产品的虚拟开发技术初探———北京黎明视景科技

产品的虚拟开发技术初探

（作者：北京机床研究所－－盛伯浩赵宏林樊立新张文河徐洁兰）

内容提要：虚拟开发技术使计算机辅助技术成为人机一体化的融入型智能开发系统，它通过动态仿真和拟实环境的建立使参与者对虚拟样机或生产线进行直感交互、实现优化，对提高产品开发质量和缩短开发周期起着重要的作用。文中论述了产品虚拟开发的特征及其主要技术内容，并介绍了有关机床、工艺和生产线运行等设计方面的动态仿真建模技术及软件。

0、引言
全球市场的形成加剧了当前的市场竞争，我国制造业的产值约占国民经济总值的30％以上，它作为国民经济的一个重要支柱，既要生产高质量、高性能和低成本的产品来提高本行业的竞争能力，又要开发先进、高效和可靠的产品为其它行业提供生产和生活装备。面临着这种严峻挑战，要求不断地发展和应用先进的生产制造技术来适应这一需求，其中新产品的快速响应开发更是提高企业市场竞争能力的关键环节。
虚拟产品开发技术，虽然它不是直接建立智能化的思维模型，但由于它发展了过程仿真技术并与拟实环境相结合，使开发人员能通过视觉和感觉来感知拟实环境中的产品运行情况，并可进行交互作用，因而能较完善地把人与计算机结合成一体，使人的智慧得到充分的发挥和应用，而不仅仅是计算机的辅助作用，使产品的开发技术有了新的突破。
本文将探讨虚拟产品开发的使能技术，并重点讨论机床设计、工艺设计和生产线运行作业设计等的动态仿真建模技术。

1、产品开发面临的挑战
1.1 产品开发的特点
（1）产品适销期明显缩短。以中型加工中心为例，新产品的销售旺期从80年代5～8年降至90年代3～5年。
（2）产品品种数急剧增加。适应用户需求，发展订货式的个性化的产品。即使大批量生产产品，也可根据顾客多样化的功能要求和喜爱实现订货方式的销售模式。
（3）产品开发周期极大压缩。中型数控机床的新型产品开发周期从80年代前期的15个月压缩为90年代前期的9个月，预计到2000年将压缩为6个月。
1.2我国产品开发存在的主要问题
（1）产品仿制多、创新少、市场竞争能力不强，获利不高。
（2）设计耗时多，设计成功率低，反复试制使开发周期长，产品更新换代慢，一般开发周期为国外同类产品的一倍左右。
（3）通用型产品多，面向用户的功能多样化的产品少。
（4）产品设计从技术上考虑多、经济分析少、成本高。
（5）设计方法和手段不先进。
（6）产品的标准化通用化程度不高，生产准备工作量大，产品投产上市速度慢。

2、虚拟产品开发的特征与研究内容
产品开发包括：产品设计（含概念设计、技术设计、结构设计、工程设计）、工艺设计、样机（原型）制造、检测和修改定型、投产技术准备、生产质量控制以及产品应用支持等过程。产品的结构、功能和成本主要取决于设计（产品和工艺）阶段的完善化，而缩短产品开发周期的关键在于使各个阶段紧密合作、并行作业，并能集中多学科知识和专业经验做到产品开发一次成功、避免反复试制。产品的设计技术就是一直遵循着这些原则在不断地发展。
虚拟产品开发技术主要有下列三方面内容：
（1）在整机几何模型的基础上，发展可模拟产品实际运行时的运动和动力特征的仿真模型，所生成的虚拟样机（生产线）通过屏幕三维直视，可真实地观察其动态形象。建立动态仿真模型的基础在于专业理论分析和科学实验，它是赋予虚拟图像以真实产品动作和性能的关键。
（2）开发一系列使工作人员能直接参与虚拟样机运作的交互设备及相应的软件，它能形成如同实际一样从不同视角进行观察，也能获得触觉和听觉的感觉，这种虚拟现实的技术是使人机进行交互的主要工具。
（3）高性能计算机支撑条件，采用多处理器高性能工作站（如双奔腾处理器和64M内存等）保证高速实时运算，并具有查询方便的统一建模的产品数据管理系统和遵循标准（如CALS）的网络信息共享系统。
虚拟产品开发的主要特点：
首先它把人在CAD环境下的活动提升到人机融成一体的积极参与的主动活动，因而构成了融入型的智能化开发系统，使CAD难于实现的产品概念（方案）设计，在应用了虚拟产品开发技术以后能充分发挥人的智慧和决策作用。
其次它又是以支持和推进并行工程实施的使能技术，由于虚拟技术能模拟产品的实际运行，并具有高度可视化，使各方面专业人员和用户通过直观的感受来了解产品，有助于深化理解和统一意见，保证了团队人员间的有效合作。
此外在设计阶段通过对虚拟样机多方位的分析、评定和修改。保证产品结构的合理性，从而可取消或缩短样机的实物制造、检测和修改定型等过程，进一步压缩产品开发周期。
现以机床的结构设计、工艺设计和生产线运行的动态仿真建模为例，对虚拟产品开发技术作初步探讨。

3、机床结构设计的仿真技术
机床结构设计中的仿真建模有下列四类：
（1）各部件间动作协调性和运动位置准确性仿真，如刀具交换装置抓取和存放动作的顺序和时间分配、工作空间的无干涉运动和零件装配拆卸调整的便捷性等。
（2）机床操作和维修方便性仿真，如：操作台位置、加工观察窗布置、刀具和工件更换方便性以及维修工作空间的合适性等。
（3）机床工作安全性仿真，如在偶发碰撞冲击下保险机构的可靠性、砂轮破碎飞溅时的防护能力等。
（4）机床工作性能的适应性仿真，如：机床运行的平稳性、切削抗振能力、热变形变化和加工精度控制能力等。
所开发的AMTPOS软件框图如图1所示，它可以对机床整机的动、静和热态性能进行仿真建模，调整构件的结构参数和结合面的刚度、阻尼和热力特性，可以得出机床刚度、热变形、结构薄弱环节和切削稳定区，并由动画显示其振动模态，它为设计人员提供直观判断的形象，同时软件还备有结构改进的分析系统，以利于设计人员进行结构优化设计。

图1 机床整机动、静、热态性能信真分析软件（AMTPOS）框图

4、加工过程的仿真技术
加工过程仿真是优化工艺设计的基础，它主要有下列二个方面：
（1）切削路径和表面形成过程的动态仿真，用于对数控加工的路径方式和刀位正确性的校核，并可防止碰撞、干涉现象。
（2）工艺参数和加工条件的优选仿真，它也可为合理设计机床、夹具和控制加工精度提供精确的切削动力学参数。
图2所示为外圆磨削过程仿真的输入参数和得出的结果。

图2 虚拟装配系统基本组成

3、虚拟装配环境的构筑
(1) 虚拟装配环境的构筑原则
虽然希望虚拟环境能尽量忠实地再现现实世界，但并非是对现实世界的“复制”。这种“复制”不仅是不可能的，更重要的是没有必要，恰恰相反，虚拟现实技术所要求的正是和现实世界有一定差异的虚拟装配环境。因为这种“复制”，代价高、费时、费力，而且这种“复制”虽然提高了对事物理解的容易性（越是接近我们熟知的世界，越容易理解），却降低了操作的简便性（受现实世界规则的约束增多，操作自由度减少）。因此，构筑虚拟环境的一般原则是：第一，根据虚拟装配系统的实际需要，决定世界规则的取舍，以达到既保持和现实装配环境同样的容易理解性，又可提高操作的简便性；第二，选择规则的非矛盾性。在现实世界中，有些规则是相互矛盾的，如果选取不当，可能会造成整个虚拟世界的混乱。
(2) 虚拟装配环境的结构
虚拟装配环境可采用图３所示的五层结构。第一层为ＶＲ用硬件层，如数据手套、空间球、三维鼠标、HMD、立体眼镜等输入输出装置；第二层为ＶＲ用硬件驱动层，是驱动硬件层的驱动子程序，如获取数据手套数据、计算位姿参数、设定视觉参数的子程序等；第三层为世界管理层，由形状数据库和规则库组成。这是虚拟装配环境最核心的部分，它管理虚拟世界发生的一切事件和描述虚拟世界中物体的形状和特性；第四、五层分别为支持工具层和应用层。

图2 外圆磨削过程仿真示意

由于磨削过程的复杂性，尤其在颤振条件下，磨削动态力具有明显的非线性特征。通过理论分析和实验研究磨削刚度Kcb( JW) Re和磨削阻力Kcb( JW) Im如图3所示。由此计算得出的不同振动频率下的磨削动态法向力FN（t）与实测值很一致（图4）。

图3 不同频率（f）和磨削速度比（q）下的磨削刚度和磨削阻尼力
（砂轮速度Vs恒定，改变工件速度Vw）

图4 动态法向磨削力Fn（t）计算曲线与实测值对比
（磨削参数：Vs＝45m/s， q=60，砂轮直径500mm，工件直径140mm，切深a=4mm，金属切除率Zw=3mm3/mm·s）

5、生产线运行作业的仿真技术
它具有下列三方面的功能：
（1）设备和物流系统的优化配置，消除薄弱环节使其在随机发生故障的模拟条件下保证生产线的产量、设备利用率和节拍的均衡性。
（2）合理安排生产线作业的空间位置，防止运输车和机械手等运动件与相关装置的干涉，校核在各种工件形状、重量和运行速度下手爪夹持的动力稳定性和可靠性。
（3）建立在混流生产作业条件下的规划调度
通过对生产线运行建模、计算有关运行状态参数以及模拟生产线实时运行的三维动态显示，可以在生产线方案设计阶段采取有效措施，不致于在投产后由于出现不可预见的问题而造成停产或影响其生产能力的发挥。

6、结论
（1）产品的虚拟开发技术所建立的动态仿真建模软件和操作者可直视及感知的人机实时交互作用的拟实环境构成了一种人机一体化的可融入人类智慧的智能型开发系统。它与并行工程和快速原型制造技术的结合能保证开发的产品质量并极大地缩短开发周期，因而将成为21世纪的产品开发的主流技术。
（2）仿真建模是虚拟技术的一个重要的核心内容，由于它与产品的专业有关，因此应在注重其专业理论和实验研究的基础上加强其建模应用软件的开发。

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主要参考文献

[1]Walter H.T.Wang,Trends in Commercial Transport Aircraft Manufacturing,中美工程技术研讨会论文集（航空航天组），p25～40,北京,1993
[2]Zhao Honglin，Sheng Bohao，Developing CAD/CAE Technology to Predict Whole Machine Tool Behavior.INCOM’95,p295～299,Beijing,1995.10
[3]Sheng Bohao,The Dynamics of Grinding Machine and Grinding Process,Proceedings of International Conference on Mechanical Dynamics, p732-738,Augst 3-6,SHENYANG CHINA, 1987