钱广顺：挖掘机的虚拟样机技术探究
1 虚拟样机技术概述
1.1 虚拟样机技术的概念
近年来许多虚拟样机技术的定义在各种行业的中出现,他们就各自的领域给虚拟样机技术下了定义。因而迄今为止虚拟样机并没有一个完全一致的定义。简单地说,虚拟样机技术就是用来代替真实的物理样机(模型)的技术。在常规的产品开发过程中,物理样机模型是用来验证设计思想,选择设计产品,测试产品的可制造性和展示产品的。虚拟样机要替代物理样机,首先至少要具备上述功能。这样看来,虚拟样机应该可以用来测试产品的外形和行为,并且可以用来进行一系列的研究。另外,物理样机可以使人对一个产品有一种感观的评价,如颜色、外形、美学特性、触觉和舒适性等。要替代物理样机的这些特性,人和产品的交互应该包含在虚拟样机技术里。
通过以上分析,本文采用以下定义:虚拟样机就是用来代替物理产品的计算机数字模型,它可以像真实的物理模型一样,用来对所关心的产品的全寿命周期,如设计、制造、服务、循环利用等,进行展示、分析和测试。这种构造和使用虚拟样机的技术就叫虚拟样机技术[1]。
1.2 虚拟样机技术的研究背景和意义
1.2.1 虚拟样机技术的研究背景
随着全球经济一体化的环境形成，市场竞争愈演愈烈。各个企业面临的一个急需解决的问题是，一件产品往往要经过多次反复的试制才能进入市场，也就是说，许多公司仍认为无法在缩短产品上市时间以及缩短产品和用户距离上取得实质性的突破。虚拟产品开发就是在这样的背景下产生的。虚拟产品开发是以计算机仿真、建模为基础，集计算机图形学、智能技术、并行工程、虚拟现实技术和多媒体技术为一体，由多学科知识组成的综合系统技术[2][3]。虚拟产品开发是现实产品开发在计算机环境中数字化的映射。它将现实产品开发全过程的一切活动及产品演变基于数字化模型，对产品开发的行为进行预测和评价。应用虚拟现实技术，可以达到虚拟产品开发环境的高度真实化，并使之和人有着全面的感官接触和交融。
在这里，把虚拟产品开发定义为：在产品设计或制造、维护等系统的物理实现之前，就模拟出未来产品的性能或制造、维护系统的状态，从而做出前瞻性的优化决策和实施方案。
1.2.2 虚拟样机技术的研究意义
虚拟产品开发技术是建立在以用计算机模拟产品整个开发过程这一构想的基础之上。VPD创建产品的数字模型，并在数字状态下进行分析，完全是用数字形式来代替原来的实物原型试验，然后再对原设计重新进行组合或者改进。因此，这样可显著减少制
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作最终实物原型的次数，从而使新产品开发一次成功率大大得到提高。虚拟产品开发是由各个“虚拟”的产品开发活动来组成，由“虚拟”的产品开发组织来实施，由“虚拟”的产品开发资源来保证，通过分析“虚拟”的产品信息和产品开发过程信息求得开发“虚拟产品”的时间、成本、质量和开发风险，从而做出开发“虚拟产品”系统和综合的建议。虚拟产品开发的最终目的是缩短产品开发周期，以及缩短产品开发和用户之间的距离。
虚拟产品开发的特点是“虚拟”，除了产品虚拟化外，还包括功能虚拟化、地域虚拟化、组织虚拟化。功能虚拟化是指虚拟产品开发系统虽有制造、装配、营销等功能，但没有执行这些功能的机构；地域虚拟化是指产品开发各功能活动分布在不同的地点，但通过网络加以连接和控制；组织虚拟化是指扁平的多元的“网络组织结构”将随着开发目标的发展而产生、变化和消亡。
虚拟产品开发体系的核心内容包括产品开发过程数字化建模、数字化产品建模和产品开发数字化仿真三个方面。
1. 产品开发过程数字化建模
在并行工程思想指导下，产品开发过程是多学科群体在计算机技术和网络通讯环境的支持下，在产品开发活动的时间和资源约束下，基于产品全生命周期信息，进行产品开发组织结构和开发任务的动态调控流程。
过程建模应考虑的内容有：
(1) 过程模型 过程模型的描述方法及在计算机上的处理和实现，过程的动态调整和优化。
(2) 组织模型 要规划和描述组织结构、活动分工、权限和责任定义。 (3) 资源模型 对信息、设备、人力、资金等资源进行动态规划和配置控制。 (4) 约束规则 时间约束是仅次于资源的主要约束，在资源允许下，增大产品开发活动的并行度；信息约束是开发活动之间及开发活动中单元之间相关性和一致性的保障。
(5) 过程监控和协调 进行实际约束管理、过程的实时监控调度和冲突仲裁，保障过程按照最优方向进展。
2. 数字化产品建模
产品建模主要以面向对象技术为工具，以STEP标准为指导思想，建立基于装配的约束参数化的特征产品定义模型。其特点如下：
(1) 基于STEP思想。产品数据的表示和交换是基于不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期中的数据，从而使产品数据的表示具有标准化和共享性的特点。
(2) 支持工程分析工具的应用。工程分析工具利用已经建立好的产品模型，对零部件甚至整机进行有限元受力分析、热应力分析以及运动仿真、性能仿真、装配仿真，仿
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真的结果可直接用于指导数字化产品的设计修改，不必通过实物模型来验证。
(3) 支持产品异地、并行设计。由于产品模型在计算机上定义，加之网络通讯的迅速发展，处于异地的设计人员也可方便地进行交流。设计队伍中除含有设计、制造、装配、试验等专业人员外，还有合作伙伴、用户代表等，这样在产品的开发过程中能及早地发现问题，在产品开发的早期阶段就得到解决。尽量避免下游重大问题的反馈所造成的时间拖延、成本上升等现象。
3. 数字化产品仿真
数字化产品开发的仿真包括全生命周期的产品演变仿真和产品开发全过程的活动仿真。全生命周期的产品演变仿真是通过产品的数字模型，反映产品从无到有，再到消亡的整个演变活动，用户和开发者在制造实物之前即可充分地评审其美观度、可制造性、可装配性、可维护性、可销售性和环保性能等，从而确保产品开发的一次成功率。
产品开发全过程的活动仿真旨在通过开发活动的数字模型，反映虚拟开发组织形式下，产品开发活动的功能行为和运作方式，仿真虚拟产品开发的设备布置、物流系统、资源的利用和冲突以及组织结构、生产活动和经营活动等行为，从而确保产品开发的可能性、合理性、可靠性、经济性、高适应性和快速响应能力。
1.3 虚拟样机技术特点
1.3.1 虚拟样机功能组成
虚拟样机技术实现必备的三个相关技术领域是：CAD技术、计算机仿真技术和以虚拟现实为最终目标的人机交互技术。
虚拟样机生成的前提是虚拟部件的“制造”。成熟的CAD三维几何造型软件能快速、便捷地设计和生成三维造型。虚拟部件必须包含颜色、材质、外表纹理等外在特征以显示真实的外观，同时还必须包含质量、重心位置、转动惯量等内在特征以进行精确的机械系统动力学仿真运算。
虚拟样机必须具备交互的功能。设计师通过交互界面对参数化“软模型”进行控制，实现虚拟样机原型多样化。而虚拟样机反过来通过动画、曲线和图表等方式向设计师提供产品感知和性能评价。虚拟现实环境下，除应用上述传统方式外，设计师还能通过修改虚拟部件的参数，对虚拟部件重新装配，生成新的虚拟样机。虚拟样机仿真模型则通过力反馈操纵杆等传感装置向设计师传递虚拟样机操纵力感，通过立体眼镜向设计师提供实时的立体图像。有了这些人类对产品的直观感知，能使设计师产生强烈的“虚拟现实”沉浸感，协助设计师和用户对产品性能作出评价。
计算机网络、计算机支持的协同工作技术、产品数据管理和知识管理是虚拟样机技术实现的重要底层技术支撑。通过这些技术将产品的各个设计、分析小组人员联系在一起，共同完成新产品从概念设计、初步设计、详细设计直到方案评估整个开发过程。
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1.3.2 虚拟样机技术的优点
虚拟样机技术具有下述优点[4]：①减少了设计费用。②可以辅助物理样机进行设计验证和测试。③可以减少产品开发过程中所需的时间,使产品尽快上市。④可以在相同的时间内“试验”更多的设计方案,这是物理样机无法比拟的。⑤可以减少产品开发后期的设计更改,进而使得整个产品的开发周期最小化。⑥与常规的仿真相比,它涉及的设计领域广,考虑也比较周全,因而可以提高产品的质量。⑦由于虚拟样机技术支持并行设计,使得设计小组之间的沟通变得便捷。 1.3.3 虚拟样机技术的局限性
如前所述,虚拟样机技术是建立在许多技术基础上的一种综合技术,一些基础技术的不成熟会限制虚拟样机技术的应用,同时虚拟样机技术是一种新兴技术,现在还处在研究和发展的阶段,本身的不完善使得应用受到一定的限制。主要有以下几个方面
(1) 由于现在还没有一个完全无缝的数据交换方法,在不同的虚拟样机设计工具和应用软件之间数据的交换经常会带来信息的丢失。现在通常是将各应用程序的数据转化为中间的文件格式(如IGES、STEP格式等),但是由于一些商业的CAD/CAE/CAM软件对这些中间格式的支持程度不高,同时这些中间的文件格式本身不是很完善,还需要继续完善和修改。再加上用户对各软件的数据存放方式的了解并不是很充分,因此这些方法的效果并不是很好。
(2) 虚拟样机技术本身原理上的不够准确性。在对产品性能进行研究的时候,如进行有限元分析时,会用小的平面模型去代替一个连续的三维实体模型。建模过程中的近似会给结果带来原理上的误差。如果用虚拟现实技术来评估一个产品,如可维护性,在虚拟的环境和在真实的环境中即便是对于同一个工程师来说,他所花费的时间也是不一样的。这种时间上面的差别主要是由于计算所花费的时间延迟、图像处理的时间延迟以及虚拟环境中的不舒适性带来的时间延迟。虚拟样机技术在这些原理上的延迟应该在寻求设计优化的过程中进行量化,并将其考虑其中。
(3) 产品的形状很复杂,因此构造一个准确的、完整的、理想化的模型是很难的。例如,在计算机里进行装配的动态响应研究是非常复杂和有挑战性的。在这种情况下,如果辅助以适当数目的物理样机,就可以更好地理解虚拟样机,并且还可以增加虚拟样机的可信度。虚拟样机技术的其他方面,如可制造性、可维护性以及它们之间的关系现在理解得并不是很清楚,这些方面的模型并不令人满意。这对虚拟样机技术发挥其优势带来了一定的限制。
1.4 本章小结
本章主要研究虚拟样机技术采用数字仿真的形式进行虚拟产品设计开发，仿真模型的参数就是物理样机的设计参数，并替代物理样机进行设计参数的测试评估；无需制造实物样机就可预见和预测产品的性能，减免了高昂成本的物理样机制造过程，降低了开
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发成本。因此虚拟样机技术用于液压挖掘机开发的整个过程，作为样机设计的有效手段，有助于挖掘机企业部分甚至全部摆脱对物理样机的依赖，达到缩短挖掘机设计开发周期、降低设计成本、提高设计质量、实现挖掘机现代制造模式的目的。
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