虛擬產品開發

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虛擬產品開發(Virtual Product Development; VPD)

　　虛擬產品開發，也稱虛擬設計製造(Virtual Design and Manufacturing)，是產品設計製造的真實過程在虛擬環境中的映射。

　　從本質上講，虛擬產品開發是將產品從概念設計到投入使用的全過程(產品的生命周期)在電腦上構造的虛擬環境中虛擬地實現，其目標不僅是對產品的物質形態和製造過程進行模擬和可視化，而且是對產品的性能、行為和功能以及在產品實現的各個階段中的實施方案進行預測、評價和優化。它是產品開發的測試床。象真實的產品生產過程一樣，虛擬產品開發可狹義地分為虛擬設計和虛擬製造兩部分。美國“Computer-Aided Engineering”雜誌副總編Schmitz曾在《虛擬設計的光輝前程》一文中闡述了虛擬設計的主要技術內容：虛擬制樣(Virtual Prototyping)、網路化並行設計、虛擬裝配和工程分析及設計參數的互動式可視化。日本大阪大學小野里等人對虛擬製造系統的技術內涵進行了深入的研究，他們把虛擬製造系統劃分成虛擬信息系統和虛擬物理系統兩部分，並建立了虛擬製造系統開發環境的模型。

　　1、全數字化虛擬產品建模

　　2、設計空間到試驗空間映射的多學科集成模擬試驗

　　3、通過虛擬現實Virtual Reality,VR 系統為設計者提供直觀的感知交互。

　　虛擬現實(VR)是一個電腦生成的三維環境，人們沉浸其中，通過適當的界面操縱其中的擬實對象，並採用人類的表達形式進行交互。而虛擬產品開發的研究則需要採用虛擬現實技術構造一個產品設計製造環境，把設計、製造工藝、樣機製造的過程集成其中。當前，虛擬產品開發的研究集中在以下幾個方面。

　　與軟體相關的技術方面：(1)可視化：研究怎樣將各種信息以直觀的形式顯示出來；(2)環境構造：研究採用虛擬現實技術開發工作環境的技術；(3)信息表達：研究與方法、語義和語法有關的信息表達方式；(4)元模型建模方法：研究建立可以調節模型間相互作用的模型；(5)集成體繫結構：研究怎樣構成軟硬體系統；(6)模擬：研究在電腦上設計真實系統模型的過程；(7)方法論：研究開發和應用虛擬產品開發系統的方法；(8)製造特性：研究在製造過程中影響材料變形的變數的採集、測量和分析；(9)評價：研究虛擬產品開發系統的評價。

　　與硬體相關的技術方面：(1)輸入輸出設備：基於CRT和LCD的頭盔顯示器(HMD)、普通電腦顯示器、投影系統、可視化眼鏡、數據手套、數據背心、蹋滾、搖桿、觸墊、觸覺球、麥克風、合成器、耳機和音響系統；(2)信息採集存儲設備；(3)高速計算系統；(4)網路結構(星狀、匯流排、環狀)、異種機網路、通訊硬體等。

　　交互技術方面：(1)虛擬產品開發環境有效性評價方法；(2)與人機交互、人人交互有關的人機工程評價。

　　與其他一些學科不同，虛擬產品開發的概念一經提出就受到企業界的廣泛關註，一些企業立即開始著手局部性實施和應用。美國福特汽車公司是第一個採用網路並行設計技術設計賽車的企業。採用這項技術設計製造的新型SS1型賽車從開始設計到第一次上道測試只用了9個月的時間。繼世界第一架“無紙客機”-波音777雙噴機型成功之後，波音公司決定採用虛擬產品開發技術研製新一代737客機。美國Sandia國家實驗室採用虛擬制樣技術開發新一代電腦晶元，這種晶元只有現在晶元的1/25大小。John Deere公司將虛擬產品開發技術用於焊接設備安裝機器人的設計、評價和測試，使設計製造周期大大縮短。考文垂藝術設計學院利用虛擬樣機技術對正在設計的轎車進行虛擬道路測試，評價轎車的道路適應性和駕駛員視野。在國內，虛擬產品開發方面的研究開始不久，目前報道的研究多數屬於概念和結構框架的範疇，開發環境的研究多數還限於目標系統層面，沒有深入到虛擬設計製造層面，而對於虛擬設計製造核心-模型構造層面的研究就更少。因此，結合一個工程學科，重點解決虛擬設計製造中的重大技術基礎問題，併在深入研究核心技術的基礎上，建立虛擬產品開發環境，並深層次開發模型構造環境，從而建立起面嚮應用的虛擬產品開發平臺，這對將虛擬產品開發技術的研究引向深入有重要價值。

　　VPD技術極大地增強了企業的創新能力，它能夠在虛擬狀態下構思、設計、製造、測試和分析產品，以有效解決那些反映在時間、成本、質量等諸存在的問題。目前，一些有優勢的製造廠商和產品開發公司都把 VPD作為一項總體經營戰略，努力發揮它的最大潛力。據報道，汽車工業對VPD最有興趣，並且動手也最早，如美國的克萊斯勒和福特汽車公司、德國的大眾汽車公司以及日本的一些汽車公司都在積極採用VPD技術。因為汽車製造廠商一旦錯過推出新車型的時機，就等於放棄了應該占有的市場份額，會遭受大的利潤損失，甚至使公司破產。採用VPD技術後，汽車工業新車型開發的時間可由36個月縮短到24個月以內，競爭的優勢顯然得到加強，其影響不可估量。現在VPD 技術已在汽車、航天、機車、醫療用品等諸多領域成功地應用，對工業界產生了強大的衝擊作用。

　　新產品開發實質上就是產品的工程設計過程。傳統的方法是由工程師設計出產品，並製造出原型，然後進行測試和驗證。如果產品達不到規定的要求，就反反覆復地進行了這一過程，直到滿意為止。

　　VPD技術是建立在可以用電腦完成產品整個開發過程這一構想的基礎之上。工程師完全是在電腦上建立產品模型，對模型進行分析，然後改進產品設計方案，用數字模型代替原來的實物原型，進行分析、試驗、改進原有的設計。這樣常常只需製作一次最終的實物原型，使新產品開發一次獲得成功。

　　CAD/CAM/CAE/PDM(簡稱C3P)是實施VPD的強大支持技術，快速原型(RP)、虛擬現實(VR)、Internet(互聯網)也都被一些國際上著名的企業作為實施VPD的重要手段。VPD是由從事產品設計、分析、製造、模擬和支持等各合作的各科人員網路所組成。他們通過網路通訊組建成“虛擬”的產品開發小組，將設計人員、工程師分析專家、供應廠商以及客戶聯成一體，實現異地合作開發。實施VPD工程師來說，將採取不同的思考方法和完成設計任務的方法。為適應這些變化，對於技術人員和管理人員的培訓是非常重要的。

　　企業通過VPD這種新技術把握住產品開發過程，這樣的企業就能對客戶的需求變化作出快速靈活的反應，並且完全按照規定的時間、成本和質量要求快速的將產品推向市場，這就是開發VPD這種新技術的意義所在。