表面形成過程的動(dòng)態(tài)仿真，用于對(duì)數(shù)控加工的路徑方式和刀位正確性的校核，并可防止碰撞、干涉現(xiàn)象。   （2）工藝參數(shù)和加工條件的優(yōu)選仿真，它也可為合理設(shè)計(jì)機(jī)床、夾具和控制加工精度提供精確的切削動(dòng)力學(xué)參數(shù)。    圖2所示為外圓磨削過程仿真的輸入?yún)?shù)和得出的結(jié)果。圖2  外圓磨削過程仿真示意    由于磨削過程的復(fù)雜性，尤其在顫振條件下，磨削動(dòng)態(tài)力具有明顯的非線性特征。通過理論分析和實(shí)驗(yàn)研究磨削剛度Kcb( JW) Re和磨

11、削阻力Kcb( JW) Im如圖3所示。由此計(jì)算得出的不同振動(dòng)頻率下的磨削動(dòng)態(tài)法向力FN（t） 與實(shí)測(cè)值很一致（圖4）。圖3   不同頻率（f）和磨削速度比（q）下的磨削剛度和磨削阻尼力（砂輪速度Vs恒定，改變工件速度Vw）圖4  動(dòng)態(tài)法向磨削力Fn（t）計(jì)算曲線與實(shí)測(cè)值對(duì)比（磨削參數(shù)：Vs45m/s，  q=60，砂輪直徑500mm，工件直徑140mm，切深a=4mm，金屬切除率Zw=3mm3/mm·s）5、生產(chǎn)線運(yùn)行作業(yè)的仿真技術(shù)    它具有下列三方面的功能：   （1）設(shè)備和物流系統(tǒng)的優(yōu)化配置，消

12、除薄弱環(huán)節(jié)使其在隨機(jī)發(fā)生故障的模擬條件下保證生產(chǎn)線的產(chǎn)量、設(shè)備利用率和節(jié)拍的均衡性。   （2）合理安排生產(chǎn)線作業(yè)的空間位置，防止運(yùn)輸車和機(jī)械手等運(yùn)動(dòng)件與相關(guān)裝置的干涉，校核在各種工件形狀、重量和運(yùn)行速度下手爪夾持的動(dòng)力穩(wěn)定性和可靠性。   （3）建立在混流生產(chǎn)作業(yè)條件下的規(guī)劃調(diào)度    通過對(duì)生產(chǎn)線運(yùn)行建模、計(jì)算有關(guān)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)以及模擬生產(chǎn)線實(shí)時(shí)運(yùn)行的三維動(dòng)態(tài)顯示，可以在生產(chǎn)線方案設(shè)計(jì)階段采取有效措施，不致于在投產(chǎn)后由于出現(xiàn)不可預(yù)見的問題而造成停產(chǎn)或影響其生產(chǎn)能力的發(fā)揮。    6、結(jié)論   （1）產(chǎn)品的虛擬開發(fā)技術(shù)所建立的動(dòng)態(tài)仿真建模軟件