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1、 产品的虚拟拟开发技术术初探0、引言 全全球市场的的形成加剧剧了当前的的市场竞争争，我国制制造业的产产值约占国国民经济总总值的300以上，它它作为国民民经济的一一个重要支支柱，既要要生产高质质量、高性性能和低成成本的产品品来提高本本行业的竞竞争能力，又又要开发先先进、高效效和可靠的的产品为其其它行业提提供生产和和生活装备备。面临着着这种严峻峻挑战，要要求不断地地发展和应应用先进的的生产制造造技术来适适应这一需需求，其中中新产品的的快速响应应开发更是是提高企业业市场竞争争能力的关关键环节。 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
2、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。 11、产品开开发面临的的挑战 11.1 产产品开发的的特点 （1）产产品适销期期明显缩短短。以中型型加工中心心为例，新新产品的销销售旺期从从80年代代58年年降至900年代35年。 （22）产品品品种数急剧剧增加。适适应用户需需求，发展展订货式的的个性化的的产品。即即使大批量量生产产品品，也可
3、根根据顾客多多样化的功功能要求和和喜爱实现现订货方式式的销售模模式。 （3）产产品开发周周期极大压压缩。中型型数控机床床的新型产产品开发周周期从800年代前期期的15个个月压缩为为90年代代前期的99个月，预预计到20000年将将压缩为66个月。 1.2我我国产品开开发存在的的主要问题题 （11）产品仿仿制多、创创新少、市市场竞争能能力不强，获获利不高。 （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。
4、 （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、虚拟产产品开发的的特征与研研究内容 产产品开发包包括：产品品设计（含含概念设计计、技术设设计、结构构设计、工工程设计）、工工艺设计、样样机（原型型）制造、检检测和修改改定型、投投产技术准准备、生产产质量控制制以及产品品应用支持持等过程。产产品的结构构、功能和和成本主要要取决于设设计（产品品和工艺）阶阶段的完善善化，而缩缩短产品开开发周期的的关键在于于使各个阶阶段紧密合合作、并行行作业，并并能集中多多学科知识识和专业经经验做到产产品开发一一次成功、避避免反复试试制。产品品的设计技技术就是一一直遵循着着这些原则则在不
5、断地地发展。 虚虚拟产品开开发技术主主要有下列列三方面内内容： （1）在在整机几何何模型的基基础上，发发展可模拟拟产品实际际运行时的的运动和动动力特征的的仿真模型型，所生成成的虚拟样样机（生产产线）通过过屏幕三维维直视，可可真实地观观察其动态态形象。建建立动态仿仿真模型的的基础在于于专业理论论分析和科科学实验，它它是赋予虚虚拟图像以以真实产品品动作和性性能的关键键。 （2）开开发一系列列使工作人人员能直接接参与虚拟拟样机运作作的交互设设备及相应应的软件，它它能形成如如同实际一一样从不同同视角进行行观察，也也能获得触触觉和听觉觉的感觉，这这种虚拟现现实的技术术是使人机机进行交互互的主要工工具。
6、（3）高高性能计算算机支撑条条件，采用用多处理器器高性能工工作站（如如双奔腾处处理器和664M内存存等）保证证高速实时时运算，并并具有查询询方便的统统一建模的的产品数据据管理系统统和遵循标标准（如CCALS）的的网络信息息共享系统统。 虚拟产产品开发的的主要特点点： 首先它它把人在CCAD环境境下的活动动提升到人人机融成一一体的积极极参与的主主动活动，因因而构成了了融入型的的智能化开开发系统，使使CAD难难于实现的的产品概念念（方案）设设计，在应应用了虚拟拟产品开发发技术以后后能充分发发挥人的智智慧和决策策作用。 其其次它又是是以支持和和推进并行行工程实施施的使能技技术，由于于虚拟技术术能模拟
7、产产品的实际际运行，并并具有高度度可视化，使使各方面专专业人员和和用户通过过直观的感感受来了解解产品，有有助于深化化理解和统统一意见，保保证了团队队人员间的的有效合作作。 此外在在设计阶段段通过对虚虚拟样机多多方位的分分析、评定定和修改。保保证产品结结构的合理理性，从而而可取消或或缩短样机机的实物制制造、检测测和修改定定型等过程程，进一步步压缩产品品开发周期期。 现以机机床的结构构设计、工工艺设计和和生产线运运行的动态态仿真建模模为例，对对虚拟产品品开发技术术作初步探探讨。 33、机床结结构设计的的仿真技术术 机机床结构设设计中的仿仿真建模有有下列四类类： （1）各各部件间动动作协调性性和运动
8、位位置准确性性仿真，如如刀具交换换装置抓取取和存放动动作的顺序序和时间分分配、工作作空间的无无干涉运动动和零件装装配拆卸调调整的便捷捷性等。 （22）机床操操作和维修修方便性仿仿真，如：操作台位位置、加工工观察窗布布置、刀具具和工件更更换方便性性以及维修修工作空间间的合适性性等。 （3）机机床工作安安全性仿真真，如在偶偶发碰撞冲冲击下保险险机构的可可靠性、砂砂轮破碎飞飞溅时的防防护能力等等。 （4）机机床工作性性能的适应应性仿真，如如：机床运运行的平稳稳性、切削削抗振能力力、热变形形变化和加加工精度控控制能力等等。 所开发发的AMTTPOS软软件框图如如图1所示示，它可以以对机床整整机的动、静
9、静和热态性性能进行仿仿真建模，调调整构件的的结构参数数和结合面面的刚度、阻阻尼和热力力特性，可可以得出机机床刚度、热热变形、结结构薄弱环环节和切削削稳定区，并并由动画显显示其振动动模态，它它为设计人人员提供直直观判断的的形象，同同时软件还还备有结构构改进的分分析系统，以以利于设计计人员进行行结构优化化设计。图1 机机床整机动动、静、热热态性能信信真分析软软件（AMMTPOSS）框图 44、加工过过程的仿真真技术 加加工过程仿仿真是优化化工艺设计计的基础，它它主要有下下列二个方方面： （1）切切削路径和和表面形成成过程的动动态仿真，用用于对数控控加工的路路径方式和和刀位正确确性的校核核，并可防防
10、止碰撞、干干涉现象。 （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 外外圆磨削过过程仿真示示意 由由于磨削过过程的复杂杂性，尤其其在颤振条条件下，磨磨削动态力力具有明显显的非线性性特征。通通过理论分分析和实验验研究磨削削刚度Kccb( JJW) RRe和磨削削阻力Kccb( JJW) IIm如图33所示。由由此计算得得出的不同同振动频率率下的磨削削动态法向向力FN（t） 与实测值值很一致（图图4）。图3 不同频率率（f）和和磨削速度度比（q）下下的磨削刚刚度和磨削削阻尼力（砂砂轮速
11、度VVs恒定，改改变工件速速度Vw）图4 动动态法向磨磨削力Fnn（t）计计算曲线与与实测值对对比（磨削削参数：VVs455m/s， q=660，砂轮轮直径5000mm，工工件直径1140mmm，切深aa=4mmm，金属切切除率Zww=3mmm3/mms）5、生产线线运行作业业的仿真技技术 它它具有下列列三方面的的功能： （11）设备和和物流系统统的优化配配置，消除除薄弱环节节使其在随随机发生故故障的模拟拟条件下保保证生产线线的产量、设设备利用率率和节拍的的均衡性。 （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
12、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。 66、结论 （11）产品的的虚拟开发发技术所建建立的动态态仿真建模模软件和操操作者可直直视及感知知的人机实实时交互作作用的拟实实环境构成成了一种人人机一体化化的可融入入人类智慧慧的智能型型开发系统统。它与并并行工程和和快速原型型制造技术术的结合能能保证开发发的产品质质量并极大大地缩短开开发周期，因因而将成为为21世纪纪的产品开开发的主流流技术。 （22）仿真建建模是虚拟拟技术的一一个重要的的核心内容容，由于它它与产品的的专业有关关，因此应应在注重其其专业理论论和实验研研究的基础础上加强其其建模应用用软件的开开发。