李瑞濤

(金蜂通信有限責任公司，北京 100083)

隨著21世紀世界經(jīng)濟和科學技術(shù)飛速發(fā)展，全球性的市場競爭日益激烈。產(chǎn)品消費結(jié)構(gòu)不斷向多元化、個性化方向發(fā)展。面對無法預測、持續(xù)發(fā)展的市場需求，面對現(xiàn)代高技術(shù)產(chǎn)品的設(shè)計復雜性障礙，產(chǎn)品設(shè)計生產(chǎn)部門非常需要能有效地提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量、縮短產(chǎn)品研發(fā)周期、降低產(chǎn)品研發(fā)成本。

由于產(chǎn)品設(shè)計階段決定了70%以上的產(chǎn)品成本，而設(shè)計階段的費用占產(chǎn)品成本的10%~15%，因此，產(chǎn)品設(shè)計階段采用的方法在產(chǎn)品研發(fā)全過程中占有重要的地位。本文就傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計與研發(fā)中存在的弊病，分析了并行工程對產(chǎn)品設(shè)計的要求，提出了虛擬樣機設(shè)計方法，并構(gòu)筑了該方法的模型框架[1-3]。

1 虛擬樣機與并行工程

20世紀90年代，出現(xiàn)了一種新的產(chǎn)品生命周期管理方法，通過建立在企業(yè)不同職能部門之間協(xié)作基礎(chǔ)之上的并行運行方式來取代連續(xù)的、泰勒式的任務處理方式。把時間作為關(guān)鍵因素，以縮短產(chǎn)品上市時間為目標，全方位地解決從設(shè)計到產(chǎn)品報廢的整個產(chǎn)品生命周期所用時間問題，這種管理過程就是并行工程CE(Concurrent Engineering)或同步工程(SE)。CE是形成產(chǎn)品開發(fā)過程的一種指導方案，其目標就是使產(chǎn)品決策盡可能早地進行，而不是在產(chǎn)品開發(fā)之后的產(chǎn)品制造階段和使用階段才發(fā)現(xiàn)是正確的或錯誤的。這樣可進行無資源浪費地錯誤修改，使得開發(fā)產(chǎn)品不同零組件的工作盡可能平行進行，并且產(chǎn)品規(guī)劃和過程計劃相互之間不斷協(xié)調(diào)。CE應將以前只能通過順序的運行過程連接的工廠部門引導至交互地解決問題。并行設(shè)計是產(chǎn)品設(shè)計及其相關(guān)過程并行地實施，使設(shè)計及相關(guān)過程并行化、一體化、系統(tǒng)化的工作模式。這種工作模式力圖使開發(fā)者從一開始就考慮到產(chǎn)品的生命周期。并行工程的工作重心是產(chǎn)品并行設(shè)計，并行設(shè)計工作模式是在產(chǎn)品設(shè)計的同時考慮其相關(guān)過程，包括加工工藝、裝配、檢測、質(zhì)量保證、銷售、維護等。在并行設(shè)計中，產(chǎn)品開發(fā)過程的各階段工作交叉進行，可及早發(fā)現(xiàn)與其相關(guān)過程不相匹配的地方，并及時評估、決策，以達到縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、提高質(zhì)量、降低成本的目的。

隨著信息技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)向集成化、敏捷化、網(wǎng)絡化、虛擬化的方向進一步發(fā)展，出現(xiàn)了精益生產(chǎn)、敏捷制造、擬實制造、大批量定制生產(chǎn)等多種生產(chǎn)模式，這些都是以并行工程和并行設(shè)計為基礎(chǔ)的。虛擬樣機這一新技術(shù)正是在這樣的背景下應運而生。

所謂虛擬樣機就是在建造第一臺(或件)物理樣機之前，利用軟件技術(shù)建立的數(shù)字化模型，即虛擬樣機是一種計算機模型，它能夠反映實際產(chǎn)品的特性，包括外觀、空間關(guān)系以及運動學和動力學的特性。通過對虛擬樣機采用基于實體可視化的仿真分析，模擬該系統(tǒng)在真實工作環(huán)境條件下的運動和動力特性，從而反復修改設(shè)計方案，最終得到最優(yōu)設(shè)計方案。它利用虛擬環(huán)境在可視化方面的優(yōu)勢以及可交互式地探索虛擬物體的功能，對產(chǎn)品進行幾何、功能、制造等方面交互的建模與分析。并在CAD模型的基礎(chǔ)上，把虛擬技術(shù)與仿真方法相結(jié)合，為產(chǎn)品的研制提供了一個全新的設(shè)計方法。

虛擬樣機集成了CAD建模技術(shù)、CSCW技術(shù)、用戶界面設(shè)計、基于知識的推理技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、計算機仿真方法論、現(xiàn)代管理理論、系統(tǒng)工程方法以及計算機支持工具等，為產(chǎn)品的全壽命周期設(shè)計和評估提供分布式的集成化環(huán)境，從而達到縮短研發(fā)周期、降低成本、提高效率的目的。這項技術(shù)將建模和仿真擴展到新產(chǎn)品研發(fā)的全過程，它以計算機支持的協(xié)同工作(CSCW)為底層技術(shù)基礎(chǔ)，通過支持協(xié)同工作、CAD、CAM、建模仿真、效能分析、可視化、虛擬現(xiàn)實的計算機工具，將各個集成化產(chǎn)品小組(ITP)的設(shè)計人員、分析人員聯(lián)系在一起，共同完成新產(chǎn)品的概念探討、運作分析、初步設(shè)計、詳細設(shè)計、可制造性分析、效能評估、生產(chǎn)計劃和生產(chǎn)管理等工作。

目前世界范圍內(nèi)廣泛地接受了動態(tài)聯(lián)盟(Virtual Company)的概念，即為了適應快速變化的全球市場，克服單個企業(yè)資源的局限性，出現(xiàn)了在一定時間內(nèi)，通過Internet(或Intranet)臨時締結(jié)成的一種虛擬企業(yè)。為實現(xiàn)并行設(shè)計和制造，參盟企業(yè)之間的產(chǎn)品數(shù)據(jù)要求敏捷交流，各種信息共享尤顯重要。在并行設(shè)計環(huán)境中，由于不同設(shè)計階段需要同時進行，每個階段生成(或需要)的數(shù)據(jù)，在沒有完成設(shè)計之前是不完整的，而數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)共享的管理成為并行設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一。而且，設(shè)計過程中，更改總是不可避免的，所以支持并行工程和并行設(shè)計需要有一個產(chǎn)品設(shè)計主模型以完成快速交流，并能將產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)定義成多個對象。這些對象的組合可以構(gòu)成面向不同應用領(lǐng)域?qū)ο螅鱾€設(shè)計過程在同一個設(shè)計主模型上操作，保證數(shù)據(jù)模型的一致性和安全性。而虛擬樣機正能滿足上述要求，如見圖1所示。

圖1 支持并行工程的信息共享-虛擬樣機

2 虛擬樣機設(shè)計方法

針對上述情況，本文提出了基于虛擬樣機的產(chǎn)品研發(fā)方法PDBVP(Product Developing Based on Virtual Prototyping)。從PDBVP的流程中可以看出，設(shè)備虛擬樣機的開發(fā)是一個非常重要的環(huán)節(jié)。實施虛擬樣機設(shè)計方法的核心是開發(fā)切合實際的虛擬樣機，即深入理解系統(tǒng)零部件之間的運動學和動力學關(guān)系，并實現(xiàn)數(shù)字化，如圖2所示。為此，本文構(gòu)筑了以基于可視化的機械動力學仿真為核心的虛擬樣機及虛擬試驗設(shè)計方法一體化解決方案，如圖3所示。

圖2 基于虛擬樣機的產(chǎn)品研發(fā)(PDBVP)流程圖

圖3 虛擬樣機設(shè)計方法一體化解決方案

該設(shè)計方法一體化解決方案表述如下：

(1)在開始實際產(chǎn)品的三維設(shè)計前，首先是方案的選擇和確定，也可以運用運動學/動力學分析軟件進行產(chǎn)品的概念設(shè)計，這樣能幫助設(shè)計師在開始設(shè)計前迅速驗證運動系統(tǒng)的運動原理，確定和優(yōu)化運動系統(tǒng)的一部分設(shè)計參數(shù)。可選擇的軟件有：ADAMS/view、MSC/Working Model 2D等。

(2)設(shè)計師在確定方案、獲得產(chǎn)品的設(shè)計原理和運動參數(shù)后，就可以利用三維CAD軟件進行三維幾何模型的構(gòu)造設(shè)計，并利用產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)軟件系統(tǒng)實時監(jiān)控整個產(chǎn)品的設(shè)計過程、自動管理設(shè)計過程的電子文檔。推薦使用的三維CAD軟件有I-DEAS、HELIX、PRO/Engineer、UG、MDT、SolidWorks、SolidEdge、Cimatron 等 ； 推薦使用的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理 (PDM)軟件有SDRC公司的Metaphase、HP 公 司 的 WorkManager、IBM 公 司 的 PM、Autodesk 公司的WorkCenter、SuperSky-Master。

(3)產(chǎn)品的三維模型設(shè)計完成后，可以通過圖形交換接口將CAD三維模型傳入動力學和運動學仿真軟件，也可以通過具有自動約束映射技術(shù) (ACM)的軟件，如MSC/Working Model把三維模型輸出到仿真軟件中進行虛擬樣機的開發(fā)工作。之后最重要的兩項工作就是運動激勵的產(chǎn)生和各種動力特性的施加，推薦使用的仿真軟件有 ADAMS、DADS、Working/Model， 與流體有關(guān)的仿真軟件有 Phoenics、Flow3D，控制仿真軟件有 Matlab、Matrixx。

(4)產(chǎn)品的虛擬樣機開發(fā)完成后，可進行虛擬試驗(即基于可視化的動力學和運動學解算及仿真)，從虛擬試驗的結(jié)果不僅可以得到產(chǎn)品運動的動畫、速度、加速度、位移、軌跡，檢驗機構(gòu)運動是否合理、是否出現(xiàn)干涉、卡死的結(jié)果，還可以得到各零部件實際所受的各種載荷。根據(jù)虛擬試驗的結(jié)果可以判斷開發(fā)的虛擬樣機的準確性，如果不符合要求，重復上一步；如果符合要求，則進行下一步。

(5)得到正確運動特性和動力特性的虛擬樣機后，便進行虛擬樣機的尋優(yōu)工作。建立優(yōu)化數(shù)學模型的工作包括：虛擬樣機參數(shù)化、確定設(shè)計變量、確定目標函數(shù)、確定約束函數(shù)。尋優(yōu)結(jié)束后，對優(yōu)化的虛擬樣機進行虛擬試驗，并存儲虛擬試驗結(jié)果。

(6)有了零件所受的力和力矩作為載荷條件，可以將載荷自動傳遞給有限元分析軟件進行零件的強度、振動、屈曲等分析，以獲得零件的應力、應變分布、位移以及固有頻率和振型等。有限元分析的結(jié)果可以返回設(shè)計階段并指導修改初始設(shè)計，也可以將關(guān)鍵零件經(jīng)剛體彈性化后返遞回仿真環(huán)境，再度開發(fā)虛擬樣機及進行虛擬試驗，以便能得到更加符合實際的結(jié)果。推薦使用的有限元軟件有 SAPV、ADINA、ANSYS、Nastran、Working Model/FEA、I-DEAS/FEA。

(7)利用產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)軟件系統(tǒng)(如 SuperSky－Master)系統(tǒng)可以自動統(tǒng)計該產(chǎn)品零部件的質(zhì)量、數(shù)量等統(tǒng)計信息，生成各種專業(yè)的報表，并輸出匯總成BOM(產(chǎn)品物料清單)表，作為其他工藝設(shè)計系統(tǒng)(CAPP)和企業(yè)管理系統(tǒng)(MIS)的數(shù)據(jù)來源。

(8)得到最優(yōu)的虛擬樣機后，也可以通過三維CAD系統(tǒng)將創(chuàng)建的產(chǎn)品三維模型直接輸出到CAM軟件 (例如英國Pathtrace公司推出的可以在MDT內(nèi)部運行的數(shù)控代碼自動編程軟件EdgeCAM)中進行數(shù)控代碼的生成和加工仿真，確認無誤后可以驅(qū)動數(shù)控機床進行加工。

基于可視化集建模、分析、尋優(yōu)、再設(shè)計的虛擬樣機設(shè)計方法一體化解決方案的中心思想是讓用戶在虛擬環(huán)境中實現(xiàn)CAD/CAE/CAM/PDM協(xié)同作業(yè)。用三維CAD系統(tǒng)為產(chǎn)品構(gòu)造幾何模型及產(chǎn)品的虛擬樣機，并通過虛擬試驗分析仿真虛擬樣機的運動學和動力學特性，對其性能進行測試和評估，依據(jù)試驗結(jié)果修改產(chǎn)品的虛擬樣機，不斷循環(huán)直至最優(yōu)。從最初的產(chǎn)品三維虛擬樣機的設(shè)計、分析仿真到最終的實物樣機加工的整個過程，都可以在統(tǒng)一的過程中全部完成，為真正實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計/分析/加工/管理的一體化提供了重要的依據(jù)。

本文圍繞產(chǎn)品從概念設(shè)計到定型生產(chǎn)的整個研發(fā)周期，再從設(shè)計師、決策層、制造商、銷售商到用戶群等全方位地觀察和研究產(chǎn)品，虛擬樣機設(shè)計方法顯示了其強大的優(yōu)勢和發(fā)展?jié)摿ΑＣ嫦?1世紀，虛擬樣機設(shè)計方法勢必成為將來產(chǎn)品研發(fā)的主流。

[1]李瑞濤，方湄，張文明.虛擬樣機技術(shù)的概念及應用[J].機電一體化，2000(9)：17-19.

[2]Li Ruitao， Fang Mei， Zhang Wenming， et al.Simulation research on vertical planetary mill based on virtual prototyping [J]. Journal of University of Science and Technology Beijing，2001(2)：86-90.

[3]施普爾，克勞舍.虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)[M].寧汝新，等譯.北京：機械工業(yè)出版社，2000.