隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)......



隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，消費(fèi)者對(duì)機(jī)電產(chǎn)品除了必須滿足其基本要求外，還對(duì)質(zhì)量和外觀造型有愈來(lái)愈高的期望。這就要求企業(yè)的開(kāi)發(fā)人員

根據(jù)市場(chǎng)需求，迅速地設(shè)計(jì)多品種、多規(guī)格的新產(chǎn)品。為適應(yīng)快速變化的市場(chǎng)發(fā)展，在20世紀(jì)80年代末期出現(xiàn)一種新的先進(jìn)制造技術(shù)－虛擬制

造技術(shù)。
機(jī)電產(chǎn)品的傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)模式是一種線形階段模式，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程是順序過(guò)程，在設(shè)計(jì)早期不能全面地預(yù)見(jiàn)產(chǎn)品的可制造性、可裝配性和質(zhì)量可靠

性、用戶滿意度等多種因素，從設(shè)計(jì)到樣機(jī)制作需要反復(fù)修改完善，使產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的周期長(zhǎng)、成本高，質(zhì)量也難以達(dá)到最優(yōu)。隨著社會(huì)的不斷進(jìn)

步和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，人們對(duì)機(jī)電產(chǎn)品的要求已不再停留在可用的基礎(chǔ)上，而是逐漸進(jìn)入個(gè)性化的消費(fèi)階段。產(chǎn)品既要好用，外觀造型、

顏色等又要符合消費(fèi)者個(gè)人的審美情趣，這就要求企業(yè)的開(kāi)發(fā)人員根據(jù)市場(chǎng)的需求，很快地設(shè)計(jì)多品種、多規(guī)格、小批量的新產(chǎn)品，供消費(fèi)者

作多向選擇。傳統(tǒng)串行的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)難以適應(yīng)快速變化的市場(chǎng)要求，為解決制造業(yè)面臨的問(wèn)題，在20世紀(jì)80年代末期出現(xiàn)了一種新的先進(jìn)

制造技術(shù)－虛擬制造技術(shù)。
虛擬制造(Virtual Manufacturing)是虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality)技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用。它利用信息技術(shù)、仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)現(xiàn)實(shí)制

造活動(dòng)中的人、物、信息及制造過(guò)程進(jìn)行全面的仿真。虛擬制造技術(shù)應(yīng)用於產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中，稱為虛擬產(chǎn)品開(kāi)發(fā)?，F(xiàn)有的CAD/CAPP/CAM/CAE、ERP

、PDM、SCM、CRM等制造系統(tǒng)模塊，主要針對(duì)產(chǎn)品全生命周期某些階段的解決方案，難以支持企業(yè)作為一個(gè)整體來(lái)獲得更高的效率及更強(qiáng)的創(chuàng)

新力，以及滿足客戶的多樣化需求；而產(chǎn)品全生命周期管理系統(tǒng)(Product Lifecycle Management System，PLMS)提供了強(qiáng)有力的信息協(xié)同平

臺(tái)，將上述獨(dú)立的子系統(tǒng)結(jié)合在一起，支持產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與企業(yè)業(yè)務(wù)過(guò)程的協(xié)同運(yùn)作。
PLMS的核心技術(shù)－面向產(chǎn)品全生命周期的虛擬產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，其內(nèi)涵為：在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，充分考慮產(chǎn)品的性能要求、制造過(guò)程成本和市場(chǎng)銷售等

產(chǎn)品全生命周期(從需求分析、產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)到產(chǎn)品報(bào)廢)的所有因素，在計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)、并行地動(dòng)態(tài)模擬產(chǎn)品的幾何建模、工藝設(shè)計(jì)、制造過(guò)

程、生產(chǎn)管理、質(zhì)量控制、應(yīng)用維護(hù)等一系列活動(dòng)。虛擬制造不會(huì)消耗現(xiàn)實(shí)資源和能量，所進(jìn)行的制造過(guò)程是虛擬的，所生產(chǎn)的產(chǎn)品也是虛擬

的，因而可以減少產(chǎn)品的投資風(fēng)險(xiǎn)，而且采用并行工程能更有效、更經(jīng)濟(jì)、更靈活地組織生產(chǎn)，以達(dá)到新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期最短、成本最低、設(shè)

計(jì)質(zhì)量最優(yōu)的目的。
面向產(chǎn)品全生命周期的虛擬產(chǎn)品創(chuàng)新和協(xié)同管理方案
面向產(chǎn)品全生命周期的虛擬開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，借助於并行工程管理策略和PDM集成技術(shù)，在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)不僅考慮產(chǎn)品的功能和結(jié)構(gòu)，而且考慮產(chǎn)品全

生命周期的所有環(huán)節(jié)，如規(guī)劃、設(shè)計(jì)、制造、營(yíng)銷、運(yùn)行、使用、維護(hù)、服務(wù)、環(huán)保、回收等，以求產(chǎn)品的綜合優(yōu)化。虛擬產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中雖

然存在局部串行現(xiàn)象，但從系統(tǒng)的整體來(lái)看，各模塊又是并行作業(yè)。
面向產(chǎn)品全生命周期的虛擬產(chǎn)品創(chuàng)新和協(xié)同管理方案如圖1所示。該方案打破了產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員與生產(chǎn)制造人員、銷售人員及產(chǎn)品最終使用者之

間溝通的技術(shù)障礙，借助網(wǎng)絡(luò)協(xié)同管理，使企業(yè)的產(chǎn)品創(chuàng)新能力獲得極大提升。圖中各功能模塊依賴PDM進(jìn)行產(chǎn)品數(shù)據(jù)集成，這里的集成包括

兩方面的含義：一是PDM與系統(tǒng)各工具軟件的集成，二是各工具軟件自身眾多模塊的集成。通過(guò)PDM集成系統(tǒng)的圖形和文檔數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)

據(jù)、交流和溝通數(shù)據(jù)，使虛擬產(chǎn)品開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的各功能模塊相互聯(lián)系、相互依存、協(xié)同發(fā)揮、共享資源及并行工作，保證信息流在虛擬企業(yè)內(nèi)外

暢通無(wú)阻。
虛擬產(chǎn)品開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)
零件三維造型
零件三維造型是虛擬產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的核心內(nèi)容，其進(jìn)一步的應(yīng)用是虛擬裝配、動(dòng)態(tài)過(guò)程仿真、圖形數(shù)據(jù)處理、有限元分析和動(dòng)畫制作等。零件三維

造型的方法有曲面造型、實(shí)體造型或?qū)嶓w曲面一體化混合造型等。目前，實(shí)體造型技術(shù)主要以參數(shù)化設(shè)計(jì)和面向特征設(shè)計(jì)為主。參數(shù)化設(shè)計(jì)是

虛擬設(shè)計(jì)的重要方向，目前大多數(shù)CAD軟件都提供這項(xiàng)功能，讓用戶方便地反復(fù)修改設(shè)計(jì)參數(shù)。此外，采用的“精確特征實(shí)體造型”技術(shù)拋棄
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了傳統(tǒng)的體素拼合和交并差的繁瑣方式，使整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程更加直觀、簡(jiǎn)單。大多數(shù)三維CAD軟件都提供獨(dú)立環(huán)境的曲面造型工具，可任意造型

與編輯復(fù)雜曲面，并通過(guò)曲面和實(shí)體之間的相互配合，實(shí)現(xiàn)曲面裁剪實(shí)體、曲面生成實(shí)體、曲面約束實(shí)體等混合造型操作。
虛擬裝配
在對(duì)部件或整機(jī)進(jìn)行有限元分析或動(dòng)態(tài)分析之前，要先對(duì)已完成造型設(shè)計(jì)的虛擬零件進(jìn)行虛擬裝配。虛擬裝配是零件模型按約束關(guān)系進(jìn)行重新

定位的過(guò)程，它根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的形狀特性及精度特性，真實(shí)地模擬產(chǎn)品的三維裝配過(guò)程。常見(jiàn)裝配方法有約束裝配法(如共軸、平衡、重合、

垂直等約束關(guān)系)和借助精確定位工具(如CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)V2軟件的三維球)進(jìn)行無(wú)約束裝配。裝配完後一般進(jìn)行干涉檢查，以檢驗(yàn)零件間有否發(fā)

生干涉或超過(guò)了定義的間隙限制，虛擬裝配直接影響後續(xù)的有限元分析和動(dòng)態(tài)仿真的結(jié)果。
有限元分析
虛擬產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的目標(biāo)是滿足產(chǎn)品的性能要求、縮短產(chǎn)品周期及降低成本，這與性能優(yōu)良的計(jì)算分析系統(tǒng)分不開(kāi)。計(jì)算分析的目標(biāo)包括：構(gòu)件的

受力分析(靜力分析與動(dòng)力學(xué)分析)、構(gòu)件對(duì)失效的安全性、產(chǎn)品功能檢測(cè)、外部影響的評(píng)價(jià)、通過(guò)輕型構(gòu)件減少重量、優(yōu)化材料等。有限元分

析法是目前最重要及應(yīng)用最廣泛的計(jì)算機(jī)輔助分析方法。直接將產(chǎn)品的三維零件模型或經(jīng)過(guò)降維等方法轉(zhuǎn)換成有限元分析模型，依據(jù)數(shù)據(jù)交換
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標(biāo)準(zhǔn)傳至CAE軟件系統(tǒng)，就可進(jìn)行有限元分析。
工藝設(shè)計(jì)
借助CAM、CAPP軟件，確定已設(shè)計(jì)的零件工藝方案，主要內(nèi)容包括：核準(zhǔn)加工零件的尺寸、公差及精度等加工要求、設(shè)定毛坯、確定工件裝卡

方式、選擇加工刀具、確定加工方法、確定加工工藝路線、設(shè)定工藝參數(shù)等。
仿真系統(tǒng)
借助CAM軟件，根據(jù)所要加工工件的形狀特點(diǎn)、不同的工藝要求和精度要求，靈活地選擇各種加工方式和加工參數(shù)，快速生成、編輯所需要的