塑性成形的虚拟产品开发平台的体系结构 - 文章

塑性成形的虚拟产品开发平台的体系结构

作者：北京机电研究所齐恬朱旗李亚军

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内容提要：虚拟产品开发(VPD)又称虚拟设计制造(VD&M)，是产品设计制造的真实过程在虚拟环境中的映射。本文在简述了虚拟产品开发的技术内涵之后，针对金属塑性成形工程的特点，提出了金属塑性成形的虚拟产品开发平台的体系结构，并探索性地给出了其技术内容的定义。

0、引言

信息技术发展引起的革命使我们的社会正迈进信息社会。当今，信息技术的发达程度已成为衡量现代科学技术水平的重要标志。信息革命不仅引起了人们的思想观念、生产方式、生活方式的变化，而且导致了劳动资料的巨大变化（信息已成为重要的劳动资料）。随着信息技术的发展，传统产业正经历着从扩大外延向增加内涵（增加产品中的知识含量）的方向变革。

产品市场和生产的全球化趋势使传统制造业面临严峻的挑战。由于需求牵动，改变传统制造业面貌的呼声空前高涨。以信息化制造技术为代表的先进制造技术正在使制造业处于重要的历史变革时期。近十年来，新的制造模式从概念提出、理论探索到工程实现，发展迅猛，而正是信息技术为它的发展提供了重要的支撑手段。虚拟产品开发(Virtual Product Development)的概念及相应技术正是在这个形势下提出和发展的。

虚拟产品开发的概念在80年代末、90年代初初步形成，此后技术内涵迅速扩充，在短短几年中已逐渐成长为学科交叉、领域宽广、内涵丰富、实效明显的一个高技术学科。根据我们所作的文献检索，1994年在虚拟技术方面发表的论文仅有几十篇，到96、97年猛增到600多篇。

1、虚拟产品开发

传统产品开发过程一般需经过概念设计、方案设计、细部设计、实验室试验、中型放大、批量生产等诸多阶段，产品上市周期长。这与现代市场对产品的需求很不适应。虚拟产品开发与现实产品开发有一定对应性，所不同的是虚拟产品开发不消耗物质资源和能源，因此可以大幅度降低产品的开发成本。由于虚拟产品开发可在产品投产前对产品实现的方案进行评估和优化，提高了产品实现的可行性，大大简化了物理测试实验的过程，缩短了产品上市周期，提高了产品的市场竞争力。

虚拟产品开发的关键是开发虚拟产品开发环境。虚拟产品开发环境是虚拟模型的运行空间。它具有不依赖于具体虚拟模型的通用性，因此它也是构造具体虚拟模型的通用平台。

虚拟产品开发，也称虚拟设计制造(Virtual Design and Manufacturing)，是产品设计制造的真实过程在虚拟环境中的映射。从本质上讲，虚拟产品开发是将产品从概念设计到投入使用的全过程（产品的生命周期）在计算机上构造的虚拟环境中虚拟地实现，其目标不仅是对产品的物质形态和制造过程进行模拟和可视化，而且是对产品的性能、行为和功能以及在产品实现的各个阶段中的实施方案进行预测、评价和优化。它是产品开发的测试床。象真实的产品生产过程一样，虚拟产品开发可狭义地分为虚拟设计和虚拟制造两部分。美国“Computer-Aided Engineering”杂志副总编Schmitz曾在《虚拟设计的光辉前程》一文中阐述了虚拟设计的主要技术内容：虚拟制样(Virtual Prototyping)、网络化并行设计、虚拟装配和工程分析及设计参数的交互式可视化。日本大阪大学小野里等人对虚拟制造系统的技术内涵进行了深入的研究，他们把虚拟制造系统划分成虚拟信息系统和虚拟物理系统两部分，并建立了虚拟制造系统开发环境的模型。

2、虚拟产品开发技术的研究与应用现状

虚拟现实(VR)是一个计算机生成的三维环境，人们沉浸其中，通过适当的界面操纵其中的拟实对象，并采用人类的表达形式进行交互。而虚拟产品开发的研究则需要采用虚拟现实技术构造一个产品设计制造环境，把设计、制造工艺、样机制造的过程集成其中。当前，虚拟产品开发的研究集中在以下几个方面。

与软件相关的技术方面：（1）可视化：研究怎样将各种信息以直观的形式显示出来；（2）环境构造：研究采用虚拟现实技术开发工作环境的技术；（3）信息表达：研究与方法、语义和语法有关的信息表达方式；（4）元模型建模方法：研究建立可以调节模型间相互作用的模型；（5）集成体系结构：研究怎样构成软硬件系统；（6）模拟：研究在计算机上设计真实系统模型的过程；（7）方法论：研究开发和应用虚拟产品开发系统的方法；（8）制造特性：研究在制造过程中影响材料变形的变量的采集、测量和分析；（9）评价：研究虚拟产品开发系统的评价。

与硬件相关的技术方面：（1）输入输出设备：基于CRT和LCD的头盔显示器（HMD）、普通计算机显示器、投影系统、可视化眼镜、数据手套、数据背心、蹋滚、摇杆、触垫、触觉球、麦克风、合成器、耳机和音响系统；（2）信息采集存储设备；（3）高速计算系统；（4）网络结构（星状、总线、环状）、异种机网络、通讯硬件等。

交互技术方面：（1）虚拟产品开发环境有效性评价方法；（2）与人机交互、人人交互有关的人机工程评价。

与其他一些学科不同，虚拟产品开发的概念一经提出就受到企业界的广泛关注，一些企业立即开始着手局部性实施和应用。美国福特汽车公司是第一个采用网络并行设计技术设计赛车的企业。采用这项技术设计制造的新型SS1型赛车从开始设计到第一次上道测试只用了9个月的时间。继世界第一架“无纸客机”－波音777双喷机型成功之后，波音公司决定采用虚拟产品开发技术研制新一代737客机。美国Sandia国家实验室采用虚拟制样技术开发新一代计算机芯片，这种芯片只有现在芯片的1/25大小。John Deere公司将虚拟产品开发技术用于焊接设备安装机器人的设计、评价和测试，使设计制造周期大大缩短。考文垂艺术设计学院利用虚拟样机技术对正在设计的轿车进行虚拟道路测试，评价轿车的道路适应性和驾驶员视野。在国内，虚拟产品开发方面的研究开始不久，目前报道的研究多数属于概念和结构框架的范畴，开发环境的研究多数还限于目标系统层面，没有深入到虚拟设计制造层面，而对于虚拟设计制造核心－模型构造层面的研究就更少。因此，结合一个工程学科，重点解决虚拟设计制造中的重大技术基础问题，并在深入研究核心技术的基础上，建立虚拟产品开发环境，并深层次开发模型构造环境，从而建立起面向应用的虚拟产品开发平台，这对将虚拟产品开发技术的研究引向深入有重要价值。

3、塑性成形的虚拟产品开发

金属塑性成形是机械行业中重要的基础行业之一。塑性成形是少无切削加工的组成部分，在零件制造中占有重要地位。由于塑性成形过程的复杂受力变形机制，又受到材料、工艺、设备等因素的严重影响，因此长期以来，理论和应用基础研究尚不成熟，远没有达到基本解决生产实际问题的程度。总体看来，目前塑性成形设备设计制造、工艺设计和模具设计制造仍主要延用传统落后的设计制造方式，以建立在实验和经验基础上的手工设计制造为主要手段。虚拟产品开发技术融入传统的塑性成形工程中，将会引起塑性成形技术的革命性发展，对改变我国塑性成形产业的落后面貌将有重要的促进作用。本文将探讨塑性成形的虚拟产品开发技术的各个方面，在此基础上，提出塑性成形的虚拟产品开发平台的结构框架。塑性成形的虚拟产品开发的关键技术主要包括塑性成形设备及模具的虚拟设计技术、塑性成形虚拟工艺设计及工艺方案合理化技术、塑性成形设备及模具的虚拟制造技术。

4、塑性成形的虚拟产品开发平台的结构

塑性成形的虚拟产品开发技术的关键是开发出进行塑性成形产品设计、制造的虚拟环境，建立产品设计制造方案的分析、模拟、评价平台。由于塑性成形产品的设计和制造是一个复杂的过程，既涉及到材料变形成为产品的过程，又涉及到成形设备和模具，因此塑性成形的虚拟产品开发环境应由以下三个部分组成：塑性成形设备的虚拟设计环境、塑性成形虚拟工艺设计环境和塑性成形模具虚拟制造环境。塑性成形的虚拟产品开发平台的结构框图如图1所示。

图1 塑性成形的虚拟产品开发平台的结构框图

5、塑性成形的虚拟产品开发的关键技术

(1) 塑性成形设备的虚拟设计技术

塑性成形设备的虚拟设计技术主要包括虚拟样机、网络化并行设计和虚拟装配等技术。虚拟样机是样机的虚拟，因此应能反映设备的运动学、动力学特征，预测设备的运动状态，针对设计给出是否满足预先设定的性能指标的评价；此外，它不仅应当具有真实设备的外观形状，而且应当动态地显示设备的真实运动。网络化并行设计技术提供了一种新的设计模式。实现网络并行设计的关键是建立一个由局域网或广域网联结的共同设计空间，在这个设计空间中多个设计者在事先规定给自己的位置上从事从初步设计到细部设计的过程；在设计过程的任何时刻，一个设计者可以随意查看其他设计者的设计，在网络上讨论零件的相互关系，或进行干涉检查。虚拟装配是将设备的装配过程在计算机上虚拟地进行，从而可以在设计阶段发现干涉等装配问题。利用虚拟装配技术，还可以编制装配工艺，训练装配人员等。无论是虚拟样机、网络化并行设计，还是虚拟装配，都要求具备统一的几何模型库，尽管目前的大多数软件还只能通过几何模型的转换来实现这些技术；建立统一、完善的几何模型及其他设计数据的管理体系，采用面向对象技术是一个很好的解决方案。另外，软件上还应研究开发漫游的功能。

(2) 塑性成形虚拟工艺设计技术

塑性成形虚拟工艺设计技术主要包括塑性成形过程的数值模拟、成形性分析、模具虚拟设计与虚拟修模等技术。塑性成形过程的数值模拟技术是虚拟工艺设计的核心技术。通过数值模拟，可以解决塑性成形缺陷预测和工艺参数设计等关系到产品开发成败的问题。成形性分析是产品设计制造可行性的评估技术，包括缺陷分析、综合评估和工艺方案合理化等技术内容。这个评估机制的关键是建立基于知识的综合评估方法。模具是工艺装备，因此模具的设计制造是与工艺不可分割的。模具的虚拟设计要求在设计中考虑到加工、装配、调试等工序，避免因考虑不周造成返工。因此，在模具虚拟设计中应当强调基于特征建模的DFX (Design for X, X为加工、装配、调试…)技术的研究。基于特征建模的DFX技术是正面的解决模具设计问题的方法。由于模具设计的复杂性，做到模具设计的一次准确无误是不大可能的，即便是在实现了模具CAD/CAE一体化的情况下也是如此。基于这个观点，还应当研究从反面解决问题的方法－虚拟修模技术。虚拟修模通过改变模具型腔的相关局部几何来实现。在虚拟工艺设计的基础上，可构造一个塑性成形产品的虚拟试模环境。

(3) 塑性成形模具虚拟制造技术

塑性成形模具虚拟制造技术主要包括制造单元建模、加工模拟、误差建模与模型综合、误差补偿、虚拟测量等技术。所谓制造单元建模是指建立以一个制造单元（如加工中心）为中心的小型制造系统的模拟机制。制造单元建模应当包括制造单元的机械系统、伺服系统和控制系统的建模。加工模拟是“生产”模具虚拟样件的过程模拟。其关键是在虚拟制造单元上建立模具加工过程仿真的虚拟环境。在这个环境中，利用光照模型、纹理、漫游和立体显示技术产生真三维视觉效果。从CAD/CAM系统而来的加工信息总是理想的。因为没有考虑制造单元和刀具等产生的误差，不能反映被加工件的真实精度。误差建模是通过对制造单元和刀具的误差分析，建立误差的数学模型，然后将建立的误差模型与模具几何进行模型综合，再在精度评价的基础上进行误差补偿，从而实现精密模具的CAM。虚拟测量是模具虚拟制造的评价机制。模具虚拟样件的虚拟测量是通过建立的虚拟测量工具的建模环境和虚拟测量工具库，在虚拟环境下对三维对象进行人机交互来实现。

6、结论

虚拟产品开发是一个概念，同时也是一项具有研究和工业应用价值的高新技术。尽管定义的不断深化和内涵的不断扩充表明它尚处在发展初期，但应用的成功实例显示出它具有强大的生命力。它与塑性成形技术的结合将给塑性成形工程的发展带来新的活力。本文着重针对塑性成形的实际，从虚拟产品开发的角度出发，试图勾画出塑性成形的虚拟产品开发平台的轮廓，定义其技术内涵。

主要参考文献
[1]. Schmitz, B., Great Expectations: The Future of Virtual Design, Computer-Aided Engineering, October 1995, pp68.
[2]. Onosato, M., et al., Development of a Virtual Manufacturing System by Integrating Product Models and Factory Models, Annals of the CIRP, 1993, Vol. 42, pp475.
[3]. Jin, Y., et al., The Virtual Design Team: A Computer Simulation Framework for Studying Organizational Aspects of Concurrent Design, Simulation, March 1995, pp160.
[4]. Owen, J.V., Simulation: Art and Science, Manufacturing Engineering, February 1995, pp61.
[5]. Iwata, K., et al., A Modelling and Simulation Architecture for Virtual Manufacturing Systems, Annals of the CIRP, 1995, Vol. 44, pp399.
[6]. Kimura, F., Product and Process Modelling as a Kernel for Virtual Manufacturing Environment, Annals of the CIRP, 1993, Vol. 42, pp147.
[7]. 汪成为，灵境技术与人机和谐仿真环境，计算机研究与发展，1997，34卷，1期，1页。
[8]. 周杰韩等，虚拟制造系统概念与结构框架，华中理工大学学报，1996，24卷，9期，32页。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (1/24/2006)


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