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1、 产品的虚拟拟开发技技术初探探0、引言 全全球市场场的形成成加剧了了当前的的市场竞竞争，我我国制造造业的产产值约占占国民经经济总值值的300以上上，它作作为国民民经济的的一个重重要支柱柱，既要要生产高高质量、高高性能和和低成本本的产品品来提高高本行业业的竞争争能力，又又要开发发先进、高高效和可可靠的产产品为其其它行业业提供生生产和生生活装备备。面临临着这种种严峻挑挑战，要要求不断断地发展展和应用用先进的的生产制制造技术术来适应应这一需需求，其其中新产产品的快快速响应应开发更更是提高高企业市市场竞争争能力的的关键环环节。 虚拟产产品开发发技术，虽虽然它不不是直接接建立智智能化的的思维模模型，但但
2、由于它它发展了了过程仿仿真技术术并与拟拟实环境境相结合合，使开开发人员员能通过过视觉和和感觉来来感知拟拟实环境境中的产产品运行行情况，并并可进行行交互作作用，因因而能较较完善地地把人与与计算机机结合成成一体，使使人的智智慧得到到充分的的发挥和和应用，而而不仅仅仅是计算算机的辅辅助作用用，使产产品的开开发技术术有了新新的突破破。 本本文将探探讨虚拟拟产品开开发的使使能技术术，并重重点讨论论机床设设计、工工艺设计计和生产产线运行行作业设设计等的的动态仿仿真建模模技术。 11、产品品开发面面临的挑挑战 11.1 产品开开发的特特点 （11）产品品适销期期明显缩缩短。以以中型加加工中心心为例，新新产品
3、的的销售旺旺期从880年代代588年降至至90年年代35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、。 （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。 22、虚拟拟产品开开发的特特征与研研究内容容 产产品开发发包括：产品设设计（含含概念设设计、技技术设计计、结构构设计、工工程设计计）、工工艺设计计、样机机（原型型）制造造、检测测和修改改定型、投投产技术术准备、生生产质量量控制以以及产品品应用支支持等过过程。产产品的结结构、功功能和成成本主要要取决于于设计（产产品和工工艺）阶阶段的完完善化，而而缩短产产品开发发周期的的关键在在于使各各个阶段段紧密合合作、并并行作业业，并能能集中多多学科知
5、知识和专专业经验验做到产产品开发发一次成成功、避避免反复复试制。产产品的设设计技术术就是一一直遵循循着这些些原则在在不断地地发展。 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
6、。 （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
7、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。 33、机床床结构设设计的仿仿真技术术 机机床结构构设计中中的仿真真建模有有下列四四类： （11）各部部件间动动作协调调性和运运动位置置准确性性仿真，如如刀具交交换装置置抓取和和存放动动作的顺顺序和时时间分配配、工作作空间的的无干涉涉运动和和零件装装配拆卸卸调整的的便捷性性等。 （22）机床床操作和和维修方方便性仿仿真，如如：
8、操作作台位置置、加工工观察窗窗布置、刀刀具和工工件更换换方便性性以及维维修工作作空间的的合适性性等。 （33）机床床工作安安全性仿仿真，如如在偶发发碰撞冲冲击下保保险机构构的可靠靠性、砂砂轮破碎碎飞溅时时的防护护能力等等。 （44）机床床工作性性能的适适应性仿仿真，如如：机床床运行的的平稳性性、切削削抗振能能力、热热变形变变化和加加工精度度控制能能力等。 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
9、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 机机床整机机动、静静、热态态性能信信真分析析软件（AAMTPPOS）框框图 44、加工工过程的的仿真技技术 加加工过程程仿真是是优化工工艺设计计的基础础，它主主要有下下列二个个方面： （1）切切削路径径和表面面形成过过程的动动态仿真真，用于于对数控控加工的的路径方方式和刀刀位正确确性的校校核，并并可防止止碰撞、干干涉现象象。 （22）工艺艺参数和和加工条条件的优优选仿真真，它也也可为合合理设计计机床、夹夹具和控控制加工工精度提提供精确确的切削削动力学学参数。 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 外外
10、圆磨削削过程仿仿真示意意 由由于磨削削过程的的复杂性性，尤其其在颤振振条件下下，磨削削动态力力具有明明显的非非线性特特征。通通过理论论分析和和实验研研究磨削削刚度KKcb( JWW) RRe和磨磨削阻力力Kcbb( JJW) Im如图图3所示示。由此此计算得得出的不不同振动动频率下下的磨削削动态法法向力FFN（t） 与实测测值很一一致（图图4）。图3 不同频频率（ff）和磨磨削速度度比（qq）下的的磨削刚刚度和磨磨削阻尼尼力（砂砂轮速度度Vs恒恒定，改改变工件件速度VVw）图4 动动态法向向磨削力力Fn（tt）计算算曲线与与实测值值对比（磨磨削参数数：Vss455m/ss， q=660，砂砂轮
11、直径径5000mm，工工件直径径1400mm，切深a=4mm，金属切除率Zw=3mm3/mms）5、生产线线运行作作业的仿仿真技术术 它它具有下下列三方方面的功功能： （11）设备备和物流流系统的的优化配配置，消消除薄弱弱环节使使其在随随机发生生故障的的模拟条条件下保保证生产产线的产产量、设设备利用用率和节节拍的均均衡性。 （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
12、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。 66、结论论 （11）产品品的虚拟拟开发技技术所建建立的动动态仿真真建模软软件和操操作者可可直视及及感知的的人机实实时交互互作用的的拟实环环境构成成了一种种人机一一体化的的可融入入人类智智慧的智智能型开开发系统统。它与与并行工工程和快快速原型型制造技技术的结结合能保保证开发发的产品品质量并并极大地地缩短开开发周期期，因而而将成为为21世世纪的产产品开发发的主流流技术。 （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。