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論虛擬設計在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的應用
摘 要：隨著(zhù)科學(xué)的發(fā)展與信息技術(shù)的應用，虛擬設計技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始使用于企業(yè)的生產(chǎn)與制造之中，使虛擬設計技術(shù)得到有效地提升，加強了設計人員對虛擬設計技術(shù)的應用，特別是在企業(yè)進(jìn)行新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的設計與制造階段更受重視。本文在論述虛擬設計在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的特征同時(shí)，著(zhù)重論述虛擬設計在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的應用，分析設計人員在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中，如何應用虛擬設計技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品的設計、評價(jià)，探索虛擬設計技術(shù)在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的應用前景，使虛擬設計技術(shù)更好地為新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)服務(wù)。
關(guān)鍵詞 ：虛擬設計 新產(chǎn)品開(kāi)發(fā) 人機工程學(xué)
1．虛擬設計在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的特征
由于當今市場(chǎng)競爭日益激烈與科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的加快，使得產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的技術(shù)含量與復雜程度日益增加，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(kāi)發(fā)的周期、提高新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的技術(shù)水平、降低新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的成本，并保證上市后產(chǎn)品的上市周期，是當前新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)著(zhù)重要解決的問(wèn)題。
虛擬設計（Virtual Design）屬于多學(xué)科交叉技術(shù)，涉及眾多的學(xué)科和專(zhuān)業(yè)技術(shù)知識，它是隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是計算機輔助CAX技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)始廣泛地應用于企業(yè)的生產(chǎn)與制造之中。由于虛擬設計技術(shù)在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中的應用，使產(chǎn)品設計實(shí)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(guān)的人員之間相互理解、相互支持，把握了新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期的全過(guò)程，提高了產(chǎn)品設計的一次性成功。從而縮短產(chǎn)品開(kāi)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(lái)了更多的商機。
2．虛擬設計在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的應用
2．1虛擬產(chǎn)品設計
近幾年來(lái)，CAID技術(shù)為企業(yè)在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中提供了有力的支持，但目前在虛擬產(chǎn)品設計中多使用軟件組合來(lái)完成產(chǎn)品設計過(guò)程。例如復雜曲面的產(chǎn)品造型，多采用Rhino和Pro/Engineer等軟件的組合使用來(lái)完成虛擬產(chǎn)品設計模型，其實(shí)質(zhì)并沒(méi)有把設計人員從二維鼠標與鍵盤(pán)上解放出來(lái)，設計人員也并沒(méi)有真正參與到虛擬產(chǎn)品設計中來(lái)，在某種角度上限制了設計人員的積極性與創(chuàng )造性的發(fā)揮。
隨著(zhù)虛擬現實(shí)（Virtual Reality）技術(shù)與多媒體技術(shù)的發(fā)展，虛擬現實(shí)技術(shù)與多媒體技術(shù)有機結合在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)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(shù)，改善了虛擬產(chǎn)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(shí)技術(shù)引入CAD環(huán)境，這將便于模擬新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中產(chǎn)品的某些性能，又便于設計人員對產(chǎn)品的修改。技術(shù)條件好的公司，在進(jìn)行虛擬產(chǎn)品設計時(shí)，設計人員可以先利用現有的CAD系統建模，再轉換到VR環(huán)境中，讓設計人員或準客戶(hù)來(lái)感知產(chǎn)品。設計人員也可以利用VR-CAD系統，直接在虛擬環(huán)境中進(jìn)行設計與修改。例如在對汽車(chē)的設計時(shí)，設計人員在具有全交互性的設計環(huán)境中，利用頭盔顯示器、具有觸覺(jué)反饋功能的數據手套、操縱桿、三維位置跟蹤儀器等裝置，將視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)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(jué)，而且還可以實(shí)時(shí)地對整個(gè)虛擬產(chǎn)品（Virtual Product）設計過(guò)程進(jìn)行檢查、評估，實(shí)地解決設計中的決策問(wèn)題，使設計思想得到綜合。在交互性的虛擬環(huán)境快速成型設備上，設計人員對虛擬產(chǎn)品設計模型的直接設計，提高了設計人員積極性與創(chuàng )造性的發(fā)揮。
有的企業(yè)在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設計時(shí)，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(jìn)行產(chǎn)品設計建模和仿真設計，以達到改進(jìn)產(chǎn)品方案設計的目的。虛擬產(chǎn)品也就是最初的數字試驗模型DMU（Digital Mock-up），虛擬產(chǎn)品設計初級階段的虛擬油泥建模（Virtual Clay Modeling），可以適應創(chuàng )造性設計過(guò)程所提出的直觀(guān)要求，設計人員可以在虛擬環(huán)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(chǎn)品可得到精確的描述，物理模型能通過(guò)快速原型方法被迅速的制作出來(lái)。例如：美國波音公司777飛機的虛擬原形機，就利用虛擬產(chǎn)品設計對該產(chǎn)品進(jìn)行全數字化三維描述，實(shí)現了產(chǎn)品設計的虛擬油泥模型和無(wú)紙工程等，這個(gè)模型可為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)不同的階段和設計原則提供參考。同時(shí)，虛擬產(chǎn)品設計在造船等其他新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方面也得到了成功的應用。
另外，虛擬產(chǎn)品設計與其它設計過(guò)程進(jìn)行數字連接，可實(shí)現新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程的集成，使并行工程(Concurrent Engineering)得到充分體現與實(shí)施。從而縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，降低開(kāi)發(fā)成本，發(fā)揮設計人員的創(chuàng )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(chǎn)品開(kāi)發(fā)方面具有較大影響力的一個(gè)領(lǐng)域。虛擬裝配（Virtual Assembly）采用計算機仿真與虛擬現實(shí)技術(shù)，通過(guò)仿真模型在計算機上進(jìn)行仿真裝配，實(shí)現產(chǎn)品的工藝規劃、加工制造、裝配和調試，它是實(shí)際裝配的過(guò)程在計算機上的本質(zhì)體現。目前，就其技術(shù)而言，已經(jīng)成熟，雖尚沒(méi)有商用虛擬裝配系統，也尚未充分地應用于新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的分析和評價(jià)，但這項技術(shù)在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中已得到肯定，并具有很重要的意義。
過(guò)去傳統的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，常需要花費大量的時(shí)間、人力、物力來(lái)制作實(shí)物模型進(jìn)行各種裝配實(shí)驗研究，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)行各種測試分析�，F代設計要求設計人員在虛擬產(chǎn)品開(kāi)發(fā)早期就應考慮裝配問(wèn)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)化設計方案。
虛擬裝配的第一步是在CAD系統創(chuàng )建虛擬產(chǎn)品模型，然后進(jìn)入并利用虛擬裝配設計環(huán)境（Virtual Assembly Design Environment）系統，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)人員在VADE系統中開(kāi)展工作，借助虛擬裝配設計環(huán)境系統，設計人員可以在虛擬環(huán)境中使用各種裝配工具對設計的機構進(jìn)行裝配檢驗，幫助設計人員及時(shí)發(fā)現設計中的裝配缺陷，全面掌握在虛擬制造中的裝配過(guò)程，盡可能早地發(fā)現在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中的設計、生產(chǎn)和裝配工藝等問(wèn)題。利用這個(gè)虛擬環(huán)境，評價(jià)產(chǎn)品的公差、選擇零部件的裝配順序、確定裝拆工藝，可將結果進(jìn)行可視化處理。
實(shí)驗表明，虛擬裝配設計的完善將有效縮短新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)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(shù)的速度，提高新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的質(zhì)量與可靠性，同時(shí)也降低新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的成本。
2．3虛擬人機工程學(xué)設計
虛擬人機工程學(xué)設計是借助虛擬樣機（Virtual prototype）系統，也有人稱(chēng)其為虛擬人機工程學(xué)環(huán)境，將它引入虛擬人機工程學(xué)評價(jià)系統，設計人員可以精確研究產(chǎn)品的人機工程學(xué)參數，并且在必要時(shí)可以修改虛擬部件的位置，重新設計整個(gè)產(chǎn)品的構造。另外，它還允許不同技術(shù)背景的人直接與設計的產(chǎn)品進(jìn)行交互及評價(jià)產(chǎn)品的性能，有助于滿(mǎn)足不同用戶(hù)的特殊要求。
英國航空實(shí)驗室研究人員研制了一個(gè)虛擬人機工程學(xué)評價(jià)系統。通過(guò)這個(gè)系統設計人員可以精確研究轎車(chē)內部的人機工程學(xué)參數，適時(shí)修改轎車(chē)虛擬部件的位置，對整個(gè)轎車(chē)的內部構造重新設計。這項技術(shù)為新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)在產(chǎn)品的人機工程學(xué)研究方面提供了新的方法，可以不斷地利用該系統來(lái)驗證假設，既減少開(kāi)發(fā)費用，又縮短了制造模型的時(shí)間，同時(shí)又可以滿(mǎn)足產(chǎn)品多樣化的要求。
2．4 虛擬設計在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中應用前景 DOLCN.com
隨著(zhù)多媒體技術(shù)軟硬件飛速發(fā)展，特別是虛擬現實(shí)技術(shù)與多媒體技術(shù)有機結合，加快了設計人員從鍵盤(pán)和鼠標上解脫下來(lái)的速度，使虛擬設計技術(shù)在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)應用方面也得到提升。雖然目前僅是起步階段，在通過(guò)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)現全方位的認識方面還有待于進(jìn)一步提高，但在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)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(kāi)發(fā)研究，使虛擬設計技術(shù)更好地幫助設計人員在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中提升設計創(chuàng )新思維能力與產(chǎn)品設計水平。
3、虛擬設計在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中應用使科學(xué)與藝術(shù)更好地得到融合
虛擬設計技術(shù)與新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)都是建立在科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的基礎之上，都需要科學(xué)技術(shù)的支持。新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)以科學(xué)技術(shù)理論為基礎，然而在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的虛擬產(chǎn)品設計等問(wèn)題上，虛擬現實(shí)技術(shù)又為設計人員提供了有藝術(shù)創(chuàng )造性思維的空間，擴展了設計人員的藝術(shù)設計思維，使設計人員能夠從理論認識到感性認識對產(chǎn)品進(jìn)行設計、分析和評價(jià)。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(shù)化。
虛擬設計在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的應用，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(zhù)�？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)，虛擬設計在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的應用是科學(xué)與藝術(shù)的融合。
4、結束語(yǔ)
虛擬設計技術(shù)為新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供了數字設計平臺，使新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的周期減少、費用降低，提高了新開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品質(zhì)量。但是如何更有效地利用虛擬設計技術(shù)為新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)服務(wù)，還有待于我們在實(shí)際的設計中進(jìn)行探索。
參考文獻：
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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)設計系副主任，主要從事產(chǎn)品設計與教學(xué)。
論文出處(作者):
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