虛擬制造技術(shù)在新型機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用

來源:投影時(shí)代 更新日期:2009-04-09 作者:佚名

    隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,消費(fèi)者對(duì)機(jī)電產(chǎn)品除了必須滿足其基本要求外,還對(duì)質(zhì)量和外觀造型有愈來愈高的期望。這就要求企業(yè)的開發(fā)人員根據(jù)市場(chǎng)需求,迅速地設(shè)計(jì)多品種、多規(guī)格的新產(chǎn)品。為適應(yīng)快速變化的市場(chǎng)發(fā)展,20世紀(jì)80年代末期出現(xiàn)一種新的先進(jìn)制造技術(shù)-虛擬制造技術(shù)。

    機(jī)電產(chǎn)品的傳統(tǒng)開發(fā)模式是一種線形階段模式,產(chǎn)品開發(fā)過程是順序過程,在設(shè)計(jì)早期不能全面地預(yù)見產(chǎn)品的可制造性、可裝配性和質(zhì)量可靠性、用戶滿意度等多種因素,從設(shè)計(jì)到樣機(jī)制作需要反復(fù)修改完善,使產(chǎn)品開發(fā)的周期長(zhǎng)、成本高,質(zhì)量也難以達(dá)到最優(yōu)。隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,人們對(duì)機(jī)電產(chǎn)品的要求已不再停留在可用的基礎(chǔ)上,而是逐漸進(jìn)入個(gè)性化的消費(fèi)階段。產(chǎn)品既要好用,外觀造型、顏色等又要符合消費(fèi)者個(gè)人的審美情趣,這就要求企業(yè)的開發(fā)人員根據(jù)市場(chǎng)的需求,很快地設(shè)計(jì)多品種、多規(guī)格、小批量的新產(chǎn)品,供消費(fèi)者作多向選擇。傳統(tǒng)串行的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)難以適應(yīng)快速變化的市場(chǎng)要求,為解決制造業(yè)面臨的問題,在20世紀(jì)80年代末期出現(xiàn)了一種新的先進(jìn)制造技術(shù)-虛擬制造技術(shù)。

    虛擬制造(Virtual Manufacturing)是虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality)技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用。它利用信息技術(shù)、仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)現(xiàn)實(shí)制造活動(dòng)中的人、物、信息及制造過程進(jìn)行全面的仿真。虛擬制造技術(shù)應(yīng)用於產(chǎn)品開發(fā)中,稱為虛擬產(chǎn)品開發(fā),F(xiàn)有的CAD/CAPP/CAM/CAE、ERP、PDM、SCM、CRM等制造系統(tǒng)模塊,主要針對(duì)產(chǎn)品全生命周期某些階段的解決方案,難以支持企業(yè)作為一個(gè)整體來獲得更高的效率及更強(qiáng)的創(chuàng)新力,以及滿足客戶的多樣化需求;而產(chǎn)品全生命周期管理系統(tǒng)(Product Lifecycle Management System,PLMS)提供了強(qiáng)有力的信息協(xié)同平臺(tái),將上述獨(dú)立的子系統(tǒng)結(jié)合在一起,支持產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與企業(yè)業(yè)務(wù)過程的協(xié)同運(yùn)作。

    PLMS的核心技術(shù)-面向產(chǎn)品全生命周期的虛擬產(chǎn)品開發(fā),其內(nèi)涵為:在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段,充分考慮產(chǎn)品的性能要求、制造過程成本和市場(chǎng)銷售等產(chǎn)品全生命周期(從需求分析、產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)到產(chǎn)品報(bào)廢)的所有因素,在計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)、并行地動(dòng)態(tài)模擬產(chǎn)品的幾何建模、工藝設(shè)計(jì)、制造過程、生產(chǎn)管理、質(zhì)量控制、應(yīng)用維護(hù)等一系列活動(dòng)。虛擬制造不會(huì)消耗現(xiàn)實(shí)資源和能量,所進(jìn)行的制造過程是虛擬的,所生產(chǎn)的產(chǎn)品也是虛擬的,因而可以減少產(chǎn)品的投資風(fēng)險(xiǎn),而且采用并行工程能更有效、更經(jīng)濟(jì)、更靈活地組織生產(chǎn),以達(dá)到新產(chǎn)品的開發(fā)周期最短、成本最低、設(shè)計(jì)質(zhì)量最優(yōu)的目的。

    面向產(chǎn)品全生命周期的虛擬產(chǎn)品創(chuàng)新和協(xié)同管理方案

    面向產(chǎn)品全生命周期的虛擬開發(fā)系統(tǒng),借助於并行工程管理策略和PDM集成技術(shù),在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)不僅考慮產(chǎn)品的功能和結(jié)構(gòu),而且考慮產(chǎn)品全生命周期的所有環(huán)節(jié),如規(guī)劃、設(shè)計(jì)、制造、營(yíng)銷、運(yùn)行、使用、維護(hù)、服務(wù)、環(huán)保、回收等,以求產(chǎn)品的綜合優(yōu)化。虛擬產(chǎn)品開發(fā)過程中雖然存在局部串行現(xiàn)象,但從系統(tǒng)的整體來看,各模塊又是并行作業(yè)。

    面向產(chǎn)品全生命周期的虛擬產(chǎn)品創(chuàng)新和協(xié)同管理方案如圖1所示。該方案打破了產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員與生產(chǎn)制造人員、銷售人員及產(chǎn)品最終使用者之間溝通的技術(shù)障礙,借助網(wǎng)絡(luò)協(xié)同管理,使企業(yè)的產(chǎn)品創(chuàng)新能力獲得極大提升。圖中各功能模塊依賴PDM進(jìn)行產(chǎn)品數(shù)據(jù)集成,這里的集成包括兩方面的含義:一是PDM與系統(tǒng)各工具軟件的集成,二是各工具軟件自身眾多模塊的集成。通過PDM集成系統(tǒng)的圖形和文檔數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)、交流和溝通數(shù)據(jù),使虛擬產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)的各功能模塊相互聯(lián)系、相互依存、協(xié)同發(fā)揮、共享資源及并行工作,保證信息流在虛擬企業(yè)內(nèi)外暢通無阻。

    虛擬產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

    零件三維造型

    零件三維造型是虛擬產(chǎn)品開發(fā)的核心內(nèi)容,其進(jìn)一步的應(yīng)用是虛擬裝配、動(dòng)態(tài)過程仿真、圖形數(shù)據(jù)處理、有限元分析和動(dòng)畫制作等。零件三維造型的方法有曲面造型、實(shí)體造型或?qū)嶓w曲面一體化混合造型等。目前,實(shí)體造型技術(shù)主要以參數(shù)化設(shè)計(jì)和面向特征設(shè)計(jì)為主。參數(shù)化設(shè)計(jì)是虛擬設(shè)計(jì)的重要方向,目前大多數(shù)CAD軟件都提供這項(xiàng)功能,讓用戶方便地反復(fù)修改設(shè)計(jì)參數(shù)。此外,采用的“精確特征實(shí)體造型”技術(shù)拋棄了傳統(tǒng)的體素拼合和交并差的繁瑣方式,使整個(gè)設(shè)計(jì)過程更加直觀、簡(jiǎn)單。大多數(shù)三維CAD軟件都提供獨(dú)立環(huán)境的曲面造型工具,可任意造型與編輯復(fù)雜曲面,并通過曲面和實(shí)體之間的相互配合,實(shí)現(xiàn)曲面裁剪實(shí)體、曲面生成實(shí)體、曲面約束實(shí)體等混合造型操作。

    虛擬裝配

    在對(duì)部件或整機(jī)進(jìn)行有限元分析或動(dòng)態(tài)分析之前,要先對(duì)已完成造型設(shè)計(jì)的虛擬零件進(jìn)行虛擬裝配。虛擬裝配是零件模型按約束關(guān)系進(jìn)行重新定位的過程,它根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的形狀特性及精度特性,真實(shí)地模擬產(chǎn)品的三維裝配過程。常見裝配方法有約束裝配法(如共軸、平衡、重合、垂直等約束關(guān)系)和借助精確定位工具(如CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)V2軟件的三維球)進(jìn)行無約束裝配。裝配完後一般進(jìn)行干涉檢查,以檢驗(yàn)零件間有否發(fā)生干涉或超過了定義的間隙限制,虛擬裝配直接影響後續(xù)的有限元分析和動(dòng)態(tài)仿真的結(jié)果。

    有限元分析

    虛擬產(chǎn)品開發(fā)的目標(biāo)是滿足產(chǎn)品的性能要求、縮短產(chǎn)品周期及降低成本,這與性能優(yōu)良的計(jì)算分析系統(tǒng)分不開。計(jì)算分析的目標(biāo)包括:構(gòu)件的受力分析(靜力分析與動(dòng)力學(xué)分析)、構(gòu)件對(duì)失效的安全性、產(chǎn)品功能檢測(cè)、外部影響的評(píng)價(jià)、通過輕型構(gòu)件減少重量、優(yōu)化材料等。有限元分析法是目前最重要及應(yīng)用最廣泛的計(jì)算機(jī)輔助分析方法。直接將產(chǎn)品的三維零件模型或經(jīng)過降維等方法轉(zhuǎn)換成有限元分析模型,依據(jù)數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)傳至CAE軟件系統(tǒng),就可進(jìn)行有限元分析。

    工藝設(shè)計(jì)

    借助CAM、CAPP軟件,確定已設(shè)計(jì)的零件工藝方案,主要內(nèi)容包括:核準(zhǔn)加工零件的尺寸、公差及精度等加工要求、設(shè)定毛坯、確定工件裝卡方式、選擇加工刀具、確定加工方法、確定加工工藝路線、設(shè)定工藝參數(shù)等。

    仿真系統(tǒng)

    借助CAM軟件,根據(jù)所要加工工件的形狀特點(diǎn)、不同的工藝要求和精度要求,靈活地選擇各種加工方式和加工參數(shù),快速生成、編輯所需要的刀具軌跡(即刀具的切削路徑),并可通過CAM軟件的幾何仿真系統(tǒng)實(shí)時(shí)或快速地仿真刀具—工件幾何體的運(yùn)動(dòng),以驗(yàn)證生成的刀具軌跡是否正確和有否產(chǎn)生過切現(xiàn)象。

    虛擬數(shù)控技術(shù)

    通過CAM軟件對(duì)已生成的刀具軌跡進(jìn)行加工機(jī)床設(shè)置和後置處理,即按機(jī)床規(guī)定的格式進(jìn)行定制,從而生成和特定機(jī)床相匹配的NC代碼。虛擬數(shù)控技術(shù)就是借助數(shù)控加工仿真CNC軟件,采用完全模擬真實(shí)機(jī)床的虛擬數(shù)控機(jī)床對(duì)NC代碼的切削狀態(tài)進(jìn)行檢驗(yàn),用戶可以生動(dòng)地看到實(shí)時(shí)的加工過程仿真,以檢驗(yàn)加工過程中刀具軌跡的正確性,以及刀具有否過切、刀具與夾具及機(jī)床有否碰撞等問題。較先進(jìn)的虛擬CNC系統(tǒng)還可以進(jìn)行力學(xué)仿真,通過切削過程的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性來預(yù)測(cè)刀具破損、刀具振動(dòng)、控制切削參數(shù),從而達(dá)到優(yōu)化切削過程的目的。采用虛擬數(shù)控加工,用戶不僅可以迅速地掌握CNC機(jī)床的操作過程,在調(diào)試過程還能減少和避免在真實(shí)加工環(huán)境中出現(xiàn)的各種錯(cuò)誤,特別是用虛擬機(jī)床代替真實(shí)機(jī)床進(jìn)行培訓(xùn),在降低費(fèi)用的同時(shí),還可獲得更佳的培訓(xùn)效果。

    產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理

    產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)是虛擬產(chǎn)品開發(fā)的重要使能條件之一,是虛擬產(chǎn)品開發(fā)得以實(shí)現(xiàn)的核心功能。由於整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)過程會(huì)形成大量的信息,包括產(chǎn)品、過程的數(shù)字模型、模型的連續(xù)循環(huán)以及相關(guān)的過程信息等。設(shè)計(jì)參與者不僅包括生產(chǎn)廠家的設(shè)計(jì)、工藝、制造、裝配等人員,還包括供應(yīng)商、合作夥伴和客戶等。這些人員在地理位置上往往是分散的,且各自使用不同的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和不同的軟件工具來產(chǎn)生整個(gè)產(chǎn)品生命周期所需要的各種數(shù)據(jù),而且這些計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和軟件可能建立在不同的網(wǎng)絡(luò)體系上。在這種情況下,如何使數(shù)據(jù)保持最新的和正確的,并且在整個(gè)虛擬企業(yè)的范圍內(nèi)得到充分的共享和有效的傳輸,同時(shí)保證數(shù)據(jù)免遭有意或無意的破壞。這些都是PDM需要解決的問題。

    并行工程

    虛擬產(chǎn)品開發(fā)是產(chǎn)品開發(fā)的方法,是一種制造策略,而并行工程是貫穿全個(gè)虛擬產(chǎn)品開發(fā)過程的哲學(xué)方法,它應(yīng)被看作是管理策略,而不是制造策略。對(duì)虛擬產(chǎn)品進(jìn)行需求分析、零件造型設(shè)計(jì)、虛擬裝配、有限元分析、工藝規(guī)劃、仿真加工及測(cè)試的同時(shí),考慮產(chǎn)品整個(gè)生命周期內(nèi)活動(dòng)的過程是并行工程;虛擬產(chǎn)品開發(fā)中以顧客為第一驅(qū)動(dòng),產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、分析、測(cè)試、裝配、銷售、維護(hù)等專業(yè)人員,以及供應(yīng)商、合作夥伴和用戶同時(shí)參與產(chǎn)品開發(fā)的過程是并行工程;虛擬產(chǎn)品開發(fā)通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在不同地點(diǎn)、不同單位和部門、不同專業(yè)人員之間進(jìn)行協(xié)同也可以認(rèn)為是并行工程?傊,虛擬產(chǎn)品開發(fā)以并行工程為開發(fā)機(jī)制的主要目標(biāo)是:提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮短產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間和降低開發(fā)成本等。

    虛擬產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)的軟硬件平臺(tái)

    虛擬產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)的有機(jī)結(jié)合。其硬件平臺(tái)包括:計(jì)算機(jī)(圖形工作站)、網(wǎng)絡(luò)、虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備(如3D傳感器、頭套、眼鏡等)、圖形掃描儀、三座標(biāo)測(cè)量?jī)x、繪圖儀、打印機(jī)、快速成型機(jī)、投影儀等。虛擬機(jī)電產(chǎn)品的擬實(shí)原型就是通過這些設(shè)備能夠感知的方式表現(xiàn)出來。虛擬產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)的軟件平臺(tái)包括:市場(chǎng)需求分析軟件、三維CAD軟件(含裝配、渲染模塊)、產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)工具、優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件、圖形數(shù)據(jù)處理軟件、工程數(shù)據(jù)庫管理軟件、規(guī)劃OA軟件、CAPP軟件、CAM軟件(含仿真模塊)、CAE軟件、虛擬CNC軟件、過程監(jiān)控軟件、PDM軟件、成本分析軟件、CRM、SCM、ERP等生產(chǎn)供應(yīng)鏈管理軟件,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)軟件等。

   

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