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虚拟技术在新产品开发中的应用 |
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作者：上海通用汽车有限公司 李斌 |
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一、前言
随着科技的飞速发展，企业间的竞争日趋激烈，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5～8年降至目前的3～5年。
(2)产品品种急剧增加。为适应用户需求，企业大力发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4～5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、高性能和低成本产品已成为企业保持竞争力的关键，而建立高效、低成本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，要求不断发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发展起来。它为企业带来了一个全新的发展空间。
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结构和性能，从产品设计、分析、模拟、评测出发，对客户需求的产品性能和成本进行优化。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，以缩短制造周期和达到最低的制造成本为目标。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范畴，虚拟制造系统则属于过程设计与开发范畴，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，虚拟技术基本上可以分为三类，而每类虚拟产品开发技术的输出内容当然也有所不同。
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，如有必要的话还可选定材质渲染进行外观评估。
此外，这些造型软件基本都有运动分析、产品干涉分析等功能，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：
(1)虚拟产品样机，包括工装、模具设计等；
(2) 包含完整信息的产品设计图；
(3)产品外观和性能评估；
(4)加工程序；
(5)初步工艺流程。
2. 虚拟制造技术
在虚拟样机的数据基础上，引入相应的加工设备、工装、模具、操作人员等虚拟工位模型，在计算机上可进行预先制造模拟仿真。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，可以检验焊接机器人的位置是否合适，能否完成所有焊点要求，制造过程需要的安全空间和时间、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，节约开发成本。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：
(1) 虚拟样机整体配合分析报告；
(2)制造可行性分析报告；
(3)合理的工艺路径和安排；
(4)工艺参数的初步确定；
(5)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生产线的一部分。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：
(1)规划工位布局；
(2)生产线性能分析；
(3)生产线平衡；
(4)生产节拍控制；
(5)工艺文件；
(6)操作人员配制；
(7)物流安排；
(8)制造投资的预算。
由于虚拟技术的操作是在软件平台的基础上进行的，最终实际输出内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、规模和结构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行，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策划（APQP）方式进行，将整个开发过程分为五个阶段：计划和项目的确定、产品设计和开发、过程技术和开发、产品和过程的确认、反馈评价和纠正措施，如图4所示。
图4 APQP先期产品质量策划模式
先期产品质量策划是一个系统工程，是用于确保企业满足顾客对产品质量、交付、成本和准时性等方面需求的必须步骤。
结合本文对虚拟产品开发技术的论述，大体上可以给出在开发过程中虚拟技术参与的阶段和时间，如图5所示。
图5 虚拟技术与APQP先期产品质量策划模式
值得强调的是，样品试制这一在产品开发过程中的重要阶段。样品的主要目的是对产品和过程的确认，是在投产前通对产品的全面评估，是企业开发新产品并批量生产前的一个重要阶段。虚拟技术基本上覆盖这些方面，对于一些简单的产品而言，虚拟产品技术已可以完全替代实物验证。然而，由于虚拟制造技术还处在发展过程中，对于复杂产品，目前还不能完全替代样品，但已大大减少样品制造的数量，从而减低开发成本的投入。而对于非正式样品——手工样品，目前虚拟样机技术已可满足和替代手工样品验证新产品的尺寸配合和外观形状的需求。
随着时间的推移，产品开发过程完全虚拟化运作将是不可避免的。
五、结论
综上所述，虚拟产品开发技术将CAx/DFx技术、设计过程管理、虚拟现实技术等集成起来，形成一个交互式环境，以支持产品设计过程中的并行工程方法，从而缩短新产品研制周期，降低开发费用。一般地，结合企业实际情况，选择和购买选择适合行业特点的软件并配备相应的硬件，先从虚拟产品开发入手，再到虚拟制造和虚拟制造系统建立，从而实现企业技术的整体提升。在发展虚拟开发技术过程中，应与本企业产品开发的特点结合，制定一个行之有效的产品开发流程，让虚拟开发技术在实际应用发挥最大作用，以免不必要的资源浪费。
最后，应当重视加强产品和制造数据的标准化和规范化管理，确保企业内部有统一的数据交流平台，并制定相应的流程保证虚拟模型和实物的一致性，从而避免数据的潜在缺陷并提高数据的重复使用率，以求提高开发质量，缩短开发周期，降低开发成本。
原载《CAD/CAM与制造业信息化》杂志(end)
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(4/10/2006) |
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