論虛擬設計在新產(chǎn)品開發(fā)中的應用
摘 要：隨著科學的發(fā)展與信息技術的應用，虛擬設計技術已經(jīng)開始使用于企業(yè)的生產(chǎn)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(yè)進行新產(chǎn)品開發(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)品開發(fā)中的特征同時，著重論述虛擬設計在新產(chǎn)品開發(fā)中的應用，分析設計人員在新產(chǎn)品開發(fā)過程中，如何應用虛擬設計技術進行產(chǎn)品的設計、評價，探索虛擬設計技術在新產(chǎn)品開發(fā)中的應用前景，使虛擬設計技術更好地為新產(chǎn)品的開發(fā)服務。
關鍵詞 ：虛擬設計 新產(chǎn)品開發(fā) 人機工程學
1．虛擬設計在新產(chǎn)品開發(fā)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(chǎn)品開發(fā)的技術含量與復雜程度日益增加，同時也由于產(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，是當前新產(chǎn)品開發(fā)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(yè)技術知識，它是隨著科學技術的發(fā)展，特別是計算機輔助CAX技術的發(fā)展，開始廣泛地應用于企業(yè)的生產(chǎn)與制造之中。由于虛擬設計技術在新產(chǎn)品開發(fā)過程中的應用，使產(chǎn)品設計實現(xiàn)更自然的人機交互，采用并行設計工作模式，系統(tǒng)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(chǎn)品開發(fā)周期的全過程，提高了產(chǎn)品設計的一次性成功。從而縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低生產(chǎn)成本，提高了產(chǎn)品質量，給企業(yè)帶來了更多的商機。
2．虛擬設計在新產(chǎn)品開發(fā)中的應用
2．1虛擬產(chǎn)品設計
近幾年來，CAID技術為企業(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)品設計中多使用軟件組合來完成產(chǎn)品設計過程。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完成虛擬產(chǎn)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(chǎn)品設計中來，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。
隨著虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality）技術與多媒體技術的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術與多媒體技術有機結合在新產(chǎn)品開發(fā)過程中的使用，以及科技人員在不斷提高的計算機操作的人機界面綜合技術，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(xiàn)實技術引入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，又便于設計人員對產(chǎn)品的修改。技術條件好的公司，在進行虛擬產(chǎn)品設計時，設計人員可以先利用現(xiàn)有的CAD系統(tǒng)建模，再轉換到VR環(huán)境中，讓設計人員或準客戶來感知產(chǎn)品。設計人員也可以利用VR-CAD系統(tǒng)，直接在虛擬環(huán)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(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，不僅可以進行虛擬的合作，產(chǎn)生一種身臨其境的感覺，而且還可以實時地對整個虛擬產(chǎn)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(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)品開發(fā)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(chǎn)品設計建模和仿真設計，以達到改進產(chǎn)品方案設計的目的。虛擬產(chǎn)品也就是最初的數(shù)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)造性設計過程所提出的直觀要求，設計人員可以在虛擬環(huán)境空間中，利用軌跡跟蹤系統(tǒng)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(chǎn)品設計對該產(chǎn)品進行全數(shù)字化三維描述，實現(xiàn)了產(chǎn)品設計的虛擬油泥模型和無紙工程等，這個模型可為產(chǎn)品開發(fā)不同的階段和設計原則提供參考。同時，虛擬產(chǎn)品設計在造船等其他新產(chǎn)品開發(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程進行數(shù)字連接，可實現(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)與實施。從而縮短開發(fā)時間，降低開發(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)品開發(fā)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(xiàn)實技術，通過仿真模型在計算機上進行仿真裝配，實現(xiàn)產(chǎn)品的工藝規(guī)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(xiàn)。目前，就其技術而言，已經(jīng)成熟，雖尚沒有商用虛擬裝配系統(tǒng)，也尚未充分地應用于新產(chǎn)品開發(fā)的分析和評價，但這項技術在新產(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(chǎn)品的可行性、實用性和產(chǎn)品性能等方面進行各種測試分析。現(xiàn)代設計要求設計人員在虛擬產(chǎn)品開發(fā)早期就應考慮裝配問題，在進行虛擬裝配的同時創(chuàng)建產(chǎn)品、分析裝配精度，及時優(yōu)化設計方案。
虛擬裝配的第一步是在CAD系統(tǒng)創(chuàng)建虛擬產(chǎn)品模型，然后進入并利用虛擬裝配設計環(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，借助虛擬裝配設計環(huán)境系統(tǒng)，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行裝配檢驗，幫助設計人員及時發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)在新產(chǎn)品開發(fā)過程中的設計、生產(chǎn)和裝配工藝等問題。利用這個虛擬環(huán)境，評價產(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(chǎn)品開發(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的速度，提高新產(chǎn)品開發(fā)的質量與可靠性，同時也降低新產(chǎn)品開發(fā)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(tǒng)，也有人稱其為虛擬人機工程學環(huán)境，將它引入虛擬人機工程學評價系統(tǒng)，設計人員可以精確研究產(chǎn)品的人機工程學參數(shù)，并且在必要時可以修改虛擬部件的位置，重新設計整個產(chǎn)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(chǎn)品進行交互及評價產(chǎn)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(tǒng)。通過這個系統(tǒng)設計人員可以精確研究轎車內(nèi)部的人機工程學參數(shù)，適時修改轎車虛擬部件的位置，對整個轎車的內(nèi)部構造重新設計。這項技術為新產(chǎn)品開發(fā)在產(chǎn)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(tǒng)來驗證假設，既減少開發(fā)費用，又縮短了制造模型的時間，同時又可以滿足產(chǎn)品多樣化的要求。
2．4 虛擬設計在新產(chǎn)品開發(fā)中應用前景 DOLCN.com
隨著多媒體技術軟硬件飛速發(fā)展，特別是虛擬現(xiàn)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(chǎn)品開發(fā)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(huán)境進行自然的交互方面，及實現(xiàn)全方位的認識方面還有待于進一步提高，但在新產(chǎn)品開發(fā)設計應用方面具有很大的潛力，而且應用前景廣闊。應該深入開發(fā)研究，使虛擬設計技術更好地幫助設計人員在新產(chǎn)品開發(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)品開發(fā)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(chǎn)品的開發(fā)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(chǎn)品開發(fā)以科學技術理論為基礎，然而在新產(chǎn)品開發(fā)中的虛擬產(chǎn)品設計等問題上，虛擬現(xiàn)實技術又為設計人員提供了有藝術創(chuàng)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(chǎn)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(chǎn)品開發(fā)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(fā)明和創(chuàng)造溶入了藝術的想象和品格，藝術的創(chuàng)造和對產(chǎn)品形態(tài)美的探索又滲入科學的理論和品質，虛擬設計在新產(chǎn)品開發(fā)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(chǎn)品開發(fā)提供了數(shù)字設計平臺，使新產(chǎn)品開發(fā)的周期減少、費用降低，提高了新開發(fā)的產(chǎn)品質量。但是如何更有效地利用虛擬設計技術為新產(chǎn)品開發(fā)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(yè)技術學院工業(yè)設計系副主任，主要從事產(chǎn)品設計與教學。
論文出處(作者):
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