快速产品开发技术与方法是在并行工程技术的基础上发展起来的基于现代设计理论和方法,同时应用微电子,信息,管理等现代科学技术,以缩短产品设计周期为目的的一切设计技术与方法的总称.随着因特网日渐成为全球化的信息共享平台,现代网络技术为建立一种支持远程快速产品开发这一全新设计理念的信息环境提供了技术支撑,使得网络化的分布式快速产品开发成为可能.虚拟原型(VirtualPrototype,VP),亦称虚拟样机,是当前网络时代的一种新型的基于集成化产品和过程开发策略的产品开发模式,它是一种利用数字化的或者虚拟的数字模型来替代昂贵的物理原型,以便于用户对产品进行观察,分析和处理

            1.本文基于虚拟原型开发技术,研究了如何集成快速产品开发技术与方法构建水泵的网络化快速开发平台,这是将现代的先进信息技术应用于农业工程领域中的有益尝试和探索. 

            2国内外水泵快速开发概况水泵作为一种通用机械,属于多品种,中小批量生产对象,零部件较多,开发工作较为繁重,如果完全依靠以往的手工研制方法需要很长的开发周期.国外利用先进的计算机技术对水泵进行开发的相关工作起步较早. 

            一些具有一定实力的大公司,一开始是在中型机或大型机上开展CAD工作的,现在则进行了改造,将原来的大中型计算机与新的性能价格比较高的工作站连在一起,组成计算机网络,从而将原来由大中型计算机担负的相当一部分CAD工作转到工作站上来完成,中型机或大型机主要用于分析计算和统计管理等.目前,国外水泵CAD/CAM系统正朝着进一步实用化,工程化的 

            3基于虚拟原型的水泵网络化快速开发集成体系要实现水泵的网络化快速开发,支持网络化环境的水泵CAD系统是快速开发的前提和基础.由CAD系统生成的虚拟水泵模型在虚拟原型开发环境下应用虚拟交互设备完成水泵零部件的虚拟设计,最后经虚拟装配检验,虚拟加工,虚拟测试合格的水泵虚拟样机利用网络化的快速成形系统则可得到”真实”的物理原型,以便确保多学科的水泵设计组在产品定型前快速检测,论证和确认设计,对水泵的设计进行反馈,实时修改,减少水泵产品从设计到制造,再到测试的时间周期.水泵分布式协同设计技术的实施为水泵虚拟原型开发的整个过程提供了网络化协作的开发环境;水泵虚拟产品信息模型的建立为全生命周期的产品开发提供统一性,一致性的保障.图1所示为水泵网络化快速开发的集成体系.  

            3.1PumpCAD系统的研制CAD系统是以计算机硬件为基础,系统软件和支撑软件为主体,应用软件为核心组成的面向工程设计问题的信息处理系统.水泵的网络化快速开发始于CAD系统的研制,其研制的优劣直接影响到虚拟原型的生成效率,虚拟产品开发全生命周期的运作.水泵通常是根据给定的性能,体积等指标进行产品开发,包括水泵各零部件的设计,特别是过流部件的设计.水泵虚拟原型的生成是通过将由专用水泵CAD设计系统生成的三维实体模型置于虚拟概念设计环境,虚拟装配环境,虚拟测试环境,虚拟运作环境中进行设计,评估,再设计,从而不断优化,以达到所需的性能要求. 基于虚拟原型的水泵快速开发的首要问题,也是关键问题之一是开发具有三维实体建模功能的水泵CAD系统.根据水泵行业需求趋势和发展的要求,我们的PumpCAD系统在已有的水泵基本设计理论的基础上融入优化设计方法,特别是综合了厂家经过长期使用, 实践积累的若干水泵优秀水力模型,以此增强了系统的灵活性与实用性.在整个系统的程序开发过程中主要以面向对象技术为中心思想,零件三维模型的建立选用 Autodesk公司的面向对象的开发环境ObjectARX (AutoCADruntimeExtension)以及MCADAPI (MechanicalApplicationProgrammingInterface)应用程序接口,在Autodesk公司三维机械设计平台MDT(MechanicalDeskTop)软件基础上使用面向对象的编程语言VisualC++开发了基于虚拟原型的水泵CAD系统——PumpCAD,最终能够通过水泵CAD系统得到水泵的工程图档,设计文档,水泵各零件的三维实体模型,各零部件之间的装配信息,水泵设计的若干性能数据(包括流量Q,扬程H,转速,汽蚀余量NPSH,功率和效率等)以及根据不同指标得出的水泵水力设计的评价结果,为水泵快速开发后续过程的顺利完成奠定基础.水泵CAD系统开发的具体方法及其关键技术的

            3.2水泵的虚拟原型开发环境水泵虚拟原型的开发是以计算机支持的协同工作为底层技术基础,通过支持协同工作,CAD,CAM,建模仿真,效能分析,计算可视化,虚拟现实的计算机工具,将各集成化产品小组(IPT)的设计,分析人员联系在一起,共同完成新产品的概念探讨,运作分析,初步设计,详细设计,可制造性分析,效能评估等工作的过程. 

            下面通过该集成环境分析水泵虚拟原型开发的具体运作嘲: 

            1)网络资源层:底层分布式网络环境与数据库服 系统使整个开发环境具有统一和一致的数据库管理机制.水泵虚拟原型的总体开发基于分布对象技术,主要以使用CoRBA,通过ORB(ObjectRequestBroker)把分布的对象连接成一个逻辑上统一的整体.以实现数据的网络传输与共享; 

            2)水泵虚拟样机环境:水泵虚拟原型的开发过程是一个串并行交叉的过程,开发系统中的虚拟设计环境,虚拟加工环境,虚拟装配环境,虚拟测试环境及虚拟运行环境可以相互交互,能够避免传统线性,串行产品顺序开发的多种缺陷,提高设计过程的效率和灵活性.为了实践水泵的虚拟装配,我们基于水泵的级连层次单13O农业工程元装配模型,通过对虚拟装配过程的特性描述,零件在虚拟装配过程中位姿关系变换,虚拟装配环境中的用户交互等的研究,结合VRML(VirtualRealityModeling Language)标准实现了水泵装配体的虚拟运转.  

            3)虚拟交互设备:水泵虚拟原型的开发人员通过系统提供的输入输出设备在虚拟环境中对机械产品进行设计,加工,测试等,虚拟环境提供有专门的设备接口.如在系统中通过发话机与数据手套等输入设备实现手势和声音的交流,由发话机的命令,数据手套的动作调节水泵测试参数;又如通过视觉装置及音响装置等输出设备”身临”水泵运转现场,观看水泵工作状态; 

            4)分析评价模块:水泵虚拟原型在虚拟环境的开发过程中,随时接受设计,加工,装配,测试分析及评价,并将相应的建议,信息反馈给PumpCAD建模系统,形成虚拟原型开发的闭环回路.如通过对水泵虚拟原型导出的流体能量的测量,可得出水泵的运作效率及实际扬程,通过将评价结果反馈给输入设备,在对相应参数进行调整的基础上,经过若干次的评估和改进循环,直至确定水泵虚拟原型达到设计要求后,再将模型投入生产. 

            3.3网络环境下水泵分布式协同设计的实施基于虚拟产品的分布式协同设计技术是建立在计算机支持协同工作环境,因特网技术,虚拟现实技术,多媒体技术以及并行工程的概念等发展基础之上的,旨在组织多学科专家跨越地域和时间的障碍,在产品的初始设计阶段就考虑到后续的工艺和加工需求,共同激发创新灵感,促进设备资源的共享,有利于快速获得制造技术信息,实现复杂产品的协同开发 

            3.4水泵远程快速成形的实现尽管借助虚拟产品开发技术可缩短新产品的设计周期,但在许多情况下,仍然需要或希望能快速制造出产品的物理原型(样机,样件),以便更直观地”检验”产 品,同时这也是零件虚拟设计的要求.快速成形以CAD 技术为基础,以缩短产品开发周期为目标,快速成形可以将可视的虚拟原型变为实际的物理零件或产品,为零件和产品提供更为快捷经济的设计制造方法,为快速产品开发提供性能评价,功能验证及可制造性,可装配性分析与检验等功能,提高产品设计质量和一次设计制造的成功率. 

            我们利用实验室组建的局域网,基于上述的分布式远程PumpCAD系统,通过对所设计的水泵若干关键零件CAD模型的小三角形平面的逼近及平面几何信息的分层处理,最后实践了远程控制CPS250A紫外光成形机加工”真实”的水泵零件.水泵远程快速成形的具体实现过程 

            3.5水泵虚拟产品信息模型的建立异构环境下快速,实时地进行信息交互是水泵快速开发,信息集成的要求,是虚拟原型开发得以顺利进行的基础和保障.信息的集成,交互要求具有统一的产品模型,满足产品信息的唯一性,让产品数据实现共享,支持虚拟设计下游的信息传递与交换.数据共享包括各水泵CAD系统之间及虚拟原型系统与水泵CAD系统之间的数据共享,而实现数据共享的关键问题在于水泵虚拟原型信息模型的建立.目前,STEP是一种较为理想的产品数据交换标准.本系统所建立的水泵虚拟原型产品信息模型是应用面向对象技术,基于STEP标准,采用参数化建模方法,并结合虚拟现实建模标准来构建的,该部分已在另文中予以论述. 

            4水泵网络化快速开发原型系统应用基于以上提出的水泵网络化快速开发的集成框架, 我们基于实验室内部局域网,研制了基于虚拟原型的水泵快速开发原型系统l-7],如图3所示.该原型系统面向叶片泵的开发,主要包括4大模块:水泵分布式协同CAD系统,水泵虚拟样机环境,水泵虚拟原型产品信息管理模块,水泵快速原型制造服务系统.  

            5结语 

            产品开发是产品形成过程中的创造性阶段.本文基于虚拟原型开发技术,研究了如何集成快速产品开发技术与方法构建水泵的网络化快速开发平台,重点分析了PumpCAD系统的研制,水泵虚拟原型开发环境的组成模块,网络环境下水泵分布式协同设计的实施策略, 水泵的远程快速成形及其关键技术.本文提出的水泵网络化快速开发原型系统着眼于支持产品开发与生产全过程的数字化,并行化,智能化,集成化要求,其构建技术与方法有助于水泵虚拟原型开发的进一步开展与完善,对于同类产品的开发同样具有参考价值.