（材料加工工程专业论文）虚拟产品开发技术在锻压设备研制中的应用.pdf

，山东大学硕士学化沦文 摘要 虚拟产品开发( v i r t u a lp r o d u c td e v e l o p m e n t 一一v p d ) 技术在国际 范围、内是制造业的最新技术，它是为适应竞争激烈市场环境下对新产饥 开发的更高要求而发展起来的，并为锻压设备新产品的研制开发及结构 设计提供了一种崭新的方法。它可以增强锻压设备产品开发设计的柔 性，缩短研发周期和降低成本，并提高设备的性能，使其具有更强的市 场竞争力。 本课题对虚拟产品开发技术的内涵、实施过程与手段进行了深入系 统的研究与探讨，并将该技术应用到以单件制造为主的锻压设备的产品 开发研制之中，以4 0 0 0 k n 高能螺旋压力机作为操作对象，具体实施虚 拟产品开发技术爪 本文所做的主要工作如下： 1 在研究和分析了国内外现有资料的基础上，探讨了虚拟产品开发的含 义与框架体系。对虚拟产品开发进行了定义，概括了它同虚拟现实 ( v r ) 、虚拟制造( v m ) 之间的内在联系；并着重研究了系统的虚拟 数字原型的操作对象、分布式计算机系统的重要支持基础及并行工程 ( c e ) 的工作指导思想。 2 提出了使用c 3 p 系统实施虚拟产品开发的步骤。规划了使用c 3 p 系 统作为使能工具来实现虚拟产品开发的总体过程，以流程框图的形式进 行了直观的表示；对该过程中所需的软硬件工具做了全面的阐述；论述 了基于知识工程( k b e ) 技术在虚拟产品开发中的应用前景。 3 以锻压设备中的4 0 0 0 k n 高能螺旋压力机为操作对象，使用c 3 p 系 统实施了虚拟产品开发。分析了当前锻压设备生产厂家在产品开发设计 方面的不足之处，规划了采用c 3 p 系统进行锻压设备虚拟产品开发的 逻辑框图与步骤：使用虚拟现实建模语言v r m l 9 7 对4 0 0 0 k n 高能螺 旋压力机进行了初始的概念设计，并利用u g s u n i g r a p h i c s 进行了压力 机机身的详细结构设计与产品三维造型；以结构分析软件m s c m a r c 为操作平台，对4 0 0 0 k n 高能螺旋压力机整体框架铸钢机身与铸铁机身 i 山尔人学坝j j 。学位沦义 进行了静态与模态分析，) 1 依j l i ：模拟分析绌小做了结构l 【5 ( 进，f t | lj 以 铸铁机身取代铸钢机身的可行性。、 关键词：虚拟产品丌发i 数字原型；锻丘没箭jj 岛能螺旋从力帆 i i 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t v i r t u a lp r o d u c td e v e l o p m e n t ( v p d ) t e c h n o l o g yi san e wi n t e r n a t i o n a l m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y i ta p p e a r e da n dd e v e l o p e dt o a c c o m m o d a t et h e h i g h e rr e q u i r e m e n t sf o rn e wp r o d u c td e v e l o p m e n ti nt h ea r d e n tc o m p e t i t i v e m a r k e ta m b i e n c e t h ev i r t u a lp r o d u c td e v e l o p m e n tt e c h n o l o g yp r o v i d e sa n e wa c c e s sf o rt h ed e v e l o p m e n ta n ds t r u c t u r a ld e s i g no fp r e s se q u i p m e n t i t c o u l de n h a n c et h ef l e x i b i l i t yo f p r o d u c td e s i g n ，a c c e l e r a t et h ed e v e l o p m e n t c y c l e ，d e s c e n d t h e c o s t ，i m p r o v e t h e c a p a c i t y o fe q u i p m e n t ，a n dm a k e p r o d u c tp o s s e s s i n gm o r ep o w e r f u lm a r k e t a b l ec o m p e t i t i o n t h i sp a p e rw o r k e dd e e p l ya n ds y s t e m i c a l l yo nt h ec o n t e n t sa n dt h e e x e c u t ! n g s t e p s o fv i r t u a l p r o d u c td e v e l o p m e n tt e c h n o l o g y ，a n dt a k i n g 4 0 0 0 k nh i g h e n e r g ys c r e w p r e s s a sa n o p e r a t i n go b j e c t ，a p p l i e d t h i s t e c h n o l o g yi nt h ed e v e l o p m e n t o f p r e s se q u i p m e n t t h em a i nw o r ko ft h i sp a p e ri sf o l l o w i n g ： 1 r e s e a r c h e dt h ec o n t e n ta n d s y s t e m i c s t r u c t u r eo fv i r t u a l p r o d u c t d e v e l o p m e n tb a s i n go nt h ec i v i la n df o r e i g nm a t e r i a l s g a v et h ec o n c e p to f v i r t u a l p r o d u c td e v e l o p m e n t ，a n do b t a i n e dt h er e l a t i o n s h i pa m o n gv i r t u a l r e a l i t y ( v r ) ，v i r t u a lm a n u f a c t u r e ( v m ) a n dv i r t u a lp r o d u c td e v e l o p m e n t s t u d i e dt h e s y s t e m i c c o n s t r u c t i o no fv i r t u a l p r o d u c td e v e l o p m e n t ， e s p e c i a l l y o nt h e o p e r a t i n go b j e c t v i r t u a ld i g i t a lp r o t o t y p e ，t h e i m p o r t a n ts u p p o r t i n g b a s i s d i s t r i b u t e d c o m p u t e rs y s t e m ，a n d t h e w o r k i n gi n s t r u c t i n gm i n d c o n c u r r e n te n g i n e e r i n gf c e ) 2 p u tf o r w a r dt h e g e n e r a l c o u r s e sa n d s t e p s o fu s i n gc 3 ps y s t e mt o a c c o m p l i s h t h ev i r t u a l p r o d u c td e v e l o p m e n t p r o g r a m m e d t h e g e n e r a l c o u r s e so ft a k i n gc 3 ps y s t e ma se n a b l i n gt o o l st oa c c o m p l i s ht h ev i r t u a l p r o d u c td e v e l o p m e n t ，a n de x p r e s s e dt h i s c o u r s ei nt h ef o r mo fg r a p h e x p o u n d e d t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r e s u p p o r t sd u r i n g t h i sc o u r s e e l a b o r a t e dt h e p e r s p e c t i v ea p p l i c a t i o n s o fk n o w l e d g e b a s e d e n g i n e e r i n g i i i 山东大学硕士学位论文 ( k b e ) t e c h n o l o g y i nt h ev i r t u a lp r o d u c td e v e l o p m e n t 3 t o o k4 0 0 0 k n h i g h e n e r g ys c r e wp r e s sa so p e r a t i n go b j e c ta n da c t u a l i z e d t h ev i r t u a l p r o d u c td e v e l o p m e n tb y u s eo fc 3 ps y s t e m a n a l y z e dt h e s h o r t a g e s o f p r o d u c t r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t o f p r e s se q u i p m e n t m a n u f a c t u r e r ，a n dp r o g r a m m e dt h el o g i c a lg r a p ha n ds t e p so fu s i n gc 3 p s y s t e mt oa c c o m p l i s ht h ev i r t u a lp r o d u c td e v e l o p m e n to fp r e s se q u i p m e n t a c c o m p l i s h e dt h ei n i t i a lc o n c e p t u a ld e s i g no f4 0 0 0 k nh i g h e n e r g ys c r e w p r e s sb yu s i n gv i r t u a lr e a l i t ym o d e l i n gl a n g u a g e ( v r m l 9 7 ) ，a n dm a d e t h ed e t a i ls t r u c t u r a ld e s i g na n dp r o d u c tt h r e e d i m e n s i o nm o d e l i n go fp r e s s f r a m eb yu s i n g u g s u n i g r a p h i c s s o f t w a r e m a d et h es t a t i ca n dm o d a l a n a l y s e sw h i l et h em a t e r i a lo fs t r a i g h t - s i d ef l a m eo f4 0 0 0 k nh i g h - - e n e r g y s c r e wp r e s si s c a s i n g - - s t e e l a n d c a s t i n g - - i r o nb yu s i n g s t r u c t u r a la n a l y s i s s o f t w a r em s c m a r ca s o p e r a t i n gc o n s o l e ，m a d e t h es t r u c t u r a l i m p r o v e m e n ta c c o r d i n gt oa n a l y s i sr e s u l t s ，a n do b t a i n e dt h ep o s s i b i l i t yo f u s i n gc a s t i n g i r o nt os u b s t i t u t ec a s t i n g s t e e l k e y w o r d ：v i r t u a lp r o d u c td e v e l o p m e n t p r e s se q u i p m e n t i v d i g i t a lp r o t o t y p e h i g h e n e r g ys c r e wp r e s s 山东大学硕士学位论文 第1 章概述 1 1 引言 现代制造业作为一种社会化大生产的基础性行业，是衡量一个工业 国家现代化技术水平的重要指标。近几十年来，随着计算机技术、自动 化技术、先进制造技术、系统工程理论以及人工智能( a i ) 技术等技 术理论的迅速发展与应用，现代制造业的技术与装备水平得到了空前的 发展与提高：各种新的制造技术与制造思想层出不穷，生产设备出现了 自动化、高速化、高精度、柔性化、智能化和集成化的特点，开发设计 正趋于全球化、网络化与虚拟化。简而言之，制造业正在向高质量、高 精度、高效率、低成本的方向发展。 在技术飞速进步的同时，现代制造业所处的经济环境已经发生了巨 大的变化。2 0 世纪8 0 年代以来，世界经济全球化、一体化格局已经逐 渐形成，国际市场必然会取代地方区域市场；卖方市场已经转变为买方 市场，需求成为市场的主导力量而决定着市场的发展方向；产品需求呈 现出“多品种、变批量”的趋势与特点，批量生产的产品将逐渐被具有 个性化的产品所取代。 技术的进步和经济形式的发展使得现代制造企业面临着严峻的挑战 与竞争，现代企业为求得生存与发展空间，必须准确地把握市场脉搏， 以最快的速度响应市场需求，利用不断涌出的新技术与新工艺，在最短 的时间内开发出短研发周期、低成本、高素质、高附加值的新产品，以 最短的时间占领市场。因此，新产品的开发研制成为现代制造企业生存 与发展的首要因素，而研究探索产品开发的新技术与新思路是当前各个 行业包括制造业在内所关注的焦点。 目前产品的开发研制相对以往而言，主要有以下两个新特点：一是 产品结构越来越复杂，性能越来越高，设计生产者要将更多的功能、更 高的性能和更复杂技术含量集成于所开发牛产的产品之中；二是产品具 t 。1 1 。“。1 。1 。“。- _ _ _ _ _ _ _ _ 。1 。 。_ _ _ _ 一 山东大学硕士学位论文 有很强的时限性，要求在产品的市场生命周期中，应使新开发生产的产 品尽早地投放市场和占领市场。 1 2 产品开发及其工作模式 一个产品在市场上的生命周期可大致划分为：投入期、成长期、成 熟期、饱和期和淘汰期，一般要经历产品研究、产品规划、产品设计、 产品测试、产品制造、产品销售、产品使用、产品报废等若干阶段。图 1 1 是产品生命周期各个阶段的定性表示。 圈亟 压蔓麴幢亟m 堕巫m 堕亟m 噩砸托亘亟厨怔夏至匿l l 一亡墨翌塞 卜： ： ： r 一1 一f ： ：一蔓墨受廛一一n i ：主曼吏堑。j 一= ：一：苎竺坠：一：一! 、) 图1 1 产品生命周期示意图 产品开发作为一种创造性活动，是产品生命周期中一个重要的基础 环节，主要包括产品研究之后的产品规划、产品设计、产品实验等三个 阶段( 参见图1 1 ) ：在产品规划阶段完成产品概念的设想以及特性的 配置；在产品设计阶段完成产品零部件成形、布局以及装配体的构造； 在产品实验阶段完成产品结构性能等各方面的测评。 产品开发过程中所使用的工作模式主要有两种：串行与并行。在传 统的产品开发过程之中一般都采用串行顺序的方法进行工作，一个阶段 完成并认为满意后才开始下一阶段，否则前一阶段的资料不可能提供给 下一阶段，发现错误后只能一步步的回溯。串行的工作模式使得产品开 发各个环节中常常存在不必要的反复，使得产品开发周期长、成本高【2 1 ， 已经难以适应新形式下对产品开发模式的要求。 并行工程( c e ) 是针对传统的串行工作模式而发展起来的一种新 2 山东大学硕士学位论文 的工作模式，它能够实现产品开发各个阶段在信息管理系统统一管理下 的并行或搭接进行，一个阶段在没有完全结束时就可以将信息传递给下 一阶段，下一阶段可以做出相应的准备与调整，并对前一阶段进行必要 的评价和修正。产品开发的并行工作模式可以提高工作效率，消除各个 阶段因脱节而造成的产品设计错误、设计与支持过程返工以及不符合客 户要求等弊端。虽然它增加了设计阶段的成本，但是开发周期可以缩短 4 0 6 0 ，总的开发成本可以降低3 0 - 4 0 ，甚至更多【3 j 。 1 3 计算机辅助技术 随着计算机技术的成熟与发展，计算机及相关技术已在现代生产企 业中得到了广泛的应用，其结果大大提高了企业的活力和竞争力，反过 来也极大地促进了计算机技术的发展。 计算机辅助设计与制造技术( c a d c a m ) 是产生最早、应用最广 的计算机辅助技术，它的出现推动几乎一切领域的设计革命，c a d 技 术的发展和应用水平已成为衡量一个国家科技现代化和工业现代化水平 的重要标志之一。c a d c a m 技术出现于2 0 世纪5 0 年代，是以计算机 为主要技术手段来生成和运用各种数字信息和图象信息，从而进行产品 的设计与制造。它为设计人员提供了一个高效的设计与制造环境，可以 将远非人脑所能承担的产品设计任务当作日常工作处理，其处理的复杂 程度，将随着一代又一代新的计算机硬件和软件的出现而不断提高。 c a d c a m 技术从根本上改变了过去的手工绘图、发图、凭图纸组织整 个生产过程的技术管理方式，变为在图纸工作站上交互设计、用数据文 件发送产品定义、在统一的数字化产品模型下进行进行产品的设计打 样、分析计算、工艺规划、工艺装备设计、数控加工、质量控制、编印 产品维护手册、组织备件订货供应等。 计算机辅助工程技术( c a e ) 是一种设计和发展产品的哲理，它将 产品的用途、生产产品的设施( 软硬件) 和技术、数据和信息管理三个 关键的工程元素组成一个集成的环境，包括了产品发展周期每个阶段的 所有工程功能。c a e 技术出现于2 0 世纪6 0 年代，是迅速发展中的计 山东大学硕士学位论文 算力学、计算数学、相关的工程科学、工程管理学与现代计算技术棚结 合而生成的一种综合性、知识密集型技术，其核心理论是基于现代计算 力学的有限元分析技术，它的应用已从分析和校核扩展到优化设计，1 ： 与c a d c a m 技术结合的越来越紧密。 虚拟产品开发技术( v i r t u a lp r o d u c td e v e l o p m e n t 一一v p d ) 是2 0 世纪9 0 年代才出现的一种计算机辅助技术和产品开发设计新概念。v p d 技术在计算机构造的虚拟环境中生成产品的虚拟数字原型来代替原先的 实物模型，以并行工程为工作指导思想，以分布式计算机系统计算机 网络为重要的支持基础，进行产品的协同构思、设计、分析和测试。它 对于解决产品开发的时间周期、质量、成本等问题十分有效，并已经取 得了显著的效果，例如，波音( b o e i n g ) 7 7 7 飞机和欧洲空中客车的开 发和制造中采用了虚拟产品开发技术，其开发周期分别由原来的8 年和 4 年降至如今的5 年和2 5 年1 3 1 。 虽然“虚拟产品开发”这个概念从出现到现在只有十几年的时间， 但已经得到企业和科研部门的的广泛重视。目前许多世界著名的大公司 如通用、福特、大众等都已采用虚拟产品开发技术从事产品的开发和研 究工作，已取得了显著的效果1 4 。虚拟产品开发技术的不断发展和完善 必将对各行各业产生了巨大的影响f l i 。 1 4 本文的主要研究内容 即将入世的中国企业面i 临着严峻的挑战与竞争，其中之一就是缺少 有竞争力的产品。而虚拟产品开发技术是理想的技术解决方案之一，它 能提高我国企业的自主开发能力和手段，提高我国产品的竞争力，使我 国企业在国际化的市场竞争中立于不败之地。 目前锻压设备生产厂家的产品开发技术手段落后，缺乏机动性，产 品性能相对较差，周期长，成本高，竞争力较弱，因此，必须采用新的 技术手段来进行产品的开发设计。而虚拟产品开发技术为锻压设备的研 制开发及参数结构设计提供了一种新的思路与方法，它可以增强锻压设 备产品开发设计的柔性，提高设备的性能，缩短研发周期和降低成本， 4 山东大学硕士学位论文 使产品在市场中具有更强的竞争力。 本课题对虚拟产品开发的内涵进行了深入系统的研究，探讨了虚拟 产品开发技术的实施过程与手段，并将该技术应用到以j v 什制造为i 的 锻压设备的产品开发研制之中，以4 0 0 0 k n 高能螺旋压力机作为实际操 作对象，具体实施虚拟产品开发技术。 本文第二章阐述了虚拟产品开发的基本含义与基本框架体系。对虚 拟产品开发进行了定义，并概括了它同虚拟现实( v r ) 、虚拟制造( v m ) 之间的内在联系；研究了虚拟产品开发的系统结构，着重研究了系统的 操作对象一一虚拟数字原型，以及系统中的起重要作用的组成部分一一 计算机网络支持基础与并行工程( c e ) 工作指导思想；并介绍了国外 开发的几种支持虚拟产品开发的软件系统与模块。 第三章提出了使用c 3 p 系统实施虚拟产品开发的步骤。规划了使 用c 3 p 系统作为使能工具来实现虚拟产品开发的总体过程，以流程框 图的形式进行了直观的表示；较为详细地阐明了在实施过程中所需使用 的软、硬件基础：分布式计算机系统、产品造型、数值计算分析、产品 数据管理( p d m ) 、产品交换标准等；并展望了基于知识工程( k b e ) 技术在产品开发中的应用前景。 第四章以锻压设备中具有广阔市场前景的4 0 0 0 k n 高能螺旋压力机 为操作对象，使用c 3 p 系统实施虚拟产品开发。在分析了目前锻压设 备生产厂家在产品研制开发方面的不足之处后，提出了4 0 0 0 k n 高能螺 旋压力机虚拟产品开发过程的逻辑框图与实施步骤；通过虚拟现实建模 语言v r m l 9 7 编程实现了压力机各个零部件及装配体的初始概念设 计；使用u g s u n i g r a p h i c s 软件对压力机整体框架机身进行了详细结构 设计与产品三维造型；以m s c m a r c 为支持平台，对该压力机的铸钢 机身和铸铁机身的工作状态进行静态与模态模拟仿真以及结构改进，提 出了使用铸铁机身代替铸钢机身的可行性。 最后一章给出了本文的结论与展望。 山东火学坝士学位论义 第2 章虚拟产品开发的含义与基本框架 虚拟产品开发( v p d ) 技术是在2 0 世纪9 0 年代才提出米的一种新 的产品开发概念和思路，它与虚拟现实、虚拟制造是密切关联的。虚拟 产品开发系统是集成的分布式计算机辅助系统，虚拟数字原型是该系统 的操作对象，分布式计算机系统是该系统的重要支持基础，并行工程是 该系统的工作指导思想。 2 1 虚拟产品开发的含义 “虚拟产品开发”的概念是随着计算机网络信息技术、自动化技术、 先进制造技术、系统工程理论、协同设计技术在制造业中的普遍应用而 出现的，而且随着这些技术发展的同时，虚拟产品开发的的实质、内涵 及特征也在不断地更新和充实。 关于“虚拟产品开发”这个概念的含义，世界著名c a d c a m c a e 服务供应商u g s 的总裁j o h nm a z z o l a 在1 9 9 3 年作过这样的描述：“虚 拟产品开发是一种设想，在这个设想中，以网络方式组织在一起的人们 将协同工作，以完成对产品的设计、分析、制造及技术支持。他们的工 作将以数字化定义和分配，从而使得他们能够在任何时间、任何地点共 同或独立地工作。这种制造网络除了生成公司外，还将包括供应商、合 作伙伴及客户”【”。 我们对“虚拟产品开发”是这样理解：“虚拟产品开发( v p d ) ”是 产品开发全过程在计算机所构造的虚拟环境中的映射和数字化模拟，这 个全过程包括产品设计、分析、测试、评价等所有基于计算机技术与产 品开发相关的活动；它是以计算机建模、模拟仿真为基础前提，集计算 机图形学、智能技术、网络技术、产品数据管理、并行工程、虚拟现实 及多媒体等技术为一体，由多学科知识组成的综合性技术；它的目的是 达到产品的全局优化和一次性成功开发，实现产品的短研发周期、低成 本、低风险、高质量、高性能。 6 山东大学硕士学位论文 由以上理解可以看出，虚拟产品开发的特点是，集成多学科的先进 技术，利用计算机虚拟环境下的数字化的模型( 虚拟产品) 代替实物模 型来进行设计、模拟仿真与分析，以提高产品订：时间1 7 、质髓、成本、服 务和环境等多目标中的决策水平”】。 2 2 虚拟产品开发与虚拟现实、虚拟制造 2 2 1 虚拟现实 虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y 一一v r ) ，又称灵境、拟实，是近年出现 的一门高新技术，它所生成的具有高度真实感的人工虚拟环境，为虚拟 应用技术创造了基础。虚拟现实是虚拟产品开发和虚拟制造的重要使能 条件与基础，它使虚拟制造和虚拟产品开发中的各项过程与活动具有更 强的逼真效果，从而为提供更准确的产品设计与制造过程的评价分析提 供了依据【”。 人工虚拟环境是虚拟现实技术利用计算机技术生成一个逼真的、高 度真实感的，具有视、听、触等多种感知的人工媒体空间，置身于该环 境中的人，可通过各种多媒体传感交互设备与这一虚拟的环境进行实时 交互，获得和现实世界一样的感觉。这种虚拟环境既可以是真实的模拟 体现，也可以是构想中的世界【8 l 【”。 虚拟现实一般具有以下特征：立体感的视觉效果；在虚拟环境中的 沉浸感；多感知性：闭环的交互方式：动态的显示；等等。当然，并非 任何一个虚拟现实系统都具备上述所有特征，但一般认为，自主性 ( a u t o n o m y ) 、沉浸感( i m m e r s i o n ) 和交互性( i n t e r a c t i o n ) 是虚拟现 实的三大要素，并以这三大要素作为评价虚拟现实系统指标。 虚拟现实系统的模型可用图2 一l 表示l ”。用户通过传感装置直接 对虚拟环境进行操作，并得到实时的三维显示和其他反馈信息( 如触觉、 力觉反馈等等) 。但系统与外部世界通过传感装置构成反馈闭环时，在 用户的控制下，用户与虚拟环境间的交互可以对外部世界产生作用( 如 遥控操作等) 。 7 山东大学硕士学位论文 反 馈 虚拟环境 图2 1 虚拟现实系统的基本模型 虚拟现实技术改变了过去人们只能通过鼠标、键盘、麦克风与计算 机环境中的单维数字信息进行交互，从计算机系统的外部去观测处理结 果的局面，使人们能够沉浸到计算机系统所创造的环境中，能够用多种 传感器与多维化的信息空间发生交互作用，从定性和定量综合集成的环 境中得到感性和理性的认识，而深化概念和萌发新意。虚拟现实技术在 制造业( 如飞机装配模拟川) 、生物医学( 如虚拟视网膜的设计2 1 ) 等 许多行业已经得到了较广泛的应用。 2 2 2 虚拟制造【3 】【1 3 1 虚拟制造( v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g 一一v m ) ，又称为拟实制造，是 一个正在发展的研究领域，“主要研究在同一环境下集成各种与制造相 关的技术，以填补信息技术( i t ) 与制造工程之间的鸿沟”。1 9 9 4 年8 月由l a w r e n c ea s s o c i a t e s 公司编辑的“虚拟制造用户研讨会”报告将虚 拟制造定义为：“集成化的合成制造环境下的基于计算机建模和仿真的 设计和生产技术。简言之，是在计算机中实现制造的技术”。 虚拟制造技术强调在实际投入原材料实现产品生产之前，在虚拟的 环境中( 如虚拟现实或增强现实技术产生的设计、制造虚拟环境) 完成 产品设计与制造等过程的相关分析，以保证制造过程实施的可行性，其 主要目的是为了提高产品设计、过程设计、工艺规划、生产规划及车间 控制的决策与控制水平。 虚拟制造是技术由许多先进学科的知识形成的综合系统技术，它的 内容覆盖了整个产品开发、制造等过程的方方面面，远比虚拟产品开发 8 山东大学硕士学位论文 所包含的内容广得多。虚拟制造按照其功能，在层次上可以分为虚拟产 品开发( v i r t u a lp r o d u c td e v e l o p m e n t - - - - v p d ) 和虚拟产品制造( v i r t u a l p r o d u c tm a n u f a c t u r i n g 一一v p m ) 两个层次。虚拟产品丌发是虚拟制造 的一一个组成层次，主要是开发设计新产品，建立产品的数字模型，用于 整个企业的各部门，在产品生命周期内寻求产品的最优化设计；而虚拟 产品制造是产品制造过程的仿真，它以开发出的新产品为操作对象，在 计算机中模拟产品整个制造过程和整个车间运作过程。 2 2 3 虚拟现实、虚拟产品开发与虚拟制造的关系 虚拟产品开发( v p d ) 、虚拟现实( v r ) 以及虚拟制造( v m ) 是之间的密切关联关 系，可用图2 2 来示意。 简单的来说，虚拟现实( v r ) 是虚拟 产品开发与虚拟制造的的基础性技术；虚拟 产品开发( v p d ) 既是以虚拟现实为基础的 虚拟应用技术，又是虚拟制造的重要组成部 分；虚拟制造( v m ) 也是以虚拟现实为基 础的虚拟应用技术，同时又是虚拟产品开发 的包容体。三者之间是包容与被包容的关 系。 2 3 虚拟产品开发系统的框架 图2 2v p d 、v r 、v m 之间的关系 虚拟产品开发系统是集成的计算机辅助系统，它建立统一的数据库 与虚拟数字原型，以数字原型作为在计算机内部的操作对象，以分布式 计算机系统计算机网络作为支持基础，以并行工程作为运用思想，以 各种应用软件作为实际操作平台。 2 3 1 虚拟产品开发系统的基本框架 按照计算机配置的档次，虚拟产品开发系统可分为两大类：基于工 作站( w o r k s t a t i o n ) 的高档系统与基于p c 机的廉价系统。p c 机价格便 0 一萄，二 |厂一渺 山东大学硕士学位论文 宜，比较适合作为小型虚拟产品开发系统，而且，随着p c 机性能的迅 速提高与软件技术的发展，越来越多的问题可以利用p c 机解决。然而， 大型复杂产品( 如汽车、飞机、高速列车等) 虚拟开发在p c 机上是难 以做到的，仍需高档的工作站作为硬件平台i ts 。工作站具有高清晰度、 高实时性图象和适合大数据量计算的特点，一直是虚拟产品开发系统的 主要硬件支持平台。 无论基于工作站配置的高档虚拟产品开发系统，还是基于p c 机配 置的廉价虚拟产品开发系统，其所包含计算机辅助技术部分的构成原理 是一样的。图2 3 表示了虚拟产品开发系统基本框架结构。 图2 - 3 虚拟产品开发系统的基本框架 虚拟产品开发系统是是以产品数字原型虚拟产品为操作对象，以 分布式计算机系统计算机网络为支持基础，综合各种计算机辅助技术， 以各种计算机应用软件为支持平台的集成系统。利用计算机辅助设计 ( c a d ) 进行结构设计和三维造型；利用计算机辅助工程( c a e ) 进 行计算模拟仿真并将计算结果反馈给c a d ；利用虚拟现实( v r ) 进行 产品开发的人工虚拟环境建立；利用快速原型制造( r p m ) 进行数字 原型( 虚拟产品) 所对应的物理原型的快速生成；利用产品数据管理 ( p d m ) 建立并管理计算机内部产品数据模型以及过程模型；利用计 1 0 山东大学硕士学位论文 算机辅助工艺设计( c a p p ) 进行虚拟数字原型的加工工艺设计；利用 计算机辅助质量管理( c a q ) 对产品虚拟开发全过程链的质量保证起 到支持作用：利用计算机辅助制造( c a m ) 进行虚拟产品的制造加工 过程模拟；利用生产计划和控制系统( p p s ) 进行生产流程的规划和控 制，以及利用通信模块实现各部分之间的联系。 图2 。3 是一个示范性的虚拟产品开发系统框架结构，在实际应用的 虚拟产品开发系统中，不一定要包括上述框架中的所有构成部分，可以 依据产品的性质、工艺、特点的不同以及企业的技术条件、资金能力而 进行各种各样的组合和变通，确定合理的系统结构与配置。 以数字原型为操作对象的虚拟产品开发模式与传统的产品开发工作 模式是完全不同的，虚拟产品开发是以并行工程为指导思想，而传统虚 拟产品开发模式是以串行工程为指导思想。要真正实现虚拟产品开发， 不可避免的需要对传统的企业组织形式和开发过程进行必要的改革和重 组，使之彻底符合并行工程的模式。 2 3 2 虚拟产品开发系统的数字原型、计算机网络和并行工程 数字原型是实际产品在计算机内部的表征与映射，是虚拟产品开发 系统在计算机内部的操作对象，是虚拟产品各方面信息一致性与连贯性 的保证。通过计算机网络，产品虚拟数字原型能够在产品开发过程的各 个阶段和虚拟产品开发系统的各个组成部分之间无阻碍地流动，并实现 产品开发过程中物理结构的分布与信息结构的集成。并行工程则是虚拟 产品开发系统所使用的工作指导思想与方法。 2 3 2 1 产品数字原型 在虚拟产品开发过程中，存储在计算机内部的产品数字原型( d i g i t a l p r o t o t y p e ) 是虚拟产品开发系统的实际操作对象。数字原型，又称为虚 拟产品( v i r t u a lp r o d u c t ) 、虚拟原型( v i r t u a lp r o t o t y p e ) ”、虚拟工件 ( v i r t u a lw o r k p i e c e ) 川”，是产品开发整个过程中产品的设计、分析、 测试、评价等过程在计算机内部所构造的虚拟环境中进行映射和表征的 结果，是在实际物理模型( p h y s i c a lm o c k u p ) 制造出来之前就已经存 山东大学硕士学位论文 在于计算机内部的虚拟模型。 通过产品的虚拟数字原型，可以实现产品的外型及空间布局设计、 产品强度刚度等力学性能的测试、运动学和动力学的仿真以及产品工作 时的运动协调关系的检查等功能。数字原型替代了物理模型，改变了过 去产品开发时需要建立小比例或者全比例产品物理模型的状况，并可以 结合虚拟现实技术在可视化方面的强大优势，使得设计、管理、销售等 不同技术背景的人员通过计算机终端上显现的虚拟产品原型和计算机网 络的通信就能交互地讨论未成熟产品的性能、可靠性、安全性、美观性、 人机工程学、可制造性与可维护性，对产品做出全方位的评价与权衡 | l9 1 。 虚拟数字原型是虚拟产品开发过程中产品所有信息的一致与连贯性 的保证，始终贯穿于虚拟产品开发的各个部分和所有过程，且具有高度 的关联性。数字原型可以被虚拟产品开发的各个组成部分和过程所引 用、操作、修改和重新应用，在某一过程发生的修改会在所有相关的地 方自动进行相应地更新，并拥有其所代表的实际产品的所以特性和特 点，提供无二义性的可观化表达，使得设计人员可以对产品进行并行的 设计、分析及评估。 2 3 2 2 计算机网络 在产品开发过程之中，所涉及的信息大体可以分为两类：一类是 产品开发开始之前就已存在的静态约束信息，例如各种标准、规范、手 册，原有手册的设计资料，竞争对手的产品信息，企业制造资源信息等； 另一类是在产品开发过程中动态产生的各种信息，例如需求信息、资源 信息以及产品数字原型在各个阶段的设计、分析、测试结果等相关数据。 不同的设计任务和数据在不同的计算机终端之间相互交换、相互反馈、 相互协调以及其他通信、协调问题，对计算机的支持和环境提出了更高 的要求。如此大量的信息在计算机之间通过磁盘或磁带传递信息显然是 不可能的，此时基于计算机网络( i n t e r n e t i n t r a n e t ) 的信息传递与信息 集成成为必然。 1 2 山东大学硕士学位论文 计算机网络实现了组织、人力、技术与信息等资源有效地集成，克 服了空间和时间对产品开发的局限性，保持地域分散和信息集中二者之 问稳定合理的平衡，具有系统优化组合和有效胁调的优越性。计算机网 络已经成为制造业中重要的物质基础和技术基础，同时也是虚拟产品开 发技术中不可缺少的基础和部分。 2 0 1 以计算机网络为基础支持的虚拟产品丌发过程中，开发人员可以通 过网络方便地与他人进行交流和借用网上各种设计资料( 如文献检索、 数据、知识库、设计模型、设计方法等) ，容易地对产品虚拟数字原型 进行引用、修改等操作，准确地得到最新和完善的设计方案，并且可以 实现基于网络的异地并行的合作开发研究及协同作业，使得异地设计、 异地编程、异地加工成为可能【2 l 儿2 2 1 。例如，美国通用( g m ) 公司就通 过计算机网络实现了产品开发过程中地域上的分散和信息上的集成，该 公司在全球拥有许多产品开发中心，车型的改进和新车型的开发只有一 少部分工作是在本国完成，大多数工作是在分布在全球各地的开发中心 完成的，各个开发中心之间的信息沟通和协调是通过i n t e r n e t 进行的， 计算机网络已经成为该公司产品开发过程中必须具有的部分和技术支 持。 2 3 2 3 并行工程( c e ) 并行工程( c o n c u r r e n t e n g i n e e r i n g c e ) ，也称同步工程 ( s i m u l t a n e o u s e n g i n e e r i n g ) 或生命周期工程( l i f e 一一c y c l e e n g i n e e r i n g ) 。它产生于2 0 世纪8 0 年代中期，是针对传统的串行顺序 开发过程而提出的一种哲理和方法。 并行工程( c e ) 的定义可以表示如下：“并行工程是对产品及其相 关过程( 包括制造过程和支持过程) 进行并行、一体化设计的一种系统 化工作模式，这种开发模式力图使各工作者从一开始就考虑到产品生命 周期( 从概念形成到产品报废) 中所有因素，包括质量、成本、进度与 用户需求” 2 3 1 。简而言之，并行工程就是在集成环境下的并行工作。 以并行工程为指导思想的虚拟产品开发过程中，由多学科设计人员 山东大学硕士学位论文 组成的产品开发团组协同工作，产品开发各个阶段在信息管理系统统一 管理下的并行或搭接进行，使产品开发的各个阶段既能按一定的时序进 行，又能够并行的执行，一个阶段在没有完全结束时就可以将信息传递 给下一阶段，下一阶段可以做出相应的准备与调整，并对前阶段进行 必要的评价和修正，同时根据产品开发前后阶段的各种因素，共同决策 产品开发各环节，使产品开发的早期就及时发现产品开发全过程中的问 题，消除各个阶段因脱节而造成的产品设计错误、设计与支持过程返工 以及不符合客户要求等弊端。 在产品开发中应用并行工程技术，能够提高产品开发全过程的质 量，提高工作效率，缩短产品开发周期，降低产品在整个生命周期的成 本，提高企业对市场的快速反应能力，最大限度地满足市场需求。运用 并行工程虽然增加了产品开发设计阶段的成本，但是开发周期可以缩短 4 0 6 0 ，总的开发成本可以降低3 0 4 0 ，甚至更多1 3 1 。并行工程 的这些优越性，己在航空、航天、机械、汽车、建筑、化工等工业中已 得到了验证，例如美国波音( b o e i n g ) 公司在研制波音7 7 7 客机过程采 用中了并行工程，比预计时间提前一年半出图。并行工程与串行工程的 比较如图2 4 示。 图2 - 4 并行工程与串行工程的比较 1 4 山东大学硕士学位论文 在虚拟产品开发过程中实施并行工程是一项复杂而又艰巨的系统工 程，需要从两个方面来做| 2 4 25 i ：一是从管理方面，二是从技术方面。 这两者是相辅相成，缺一不可的，前者是基本前提，后者是技术支持。 在管理方面，关键是组织机构改革和人的因素等一系列的管理问题；在 技术方面，应使用d f x ( 面向的设计) 、c a x ( 计算机辅助技术) 、p d m ( 产品数据管理) 及计算机协凋管理系统。 2 4 虚拟产品开发的专门软件支持系统与模块 由于虚拟产品开发技术具有缩短产品开发周期、降低产品开发成 本和风险、提高产品质量和性能、提高企业对市场的快速反应能力等 显著优点，因此，该技术一出现就受到了世人广泛的关注和需求。国 外的科研和软件公司对虚拟产品开发技术的研究、应用支持、产业化 等方面均取得了显著的成果，推出诸如d e n e b 、m u l t i g e n 、d v i s e 、 w o r l d t o o l k i t 、m e d i t 、m r 、l i g h t s c a p e 、r e l e a s ex 、e a i 、