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論虛擬設計在新產品開發中的應用


摘 要:隨著科學的發展與信息技術的應用,虛擬設計技術已經開始使用于企業的生產與制造之中,使虛擬設計技術得到有效地提升,加強了設計人員對虛擬設計技術的應用,特別是在企業進行新產品開發的設計與制造階段更受重視。本文在論述虛擬設計在新產品開發中的特征同時,著重論述虛擬設計在新產品開發中的應用,分析設計人員在新產品開發過程中,如何應用虛擬設計技術進行產品的設計、評價,探索虛擬設計技術在新產品開發中的應用前景,使虛擬設計技術更好地為新產品的開發服務。
關鍵詞 :虛擬設計 新產品開發  人機工程學
1.虛擬設計在新產品開發中的特征
由于當今市場競爭日益激烈與科學技術進步的加快,使得產品開發的技術含量與復雜程度日益增加,同時也由于產品的生命周期不斷地縮短,因此,縮短新產品開發的周期、提高新產品開發的技術水平、降低新產品開發的成本,并保證上市后產品的上市周期,是當前新產品開發著重要解決的問題。
虛擬設計(Virtual Design)屬于多學科交叉技術,涉及眾多的學科和專業技術知識,它是隨著科學技術的發展,特別是計算機輔助CAX技術的發展,開始廣泛地應用于企業的生產與制造之中。由于虛擬設計技術在新產品開發過程中的應用,使產品設計實現更自然的人機交互,采用并行設計工作模式,系統考慮各種因素,使相關的人員之間相互理解、相互支持,把握了新產品開發周期的全過程,提高了產品設計的一次性成功。從而縮短產品開發周期,降低生產成本,提高了產品質量,給企業帶來了更多的商機。
2.虛擬設計在新產品開發中的應用
2.1虛擬產品設計
近幾年來,CAID技術為企業在新產品開發過程中提供了有力的支持,但目前在虛擬產品設計中多使用軟件組合來完成產品設計過程。例如復雜曲面的產品造型,多采用Rhino和Pro/Engineer等軟件的組合使用來完成虛擬產品設計模型,其實質并沒有把設計人員從二維鼠標與鍵盤上解放出來,設計人員也并沒有真正參與到虛擬產品設計中來,在某種角度上限制了設計人員的積極性與創造性的發揮。
隨著虛擬現實(Virtual Reality)技術與多媒體技術的發展,虛擬現實技術與多媒體技術有機結合在新產品開發過程中的使用,以及科技人員在不斷提高的計算機操作的人機界面綜合技術,改善了虛擬產品設計中人與計算機的交互方式。目前,所采用的將虛擬現實技術引入CAD環境,這將便于模擬新產品開發中產品的某些性能,又便于設計人員對產品的修改。技術條件好的公司,在進行虛擬產品設計時,設計人員可以先利用現有的CAD系統建模,再轉換到VR環境中,讓設計人員或準客戶來感知產品。設計人員也可以利用VR-CAD系統,直接在虛擬環境中進行設計與修改。例如在對汽車的設計時,設計人員在具有全交互性的設計環境中,利用頭盔顯示器、具有觸覺反饋功能的數據手套、操縱桿、三維位置跟蹤器等裝置,將視覺、聽覺、觸覺與虛擬概念產品模型相連,不僅可以進行虛擬的合作,產生一種身臨其境的感覺,而且還可以實時地對整個虛擬產品(Virtual Product)設計過程進行檢查、評估,實地解決設計中的決策問題,使設計思想得到綜合。在交互性的虛擬環境快速成型設備上,設計人員對虛擬產品設計模型的直接設計,提高了設計人員積極性與創造性的發揮。
有的企業在新產品開發設計時,還建立了物理試驗模型PMU(Physical Mock-up),如油泥模型(Clay Modeling)等已逐步被計算機和仿真代替,在此基礎上進行產品設計建模和仿真設計,以達到改進產品方案設計的目的。虛擬產品也就是最初的數字試驗模型DMU(Digital Mock-up),虛擬產品設計初級階段的虛擬油泥建模(Virtual Clay Modeling),可以適應創造性設計過程所提出的直觀要求,設計人員可以在虛擬環境空間中,利用軌跡跟蹤系統可以削掉和涂抹虛擬的油泥材料。所設計的產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:美國波音公司777飛機的虛擬原形機,就利用虛擬產品設計對該產品進行全數字化三維描述,實現了產品設計的虛擬油泥模型和無紙工程等,這個模型可為產品開發不同的階段和設計原則提供參考。同時,虛擬產品設計在造船等其他新產品開發方面也得到了成功的應用。
另外,虛擬產品設計與其它設計過程進行數字連接,可實現新產品開發過程的集成,使并行工程(Concurrent Engineering)得到充分體現與實施。從而縮短開發時間,降低開發成本,發揮設計人員的創造性潛能。
2.2虛擬裝配設計(Virtual Assembly Design)
虛擬裝配設計(Virtual Assembly Design)是虛擬設計在新產品開發方面具有較大影響力的一個領域。虛擬裝配(Virtual Assembly)采用計算機仿真與虛擬現實技術,通過仿真模型在計算機上進行仿真裝配,實現產品的工藝規劃、加工制造、裝配和調試,它是實際裝配的過程在計算機上的本質體現。目前,就其技術而言,已經成熟,雖尚沒有商用虛擬裝配系統,也尚未充分地應用于新產品開發的分析和評價,但這項技術在新產品開發中已得到肯定,并具有很重要的意義。
過去傳統的產品開發,常需要花費大量的時間、人力、物力來制作實物模型進行各種裝配實驗研究,力求在產品的可行性、實用性和產品性能等方面進行各種測試分析。現代設計要求設計人員在虛擬產品開發早期就應考慮裝配問題,在進行虛擬裝配的同時創建產品、分析裝配精度,及時優化創意方案。
虛擬裝配的第一步是在CAD系統創建虛擬產品模型,然后進入并利用虛擬裝配設計環境(Virtual Assembly Design Environment)系統,產品開發人員在VADE系統中開展工作,借助虛擬裝配設計環境系統,設計人員可以在虛擬環境中使用各種裝配工具對設計的機構進行裝配檢驗,幫助設計人員及時發現設計中的裝配缺陷,全面掌握在虛擬制造中的裝配過程,盡可能早地發現在新產品開發過程中的設計、生產和裝配工藝等問題。利用這個虛擬環境,評價產品的公差、選擇零部件的裝配順序、確定裝拆工藝,可將結果進行可視化處理。
實驗表明,虛擬裝配設計的完善將有效縮短新產品開發的周期,減輕設計返工的負擔,加快了引入高級設計方法和技術的速度,提高新產品開發的質量與可靠性,同時也降低新產品開發的成本。
2.3虛擬人機工程學設計
虛擬人機工程學設計是借助虛擬樣機(Virtual prototype)系統,也有人稱其為虛擬人機工程學環境,將它引入虛擬人機工程學評價系統,設計人員可以精確研究產品的人機工程學參數,并且在必要時可以修改虛擬部件的位置,重新設計整個產品的構造。另外,它還允許不同技術背景的人直接與設計的產品進行交互及評價產品的性能,有助于滿足不同用戶的特殊要求。
英國航空實驗室研究人員研制了一個虛擬人機工程學評價系統。通過這個系統設計人員可以精確研究轎車內部的人機工程學參數,適時修改轎車虛擬部件的位置,對整個轎車的內部構造重新設計。這項技術為新產品開發在產品的人機工程學研究方面提供了新的方法,可以不斷地利用該系統來驗證假設,既減少開發費用,又縮短了制造模型的時間,同時又可以滿足產品多樣化的要求。
2.4 虛擬設計在新產品開發中應用前景 DOLCN.com
隨著多媒體技術軟硬件飛速發展,特別是虛擬現實技術與多媒體技術有機結合,加快了設計人員從鍵盤和鼠標上解脫下來的速度,使虛擬設計技術在新產品開發應用方面也得到提升。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境進行自然的交互方面,及實現全方位的認識方面還有待于進一步提高,但在新產品開發設計應用方面具有很大的潛力,而且應用前景廣闊。應該深入開發研究,使虛擬設計技術更好地幫助設計人員在新產品開發中提升設計創新思維能力與產品設計水平。
3、虛擬設計在新產品開發中應用使科學與藝術更好地得到融合
虛擬設計技術與新產品的開發都是建立在科學技術進步的基礎之上,都需要科學技術的支持。新產品開發以科學技術理論為基礎,然而在新產品開發中的虛擬產品設計等問題上,虛擬現實技術又為設計人員提供了有藝術創造性思維的空間,擴展了設計人員的藝術設計思維,使設計人員能夠從理論認識到感性認識對產品進行設計、分析和評價。使設計人員在精神世界的存在中獲得心靈自由,讓設計更趨人性化、藝術化。
虛擬設計在新產品開發中的應用,使科學的思維方式和藝術的思維方式悄悄地相互侵入和占有著。科學的發明和創造溶入了藝術的想象和品格,藝術的創造和對產品形態美的探索又滲入科學的理論和品質,虛擬設計在新產品開發中的應用是科學與藝術的融合。
4、結束語
虛擬設計技術為新產品開發提供了數字設計平臺,使新產品開發的周期減少、費用降低,提高了新開發的產品質量。但是如何更有效地利用虛擬設計技術為新產品開發服務,還有待于我們在實際的設計中進行探索。
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作者簡介:秦懷宇,蘇州工藝美術職業技術學院工業設計系副主任,主要從事產品設計與教學。
 


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