論虛擬設(shè)計(jì)在新產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用

時(shí)間：2024-09-14 22:19:41 工程力學(xué)畢業(yè)論文我要投稿

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　　摘要：隨著科學(xué)的發(fā)展與信息技術(shù)的應(yīng)用，虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)開始使用于企業(yè)的生產(chǎn)與制造之中，使虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)得到有效地提升，加強(qiáng)了設(shè)計(jì)人員對(duì)虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用，特別是在企業(yè)進(jìn)行新產(chǎn)品開發(fā)的設(shè)計(jì)與制造階段更受重視。本文在論述虛擬設(shè)計(jì)在新產(chǎn)品開發(fā)中的特征同時(shí)，著重論述虛擬設(shè)計(jì)在新產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用，分析設(shè)計(jì)人員在新產(chǎn)品開發(fā)過程中，如何應(yīng)用虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)，探索虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)在新產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用前景，使虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)更好地為新產(chǎn)品的開發(fā)服務(wù)。

　　關(guān)鍵詞 ：虛擬設(shè)計(jì) 新產(chǎn)品開發(fā) 人機(jī)工程學(xué)

　　1．虛擬設(shè)計(jì)在新產(chǎn)品開發(fā)中的特征

　　由于當(dāng)今市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈與科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的加快，使得產(chǎn)品開發(fā)的技術(shù)含量與復(fù)雜程度日益增加，同時(shí)也由于產(chǎn)品的生命周期不斷地縮短，因此，縮短新產(chǎn)品開發(fā)的周期、提高新產(chǎn)品開發(fā)的技術(shù)水平、降低新產(chǎn)品開發(fā)的成本，并保證上市后產(chǎn)品的上市周期，是當(dāng)前新產(chǎn)品開發(fā)著重要解決的問題。

　　虛擬設(shè)計(jì)（Virtual Design）屬于多學(xué)科交叉技術(shù)，涉及眾多的學(xué)科和專業(yè)技術(shù)知識(shí)，它是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)輔助CAX技術(shù)的發(fā)展，開始廣泛地應(yīng)用于企業(yè)的生產(chǎn)與制造之中。由于虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)在新產(chǎn)品開發(fā)過程中的應(yīng)用，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)更自然的人機(jī)交互，采用并行設(shè)計(jì)工作模式，系統(tǒng)考慮各種因素，使相關(guān)的人員之間相互理解、相互支持，把握了新產(chǎn)品開發(fā)周期的全過程，提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一次性成功。從而縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低生產(chǎn)成本，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，給企業(yè)帶來了更多的商機(jī)。

　　2．虛擬設(shè)計(jì)在新產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用

　　2．1虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)

　　近幾年來，CAID技術(shù)為企業(yè)在新產(chǎn)品開發(fā)過程中提供了有力的支持，但目前在虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)中多使用軟件組合來完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程。例如復(fù)雜曲面的產(chǎn)品造型，多采用Rhino和Pro/Engineer等軟件的組合使用來完成虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型，其實(shí)質(zhì)并沒有把設(shè)計(jì)人員從二維鼠標(biāo)與鍵盤上解放出來，設(shè)計(jì)人員也并沒有真正參與到虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)中來，在某種角度上限制了設(shè)計(jì)人員的積極性與創(chuàng)造性的發(fā)揮。

　　隨著虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality）技術(shù)與多媒體技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與多媒體技術(shù)有機(jī)結(jié)合在新產(chǎn)品開發(fā)過程中的使用，以及科技人員在不斷提高的計(jì)算機(jī)操作的人機(jī)界面綜合技術(shù)，改善了虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)中人與計(jì)算機(jī)的交互方式。目前，所采用的將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入CAD環(huán)境，這將便于模擬新產(chǎn)品開發(fā)中產(chǎn)品的某些性能，又便于設(shè)計(jì)人員對(duì)產(chǎn)品的修改。技術(shù)條件好的公司，在進(jìn)行虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以先利用現(xiàn)有的CAD系統(tǒng)建模，再轉(zhuǎn)換到VR環(huán)境中，讓設(shè)計(jì)人員或準(zhǔn)客戶來感知產(chǎn)品。設(shè)計(jì)人員也可以利用VR-CAD系統(tǒng)，直接在虛擬環(huán)境中進(jìn)行設(shè)計(jì)與修改。例如在對(duì)汽車的設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員在具有全交互性的設(shè)計(jì)環(huán)境中，利用頭盔顯示器、具有觸覺反饋功能的數(shù)據(jù)手套、操縱桿、三維位置跟蹤儀器等裝置，將視覺、聽覺、觸覺與虛擬概念產(chǎn)品模型相連，不僅可以進(jìn)行虛擬的合作，產(chǎn)生一種身臨其境的感覺，而且還可以實(shí)時(shí)地對(duì)整個(gè)虛擬產(chǎn)品（Virtual Product）設(shè)計(jì)過程進(jìn)行檢查、評(píng)估，實(shí)地解決設(shè)計(jì)中的決策問題，使設(shè)計(jì)思想得到綜合。在交互性的虛擬環(huán)境快速成型設(shè)備上，設(shè)計(jì)人員對(duì)虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型的直接設(shè)計(jì)，提高了設(shè)計(jì)人員積極性與創(chuàng)造性的發(fā)揮。

　　有的企業(yè)在新產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，還建立了物理試驗(yàn)?zāi)Ｐ蚉MU（Physical Mock-up），如油泥模型（Clay Modeling）等已逐步被計(jì)算機(jī)和仿真代替，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)建模和仿真設(shè)計(jì)，以達(dá)到改進(jìn)產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)的目的。虛擬產(chǎn)品也就是最初的數(shù)字試驗(yàn)?zāi)Ｐ虳MU（Digital Mock-up），虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)初級(jí)階段的虛擬油泥建模（Virtual Clay Modeling），可以適應(yīng)創(chuàng)造性設(shè)計(jì)過程所提出的直觀要求，設(shè)計(jì)人員可以在虛擬環(huán)境空間中，利用軌跡跟蹤系統(tǒng)可以削掉和涂抹虛擬的油泥材料。所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品可得到精確的描述，物理模型能通過快速原型方法被迅速的制作出來。例如：美國(guó)波音公司777飛機(jī)的虛擬原形機(jī)，就利用虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)行全數(shù)字化三維描述，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的虛擬油泥模型和無紙工程等，這個(gè)模型可為產(chǎn)品開發(fā)不同的階段和設(shè)計(jì)原則提供參考。同時(shí)，虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)在造船等其他新產(chǎn)品開發(fā)方面也得到了成功的應(yīng)用。

　　另外，虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)與其它設(shè)計(jì)過程進(jìn)行數(shù)字連接，可實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品開發(fā)過程的集成，使并行工程(Concurrent Engineering)得到充分體現(xiàn)與實(shí)施。從而縮短開發(fā)時(shí)間，降低開發(fā)成本，發(fā)揮設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)造性潛能。

　　2．2虛擬裝配設(shè)計(jì)（Virtual Assembly Design）

　　虛擬裝配設(shè)計(jì)（Virtual Assembly Design）是虛擬設(shè)計(jì)在新產(chǎn)品開發(fā)方面具有較大影響力的一個(gè)領(lǐng)域。虛擬裝配（Virtual Assembly）采用計(jì)算機(jī)仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，通過仿真模型在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真裝配，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的工藝規(guī)劃、加工制造、裝配和調(diào)試，它是實(shí)際裝配的過程在計(jì)算機(jī)上的本質(zhì)體現(xiàn)。目前，就其技術(shù)而言，已經(jīng)成熟，雖尚沒有商用虛擬裝配系統(tǒng)，也尚未充分地應(yīng)用于新產(chǎn)品開發(fā)的分析和評(píng)價(jià)，但這項(xiàng)技術(shù)在新產(chǎn)品開發(fā)中已得到肯定，并具有很重要的意義。

　　過去傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)，常需要花費(fèi)大量的時(shí)間、人力、物力來制作實(shí)物模型進(jìn)行各種裝配實(shí)驗(yàn)研究，力求在產(chǎn)品的可行性、實(shí)用性和產(chǎn)品性能等方面進(jìn)行各種測(cè)試分析。現(xiàn)代設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)人員在虛擬產(chǎn)品開發(fā)早期就應(yīng)考慮裝配問題，在進(jìn)行虛擬裝配的同時(shí)創(chuàng)建產(chǎn)品、分析裝配精度，及時(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

　　虛擬裝配的第一步是在CAD系統(tǒng)創(chuàng)建虛擬產(chǎn)品模型，然后進(jìn)入并利用虛擬裝配設(shè)計(jì)環(huán)境（Virtual Assembly Design Environment）系統(tǒng)，產(chǎn)品開發(fā)人員在VADE系統(tǒng)中開展工作，借助虛擬裝配設(shè)計(jì)環(huán)境系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員可以在虛擬環(huán)境中使用各種裝配工具對(duì)設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行裝配檢驗(yàn)，幫助設(shè)計(jì)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的裝配缺陷，全面掌握在虛擬制造中的裝配過程，盡可能早地發(fā)現(xiàn)在新產(chǎn)品開發(fā)過程中的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和裝配工藝等問題。利用這個(gè)虛擬環(huán)境，評(píng)價(jià)產(chǎn)品的公差、選擇零部件的裝配順序、確定裝拆工藝，可將結(jié)果進(jìn)行可視化處理。

　　實(shí)驗(yàn)表明，虛擬裝配設(shè)計(jì)的完善將有效縮短新產(chǎn)品開發(fā)的周期，減輕設(shè)計(jì)返工的負(fù)擔(dān)，加快了引入高級(jí)設(shè)計(jì)方法和技術(shù)的速度，提高新產(chǎn)品開發(fā)的質(zhì)量與可靠性，同時(shí)也降低新產(chǎn)品開發(fā)的成本。

　　2．3虛擬人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)

　　虛擬人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)是借助虛擬樣機(jī)（Virtual prototype）系統(tǒng)，也有人稱其為虛擬人機(jī)工程學(xué)環(huán)境，將它引入虛擬人機(jī)工程學(xué)評(píng)價(jià)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員可以精確研究產(chǎn)品的人機(jī)工程學(xué)參數(shù)，并且在必要時(shí)可以修改虛擬部件的位置，重新設(shè)計(jì)整個(gè)產(chǎn)品的構(gòu)造。另外，它還允許不同技術(shù)背景的人直接與設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)行交互及評(píng)價(jià)產(chǎn)品的性能，有助于滿足不同用戶的特殊要求。

　　英國(guó)航空實(shí)驗(yàn)室研究人員研制了一個(gè)虛擬人機(jī)工程學(xué)評(píng)價(jià)系統(tǒng)。通過這個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以精確研究轎車內(nèi)部的人機(jī)工程學(xué)參數(shù)，適時(shí)修改轎車虛擬部件的位置，對(duì)整個(gè)轎車的內(nèi)部構(gòu)造重新設(shè)計(jì)。這項(xiàng)技術(shù)為新產(chǎn)品開發(fā)在產(chǎn)品的人機(jī)工程學(xué)研究方面提供了新的方法，可以不斷地利用該系統(tǒng)來驗(yàn)證假設(shè)，既減少開發(fā)費(fèi)用，又縮短了制造模型的時(shí)間，同時(shí)又可以滿足產(chǎn)品多樣化的要求。

　　2．4 虛擬設(shè)計(jì)在新產(chǎn)品開發(fā)中應(yīng)用前景 DOLCN.com

　　隨著多媒體技術(shù)軟硬件飛速發(fā)展，特別是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與多媒體技術(shù)有機(jī)結(jié)合，加快了設(shè)計(jì)人員從鍵盤和鼠標(biāo)上解脫下來的速度，使虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)在新產(chǎn)品開發(fā)應(yīng)用方面也得到提升。雖然目前僅是起步階段，在通過多種傳感器與多維的信息環(huán)境進(jìn)行自然的交互方面，及實(shí)現(xiàn)全方位的認(rèn)識(shí)方面還有待于進(jìn)一步提高，但在新產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)應(yīng)用方面具有很大的潛力，而且應(yīng)用前景廣闊。應(yīng)該深入開發(fā)研究，使虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)更好地幫助設(shè)計(jì)人員在新產(chǎn)品開發(fā)中提升設(shè)計(jì)創(chuàng)新思維能力與產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平。

　　3、虛擬設(shè)計(jì)在新產(chǎn)品開發(fā)中應(yīng)用使科學(xué)與藝術(shù)更好地得到融合

　　虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)與新產(chǎn)品的開發(fā)都是建立在科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的基礎(chǔ)之上，都需要科學(xué)技術(shù)的支持。新產(chǎn)品開發(fā)以科學(xué)技術(shù)理論為基礎(chǔ)，然而在新產(chǎn)品開發(fā)中的虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)等問題上，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)又為設(shè)計(jì)人員提供了有藝術(shù)創(chuàng)造性思維的空間，擴(kuò)展了設(shè)計(jì)人員的藝術(shù)設(shè)計(jì)思維，使設(shè)計(jì)人員能夠從理論認(rèn)識(shí)到感性認(rèn)識(shí)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析和評(píng)價(jià)。使設(shè)計(jì)人員在精神世界的存在中獲得心靈自由，讓設(shè)計(jì)更趨人性化、藝術(shù)化。

　　虛擬設(shè)計(jì)在新產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用，使科學(xué)的思維方式和藝術(shù)的思維方式悄悄地相互侵入和占有著�？茖W(xué)的發(fā)明和創(chuàng)造溶入了藝術(shù)的想象和品格，藝術(shù)的創(chuàng)造和對(duì)產(chǎn)品形態(tài)美的探索又滲入科學(xué)的理論和品質(zhì)，虛擬設(shè)計(jì)在新產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用是科學(xué)與藝術(shù)的融合。

　　4、結(jié)束語(yǔ)

　　虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)為新產(chǎn)品開發(fā)提供了數(shù)字設(shè)計(jì)平臺(tái)，使新產(chǎn)品開發(fā)的周期減少、費(fèi)用降低，提高了新開發(fā)的產(chǎn)品質(zhì)量。但是如何更有效地利用虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)為新產(chǎn)品開發(fā)服務(wù)，還有待于我們?cè)趯?shí)際的設(shè)計(jì)中進(jìn)行探索。

　　參考文獻(xiàn)：

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　　作者簡(jiǎn)介：秦懷宇,蘇州工藝美術(shù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院工業(yè)設(shè)計(jì)系副主任，主要從事產(chǎn)品設(shè)計(jì)與教學(xué)。

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