隨著科學技術的快速發(fā)展，消費者對機電產(chǎn)品除了必須滿足其基本要求外，還對質(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)市場需求，迅速地設計多品種、多規(guī)格的新產(chǎn)品。為適應快速變化的市場發(fā)展，20世紀80年代末期出現(xiàn)一種新的先進制造技術－虛擬制造技術。

    機電產(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，在設計早期不能全面地預見產(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，從設計到樣機制作需要反復修改完善，使產(chǎn)品開發(fā)的周期長、成本高，質(zhì)量也難以達到最優(yōu)。隨著社會的不斷進步和科學技術的快速發(fā)展，人們對機電產(chǎn)品的要求已不再停留在可用的基礎上，而是逐漸進入個性化的消費階段。產(chǎn)品既要好用，外觀造型、顏色等又要符合消費者個人的審美情趣，這就要求企業(yè)的開發(fā)人員根據(jù)市場的需求，很快地設計多品種、多規(guī)格、小批量的新產(chǎn)品，供消費者作多向選擇。傳統(tǒng)串行的設計與制造技術難以適應快速變化的市場要求，為解決制造業(yè)面臨的問題，在20世紀80年代末期出現(xiàn)了一種新的先進制造技術－虛擬制造技術。

    虛擬制造(Virtual Manufacturing)是虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality)技術在制造業(yè)中的應用。它利用信息技術、仿真技術、計算機技術對現(xiàn)實制造活動中的人、物、信息及制造過程進行全面的仿真。虛擬制造技術應用於產(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)作為一個整體來獲得更高的效率及更強的創(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)提供了強有力的信息協(xié)同平臺，將上述獨立的子系統(tǒng)結(jié)合在一起，支持產(chǎn)品的創(chuàng)新設計與企業(yè)業(yè)務過程的協(xié)同運作。

    PLMS的核心技術－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)品設計階段，充分考慮產(chǎn)品的性能要求、制造過程成本和市場銷售等產(chǎn)品全生命周期(從需求分析、產(chǎn)品概念設計到產(chǎn)品報廢)的所有因素，在計算機上實時、并行地動態(tài)模擬產(chǎn)品的幾何建模、工藝設計、制造過程、生產(chǎn)管理、質(zhì)量控制、應用維護等一系列活動。虛擬制造不會消耗現(xiàn)實資源和能量，所進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)品的投資風險，而且采用并行工程能更有效、更經(jīng)濟、更靈活地組織生產(chǎn)，以達到新產(chǎn)品的開發(fā)周期最短、成本最低、設計質(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，在設計產(chǎn)品時不僅考慮產(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、設計、制造、營銷、運行、使用、維護、服務、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)品設計人員與生產(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障礙，借助網(wǎng)絡協(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)務和經(jīng)驗數(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)的關鍵技術

    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，其進一步的應用是虛擬裝配、動態(tài)過程仿真、圖形數(shù)據(jù)處理、有限元分析和動畫制作等。零件三維造型的方法有曲面造型、實體造型或?qū)嶓w曲面一體化混合造型等。目前，實體造型技術主要以參數(shù)化設計和面向特征設計為主。參數(shù)化設計是虛擬設計的重要方向，目前大多數(shù)CAD軟件都提供這項功能，讓用戶方便地反復修改設計參數(shù)。此外，采用的“精確特征實體造型”技術拋棄了傳統(tǒng)的體素拼合和交并差的繁瑣方式，使整個設計過程更加直觀、簡單。大多數(shù)三維CAD軟件都提供獨立環(huán)境的曲面造型工具，可任意造型與編輯復雜曲面，并通過曲面和實體之間的相互配合，實現(xiàn)曲面裁剪實體、曲面生成實體、曲面約束實體等混合造型操作。

    虛擬裝配

    在對部件或整機進行有限元分析或動態(tài)分析之前，要先對已完成造型設計的虛擬零件進行虛擬裝配。虛擬裝配是零件模型按約束關系進行重新定位的過程，它根據(jù)產(chǎn)品設計的形狀特性及精度特性，真實地模擬產(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、垂直等約束關系)和借助精確定位工具(如CAXA實體設計V2軟件的三維球)進行無約束裝配。裝配完後一般進行干涉檢查，以檢驗零件間有否發(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)的有限元分析和動態(tài)仿真的結(jié)果。

    有限元分析

    虛擬產(chǎn)品開發(fā)的目標是滿足產(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)良的計算分析系統(tǒng)分不開。計算分析的目標包括：構(gòu)件的受力分析(靜力分析與動力學分析)、構(gòu)件對失效的安全性、產(chǎn)品功能檢測、外部影響的評價、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用最廣泛的計算機輔助分析方法。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)交換標準傳至CAE軟件系統(tǒng)，就可進行有限元分析。

    工藝設計

    借助CAM、CAPP軟件，確定已設計的零件工藝方案，主要內(nèi)容包括：核準加工零件的尺寸、公差及精度等加工要求、設定毛坯、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、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)實時或快速地仿真刀具—工件幾何體的運動，以驗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

    通過CAM軟件對已生成的刀具軌跡進行加工機床設置和後置處理，即按機床規(guī)定的格式進行定制，從而生成和特定機床相匹配的NC代碼。虛擬數(shù)控技術就是借助數(shù)控加工仿真CNC軟件，采用完全模擬真實機床的虛擬數(shù)控機床對NC代碼的切削狀態(tài)進行檢驗，用戶可以生動地看到實時的加工過程仿真，以檢驗加工過程中刀具軌跡的正確性，以及刀具有否過切、刀具與夾具及機床有否碰撞等問題。較先進的虛擬CNC系統(tǒng)還可以進行力學仿真，通過切削過程的動態(tài)力學特性來預測刀具破損、刀具振動、控制切削參數(shù)，從而達到優(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機床的操作過程，在調(diào)試過程還能減少和避免在真實加工環(huán)境中出現(xiàn)的各種錯誤，特別是用虛擬機床代替真實機床進行培訓，在降低費用的同時，還可獲得更佳的培訓效果。

    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)得以實現(xiàn)的核心功能。由於整個產(chǎn)品開發(fā)過程會形成大量的信息，包括產(chǎn)品、過程的數(shù)字模型、模型的連續(xù)循環(huán)以及相關的過程信息等。設計參與者不僅包括生產(chǎn)廠家的設計、工藝、制造、裝配等人員，還包括供應商、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算機系統(tǒng)和不同的軟件工具來產(chǎn)生整個產(chǎn)品生命周期所需要的各種數(shù)據(jù)，而且這些計算機系統(tǒng)和軟件可能建立在不同的網(wǎng)絡體系上。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虛擬產(chǎn)品開發(fā)過程的哲學方法，它應被看作是管理策略，而不是制造策略。對虛擬產(chǎn)品進行需求分析、零件造型設計、虛擬裝配、有限元分析、工藝規(guī)劃、仿真加工及測試的同時，考慮產(chǎn)品整個生命周期內(nèi)活動的過程是并行工程；虛擬產(chǎn)品開發(fā)中以顧客為第一驅(qū)動，產(chǎn)品的設計、制造、分析、測試、裝配、銷售、維護等專業(yè)人員，以及供應商、合作夥伴和用戶同時參與產(chǎn)品開發(fā)的過程是并行工程；虛擬產(chǎn)品開發(fā)通過計算機網(wǎng)絡在不同地點、不同單位和部門、不同專業(yè)人員之間進行協(xié)同也可以認為是并行工程。總之，虛擬產(chǎn)品開發(fā)以并行工程為開發(fā)機制的主要目標是：提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮短產(chǎn)品開發(fā)時間和降低開發(fā)成本等。

    虛擬產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)的軟硬件平臺

    虛擬產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)得以實現(xiàn)硬件平臺和軟件平臺的有機結(jié)合。其硬件平臺包括：計算機(圖形工作站)、網(wǎng)絡、虛擬現(xiàn)實設備(如3D傳感器、頭套、眼鏡等)、圖形掃描儀、三座標測量儀、繪圖儀、打印機、快速成型機、投影儀等。虛擬機電產(chǎn)品的擬實原型就是通過這些設備能夠感知的方式表現(xiàn)出來。虛擬產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)的軟件平臺包括：市場需求分析軟件、三維CAD軟件(含裝配、渲染模塊)、產(chǎn)品創(chuàng)新設計工具、優(yōu)化設計軟件、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)供應鏈管理軟件，計算機網(wǎng)絡操作系統(tǒng)軟件等。