虛擬樣機技術(shù)的發(fā)展及應用

1、虛擬樣機技術(shù)的發(fā)展及應用席俊杰1,2制造業(yè)自動化第28卷第11期2006-11，p19-21 （1.鄭州航空工業(yè)管理學院, 鄭州 450015; 2.中國礦業(yè)大學, 北京 100083）摘 要：虛擬樣機技術(shù)是一項復雜的系統(tǒng)工程。討論了虛擬樣機技術(shù)的內(nèi)涵，分析了其對制造業(yè)的影響，研究了虛擬樣機的關(guān)鍵技術(shù)：系統(tǒng)總體技術(shù)、建模技術(shù)、協(xié)同仿真技術(shù)及支撐環(huán)境技術(shù)，介紹了虛擬樣機技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展和應用狀況。關(guān)鍵詞：虛擬樣機技術(shù)；建模技術(shù)；協(xié)同仿真技術(shù)；支撐環(huán)境中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A文章編號：1009-0134（2006）11-0019-03Development and applic

2、ation of virtual prototyping technology XIJun-jie1,2（1. Zhengzhou Institute of Aeronautical Industry Management, Zhengzhou 450015, China;2. China University of Mining & Technology, Beijing 100083, China）Abstract： Virtual prototyping technology is a complex system engineering. This paper discusse

3、s the meaning of virtual prototyping technology, analyses its influence to manufacturing industry and researches its key technology： system overall technology, modeling technology and supporting, collaborative simulation technology and supporting environment. It also introduces the development and a

4、pplication of virtual prototyping technology at home and abroad.Key words： virtual prototyping technology；modeling technology；collaborative simulation technology；supporting environment0 引言隨著經(jīng)濟全球化的發(fā)展，產(chǎn)品的市場競爭日趨激烈，客戶對產(chǎn)品多樣化和個性化的要求愈加迫切。市場競爭的核心是產(chǎn)品創(chuàng)新，產(chǎn)品創(chuàng)新主要體現(xiàn)在對客戶的響應速度和響應品質(zhì)上。傳統(tǒng)的物理樣機設計流程在產(chǎn)品研發(fā)中已經(jīng)越來越無法滿足多變的、持續(xù)

5、發(fā)展的市場需求，要想在市場競爭中獲勝，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、快速響應市場，降低產(chǎn)品的生命周期成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量成為企業(yè)追求的目標。在持續(xù)性發(fā)展戰(zhàn)略下，為提高核心競爭力，制造企業(yè)必須解決其新產(chǎn)品的“（上市時間）”、“（質(zhì)量）”、“（成本）”、“（服務）”、“（環(huán)境）”、“（柔性）”等難題。虛擬樣機技術(shù)（Virtual prototyping technology，簡稱VPT）正是在這種市場背景下產(chǎn)生的。本文研究了虛擬樣機技術(shù)的內(nèi)涵及其對制造業(yè)的影響、虛擬樣機的關(guān)鍵技術(shù)及其工業(yè)應用。1 虛擬樣機技術(shù)的內(nèi)涵虛擬樣機技術(shù)是1990年代隨著計算機技術(shù)的發(fā)展而興起的一項計算機輔助工程技術(shù)。虛擬樣機技術(shù)是一種嶄

6、新的產(chǎn)品設計研發(fā)方法，是一種用來代替真實的物理樣機設計的基于產(chǎn)品的計算機仿真模型的數(shù)字化設計方法。虛擬樣機技術(shù)涉及機械、電子、計算機圖形學、協(xié)同仿真技術(shù)、系統(tǒng)建模技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)等多個領域、多項技術(shù)，其本質(zhì)是以計算機支持的仿真技術(shù)和生命周期建模技術(shù)為前提，以多體系統(tǒng)運動學、動力學和控制理論為核心，借助計算機圖形技術(shù)、交互式用戶界面技術(shù)、并行工程技術(shù)、信息技術(shù)和集成技術(shù)等，從外觀、功能和空間關(guān)系上模擬真實產(chǎn)品，模擬在真實環(huán)境下系統(tǒng)的運動學和動力學特性并根據(jù)仿真結(jié)構(gòu)優(yōu)化系統(tǒng)，為物理樣機的設計和制造提供參數(shù)依據(jù)。2 虛擬樣機技術(shù)對制造業(yè)的影響虛擬樣機技術(shù)較之傳統(tǒng)的物理樣機技術(shù)是一種先進的制造技術(shù)，

7、改變了傳統(tǒng)的設計理念，對制造業(yè)正產(chǎn)生著廣泛深遠的影響。圖和圖分別給出了傳統(tǒng)的物理樣機設計流程和虛擬樣機技術(shù)設計流程。由圖1知，在傳統(tǒng)的物理樣機設計中，首先要進行用戶需求和市場分析，制定產(chǎn)品計劃，編制設計任務書。然后提出原理性的設計方案，繪制原理圖或機構(gòu)運動簡圖。在技術(shù)設計階段，繪制總體設計草圖、零部件圖和總裝圖。設計完成后，制造物理樣機并進行運行試驗，有時試驗是破壞性的，如壓力容器的水壓試驗。當通過試驗發(fā)現(xiàn)缺陷時，需要修改設計并再制樣機驗證，直至達到設計要求。最后，完成詳細設計，投入批量生產(chǎn)。由圖2知，在虛擬樣機技術(shù)設計中，在制造第一臺物理樣機之前，先建立虛擬樣機模型，并在虛擬環(huán)境下進行系統(tǒng)仿

8、真測試、分析和評估。以并行設計取代串行設計，即進行面向產(chǎn)品全生命周期的一體化設計，在設計階段就從整體上并行地考慮產(chǎn)品全生命周期的功能結(jié)構(gòu)、工藝規(guī)劃、可制造性、可裝配性、可測試性、可維修性以及可靠性等各方面的要求及相互關(guān)系，并不斷優(yōu)化設計方案，避免了串行設計中可能出現(xiàn)的干涉和反復，因為傳統(tǒng)的串行設計不考慮各個子系統(tǒng)之間的動態(tài)交互與協(xié)同關(guān)系。傳統(tǒng)的物理樣機設計由于要考慮研制成本、周期等因素，只能進行有限范圍、有限次數(shù)的試驗，而虛擬樣機技術(shù)則可實現(xiàn)對虛擬樣機無數(shù)次的仿真測試，便于及時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在設計、制造和使用中的各種缺陷并采取措施修正之。用虛擬樣機技術(shù)取代傳統(tǒng)的物理樣機設計有利于降低生產(chǎn)成本，提高設

9、計質(zhì)量，縮短研發(fā)周期，快速響應市場，有利于節(jié)約型社會的建設。虛擬樣機技術(shù)是實現(xiàn)動態(tài)企業(yè)聯(lián)盟的重要技術(shù)。聯(lián)盟企業(yè)為達共同目標形成一種戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，組成基于Internet的虛擬企業(yè)。由于虛擬樣機是一種數(shù)字化模型，便于企業(yè)聯(lián)盟實現(xiàn)基于Internet/Intranet網(wǎng)絡協(xié)同設計與制造、信息集成與共享，共同開發(fā)新的技術(shù)、產(chǎn)品和市場，協(xié)同工作、風險共擔、資源優(yōu)勢互補和利益共享，并使得動態(tài)企業(yè)聯(lián)盟具有高度的并行性。3 虛擬樣機技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)虛擬樣機技術(shù)是一項復雜的系統(tǒng)工程，它涉及到許多關(guān)鍵技術(shù)及研究領域，如系統(tǒng)總體技術(shù)、建模技術(shù)、協(xié)同仿真技術(shù)、虛擬樣機的支撐環(huán)境等。3.1系統(tǒng)總體技術(shù)虛擬樣機系統(tǒng)總

10、體技術(shù)要從整體出發(fā)，規(guī)定和協(xié)調(diào)構(gòu)成虛擬樣機各子系統(tǒng)的運行和相互之間的關(guān)系，實現(xiàn)信息和資源共享，實現(xiàn)系統(tǒng)總體目標。系統(tǒng)總體技術(shù)涉及規(guī)范化的體系結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)采用的標準與協(xié)議、網(wǎng)絡技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)以及系統(tǒng)運行模式等。其中，系統(tǒng)集成技術(shù)的核心是工程設計技術(shù)、建模/仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實/可視化技術(shù)這3類技術(shù)的集成與優(yōu)化。3.2建模技術(shù)建模技術(shù)是虛擬樣機技術(shù)中的一個重要環(huán)節(jié)，虛擬樣機模型是對實體的數(shù)學表示，它給出對象結(jié)構(gòu)和性能的描述，并能產(chǎn)生相應的圖形，如功能視圖、結(jié)構(gòu)試圖和行為視圖。隨著仿真技術(shù)的發(fā)展，虛擬樣機建模技術(shù)已經(jīng)從對實體的建模發(fā)展到對環(huán)境的建模和對人體行為的建模。實體建模技術(shù)涉及工程

11、和非工程領域各種實體的建模技術(shù)，環(huán)境建模技術(shù)主要解決環(huán)境（如地形、地貌、海洋、大氣、空間環(huán)境等）的建立，人體建模技術(shù)主要涉及模擬人體器官組織和人體在外界物理刺激下的人體外表、功能、性能和行為等的建模技術(shù)。目前主要的建模技術(shù)有幾何建模、機理建模技術(shù)、面向?qū)ο蠼＜夹g(shù)、面向組件/服務的建模技術(shù)、辨識建模技術(shù)、基于知識的建模、多模式建模技術(shù)、可視化建模技術(shù)及多媒體建模技術(shù)等。隨著被建模系統(tǒng)的日益復雜化，單一模式建模僅能描述對象的某一特征，在工程應用中，常常是多種建模技術(shù)的集成。3.3協(xié)同仿真技術(shù)系統(tǒng)建模是系統(tǒng)仿真的基礎。如航天器、鐵路機車、汽車等系統(tǒng)組成復雜的虛擬樣機系統(tǒng)通常涉及機械、電子、軟件、控

12、制等多種技術(shù)領域，其系統(tǒng)組成呈現(xiàn)出分布、交互的特點，因此，依靠單一仿真工具無法解決這一涉及多領域的復雜設計問題。對于復雜的虛擬樣機系統(tǒng)，可通過構(gòu)建復雜系統(tǒng)的混合模型，對混合模型的分布/協(xié)同仿真來實現(xiàn)模擬仿真復雜系統(tǒng)之目的。協(xié)同仿真技術(shù)日益成為了解復雜產(chǎn)品行為、進行優(yōu)化設計、提高整體性能和質(zhì)量的有力工具和重要手段。協(xié)同仿真技術(shù)具有結(jié)構(gòu)仿真、性能仿真、控制仿真、多體動力學仿真之功能。復雜的虛擬樣機系統(tǒng)的協(xié)同仿真技術(shù)包括協(xié)同建模技術(shù)、協(xié)同仿真技術(shù)和協(xié)同仿真運行管理技術(shù)外方面。協(xié)同仿真技術(shù)主要解決由不同工具、不同算法實現(xiàn)的分布、異構(gòu)模型之間的互操作與分布式仿真問題?；谌誏州示準的分布交互仿真技術(shù)是實

13、現(xiàn)虛擬樣機協(xié)同仿真技術(shù)的重要技術(shù)基礎。3.4虛擬樣機的支撐環(huán)境虛擬樣機的支撐環(huán)境應具備以下特點：（1）采用開放性的、模塊化的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，最大限度地采用目前流行的產(chǎn)品和標準，減少新的工具和支撐系統(tǒng)的開發(fā)。（2）采用支持未來軟件概念的可擴展性架構(gòu)。（3）提供支持多領域的協(xié)同建模/仿真環(huán)境和虛擬現(xiàn)實/可視化顯示環(huán)境。（4）集成各類已有的建模和仿真工具，實現(xiàn)模型和工具的即插即用，支持并行工程方法學。 （5）采用分布式數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲和管理。（6）實現(xiàn)分布、異構(gòu)的不同軟硬件平臺、不同網(wǎng)絡及不同操作系統(tǒng)之間的互操作。4虛擬樣機技術(shù)的工業(yè)應用作為一項先進制造技術(shù)，虛擬樣機技術(shù)還處于不斷發(fā)展階

14、段，虛擬樣機技術(shù)在國外的汽車制造、航空航天、鐵路機車、通訊、工程機械等諸多領域已經(jīng)獲得一些成功的應用，對產(chǎn)業(yè)界產(chǎn)生了強大的沖擊作用。美國戴姆勒-克萊斯勒（DAMERCHRYSLER）公司開發(fā)的93LH列汽車，采用虛擬樣機技術(shù)后，開發(fā)周期由48個月縮短到39個月。美國波音（BOEING）公司設計的VS-X虛擬飛機，可用頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套進行觀察與控制，使飛機設計人員身臨其境地觀察飛機設計的結(jié)果，并對其外觀、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及使用性能進行考察波音77型客機的設計，從整機設計、部件測試到整機裝配以及各環(huán)境下的試飛，均采用了虛擬樣機技術(shù)，該機型的開發(fā)周期由8年縮短為5年。美國航空航天局（NASA）的噴氣推進

15、實驗室（JPL）由于采用了虛擬樣機技術(shù)，成功實現(xiàn)了火星探測器“探路號”在火星上的軟著陸。世界最大的工程機械和建筑設備制造商美國卡特彼勒（CATERPILLAR）公司將虛擬樣機技術(shù)用于反鏟裝載機優(yōu)化設計、內(nèi)部可視性評價。日本Matsushita公司開發(fā)的虛擬廚房設備系統(tǒng)，允許消費者在購買商品前，在虛擬的廚房環(huán)境中體驗不同設備的功能，按自己的喜好評價、選擇和重組這些設備，選擇結(jié)果將被存儲，并通過網(wǎng)絡發(fā)送至生產(chǎn)部門進行生產(chǎn)。國外虛擬樣機技術(shù)相關(guān)軟件已經(jīng)實現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)，占市場份額一半以上的是美國機械動力學公司（Mechanical Dynamics Inc.）的機械系統(tǒng)自動動力學分析軟件（Autom

16、atic Dynamic Analysis of Mechanical system）。在國內(nèi)，虛擬樣機技術(shù)的研究和應用還處于起步階段，尚未開展全面系統(tǒng)的研究。清華大學國家CIMS工程技術(shù)研究中心和山西經(jīng)緯紡機股份有限公司合作，對高速劍桿織機產(chǎn)品開展了虛擬樣機技術(shù)的研究工作，進行了產(chǎn)品關(guān)鍵件的虛擬設計、虛擬加工，整機的虛擬裝配等，大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期。航天機電集團第二研究院、清華大學和北京航空航天大學合作開展了復雜系統(tǒng)虛擬樣機技術(shù)的研究、應用與實踐。就總體而言，我國虛擬樣機技術(shù)的研究尚停留在系統(tǒng)框架和總體技術(shù)方面，實質(zhì)性的面向應用的關(guān)鍵技術(shù)的研究還有待進一步拓展，今后應著力于以下幾個方面的研

17、究：（1）基于真實動畫感的虛擬樣機的裝配仿真、生產(chǎn)制造過程及生產(chǎn)調(diào)度仿真、數(shù)控加工過程仿真等技術(shù)與系統(tǒng)。（2）應用虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)虛擬環(huán)境及虛擬制造過程中的人機協(xié)同求解。（3）虛擬環(huán)境下分布式并行處理的智能協(xié)同求解技術(shù)與系統(tǒng)。5 結(jié)語虛擬樣機技術(shù)作為一種全新的設計制造概念和一種方興未艾的先進制造技術(shù)，有著廣闊的發(fā)展和應用前景，它的研究和實踐必將深刻地改變我國制造業(yè)的面貌。深入研究虛擬樣機的關(guān)鍵技術(shù)并不斷拓展其工業(yè)應用領域?qū)τ谖覈鴮崿F(xiàn)從制造大國向制造強國的轉(zhuǎn)變具有重要意義。為適應快速變化的市場和顧客化的產(chǎn)品需求，虛擬樣機技術(shù)必將在復雜產(chǎn)品、復雜系統(tǒng)的研發(fā)中發(fā)揮越來越重要的作用。參考文獻：1李伯虎，朱文海，劉杰，等.復雜產(chǎn)品虛擬樣機技術(shù)的研究與實踐J.測控技術(shù)，2001（11）1-13.2包金宇，廖文和，薛善良.虛擬樣機技術(shù)初探J.機械制造與自動化，2003 （6）： 1-33熊光楞，李伯虎，柴旭東.虛擬樣機技術(shù)J.系統(tǒng)仿真學報