论虚拟设计与技术在新产品开发中的应用

1、. 论虚拟设计与技术在新产品开发中的应用.论虚拟设计在新产品开发中的应用1虚拟设计在新产品开发中的特征由于当今市场竞争日益剧烈与科学技术进步的加快，使得产品开发的技术含量与复杂程度日益增加，同时也由于产品的生命周期不断地缩短，因此，缩短新产品开发的周期、提高新产品开发的技术水平、降低新产品开发的本钱，并保证上市后产品的上市周期，是当前新产品开发着重要解决的问题。虚拟设计Virtual Design属于多学科穿插技术，涉及众多的学科和专业技术知识，它是随着科学技术的开展，特别是计算机辅助CA*技术的开展，开场广泛地应用于企业的生产与制造之中。由于虚拟设计技术在新产品开发过程中的应用，使产品设计实

2、现更自然的人机交互，采用并行设计工作模式，系统考虑各种因素，使相关的人员之间相互理解、相互支持，把握了新产品开发周期的全过程，提高了产品设计的一次性成功。从而缩短产品开发周期，降低生产本钱，提高了产品质量，给企业带来了更多的商机。2虚拟设计在新产品开发中的应用21虚拟产品设计近几年来，CAID技术为企业在新产品开发过程中提供了有力的支持，但目前在虚拟产品设计中多使用软件组合来完成产品设计过程。例如复杂曲面的产品造型，多采用Rhino和Pro/Engineer等软件的组合使用来完成虚拟产品设计模型，其实质并没有把设计人员从二维鼠标与键盘上解放出来，设计人员也并没有真正参与到虚拟产品设计中来，在*

3、种角度上限制了设计人员的积极性与创造性的发挥。随着虚拟现实Virtual Reality技术与多媒体技术的开展，虚拟现实技术与多媒体技术有机结合在新产品开发过程中的使用，以及科技人员在不断提高的计算机操作的人机界面综合技术，改善了虚拟产品设计中人与计算机的交互方式。目前，所采用的将虚拟现实技术引入CAD环境，这将便于模拟新产品开发中产品的*些性能，又便于设计人员对产品的修改。技术条件好的公司，在进展虚拟产品设计时，设计人员可以先利用现有的CAD系统建模，再转换到VR环境中，让设计人员或准客户来感知产品。设计人员也可以利用VR-CAD系统，直接在虚拟环境中进展设计与修改。例如在对汽车的设计时，设

4、计人员在具有全交互性的设计环境中，利用头盔显示器、具有触觉反应功能的数据手套、操纵杆、三维位置跟踪器等装置，将视觉、听觉、触觉与虚拟概念产品模型相连，不仅可以进展虚拟的合作，产生一种身临其境的感觉，而且还可以实时地对整个虚拟产品Virtual Product设计过程进展检查、评估，实地解决设计中的决策问题，使设计思想得到综合。在交互性的虚拟环境快速成型设备上，设计人员对虚拟产品设计模型的直接设计，提高了设计人员积极性与创造性的发挥。有的企业在新产品开发设计时，还建立了物理试验模型PMUPhysical Mock-up，如油泥模型Clay Modeling等已逐步被计算机和仿真代替，在此根底上进

5、展产品设计建模和仿真设计，以到达改良产品方案设计的目的。虚拟产品也就是最初的数字试验模型DMUDigital Mock-up，虚拟产品设计初级阶段的虚拟油泥建模Virtual Clay Modeling，可以适应创造性设计过程所提出的直观要求，设计人员可以在虚拟环境空间中，利用轨迹跟踪系统可以削掉和涂抹虚拟的油泥材料。所设计的产品可得到准确的描述，物理模型能通过快速原型方法被迅速的制作出来。例如：美国波音公司777飞机的虚拟原形机，就利用虚拟产品设计对该产品进展全数字化三维描述，实现了产品设计的虚拟油泥模型和无纸工程等，这个模型可为产品开发不同的阶段和设计原则提供参考。同时，虚拟产品设计在造船

6、等其他新产品开发方面也得到了成功的应用。另外，虚拟产品设计与其它设计过程进展数字连接，可实现新产品开发过程的集成，使并行工程(Concurrent Engineering)得到充分表达与实施。从而缩短开发时间，降低开发本钱，发挥设计人员的创造性潜能。22虚拟装配设计Virtual Assembly Design虚拟装配设计Virtual Assembly Design是虚拟设计在新产品开发方面具有较大影响力的一个领域。虚拟装配Virtual Assembly采用计算机仿真与虚拟现实技术，通过仿真模型在计算机上进展仿真装配，实现产品的工艺规划、加工制造、装配和调试，它是实际装配的过程在计算机上的

7、本质表达。目前，就其技术而言，已经成熟，虽尚没有商用虚拟装配系统，也尚未充分地应用于新产品开发的分析和评价，但这项技术在新产品开发中已得到肯定，并具有很重要的意义。过去传统的产品开发，常需要花费大量的时间、人力、物力来制作实物模型进展各种装配实验研究，力求在产品的可行性、实用性和产品性能等方面进展各种测试分析。现代设计要求设计人员在虚拟产品开发早期就应考虑装配问题，在进展虚拟装配的同时创立产品、分析装配精度，及时优化设计方案。虚拟装配的第一步是在CAD系统创立虚拟产品模型，然后进入并利用虚拟装配设计环境Virtual Assembly Design Environment系统，产品开发人员在V

8、ADE系统中开展工作，借助虚拟装配设计环境系统，设计人员可以在虚拟环境中使用各种装配工具对设计的机构进展装配检验，帮助设计人员及时发现设计中的装配缺陷，全面掌握在虚拟制造中的装配过程，尽可能早地发现在新产品开发过程中的设计、生产和装配工艺等问题。利用这个虚拟环境，评价产品的公差、选择零部件的装配顺序、确定装拆工艺，可将结果进展可视化处理。实验说明，虚拟装配设计的完善将有效缩短新产品开发的周期，减轻设计返工的负担，加快了引入高级设计方法和技术的速度，提高新产品开发的质量与可靠性，同时也降低新产品开发的本钱。23虚拟人机工程学设计虚拟人机工程学设计是借助虚拟样机Virtual prototype系

9、统，也有人称其为虚拟人机工程学环境，将它引入虚拟人机工程学评价系统，设计人员可以准确研究产品的人机工程学参数，并且在必要时可以修改虚拟部件的位置，重新设计整个产品的构造。另外，它还允许不同技术背景的人直接与设计的产品进展交互及评价产品的性能，有助于满足不同用户的特殊要求。英国航空实验室研究人员研制了一个虚拟人机工程学评价系统。通过这个系统设计人员可以准确研究轿车部的人机工程学参数，适时修改轿车虚拟部件的位置，对整个轿车的部构造重新设计。这项技术为新产品开发在产品的人机工程学研究方面提供了新的方法，可以不断地利用该系统来验证假设，既减少开发费用，又缩短了制造模型的时间，同时又可以满足产品多样化的

10、要求。24 虚拟设计在新产品开发中应用前景随着多媒体技术软硬件飞速开展，特别是虚拟现实技术与多媒体技术有机结合，加快了设计人员从键盘和鼠标上解脱下来的速度，使虚拟设计技术在新产品开发应用方面也得到提升。虽然目前仅是起步阶段，在通过多种传感器与多维的信息环境进展自然的交互方面，及实现全方位的认识方面还有待于进一步提高，但在新产品开发设计应用方面具有很大的潜力，而且应用前景广阔。应该深入开发研究，使虚拟设计技术更好地帮助设计人员在新产品开发中提升设计创新思维能力与产品设计水平。3、虚拟设计在新产品开发中应用使科学与艺术更好地得到融合虚拟设计技术与新产品的开发都是建立在科学技术进步的根底之上，都需要

11、科学技术的支持。新产品开发以科学技术理论为根底，然而在新产品开发中的虚拟产品设计等问题上，虚拟现实技术又为设计人员提供了有艺术创造性思维的空间，扩展了设计人员的艺术设计思维，使设计人员能够从理论认识到感性认识对产品进展设计、分析和评价。使设计人员在精神世界的存在中获得心灵自由，让设计更趋人性化、艺术化。虚拟设计在新产品开发中的应用，使科学的思维方式和艺术的思维方式悄悄地相互侵入和占有着。科学的创造和创造溶入了艺术的想象和品格，艺术的创造和对产品形态美的探索又渗入科学的理论和品质，虚拟设计在新产品开发中的应用是科学与艺术的融合。4、完毕语虚拟设计技术为新产品开发提供了数字设计平台，使新产品开发的

12、周期减少、费用降低，提高了新开发的产品质量。但是如何更有效地利用虚拟设计技术为新产品开发效劳，还有待于我们在实际的设计中进展探索。参考文献：1柳冠中.科学艺术的时代, 卢新华.科学与艺术互溶的两个世界, 中央工艺美术学院艺术设计论集工艺美术,1996.10 2宏增,黄靖远编著. 虚拟设计. ：机械工业,1999.12 3Conrad Berenson ,IRIS Mohr-Jackson ,MARCo Iansiti .新产品开发第二版. ：中国人民大学2002.9 4锟,继红.面向虚拟装配的装配建模技术.机械科学与技术, 2001 或其他成像技术获取送入仿真系统，外科医生就可以对实际的外科手

13、术作出相应的规划，因而使得他可以预料到难以预料到的*些复杂性。利用虚拟现实技术进展虚拟外科手术还可以为那些刚走上工作岗位的医生或医学院的学生提供更多的时机去演练以前从未做过的手术。在虚拟外科手术中，外科医生戴着可以显示计算机生成立体图像的头盔显示器，头盔上装有空间跟踪定位器，显示的图像始终跟踪着外科医生的视线，当外科医生转动头部时，空间跟踪定位器就发信号给虚拟现实系统去调整仿真中的视图。当外科医生用头盔显示器看着虚拟手术台上的用计算机制作的三维仿真人体模型时，头盔显示器同时可以显示出该虚拟病人的血压、心率或其他生理信息。在虚拟外科手术中，外科医生戴着数据手套，拿着虚拟手术刀，数据手套上也配备位

14、置跟踪定位装置，这样虚拟现实系统便可以准确的跟踪人体的运动和位置，以及在医生和虚拟病人之间的手术动作。一些类似手术仪器、而且可以提供力反应的设备正在研制当中，他们可以提供手术刀或其他器械通过虚拟肌肉是的真实阻力。完成一次虚拟手术后外科医生还可以按一下复位按钮重复进展。如果虚拟病人死了还可以让他马上起死回生，以便重头开场，重复练习，积累经历，从而增加实际手术的成功率。.虚拟技术在新产品开发中的应用一、前言随着科技的飞速开展，企业间的竞争日趋剧烈，市场的变化不断加快。企业的新产品开发也随之出现一些新的特点：(1) 产品生命周期明显缩短。以汽车为例，新产品的生命周期从20世纪90年代的58年降至目前

15、的35年。(2) 产品品种急剧增加。为适应用户需求，企业大力开展订货式的个性化产品。即使是大批量生产的产品，也可根据顾客多样化的功能要求和喜好实现订货方式的销售模式。(3) 产品开发周期极大压缩。以汽车为例，产品改型设计开发周期从过去的45年压缩为目前2年左右。因此，对大型企业来言，及时开发出适应市场需求的高质量、高性能和低本钱产品已成为企业保持竞争力的关键，而建立高效、低本钱的新产品快速响应开发体系则是实现这一目标的保证。显而易见，传统的产品设计方法已经很难满足需要，面对这种严峻挑战，要求不断开展和应用先进的生产制造技术来适应这一变化。正是在这种日益严酷环境的催生下，虚拟产品开发技术正在迅速

16、开展起来。它为企业带来了一个全新的开展空间。二、虚拟产品开发技术的分类虚拟产品开发技术不是直接建立智能化的思维模型，而是将动态仿真技术与拟实环境相结合，使开发人员能通过视觉和思维来感知及判断拟实环境中的产品运行情况，两者可交互互动，因而能比拟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被动伙伴，由此引发了产品开发技术新的突破。按功能及所处理的不同模型可将虚拟产品开发技术划分为三类：产品的虚拟设计技术、产品的虚拟制造技术和虚拟制造系统。1. 面向对象不同产品的虚拟设计技术的对象是产品的构造和性能，从产品设计、分析、模拟、评测出发，对客户需求的产品性能和本钱进展

17、优化。它的对象是产品本身。而产品的虚拟制造技术则是对向产品制造过程的模拟、检验和优化，检验产品的可制造性、加工方法和工艺的合理性，从而保证产品的制造质量，以缩短制造周期和到达最低的制造本钱为目标。它的对象是产品的制造。虚拟制造系统则着重于生产过程的规划、组织管理、资源调度、物流、信息流等的建模、仿真与优化。它的对象是整个工厂和企业。2. 在企业产品开发过程中应用阶段不同对于企业来说，新产品开发过程有两个关键阶段：产品设计与开发，过程设计与开发。前者重点是考虑产品的功能、设计的可行性、能否满足顾客的要求等，后者则着重考虑实现产品生产的可行性、可控性、经济性。产品的虚拟设计属于产品设计与开发畴，虚

18、拟制造系统则属于过程设计与开发畴，而产品的虚拟制造则将两者有机结合起来：既是产品的可行性输出又是过程设计的输入。3. 所要求的软件平台不同基于目前的软件开发和计算机能力，这三类虚拟技术对软件平台有不同的要求：虚拟设计要求计算机提供便捷和多样的造型能力，稳定和高精度的图形显示能力以及相应的测量和分析能力。而虚拟制造需要处理的对象不仅是虚拟样机，还有设备、环境、操作人员等虚拟模型，在数据的容量和类型上较前者要复杂得多，此时需要计算机更多着重于图形显示和数据处理速度。虚拟制造系统着眼整个制造系统性能分析，要处理的数据规模相比更大，此外还要求软件能提供管理层需要的各种工艺报表和图表等。当然，不排除将来

19、有一天，随着计算机能力和软件水平的提高，出现一个集成所有虚拟产品开发技术的软件平台。虽然将虚拟产品开发技术分为三种类型，但它们都是围绕着产品而活动，是一个彼此相互联系有机整体。虚拟模型大致关系如图1所示。图1 虚拟制造模型相互关系图三、虚拟产品开发技术的应用通过以上介绍可知，虚拟技术根本上可以分为三类，而每类虚拟产品开发技术的输出容当然也有所不同。1. 产品的虚拟设计目前，3D产品设计软件在工厂已得到广泛应用，而传统的2D设计软件正在逐渐退出。概括地说，现代生产中产品设计和开发就是建立虚拟样机。相对于2D设计，3D设计不仅可以让设计师直观评价产品，而且使设计本身更加便捷，快速，如有必要的话还可

20、选定材质渲染进展外观评估。此外，这些造型软件根本都有运动分析、产品干预分析等功能，有的甚至具有有限元分析工具。现代设计软件还集成了加工制造辅助功能，具有从产品设计直接过渡到工装模具设计，最后到数控加工设备的制造数据输出，由此形成的一条由产品和加工数据组成的产品设计链。这个阶段的主要输出如下：虚拟产品样机，包括工装、模具设计等；包含完整信息的产品设计图；产品外观和性能评估；加工程序；初步工艺流程。2. 虚拟制造技术在虚拟样机的数据根底上，引入相应的加工设备、工装、模具、操作人员等虚拟工位模型，在计算机上可进展预先制造模拟仿真。图2所示的是汽车发动机底盘托架虚拟焊接制造。通过模拟，可以检验焊接机器

21、人的位置是否适宜，能否完成所有焊点要求，制造过程需要的平安空间和时间、操作人员的行动要求等要素。图2 汽车发动机底盘托架焊接虚拟制造与实物验证开发相比，显然采用虚拟制造技术可以缩短开发周期，大大降低人力和物力的投入，节约开发本钱。一个拥有完整虚拟制造技术的企业相当于拥有一个样品试制车间。在虚拟样机的制造可行性分析过程中，可以得到如下信息：虚拟样机整体配合分析报告；制造可行性分析报告；合理的工艺路径和安排；工艺参数的初步确定；操作工时预估。3. 虚拟制造系统技术在虚拟制造系统中，不仅要关注产品和制造生产线，还要考虑涉及生产的一切因素：如厂房布局、辅助工具、物流安排等。图3所示的是汽车侧围虚拟焊接

22、生产线的一局部。建立虚拟制造系统的目的是通过对产品正常生产状态的模拟和分析，了解产品正常生产时对企业的全局影响，进而优化公司的生产作业。通过虚拟制造系统可以获得信息如下：规划工位布局；生产线性能分析；生产线平衡；生产节拍控制；工艺文件；操作人员配制；物流安排；制造投资的预算。由于虚拟技术的操作是在软件平台的根底上进展的，最终实际输出容还是决定于所采用的软件功能。图3 汽车侧围焊接虚拟生产线四、虚拟技术与新产品开发现代企业按照自己的特点、规模和构造建立相应的质量管理体系，以保证企业的生产和公司运作是在受控状态进展，其中也包含了新产品的开发。虽然上面介绍了虚拟技术的许多优势和特点，但如果要在企业中真正发挥作用，还要融入企业的质量管理体系，并与企业的新产品开发程序有机结合起来。以汽车及汽车零部件行业为例：目前广泛采用新产品先期质量筹划APQP方式进展，将整个开发过程分为五个阶段：方案和工程确实定、产品设计和开发、过程技术和开发、产品和过程确实认、反应评价和纠正措施，如图4所示。图4 APQP先期产品质量筹划模式先期