1、产品创新与虚拟产品开发,徐雷8 October 2007,主要内容,产品和产品创新虚拟产品开发虚拟制造,产品与产品创新,产品的概念产品创新产品创新的支撑技术产品开发的不同方式,什么是产品？,目前的产品概念,直到目前为止，在大多数人的观念中，产品是物质形态的商品，是把原材料经过加工制造成为市场需要的货品。在产品开发和创新过程中主要考虑的是产品的物理功能，在产品的生产过程中主要考虑的是生产效率以及产品的质量、成本和交货期。企业与顾客的关系随着产品的交易和有限的担保而告结束。总之，产品是看得见、摸得着的东西。,什么是产品？,目前产品观念形成的原因在工业经济时代的大量生产方式中，产品相对单一，企业利润
2、主要来自加工制造、装配和市场销售。,什么是产品？,传统产品概念所存在的问题制造商以生产和销售产品追求最大利润，这与他们对社会和经济的可持续发展应负的责任往往是矛盾的。知识在产品整个生命周期中的重要作用怎样体现?知识资源和物质资源的关系如何?知识的价值又如何量化?,什么是产品？,未来产品概念：随着科学技术的进步，产品越来越复杂，品种越来越多，更新换代日益加速，生命周期不断缩短。产品的概念发生了根本的变化。产品不仅是物质形态的，还有知识形态的(如计算机软件)。大多数的产品实质上已经同时包括物质和知识两种形态。,什么是产品？,产品生命周期各个阶段价值比例发生的变化,什么是产品？,产品概念的变化,产品
3、创新,产品创新的含义及其重要性产品创新，或者称之为新产品开发，是企业确保市场竞争优势、维持企业生存及成长的重要机能。企业现状分析还表明：改进产品创新过程比改进产品的生产过程获得的效益更为显著，因为新产品开发是企业发展的龙头。,产品创新,产品创新的概念和含义的演变过程：第一代是“技术推动”型。通常是由于某种新技术的发明和应用，推动新产品的出现。第二代是“需求拉动”型。市场的某种需求促使新产品的形成和发展。第三代是“推拉联合”型。即上述两种产品开发观念和策略的结合。第四代是“功能和过程集成”型。第五代是“系统集成和网络”型。,产品创新的支撑技术,传统的创新过程工程师设计出产品图样，制造原型，验证工
4、艺，然后进行性能测试和分析。如果达不到预期的要求，就反复进行这一过程，直到满意为止。弊端：新产品研制涉及到企业的许多部门，周期很长，任何一个环节出现问题，都可能导致失败。在这种情况下，一件新产品通常要经过多次反复试制才能正式投产，往往由于上市慢，错过市场机遇，误了商机。,产品创新的支撑技术,产品创新的观念和策略的变化：从规模、成本和质量目标发展到上市速度第一。从顺序工作方式转向并行工作方式。从满足设计部门目标延伸到全面实现企业目标。从满足企业目标进一步全面体现社会效益。,产品创新的支撑技术,产品创新工程产生原因:实践表明，从改变单项技术或过程入手，已经无法在缩短产品上市周期上取得实质性突破，不
5、能满足市场瞬息万变的要求。为了适应产品创新观念和策略的变化，提出产品创新工程，它是一系列新技术和新思想的集成。,产品创新的支撑技术,目标是解决新产品开发过程中存在的三个主要问题：缩短产品创新构思到新产品上市之间的周期，借助各种计算机辅助技术，加快设计进度，压缩时间。通过网络，组织各方面的专家协同工作，提高新产品的知识含量、创新程度、可制造性、宜人性和绿色度(与人类和环境的友好程度)，扩展活动空间。充分利用计算机仿真技术、虚拟现实技术和和快速原型技术的潜力，避免反复试制产品实物原型的过程，节省新产品开发费用。,产品创新的支撑技术,产品创新工程的主要支撑技术是：计算机辅助技术和产品数据管理。产品和
6、过程的仿真技术。虚拟现实技术。快速原型和制造技术。,产品开发的不同方式,传统的新产品开发模式传统的新产品开发是按照顺序进行的，顺序工作方式是指新产品设计在交给制造部门生产以前，按照一定的顺序进行所有设计和计划工作。新产品是按“设计试制原型修改设计一工艺准备制定计划正式投产”的顺序投入生产。,产品开发的不同方式,传统的新产品开发模式的特征分工明确，各司其责；基本数据重复生成；工作按照一定顺序进行，信息处理间断；新产品开发周期长，市场响应能力差,产品开发的不同方式,网络联盟企业的产品开发方式网络联盟企业的产品开发采取并行、交叉和反复地进行产品设计、工艺设计和生产准备的方式，是一种并行工程。,产品开
7、发的不同方式,网络联盟企业的产品开发方式的特征精简机构，模糊分工；在网络环境下并行工作；一次生成基本数据；集成化信息处理；新产品开发周期短，市场响应快,虚拟产品开发,VPD基本思想用计算机完成整个产品开发过程，工程师在计算机上建立产品模型，对模型进行各种分析，然后改进产品设计方案。组织形式 虚拟产品开发是由从事产品设计、分析、仿真、制造以及产品销售和服务等方面的各种人员网络所组成。他们通过网络通信组建成“虚拟”的产品开发小组，将设计和制造工程师、分析专家、销售人员、供应厂商以及顾客联成一体，不用管他们所处何地，都可实现异地协同工作。,虚拟产品开发,应用过程用数字形式“虚拟地”创造产品，并在制造
8、实物原型之前对产品的外形、部件组合和功能进行评审，快速地完成新产品开发。由于在虚拟产品开发环境中的产品实际上只是一种数字模型，因此可以对它随时随地进行观察、分析、修改、通信及更新版本，这样使新产品开发所涉及的方方面面，包括设计、分析、可制造性、可装配性、易维护性、易销售性，都能同时相互配合进行。,虚拟产品开发,虚拟产品开发的五个阶段CAD单项技术的应用。部门之间信息互联。实施并行工程，相互依存。联盟伙伴全面参与。完全的虚拟产品开发。,虚拟产品开发,第一阶段局部优化。这个阶段的特点是把目标放在提高产品设计局部工作的效率上。但是，这种局部优化常常会造成其它经营成本的增加以及企业内部各部门之间达不到
9、最佳的合作。例如，推广二维CAD技术代替手工绘图，这样做肯定会提高绘图的效率。但由于CADCAMCAE之间没有实现集成，分析人员、数控编程人员和供应厂商仍然还要采用手工方法重新录入有关产品设计数据。,虚拟产品开发,第二阶段内部互联。这一阶段的重点是不同部门和功能的集成，在企业内部通过网络互联。当完成第一阶段后，在缩短产品开发周期及降低成本初见成效时，可试图将CADCAM CAE加以集成。不同部门的人员通过局域网、开放平台、IGES STEP等图形交换标准和电子邮件来共享产品数据和信息。,虚拟产品开发,第三阶段相互依存。各部门从互联发展到相互依存，开始以并行工程方式工作。因此，产品设计质量有了很
10、大提高，大大缩短开发新产品所需的时间。此时，企业开始获得明显效益，例如，可缩短新产品开发周期30-50，降低开发成本3050，产品缺陷减少3050等。,虚拟产品开发,第四阶段全面参与。这一阶段的特点是网络联盟企业的所有伙伴都参与新产品开发过程，共同实施产品创新工程。这一阶段已经超越一个企业内部实施并行工程的概念，变成为由供应商和合作伙伴共同组成的网络联盟企业，集各自的核心竞争能力之大成，共同创造具有良好市场前景的新产品。,虚拟产品开发,第五阶段完全的虚拟产品开发。在这个阶段真正实现虚拟产品开发的理想，产品和过程的知识通过模型的建立全部数字化，避免实物原型的制作，加工制造、装配和检验过程在投入生
11、产之前在计算机上经过充分的仿真验证。此外，顾客通过网络也可直接参与产品开发过程，讨论产品的功能以及使用和维修过程中可能发生的问题。企业将掌握顾客当前及今后的要求，真正做到完全按顾客要求定制产品，并把每个顾客提出的要求(产品知识)集成到新产品开发过程中去，取得经营的更大成功。,虚拟产品开发案例,汽车安全装置设计设计背景美国联信（Allied Signal）公司是从事汽车安全带和气囊的业务，研制一系列汽车安全防护装置，包括扣环、伸缩器、座椅高度调节器、一体化完全带、儿童座椅系统等。这些产品的工程设计工作，在位于美国密苏里州的总部进行，而制造工作则分散于世界不同的地区，以便就近供应各地客户。该公司采
12、用CATIA系统设计新产品。,轿车安全装置的实体模型,虚拟产品开发案例,汽车安全装置设计设计要求该公司的安全带伸缩器有五种基本类型，分别适用于不同系列的车辆。它们对包装、式样和性能的要求都有所不同。客户经常对基本类型作出某些改变，甚至要求全新的设计。,虚拟产品开发案例,汽车安全装置设计新产品开发过程,星期一早晨，设计人员完成某一个零件的立体模型建立工作，当天晚上就能够迅速地制出样品(快速原型),星期二早晨，审查这件样品，并修改设计，当天又制出另一件样品,星期三又重复前一天的过程,星期四早晨，对该零件的方案进行最后审定，当天下午，修改各种细节,星期五，该零件就可投产,虚拟产品开发案例,轿车变速箱
13、的数字原型任务背景 同济大学与有关企业合作测绘了国外两种新型汽车变速器及其主减速器和差速器。设计过程利用Unigraphics CAD系统建立了每个零件的三维实体模型，然后在计算机上进行数字化装配，从而得到了整个动力传动系统的数字原型(Digital Prototyping)。,在数字原型的基础上，利用机械系统动力学分析(ADAMS)软件，分别建立了它们的运动学及动力学分析模型，对其传动特性进行分析，结果与实物试验基本吻合。,虚拟产品开发案例,整车的数字原型 设计背景汽车制造商的目标是要用36个月或更短的时间推出一种新型号汽车。美国密苏里州的QED公司是一家专门从事汽车设计的产品开发公司，在U
14、nigraphies CADCAM系统的基础上推出“电子数学模型分析”(EMMA)软件，它能够把来自不同CAD系统的零部件数据综合成为整部汽车的三维装配模型数字原型，以便在新产品开发过程早期发现设计问题。,虚拟产品开发案例,整车的数字原型 设计过程在由瑞典、德国、英国和北美洲的多家公司联合设计的一种新型汽车上，通过EMMA系统发现有200个问题需要纠正，避免了50次重大的设计更改，使这个项目节约500万美元。因为每次重大设计更改将导致工艺装备的重新制作，平均需耗费10万美元。整车数字原型大体由2000多个零部件构成，可以把它当成一部真正的汽车去进行技术评估。,虚拟产品开发案例,整车的数字原型
15、设计结果图示是一辆载重车的数字原型，包括发动机、底盘、传动系统、驾驶室、车轮等所有主要部件和总成。工程师可以从不同的角度去查看它，可把图象放大或取任一截面(可移动图左上角中的线格选定)，以便详细检查可能出现问题的地方，如零部件的相互干扰和间隙大小，以及制造和装配中的问题等。,虚拟产品开发案例,汽车碰撞仿真 任务背景提高安全性是汽车设计中的关键问题之一。仿真技术为汽车工业带来的好处主要是能够减少样车(原型)上的试验次数。样车不仅很贵，而且在产品设计完成后才能制造，需要时间。为了推出一种新车型，往往要在样车上进行几十次，甚至几百次试验，花费几十万美元。汽车碰撞试验是样车试验中昂贵的一种试验，通常只
16、能进行很少次数，且不一定能找出影响安全性的所有因素。但在整车数字原型的基础上，就有可能反复进行多次碰撞仿真，研究不同零部件对安全性的影响。,虚拟产品开发案例,汽车碰撞仿真设计过程美国ESI公司的软件可以真实地模拟汽车在0100kmh速度下的碰撞，两辆宝马轿车横向相撞的仿真结果如图所示。,虚拟产品开发案例,汽车碰撞仿真设计结果仿真技术是虚拟产品开发的重要支撑技术，已经从一种辅助验证手段变为新产品开发的组成部分，进入基于仿真的设计时代，在产品设计的早期就开始应用仿真技术。例如，对一种车型进行改进时，要通过仿真检验每一修改对设计特性的影响，然后逐步进行修改，直至产生新的车型。,虚拟产品开发案例,网络
17、环境下的工程合作 任务背景分散网络化制造为零部件供应商和整机厂的合作提供了前所未有的广阔前景。例如，加拿大阿培克斯(Apex Metals)公司是一家金属冲压件和组装件生产公司，与美国克莱斯勒汽车公司保持着密切的合作关系。两家公司虽然分别位于不同的国家，使用不同的CAD系统，但是，两家公司工程师的合作却亲密无间，仿佛就在同一间办公室工作。,虚拟产品开发案例,网络环境下的工程合作 合作过程克莱斯勒公司设计的发动机支架问题。通过“汽车万维网”(Auto-Web)把CAD数据传至阿培克斯公司 阿培克斯公司从克莱斯勒公司网上下载CAD模型及有关该支架的技术资料 改进,虚拟产品开发案例,网络环境下的工程
18、合作 设计结果 经阿培克斯公司重新设计的这个零件的厚度从25mm，减少到2mm。重量减轻了25，成本降低25，同时又能承受规定的载荷而不断裂。这次重新设计极为成功，阿培克斯公司因此得到了生产这个支架的合同。,虚拟制造(Virtual Manufacturing),基本思想 虚拟制造(Virtual Manufacturing)或者称为数字化制造。基本构思是“在计算机上验证产品的制造过程”。工程师在计算机上建立过程和设备的模型，与产品的数字原型结合，对制造过程进行全面仿真分析，优化产品的制造过程、工艺参数、设备性能、车问布局等。,虚拟制造(Virtual Manufacturing),目标虚拟制
19、造的目标并不是替代产品制造的物理过程，而是通过建模和仿真来预测制造过程中可能出现的问题，提高产品设计的可制造性和可装配性，优化制造工艺过程及其设备的运行工况以及整个制造过程的计划调度，使得产品及其制造过程更加合理和经济。内涵通过三维图形使制造过程可视化，同时借助数学模型优化制造过程，具有可交互性和可操作性，是制造活动的一种验证工具。内容虚拟制造包括微观的虚拟工艺过程和设备、宏观的虚拟制造系统两大类。,虚拟制造(Virtual Manufacturing),虚拟工艺过程和设备虚拟工艺过程和设备是各种单项工艺过程和设备运行的仿真，如数控加工、焊接、激光加工、喷漆和装配等。示例以虚拟数控加工(VNC
20、)为例，说明虚拟工艺过程的功能与作用。虚拟数控加工是用来模拟与分析数控加工过程和校验NC程序的工具。它是人机交互的三维仿真环境，完整地实现机床与刀具的运动、工件的装夹和材料的去除过程的可视化和人机交互操作。,虚拟制造(Virtual Manufacturing),VNC建立过程虚拟数控机床(VNC)的模型是用CAD建立的，通常只需建立运动部件或有可能发生碰撞的零部件模型，以简化模型和减少建模时间。美国Deneb公司和以色列Tecnomatix公司推出的虚拟制造仿真软件都包含有典型机床和其它设备的模型。VNC具有与真实机床一样的控制功能和操作面板，利用 VNC可解决数控程序检验和加工工艺质量改进
21、两个问题。,虚拟制造(Virtual Manufacturing),VNC仿真加工的意义：1.尽管CADCAM系统已非常成熟，但输出的数控程序通常还需要通过试切来检验和修改。通过VNC的仿真，可按照实际机床操作同样的方式在屏幕上操作虚拟的机床，不仅可直观地发现问题，且可对新的编程技术大胆进行试验，不占用机时，也不必担心损坏机床。实际运行的数控程序在编辑窗口中显示，可随时改变数控程序，并立即看到改变后的结果。示例：,碰撞是数控编程时最致命的错误，会带来无法挽回的损失。VNC仿真加工过程，既可在碰撞发生时就停止循环，也可记录碰撞而让循环继续。记录内容包括哪些零件遭到损坏，以及由哪些NC代码段造成。
22、,虚拟制造(Virtual Manufacturing),VNC仿真加工的意义：加工工艺质量是由循环效率和工件加工质量来综合评定的。统计表明，由于过慢的进给、不必要的运动或重复的换刀等，往往浪费30-40的循环时间。VNC能查明这些原因，减少循环时间的浪费。VNC能标识出导致切割不足或过切的工艺条件，以及导致刀具毁坏的工艺条件。切削数据与每把刀具关联，它包括切削用量、刀具累积切削时间和去除材料量，利用这些数据可预测刀具的寿命。夹具设计和工件位置对加工的精度是至关重要的。VNC可对不同的夹具和工件组合进行多方案评价，以选取最优配置。甚至可模拟加工过程中的弹性变形，对机床的动态特性进行分析，以及预
23、测工件的尺寸精度和表面粗糙度。,虚拟制造系统,美国Deneb公司的排队事件仿真工具-Quest软件，是用来仿真和分析制造系统的典型工具。建立方法：通过面向对象的建模方法，在内容丰富的模型库中选择各种机床、工作单元、传送装置、立体仓库、自动输送小车和操作人员等模型，使制造系统仿真模型的建立不再是件困难的事情。通过直观的三维图形仿真，能及时发现生产中可能出现的问题，并能对制造系统的布局方案、批量控制、运行统计分析进行评价比较。,虚拟制造系统,效果Quest模型建好后，能够运行以观察模型的行为。运行过程中，用户仍能对其进行控制，能缩放或在模型中漫游，以检验模型运行。,该软件模拟圆锯最终装配线的一帧屏幕。,虚拟制造系统,解决生产线布局和调度中的问题物流中的瓶颈环节和关键路径使生产流程中的不确定因素降到最低减少设备布局变更的损失，降低风险全面考虑所有构成要素的影响，并进行最终综合检查,
