虚拟技术在现代机械产品研发中的应用
    万方数据关键字:虚拟制造技术 机械产品研发 虚拟设计 虚拟样机 本文介绍了传统机械产品研发模式的缺点,阐述了虚拟技术的优点,并比较了两者的特点,在此基础上探讨了虚拟技术在现代机械产品研发中的应用,使虚拟技术更好地为现代机械产品研发服务。

1 引言

    由于当今科学技术进步的加快,使得产品开发的技术含量与复杂程度日益增加。为了适应迅速多变的市场需求,提高竞争力,企业的生产活动必须具有高度的柔性、对市场需求的变化做出快速反应、缩短新产品开发的周期、提高新产品开发的技术水平和质量、降低新产品开发的成本,并保证上市后产品的上市周期,是当前新产品开发着重要解决的mr007客户端。传统的产品研发模式无法满足这些要求。80年代提出的计算机虚拟制造技术(VMT),到90年代时,计算机虚拟制造技术得到迅速发展,随着市场全球化的进程,该技术将在企业的产品研发中起到越来越重要的作用。

2传统机械产品研发模式及其缺点

    在传统的产品研发过程中,首先是概念设计和方案论证,然后进行产品设计。此过程必须串行进行,即按产品的开发顺序:需求分析、设计、制造、装配、维修等依次进行。设计师根据设计要求,按设计经验进行设计,待设计完成后,将设计图纸提交给制造部门,制造部门根据其所有的设备、人员、物料等对设计图纸进行工艺性、可加工性分析,若发现在现有条件下加工性不好,或成本太高,或根本无法加工时对设计提出修改意见,设计人员根据制造部门提出的意见对设计进行相应的修改,再将设计图纸提交给制造部门,制造部门根据图纸制造出样品后进行试验。若在试验阶段没有发现mr007客户端则可进行生产,若发现有mr007客户端需反馈到设计部门,设计部门根据反馈意见进行修改,重新进行样品试制与分析。在使用阶段也很可能发现mr007客户端,这时必须进行重新设计、制造、试验、使用,这种循环不断重复进行直至达到要求。只有通过周而复始的设计——实验——设计过程,产品才能达到要求的性能。这一过程是冗长的,样机的单机制造成本增加了,尤其对于结构复杂的系统。设计周期无法缩短,更不用谈对市场的灵活反应了。在大多数情况下,工程师为了保证产品按时投放市场往往中断这一过程,使产品在上市时便有先天不足的毛病。在竞争的市场背景下,基于实际样机上的设计验证过程严重地制约了产品质量的提高、成本的降低和对市场的占有。

    在这种研发模式下,传统制造模式存在如下mr007客户端:

    2.1 产品设计质量不高、预见性差。进行产品设计要求设计人员具备良好的综合素质:丰富的实践经验、扎实的理论基础以及创新精神。但是,仅仅具备这些条件,对于那些复杂程度不高的产品是可以的,对于那些大型的、复杂程度较高的产品则还不够。在设计大型、复杂程度较高的产品时,由于客观条件以及人的自身生理因素的限制,设计容易出现人为疏漏,并且往往缺乏预见性。所设计的产品加工工艺性是否良好、各部分尺寸是否正确、有无人为疏漏、装配性如何等等。传统CAD技术对此无能为力,但正是这些mr007客户端直接影响产品质量。

    2.2产品设计、制造周期长,不能快速响应市场。在产品设计开发的各阶段之间存在反馈、循环,但这种循环从时间上来说是在上一阶段的工作完成后进入到下一阶段的工作,下阶段的工作也只能在上阶段的工作完成后才能进行。存在的mr007客户端只有在后续阶段工作进行时才能被发现并反馈给前一个阶段,这种反馈、循环是整个阶段性的大循环,对产品开发最直观的影响是产品开发周期长,潜在的影响是耗费大量人力、物力,并降低了产品质量。这样的串行流程耗费了大量时间,显然不能满足客户快速、多样化的需求。

    可以说在计划经济时代,是大鱼吃小鱼。而在市场经济时代,则是快鱼吃慢鱼。市场响应快的企业往往能占得先机,在竞争中获胜。那些市场响应慢的企业则面临被淘汰的命运。在激烈的市场竞争中,“蛇吞象”的事已不足为奇。传统CAD虽然使部分企业甩掉了图板、缩短了产品设计周期、提高了设计质量,但是没有从根本上解决mr007客户端。目前市场情况是:产品的生命周期越来越短。生产形式也越来越呈现出单件小批量的格局。以适应市场的快速多变。这些都向传统的设计、制造模式提出了严峻挑战。

    2.3产品设计、制造费用高,导致产品成本上升,缺乏市场竞争力,主要有如下几个方面:

    (1)据有关统计分析,设计阶段的失误对成本的影响将以不断放大的形式向后续阶段传播,设计阶段对产品的质量和成本起着决定性的作用。而在产品定型后再进行成本分析为时已晚,为此需要在设计过程中充分考虑产品全生命周期的因素,进行成本控制。

    (2)为了测试产品的性能,有时需要做一些性能试验。有些试验是破坏性的、有些是耗资巨大的。在某些情况下根本无法试验。这些都给产品的设计、制造带来困难,并增加额外费用。这些额外费用有时是很高的。

    (3)由于产品设计质量不高,预见性差,出现废品的概率增大,使成品率降低。分摊在每个产品上的成本增加。

    传统产品研发模式的上述种种缺陷,使得迫切需要一种新的设计方法,使得企业能够在产品设计阶段进行技术性评价的同时对产品的成本及产品性能进行综合考虑,为企业赢得更多的客户并创造更好的效益。在这种需求拉动下,虚拟设计并得到了广泛的关注,技术发展为产品的虚拟设计提供了可能。

3虚拟技术的优点

    虚拟技术在技术与市场两个方面的成熟与计算机辅助设计(CAD)技术的成熟及大规模推广应用分不开。首先,CAD中的三维几何造型技术能够使设计师们的精力集中在创造性设计上,把绘图等繁杂的工作交给计算机去做,这样设计师就有额外的精力关注设计的正确和优化mr007客户端。其次,三维造型技术使虚拟模型技术中的机械系统描述mr007客户端变得简单。第三,由于CAD强大的三维几何编辑修改技术,使机械系统设计的快速修改变为可能。在这基础上,在计算机上的设计一实验一设计的反复过程才有时间上的意义。

    虚拟技术按其定义范围的由大到小,可分为虚拟制造、虚拟设计和虚拟样机等。

    3.1 虚拟制造。虚拟制造是实际制造过程在计算机上的映射,即采用计算机仿真与虚拟现实技术,在高性能计算机及高速网络的支持下,在计算机上群组协同工作,实现产品设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验,以及企业各级过程的管理与控制等产品制造的本质过程,以增强制造过程各级的决策与控制能力。通过对现实制造活动中的人、物、信息及制造过程进行全面的仿真,借助于虚拟环境中获取的各种信息,以发现制造中可能出现的mr007客户端,体验未来产品装配的性能或者装配系统的状态,从而可以做出预见性的决策与优化实施方案。在产品实际生产前就采取预防措施,从而达到产品一次性制造成功,来达到降低成本、缩短产品开发周期,增强产品竞争力的目的。

    虚拟制造为工程师们提供了从产品概论的形成、设计到制造全过程的三维可视及交互的环境,使制造技术走出主要依赖于经验的狭小天地,发展到全方位预报的新阶段。它集成和综合了可运行制造的环境:包括各种分析工具、仿真工具、应用工具、控制工具、信息模型、设备、组织协同工作的方法等,用来改善从装配产品的概念设计动态仿真到回收利用的各个阶段。

    虚拟制造技术应用得比较成熟的有:

    (1)产品的外形设计。采用虚拟现实技术的外形设计,可以进行复杂的造型设计,并对其参数可随时修改、评测。它可以直接用于装配、仿真和加工。(2)产品的布局设计。在复杂产品的布局设计中,通过虚拟现实技术可以直观地进行设计,避免可能出现的干涉和其它不合理mr007客户端。(3)产品的运动和动力学仿真。产品设计必须解决运动构件工作时的运动协调关系,运动范围设计,可能的运动干涉检查,产品动力学性能、强度、刚度等。(4)热加工工艺模拟。利用数值模拟和物理模拟方法,对金属材料热成形过程和材料成形过程进行动态仿真,预测不同条件下成形的材料的组织、性能及质量,进而实现热成形件的质量与性能的优化设计。(5)加工过程仿真。产品设计的合理性、可加工性、加工方法,机床和工艺参数的选用,以及加上过程中可能出现的加工缺陷等,这些mr007客户端需要经过仿真、分析与处理。(6)产品装配仿真。机械产品的配合性和可装配性是设计人员常易出现错误的地方,以往要到产品装配的时候才能发现,但采用虚拟制造技术。可以在设计阶段就对产品进行装配,发现装配mr007客户端可进行修改,确保设计的准确。(7)虚拟样机与产品工作性能评测。在虚拟制造中可以模拟出产品的使用情况,对存在mr007客户端的地方进行修改,提高产品一次试验成功率。(8)企业生产过程的仿真与优化。产品生产过程的合理制定、工厂人力资源、制造资源的合理配置,对缩短生产周期和降低成本有更大影响。

    3.2虚拟设计。虚拟制造的核心是虚拟设计,通过对制造过程的虚拟来不断修改设计,虚拟设计有如下特点:一是提供了一种全新的产品研发模式;二是具有更低的研发成本、更短的研发周期、更高的产品质量;三是异地联合设计是虚拟产品设计的主要模式;四是采用并行设计思想;五是引入了虚拟原型技术,其加强了产品设计中的信息共享和虚拟设计的过程管理。

    虚拟设计和传统的CAD技术的主要差别在于:

    (1)VR具有两个重要特征,即交互和实时,而传统CAD做不到;(2)VR使设计者呈主动状态,设计者能身临其境。而对于传统CAD,设计者只是被动的观察者;(3)VR的图形真实感强,有远、近、纵、深的感觉,这是传统的CAD所做不到的;(4)利用VR技术可以实现产品生命全周期的管理,多产品和新旧产品同时开发和资源共享。

    3.3虚拟样机。虚拟技术的最终目的是利用计算机仿真技术构造出虚拟样机,使产品设计实现更自然的人机交互,采用并行设计工作模式,系统考虑各种因素,使相关的人员之间相互理解、相互支持,把握了新产品开发周期的全过程,提高了产品设计的一次性成功率。从而缩短产品开发周期,降低生产成本,提高产品质量。通过这个虚拟样机,可以做很多工作:

    (1)进行多方案对比,从中选出最佳方案;(2)设计者通过虚拟样机可以进行虚拟装配,以检查各零部件尺寸以及可装配性,即时修改错误;(3)通过虚拟样机,可以进行虚拟试验,而不用再去做更多的实物试验。这样,既节省了时间又节约了费用。

    虚拟样机技术是当前设计制造领域的一门新的设计方法和技术,涉及多体系统动力学、数值分析与软件工程等学科。它利用软件建立机械系统的三维实体模型和多体力学模型,分析和评估系统的性能,从而为物理样机的设计和制造提供参数依据。虚拟样机技术或称虚拟模型技术是一项新生的工程技术。借助于这项技术,设计人员可以在计算机上建立和处理机械系统的三维可视化模型,模拟在现实环境下系统的运动和动力特性,并根据仿真结果细化和优化系统的设计与过程。虚拟样机技术是许多技术的综合,它的核心部分是多体系统运动学与动力学建模理论及其技术实现。作为应用数学的一个分支的数值算法及时地提供了求解这种mr007客户端的有效的快速算法。近年来的计算机可视化技术及动画技术的发展为这项技术提供了友好的用户界面,CAD/CAE等技术的发展为虚拟模型技术的应用提供了技术环境。本文为授权转载文章,任何人未经原授权方同意,不得复制、转载、摘编等任何方式进行使用,e-works不承担由此而产生的任何法律责任! 如有异议请及时告之,以便进行及时处理。联系方式:[email protected] tel:027-87592219/20/21。万方数据关键字:虚拟制造技术 机械产品研发 虚拟设计 虚拟样机 本文介绍了传统机械产品研发模式的缺点,阐述了虚拟技术的优点,并比较了两者的特点,在此基础上探讨了虚拟技术在现代机械产品研发中的应用,使虚拟技术更好地为现代机械产品研发服务。 4虚拟技术的作用

    4.1辅助设计。通过虚拟技术,设计师可以把自己的经验与想象结合在计算机的虚拟模型里,让想象力和创造力充分发挥,直观且有助于各部门之间的交流讨论。借助虚拟样机(Virtual prototype)系统,也有人称其为虚拟人机工程学环境,将它引入虚拟人机工程学评价系统,设计人员可以精确研究产品的人机工程学参数,并且在必要时可以修改虚拟部件的位置,重新设计整个产品的构造。另外,它还允许不同技术背景的人直接与设计的产品进行交互及评价产品的性能,有助于满足不同用户的特殊要求。这项技术为新产品开发在产品的人机工程学研究方面提供了新的方法,可以不断地利用该系统来验证假设,既减少开发费用,又缩短了制造模型的时间,同时又可以满足产品多样化的要求。

    4.2提高了产品的设计质量,确保了产品一次制造成功概率。虚拟技术通过对现实制造活动中的人、物、信息及制造过程进行全面的仿真,借助于虚拟环境中获取的各种信息,及时发现制造中可能出现的mr007客户端,体验未来产品装配的性能或者装配系统的状态,从而可以做出预见性的决策与优化实施方案。在产品实际生产前就采取预防措施,从而达到产品一次性制造成功,确保产品一次制造就能成功。

    4.3降低开发成本。设计的初级阶段——概念设计阶段就可以通过虚拟样机技术在对整个系统进行完整的分析,可以观察并试验各组成部件的相互运动情况。使用系统仿真软件在各种虚拟环境中真实地模拟系统的运动,它可以在计算机上方便地修改设计缺陷,仿真实验不同的设计方案,对整个系统不断改进,直至获得最优设计方案以后,再做出物理样机。避免了传统设计中反反复复通过物理样机验证并修改设计的过程,大大降低了实验成本。

    具体应用中,在给定总的预计成本情况下,设计师先将装配体进行层层分解,直至零件。根据经验将成本层层分解到各子装配体和零件,再比较零件的实际价格和预计成本之间的差别,若零件的实际价格大于预计成本,考虑用功能类似、价格较低的零件代替,或考虑自制等;若零件实际价格小于或等于预计成本,则可行。经过这样的比较更换后,若最后的总成本小于或等于预计成本,则可投入制造。

    4.4缩短产品开发周期,增强产品竞争力的目的。虚拟设计在概念设计和方案论证中以虚拟模型来代替实际模型验证设计,有效避免了传统设计模式中设计阶段的失误对工期和成本的影响将以不断放大的形式向后续阶段传播,有效缩短新产品开发的周期,减轻设计返工的负担,提高了设计质量和效率,提高新产品开发的质量与可靠性。

    现代机械产品研发可以充分利用计算机仿真技术来虚拟实现产品的研发过程,而且不消耗现实的资源和能量,但却能实际反映产品的有关情况。它为制造业带来全新的概念,随着虚拟制造技术的不断发展及在企业中广泛的应用,必将极大提高企业的研发创新能力。

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    收录时间:2015年09月15日 09:19:36 来源:e-works 作者:匿名
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