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一、前言
隨著科技的飛速發(fā)展，企業(yè)間的競爭日趨激烈，市場的變化不斷加快。企業(yè)的新產(chǎn)品開發(fā)也隨之出現(xiàn)一些新的特點：
(1) 產(chǎn)品生命周期明顯縮短。以汽車為例，新產(chǎn)品的生命周期從20世紀(jì)90年代的5～8年降至目前的3～5年。
(2) 產(chǎn)品品種急劇增加。為適應(yīng)用戶需求，企業(yè)大力發(fā)展訂貨式的個性化產(chǎn)品。即使是大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，也可根據(jù)顧客多樣化的功能要求和喜好實現(xiàn)訂貨方式的銷售模式。
(3) 產(chǎn)品開發(fā)周期極大壓縮。以汽車為例，產(chǎn)品改型設(shè)計開發(fā)周期從過去的4～5年壓縮為目前2年左右。
因此，對大型企業(yè)來言，及時開發(fā)出適應(yīng)市場需求的高質(zhì)量、高性能和低成本產(chǎn)品已成為企業(yè)保持競爭力的關(guān)鍵，而建立高效、低成本的新產(chǎn)品快速響應(yīng)開發(fā)體系則是實現(xiàn)這一目標(biāo)的保證。顯而易見，傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計方法已經(jīng)很難滿足需要，面對這種嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，要求不斷發(fā)展和應(yīng)用先進(jìn)的生產(chǎn)制造技術(shù)來適應(yīng)這一變化。正是在這種日益嚴(yán)酷環(huán)境的催生下，虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)正在迅速發(fā)展起來。它為企業(yè)帶來了一個全新的發(fā)展空間。
二、虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)的分類
虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)不是直接建立智能化的思維模型，而是將動態(tài)仿真技術(shù)與擬實環(huán)境相結(jié)合，使開發(fā)人員能通過視覺和思維來感知及判斷擬實環(huán)境中的產(chǎn)品運行情況，兩者可交互互動，因而能比較完善地把人與計算機結(jié)合成一體，使人的智慧得到充分的發(fā)揮和應(yīng)用，而不僅僅是計算機的被動伙伴，由此引發(fā)了產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)新的突破。
按功能及所處理的不同模型可將虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)劃分為三類：產(chǎn)品的虛擬設(shè)計技術(shù)、產(chǎn)品的虛擬制造技術(shù)和虛擬制造系統(tǒng)。
1. 面向?qū)ο蟛煌?/strong>
產(chǎn)品的虛擬設(shè)計技術(shù)的對象是產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和性能，從產(chǎn)品設(shè)計、分析、模擬、評測出發(fā)，對客戶需求的產(chǎn)品性能和成本進(jìn)行優(yōu)化。它的對象是產(chǎn)品本身。
而產(chǎn)品的虛擬制造技術(shù)則是對向產(chǎn)品制造過程的模擬、檢驗和優(yōu)化，檢驗產(chǎn)品的可制造性、加工方法和工藝的合理性，從而保證產(chǎn)品的制造質(zhì)量，以縮短制造周期和達(dá)到最低的制造成本為目標(biāo)。它的對象是產(chǎn)品的制造。
虛擬制造系統(tǒng)則著重于生產(chǎn)過程的規(guī)劃、組織管理、資源調(diào)度、物流、信息流等的建模、仿真與優(yōu)化。它的對象是整個工廠和企業(yè)。
2. 在企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)過程中應(yīng)用階段不同
對于企業(yè)來說，新產(chǎn)品開發(fā)過程有兩個關(guān)鍵階段：產(chǎn)品設(shè)計與開發(fā)，過程設(shè)計與開發(fā)。前者重點是考慮產(chǎn)品的功能、設(shè)計的可行性、能否滿足顧客的要求等，后者則著重考慮實現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)的可行性、可控性、經(jīng)濟(jì)性。產(chǎn)品的虛擬設(shè)計屬于產(chǎn)品設(shè)計與開發(fā)范疇，虛擬制造系統(tǒng)則屬于過程設(shè)計與開發(fā)范疇，而產(chǎn)品的虛擬制造則將兩者有機結(jié)合起來：既是產(chǎn)品的可行性輸出又是過程設(shè)計的輸入。
3. 所要求的軟件平臺不同
基于目前的軟件開發(fā)和計算機能力，這三類虛擬技術(shù)對軟件平臺有不同的要求：虛擬設(shè)計要求計算機提供便捷和多樣的造型能力，穩(wěn)定和高精度的圖形顯示能力以及相應(yīng)的測量和分析能力。而虛擬制造需要處理的對象不僅是虛擬樣機，還有設(shè)備、環(huán)境、操作人員等虛擬模型，在數(shù)據(jù)的容量和類型上較前者要復(fù)雜得多，此時需要計算機更多著重于圖形顯示和數(shù)據(jù)處理速度。虛擬制造系統(tǒng)著眼整個制造系統(tǒng)性能分析，要處理的數(shù)據(jù)規(guī)模相比更大，此外還要求軟件能提供管理層需要的各種工藝報表和圖表等。當(dāng)然，不排除將來有一天，隨著計算機能力和軟件水平的提高，出現(xiàn)一個集成所有虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)的軟件平臺。
雖然將虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)分為三種類型，但它們都是圍繞著產(chǎn)品而活動，是一個彼此相互聯(lián)系有機整體。虛擬模型大致關(guān)系如圖1所示。
圖1 虛擬制造模型相互關(guān)系圖
三、虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)的應(yīng)用
通過以上介紹可知，虛擬技術(shù)基本上可以分為三類，而每類虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)的輸出內(nèi)容當(dāng)然也有所不同。
1. 產(chǎn)品的虛擬設(shè)計
目前，3D產(chǎn)品設(shè)計軟件在工廠已得到廣泛應(yīng)用，而傳統(tǒng)的2D設(shè)計軟件正在逐漸退出。概括地說，現(xiàn)代生產(chǎn)中產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)就是建立虛擬樣機。相對于2D設(shè)計，3D設(shè)計不僅可以讓設(shè)計師直觀評價產(chǎn)品，而且使設(shè)計本身更加便捷，快速，如有必要的話還可選定材質(zhì)渲染進(jìn)行外觀評估。
此外，這些造型軟件基本都有運動分析、產(chǎn)品干涉分析等功能，有的甚至具有有限元分析工具。
現(xiàn)代設(shè)計軟件還集成了加工制造輔助功能，具有從產(chǎn)品設(shè)計直接過渡到工裝模具設(shè)計，最后到數(shù)控加工設(shè)備的制造數(shù)據(jù)輸出，由此形成的一條由產(chǎn)品和加工數(shù)據(jù)組成的產(chǎn)品設(shè)計鏈。這個階段的主要輸出如下：
虛擬產(chǎn)品樣機，包括工裝、模具設(shè)計等；
包含完整信息的產(chǎn)品設(shè)計圖；
產(chǎn)品外觀和性能評估；
加工程序；
初步工藝流程。
2. 虛擬制造技術(shù)
在虛擬樣機的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，引入相應(yīng)的加工設(shè)備、工裝、模具、操作人員等虛擬工位模型，在計算機上可進(jìn)行預(yù)先制造模擬仿真。圖2所示的是汽車發(fā)動機底盤托架虛擬焊接制造。通過模擬，可以檢驗焊接機器人的位置是否合適，能否完成所有焊點要求，制造過程需要的安全空間和時間、操作人員的行動要求等要素。
圖2 汽車發(fā)動機底盤托架焊接虛擬制造
與實物驗證開發(fā)相比，顯然采用虛擬制造技術(shù)可以縮短開發(fā)周期，大大降低人力和物力的投入，節(jié)約開發(fā)成本。一個擁有完整虛擬制造技術(shù)的企業(yè)相當(dāng)于擁有一個樣品試制車間。在虛擬樣機的制造可行性分析過程中，可以得到如下信息：
虛擬樣機整體配合分析報告；
制造可行性分析報告；
合理的工藝路徑和安排；
工藝參數(shù)的初步確定；
操作工時預(yù)估。
3. 虛擬制造系統(tǒng)技術(shù)
在虛擬制造系統(tǒng)中，不僅要關(guān)注產(chǎn)品和制造生產(chǎn)線，還要考慮涉及生產(chǎn)的一切因素：如廠房布局、輔助工具、物流安排等。圖3所示的是汽車側(cè)圍虛擬焊接生產(chǎn)線的一部分。建立虛擬制造系統(tǒng)的目的是通過對產(chǎn)品正常生產(chǎn)狀態(tài)的模擬和分析，了解產(chǎn)品正常生產(chǎn)時對企業(yè)的全局影響，進(jìn)而優(yōu)化公司的生產(chǎn)作業(yè)。通過虛擬制造系統(tǒng)可以獲得信息如下：
規(guī)劃工位布局；
生產(chǎn)線性能分析；
生產(chǎn)線平衡；
生產(chǎn)節(jié)拍控制；
工藝文件；
操作人員配制；
物流安排；
制造投資的預(yù)算。
由于虛擬技術(shù)的操作是在軟件平臺的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，最終實際輸出內(nèi)容還是決定于所采用的軟件功能。
圖3 汽車側(cè)圍焊接虛擬生產(chǎn)線
四、虛擬技術(shù)與新產(chǎn)品開發(fā)
現(xiàn)代企業(yè)按照自己的特點、規(guī)模和結(jié)構(gòu)建立相應(yīng)的質(zhì)量管理體系，以保證企業(yè)的生產(chǎn)和公司運作是在受控狀態(tài)進(jìn)行，其中也包含了新產(chǎn)品的開發(fā)。雖然上面介紹了虛擬技術(shù)的許多優(yōu)勢和特點，但如果要在企業(yè)中真正發(fā)揮作用，還要融入企業(yè)的質(zhì)量管理體系，并與企業(yè)的新產(chǎn)品開發(fā)程序有機結(jié)合起來。
以汽車及汽車零部件行業(yè)為例：目前廣泛采用新產(chǎn)品先期質(zhì)量策劃（APQP）方式進(jìn)行，將整個開發(fā)過程分為五個階段：計劃和項目的確定、產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)、過程技術(shù)和開發(fā)、產(chǎn)品和過程的確認(rèn)、反饋評價和糾正措施，如圖4所示。
圖4 APQP先期產(chǎn)品質(zhì)量策劃模式
先期產(chǎn)品質(zhì)量策劃是一個系統(tǒng)工程，是用于確保企業(yè)滿足顧客對產(chǎn)品質(zhì)量、交付、成本和準(zhǔn)時性等方面需求的必須步驟。
結(jié)合本文對虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)的論述，大體上可以給出在開發(fā)過程中虛擬技術(shù)參與的階段和時間，如圖5所示。
圖5 虛擬技術(shù)與APQP先期產(chǎn)品質(zhì)量策劃模式
值得強調(diào)的是，樣品試制這一在產(chǎn)品開發(fā)過程中的重要階段。樣品的主要目的是對產(chǎn)品和過程的確認(rèn)，是在投產(chǎn)前通對產(chǎn)品的全面評估，是企業(yè)開發(fā)新產(chǎn)品并批量生產(chǎn)前的一個重要階段。虛擬技術(shù)基本上覆蓋這些方面，對于一些簡單的產(chǎn)品而言，虛擬產(chǎn)品技術(shù)已可以完全替代實物驗證。然而，由于虛擬制造技術(shù)還處在發(fā)展過程中，對于復(fù)雜產(chǎn)品，目前還不能完全替代樣品，但已大大減少樣品制造的數(shù)量，從而減低開發(fā)成本的投入。而對于非正式樣品--手工樣品，目前虛擬樣機技術(shù)已可滿足和替代手工樣品驗證新產(chǎn)品的尺寸配合和外觀形狀的需求。
隨著時間的推移，產(chǎn)品開發(fā)過程完全虛擬化運作將是不可避免的。
五、結(jié)論
綜上所述，虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)將CAx/DFx技術(shù)、設(shè)計過程管理、虛擬現(xiàn)實技術(shù)等集成起來，形成一個交互式環(huán)境，以支持產(chǎn)品設(shè)計過程中的并行工程方法，從而縮短新產(chǎn)品研制周期，降低開發(fā)費用。一般地，結(jié)合企業(yè)實際情況，選擇和購買選擇適合行業(yè)特點的軟件并配備相應(yīng)的硬件，先從虛擬產(chǎn)品開發(fā)入手，再到虛擬制造和虛擬制造系統(tǒng)建立，從而實現(xiàn)企業(yè)技術(shù)的整體提升。在發(fā)展虛擬開發(fā)技術(shù)過程中，應(yīng)與本企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)的特點結(jié)合，制定一個行之有效的產(chǎn)品開發(fā)流程，讓虛擬開發(fā)技術(shù)在實際應(yīng)用發(fā)揮最大作用，以免不必要的資源浪費。
最后，應(yīng)當(dāng)重視加強產(chǎn)品和制造數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化管理，確保企業(yè)內(nèi)部有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交流平臺，并制定相應(yīng)的流程保證虛擬模型和實物的一致性，從而避免數(shù)據(jù)的潛在缺陷并提高數(shù)據(jù)的重復(fù)使用率，以求提高開發(fā)質(zhì)量，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。 | 
