虚拟产品开发

虚拟产品开发(Virtual Product Development; VPD)

　　虚拟产品开发，也称虚拟设计制造(Virtual Design and Manufacturing)，是产品设计制造的真实过程在虚拟环境中的映射。

　　从本质上讲，虚拟产品开发是将产品从概念设计到投入使用的全过程(产品的生命周期)在计算机上构造的虚拟环境中虚拟地实现，其目标不仅是对产品的物质形态和制造过程进行模拟和可视化，而且是对产品的性能、行为和功能以及在产品实现的各个阶段中的实施方案进行预测、评价和优化。它是产品开发的测试床。象真实的产品生产过程一样，虚拟产品开发可狭义地分为虚拟设计和虚拟制造两部分。美国“Computer-Aided Engineering”杂志副总编Schmitz曾在《虚拟设计的光辉前程》一文中阐述了虚拟设计的主要技术内容：虚拟制样(Virtual Prototyping)、网络化并行设计、虚拟装配和工程分析及设计参数的交互式可视化。日本大阪大学小野里等人对虚拟制造系统的技术内涵进行了深入的研究，他们把虚拟制造系统划分成虚拟信息系统和虚拟物理系统两部分，并建立了虚拟制造系统开发环境的模型。

　　1、全数字化虚拟产品建模

　　2、设计空间到试验空间映射的多学科集成仿真试验

　　3、通过虚拟现实Virtual Reality,VR 系统为设计者提供直观的感知交互。

　　虚拟现实(VR)是一个计算机生成的三维环境，人们沉浸其中，通过适当的界面操纵其中的拟实对象，并采用人类的表达形式进行交互。而虚拟产品开发的研究则需要采用虚拟现实技术构造一个产品设计制造环境，把设计、制造工艺、样机制造的过程集成其中。当前，虚拟产品开发的研究集中在以下几个方面。

　　与软件相关的技术方面：(1)可视化：研究怎样将各种信息以直观的形式显示出来；(2)环境构造：研究采用虚拟现实技术开发工作环境的技术；(3)信息表达：研究与方法、语义和语法有关的信息表达方式；(4)元模型建模方法：研究建立可以调节模型间相互作用的模型；(5)集成体系结构：研究怎样构成软硬件系统；(6)模拟：研究在计算机上设计真实系统模型的过程；(7)方法论：研究开发和应用虚拟产品开发系统的方法；(8)制造特性：研究在制造过程中影响材料变形的变量的采集、测量和分析；(9)评价：研究虚拟产品开发系统的评价。

　　与硬件相关的技术方面：(1)输入输出设备：基于CRT和LCD的头盔显示器(HMD)、普通计算机显示器、投影系统、可视化眼镜、数据手套、数据背心、蹋滚、摇杆、触垫、触觉球、麦克风、合成器、耳机和音响系统；(2)信息采集存储设备；(3)高速计算系统；(4)网络结构(星状、总线、环状)、异种机网络、通讯硬件等。

　　交互技术方面：(1)虚拟产品开发环境有效性评价方法；(2)与人机交互、人人交互有关的人机工程评价。

　　与其他一些学科不同，虚拟产品开发的概念一经提出就受到企业界的广泛关注，一些企业立即开始着手局部性实施和应用。美国福特汽车公司是第一个采用网络并行设计技术设计赛车的企业。采用这项技术设计制造的新型SS1型赛车从开始设计到第一次上道测试只用了9个月的时间。继世界第一架“无纸客机”-波音777双喷机型成功之后，波音公司决定采用虚拟产品开发技术研制新一代737客机。美国Sandia国家实验室采用虚拟制样技术开发新一代计算机芯片，这种芯片只有现在芯片的1/25大小。John Deere公司将虚拟产品开发技术用于焊接设备安装机器人的设计、评价和测试，使设计制造周期大大缩短。考文垂艺术设计学院利用虚拟样机技术对正在设计的轿车进行虚拟道路测试，评价轿车的道路适应性和驾驶员视野。在国内，虚拟产品开发方面的研究开始不久，目前报道的研究多数属于概念和结构框架的范畴，开发环境的研究多数还限于目标系统层面，没有深入到虚拟设计制造层面，而对于虚拟设计制造核心-模型构造层面的研究就更少。因此，结合一个工程学科，重点解决虚拟设计制造中的重大技术基础问题，并在深入研究核心技术的基础上，建立虚拟产品开发环境，并深层次开发模型构造环境，从而建立起面向应用的虚拟产品开发平台，这对将虚拟产品开发技术的研究引向深入有重要价值。

　　VPD技术极大地增强了企业的创新能力，它能够在虚拟状态下构思、设计、制造、测试和分析产品，以有效解决那些反映在时间、成本、质量等诸存在的问题。目前，一些有优势的制造厂商和产品开发公司都把 VPD作为一项总体经营战略，努力发挥它的最大潜力。据报道，汽车工业对VPD最有兴趣，并且动手也最早，如美国的克莱斯勒和福特汽车公司、德国的大众汽车公司以及日本的一些汽车公司都在积极采用VPD技术。因为汽车制造厂商一旦错过推出新车型的时机，就等于放弃了应该占有的市场份额，会遭受大的利润损失，甚至使公司破产。采用VPD技术后，汽车工业新车型开发的时间可由36个月缩短到24个月以内，竞争的优势显然得到加强，其影响不可估量。现在VPD 技术已在汽车、航天、机车、医疗用品等诸多领域成功地应用，对工业界产生了强大的冲击作用。

　　新产品开发实质上就是产品的工程设计过程。传统的方法是由工程师设计出产品，并制造出原型，然后进行测试和验证。如果产品达不到规定的要求，就反反复复地进行了这一过程，直到满意为止。

　　VPD技术是建立在可以用计算机完成产品整个开发过程这一构想的基础之上。工程师完全是在计算机上建立产品模型，对模型进行分析，然后改进产品设计方案，用数字模型代替原来的实物原型，进行分析、试验、改进原有的设计。这样常常只需制作一次最终的实物原型，使新产品开发一次获得成功。

　　CAD/CAM/CAE/PDM(简称C3P)是实施VPD的强大支持技术，快速原型(RP)、虚拟现实(VR)、Internet(互联网)也都被一些国际上著名的企业作为实施VPD的重要手段。VPD是由从事产品设计、分析、制造、仿真和支持等各合作的各科人员网络所组成。他们通过网络通讯组建成“虚拟”的产品开发小组，将设计人员、工程师分析专家、供应厂商以及客户联成一体，实现异地合作开发。实施VPD工程师来说，将采取不同的思考方法和完成设计任务的方法。为适应这些变化，对于技术人员和管理人员的培训是非常重要的。

　　企业通过VPD这种新技术把握住产品开发过程，这样的企业就能对客户的需求变化作出快速灵活的反应，并且完全按照规定的时间、成本和质量要求快速的将产品推向市场，这就是开发VPD这种新技术的意义所在。