虛擬樣機(jī)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用

1、虛擬樣機(jī)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用席俊杰1,2制造業(yè)自動(dòng)化第28卷第11期2006-11，p19-21 （1.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院, 鄭州 450015; 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué), 北京 100083）摘 要：虛擬樣機(jī)技術(shù)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。討論了虛擬樣機(jī)技術(shù)的內(nèi)涵，分析了其對(duì)制造業(yè)的影響，研究了虛擬樣機(jī)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(jī)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展和應(yīng)用狀況。關(guān)鍵詞：虛擬樣機(jī)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(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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(jì)全球化的發(fā)展，產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，客戶對(duì)產(chǎn)品多樣化和個(gè)性化的要求愈加迫切。市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的核心是產(chǎn)品創(chuàng)新，產(chǎn)品創(chuàng)新主要體現(xiàn)在對(duì)客戶的響應(yīng)速度和響應(yīng)品質(zhì)上。傳統(tǒng)的物理樣機(jī)設(shè)計(jì)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(chǎng)需求，要想在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中獲勝，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、快速響應(yīng)市場(chǎng)，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(biāo)。在持續(xù)性發(fā)展戰(zhàn)略下，為提高核心競(jìng)爭(zhēng)力，制造企業(yè)必須解決其新產(chǎn)品的“（上市時(shí)間）”、“（質(zhì)量）”、“（成本）”、“（服務(wù)）”、“（環(huán)境）”、“（柔性）”等難題。虛擬樣機(jī)技術(shù)（Virtual prototyping technology，簡(jiǎn)稱VPT）正是在這種市場(chǎng)背景下產(chǎn)生的。本文研究了虛擬樣機(jī)技術(shù)的內(nèi)涵及其對(duì)制造業(yè)的影響、虛擬樣機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)及其工業(yè)應(yīng)用。1 虛擬樣機(jī)技術(shù)的內(nèi)涵虛擬樣機(jī)技術(shù)是1990年代隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而興起的一項(xiàng)計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)。虛擬樣機(jī)技術(shù)是一種嶄

6、新的產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)方法，是一種用來代替真實(shí)的物理樣機(jī)設(shè)計(jì)的基于產(chǎn)品的計(jì)算機(jī)仿真模型的數(shù)字化設(shè)計(jì)方法。虛擬樣機(jī)技術(shù)涉及機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、協(xié)同仿真技術(shù)、系統(tǒng)建模技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域、多項(xiàng)技術(shù)，其本質(zhì)是以計(jì)算機(jī)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(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和控制理論為核心，借助計(jì)算機(jī)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(shí)產(chǎn)品，模擬在真實(shí)環(huán)境下系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性并根據(jù)仿真結(jié)構(gòu)優(yōu)化系統(tǒng)，為物理樣機(jī)的設(shè)計(jì)和制造提供參數(shù)依據(jù)。2 虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)制造業(yè)的影響虛擬樣機(jī)技術(shù)較之傳統(tǒng)的物理樣機(jī)技術(shù)是一種先進(jìn)的制造技術(shù)，

7、改變了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，對(duì)制造業(yè)正產(chǎn)生著廣泛深遠(yuǎn)的影響。圖和圖分別給出了傳統(tǒng)的物理樣機(jī)設(shè)計(jì)流程和虛擬樣機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)流程。由圖1知，在傳統(tǒng)的物理樣機(jī)設(shè)計(jì)中，首先要進(jìn)行用戶需求和市場(chǎng)分析，制定產(chǎn)品計(jì)劃，編制設(shè)計(jì)任務(wù)書。然后提出原理性的設(shè)計(jì)方案，繪制原理圖或機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。在技術(shù)設(shè)計(jì)階段，繪制總體設(shè)計(jì)草圖、零部件圖和總裝圖。設(shè)計(jì)完成后，制造物理樣機(jī)并進(jìn)行運(yùn)行試驗(yàn)，有時(shí)試驗(yàn)是破壞性的，如壓力容器的水壓試驗(yàn)。當(dāng)通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)缺陷時(shí)，需要修改設(shè)計(jì)并再制樣機(jī)驗(yàn)證，直至達(dá)到設(shè)計(jì)要求。最后，完成詳細(xì)設(shè)計(jì)，投入批量生產(chǎn)。由圖2知，在虛擬樣機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)中，在制造第一臺(tái)物理樣機(jī)之前，先建立虛擬樣機(jī)模型，并在虛擬環(huán)境下進(jìn)行系統(tǒng)仿

8、真測(cè)試、分析和評(píng)估。以并行設(shè)計(jì)取代串行設(shè)計(jì)，即進(jìn)行面向產(chǎn)品全生命周期的一體化設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)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(cè)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(shè)計(jì)方案，避免了串行設(shè)計(jì)中可能出現(xiàn)的干涉和反復(fù)，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的串行設(shè)計(jì)不考慮各個(gè)子系統(tǒng)之間的動(dòng)態(tài)交互與協(xié)同關(guān)系。傳統(tǒng)的物理樣機(jī)設(shè)計(jì)由于要考慮研制成本、周期等因素，只能進(jìn)行有限范圍、有限次數(shù)的試驗(yàn)，而虛擬樣機(jī)技術(shù)則可實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬樣機(jī)無數(shù)次的仿真測(cè)試，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、制造和使用中的各種缺陷并采取措施修正之。用虛擬樣機(jī)技術(shù)取代傳統(tǒng)的物理樣機(jī)設(shè)計(jì)有利于降低生產(chǎn)成本，提高設(shè)

9、計(jì)質(zhì)量，縮短研發(fā)周期，快速響應(yīng)市場(chǎng)，有利于節(jié)約型社會(huì)的建設(shè)。虛擬樣機(jī)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)企業(yè)聯(lián)盟的重要技術(shù)。聯(lián)盟企業(yè)為達(dá)共同目標(biāo)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(jī)是一種數(shù)字化模型，便于企業(yè)聯(lián)盟實(shí)現(xiàn)基于Internet/Intranet網(wǎng)絡(luò)協(xié)同設(shè)計(jì)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(chǎng)，協(xié)同工作、風(fēng)險(xiǎn)共擔(dān)、資源優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)和利益共享，并使得動(dòng)態(tài)企業(yè)聯(lián)盟具有高度的并行性。3 虛擬樣機(jī)技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)虛擬樣機(jī)技術(shù)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，它涉及到許多關(guān)鍵技術(shù)及研究領(lǐng)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(jī)的支撐環(huán)境等。3.1系統(tǒng)總體技術(shù)虛擬樣機(jī)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(jī)各子系統(tǒng)的運(yùn)行和相互之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)信息和資源共享，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)總體目標(biāo)。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(biāo)準(zhǔn)與協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)以及系統(tǒng)運(yùn)行模式等。其中，系統(tǒng)集成技術(shù)的核心是工程設(shè)計(jì)技術(shù)、建模/仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)/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(jī)技術(shù)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，虛擬樣機(jī)模型是對(duì)實(shí)體的數(shù)學(xué)表示，它給出對(duì)象結(jié)構(gòu)和性能的描述，并能產(chǎn)生相應(yīng)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(jī)建模技術(shù)已經(jīng)從對(duì)實(shí)體的建模發(fā)展到對(duì)環(huán)境的建模和對(duì)人體行為的建模。實(shí)體建模技術(shù)涉及工程

11、和非工程領(lǐng)域各種實(shí)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(jī)理建模技術(shù)、面向?qū)ο蠼＜夹g(shù)、面向組件/服務(wù)的建模技術(shù)、辨識(shí)建模技術(shù)、基于知識(shí)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(fù)雜化，單一模式建模僅能描述對(duì)象的某一特征，在工程應(yīng)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(chǔ)。如航天器、鐵路機(jī)車、汽車等系統(tǒng)組成復(fù)雜的虛擬樣機(jī)系統(tǒng)通常涉及機(jī)械、電子、軟件、控

12、制等多種技術(shù)領(lǐng)域，其系統(tǒng)組成呈現(xiàn)出分布、交互的特點(diǎn)，因此，依靠單一仿真工具無法解決這一涉及多領(lǐng)域的復(fù)雜設(shè)計(jì)問題。對(duì)于復(fù)雜的虛擬樣機(jī)系統(tǒng)，可通過構(gòu)建復(fù)雜系統(tǒng)的混合模型，對(duì)混合模型的分布/協(xié)同仿真來實(shí)現(xiàn)模擬仿真復(fù)雜系統(tǒng)之目的。協(xié)同仿真技術(shù)日益成為了解復(fù)雜產(chǎn)品行為、進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)、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(dòng)力學(xué)仿真之功能。復(fù)雜的虛擬樣機(jī)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(yùn)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(shí)現(xiàn)的分布、異構(gòu)模型之間的互操作與分布式仿真問題。基于日L州示準(zhǔn)的分布交互仿真技術(shù)是實(shí)

13、現(xiàn)虛擬樣機(jī)協(xié)同仿真技術(shù)的重要技術(shù)基礎(chǔ)。3.4虛擬樣機(jī)的支撐環(huán)境虛擬樣機(jī)的支撐環(huán)境應(yīng)具備以下特點(diǎn)：（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(biāo)準(zhǔn)，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(kuò)展性架構(gòu)。（3）提供支持多領(lǐng)域的協(xié)同建模/仿真環(huán)境和虛擬現(xiàn)實(shí)/可視化顯示環(huán)境。（4）集成各類已有的建模和仿真工具，實(shí)現(xiàn)模型和工具的即插即用，支持并行工程方法學(xué)。 （5）采用分布式數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲(chǔ)和管理。（6）實(shí)現(xiàn)分布、異構(gòu)的不同軟硬件平臺(tái)、不同網(wǎng)絡(luò)及不同操作系統(tǒng)之間的互操作。4虛擬樣機(jī)技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用作為一項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)，虛擬樣機(jī)技術(shù)還處于不斷發(fā)展階

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

15、實(shí)驗(yàn)室（JPL）由于采用了虛擬樣機(jī)技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了火星探測(cè)器“探路號(hào)”在火星上的軟著陸。世界最大的工程機(jī)械和建筑設(shè)備制造商美國(guó)卡特彼勒（CATERPILLAR）公司將虛擬樣機(jī)技術(shù)用于反鏟裝載機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)、內(nèi)部可視性評(píng)價(jià)。日本Matsushita公司開發(fā)的虛擬廚房設(shè)備系統(tǒng)，允許消費(fèi)者在購(gòu)買商品前，在虛擬的廚房環(huán)境中體驗(yàn)不同設(shè)備的功能，按自己的喜好評(píng)價(jià)、選擇和重組這些設(shè)備，選擇結(jié)果將被存儲(chǔ)，并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至生產(chǎn)部門進(jìn)行生產(chǎn)。國(guó)外虛擬樣機(jī)技術(shù)相關(guān)軟件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)，占市場(chǎng)份額一半以上的是美國(guó)機(jī)械動(dòng)力學(xué)公司（Mechanical Dynamics Inc.）的機(jī)械系統(tǒng)自動(dòng)動(dòng)力學(xué)分析軟件（Autom

16、atic Dynamic Analysis of Mechanical system）。在國(guó)內(nèi)，虛擬樣機(jī)技術(shù)的研究和應(yīng)用還處于起步階段，尚未開展全面系統(tǒng)的研究。清華大學(xué)國(guó)家CIMS工程技術(shù)研究中心和山西經(jīng)緯紡機(jī)股份有限公司合作，對(duì)高速劍桿織機(jī)產(chǎn)品開展了虛擬樣機(jī)技術(shù)的研究工作，進(jìn)行了產(chǎn)品關(guān)鍵件的虛擬設(shè)計(jì)、虛擬加工，整機(jī)的虛擬裝配等，大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期。航天機(jī)電集團(tuán)第二研究院、清華大學(xué)和北京航空航天大學(xué)合作開展了復(fù)雜系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)的研究、應(yīng)用與實(shí)踐。就總體而言，我國(guó)虛擬樣機(jī)技術(shù)的研究尚停留在系統(tǒng)框架和總體技術(shù)方面，實(shí)質(zhì)性的面向應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)的研究還有待進(jìn)一步拓展，今后應(yīng)著力于以下幾個(gè)方面的研

17、究：（1）基于真實(shí)動(dòng)畫感的虛擬樣機(jī)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(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境及虛擬制造過程中的人機(jī)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(yǔ)虛擬樣機(jī)技術(shù)作為一種全新的設(shè)計(jì)制造概念和一種方興未艾的先進(jìn)制造技術(shù)，有著廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景，它的研究和實(shí)踐必將深刻地改變我國(guó)制造業(yè)的面貌。深入研究虛擬樣機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)并不斷拓展其工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)τ谖覈?guó)實(shí)現(xiàn)從制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變具有重要意義。為適應(yīng)快速變化的市場(chǎng)和顧客化的產(chǎn)品需求，虛擬樣機(jī)技術(shù)必將在復(fù)雜產(chǎn)品、復(fù)雜系統(tǒng)的研發(fā)中發(fā)揮越來越重要的作用。參考文獻(xiàn)：1李伯虎，朱文海，劉杰，等.復(fù)雜產(chǎn)品虛擬樣機(jī)技術(shù)的研究與實(shí)踐J.測(cè)控技術(shù)，2001（11）1-13.2包金宇，廖文和，薛善良.虛擬樣機(jī)技術(shù)初探J.機(jī)械制造與自動(dòng)化，2003 （6）： 1-33熊光楞，李伯虎，柴旭東.虛擬樣機(jī)技術(shù)J.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)