數字樣機

數字樣機是進入21世紀以來在製造業信息化領域中出現頻率越來越多的專業術語，其對應的英文是Digital Prototype（DP）或Digital Mock-Up（DMU）。數字樣機是相對於物理樣機而言的。

在數字樣機概念出現前期，國內外文獻大量出現虛擬樣機（Virtual Prototype, VP）這一概念。按照美國前MDI公司總裁Robert R. Ryan博士的界定，VP技術是面向系統級設計的、應用於基於模擬設計過程的技術，包含有數字物理樣機（Digital Mock-Up，DMU）、功能虛擬樣機（Functional Virtual Prototype, FVP）和虛擬工廠模擬（Virtual Factory Simulation, VFS）三個方面內容。其中，DMU對應於產品的裝配過程，用於快速評估組成產品的全部三維實體模型裝配件的形態特性和裝配性能；FVP對應於產品分析過程，用於評價已裝配系統整體上的功能和操作性能；VFS對應於產品製造過程，用於評價產品的製造性能。

我國國家標準GB/T 26100-2010《機械產品數字樣機通用要求》對數字樣機的定義採用英文Digital Mock-Up（DMU），即：數字樣機是對機械產品整機或具有獨立功能的子系統的數字化描述，這種描述不僅反映了產品對象的幾何屬性，還至少在某一領域反映了產品對象的功能和性能。由此可見，產品的數字樣機形成於產品的設計階段，可應用於產品的全生命周期，包括：工程設計、製造、裝配、檢驗、銷售、使用、售後、回收等環節；數字樣機在功能上可實現產品干涉檢查、運動分析、性能模擬、加工製造模擬、培訓宣傳和維修規劃等方面。

數字樣機技術是以CAX/DFX技術為基礎，以機械系統運動學、動力學和控制理論為核心，融合虛擬現實、模擬技術、三維計算機圖形技術，將分散的產品設計開發和分析過程集成在一起，使產品的設計者、製造者和使用者在產品的早期可以直觀形象地對數字化的虛擬產品原型進行設計優化、性能測試、製造模擬和使用模擬，為產品的研發提供全新的數字化設計方法。

狹義的數字樣機認識從計算機圖形學角度出發，認為數字樣機是利用虛擬現實技術對產品模型的設計、製造、裝配、使用、維護與回收利用等各種屬性進行分析與和設計，在虛擬環境中逼真的分析與顯示產品的全部特徵，以替代或精簡物理樣機。

廣義的數字樣機從製造的角度出發，認為數字樣機是一種基於計算機的產品描述，從產品設計、製造、服務、維護直至產品回收整個過程中全部所需功能的實時計算機模擬，通過計算機技術對產品的各種屬性進行設計、分析與模擬，以取代或精簡物理樣機。

無論是狹義的還是廣義的數字樣機，都具有以下三個技術特點：

（1）真實性。數字樣機的根本存在目的是為了取代或精簡物理樣機，所以數字樣機必須在模擬的重要方面具有同物理樣機相當或者一致的功能、性能或者內在特性，即能夠在幾何外觀、物理特性以及行為特性上與物理樣機保持一致。

（2）面向產品全生命周期。數字樣機是對物理產品全方位的一種計算機模擬，而傳統的工程模擬是對產品某個方面進行測試，以獲得產品該方面的性能。數字樣機是由分佈的、不同工具開發的甚至是異構子模型的聯合體，主要包括CAD模型、外觀模型、功能和性能模擬模型、各種分析模型、使用維護模型以及環境模型。

（3）多學科交叉性。複雜產品設計通常設計機械、控制、電子、流體動力等多個不同領域。要想對這些產品進行能夠完整而準確的模擬分析，必須將多個不同學科領域的子系統作為一個整體進行模擬分析，使得數字樣機能夠滿足設計者進行功能驗證與性能分析的要求。

按照數字樣機反映機械產品的完整程度分為全機樣機和子系統樣機。全機樣機包含整機或系統全部信息的數字化描述，是對系統所有結構零部件、系統設備、功能組成、附件等進行完整描述的數字樣機；子系統樣機是按照機械產品不同功能劃分的子系統包含的全部信息的數字化描述，如動力系統樣機、傳動系統樣機、控制系統樣機等。

按照數字樣機研製流程或生命流程階段分為方案樣機、詳細樣機和生產樣機。方案樣機指在產品方案設計階段，包含產品方案設計全部信息的數字化描述；詳細樣機指在產品詳細設計階段，包含產品詳細設計全部信息的數字化描述；生產樣機指在產品生產階段，包含產品製造、裝配全部信息的數字化描述。

按照數字樣機的特殊用途或使用目的可分為幾何樣機、功能樣機、性能樣機和專用樣機等。幾何樣機側重於產品幾何描述；功能樣機側重於產品功能描述；性能樣機側重於產品性能描述；專用樣機能夠支持模擬、培訓、市場宣傳等特殊目的。