数字样机 虚拟样机 物理样机 低成本高仿真高精度数字样机

数字样机是进入21世纪以来，制造业信息化领域中出现频率越来越多的专业术语，其对应的英文是Digital Prototype（DP）或Digital Mock-Up（DMU）。

数字样机是相对于物理样机而言的，指在计算机上表现机械产品整机或子系统的数字化模型，与真实物理产品之间具有1:1的比例和精确尺寸表达，其作用是用数字样机验证物理样机的功能和性能。

由于数字样机的载体，是数字与计算机技术；因此，到2015年为止，数字样机技术与理论还在不断发展，并未完全定性。其次，由于数字样机概念是新兴事物、技术含量要求高及历史问题，大部分企业并未意识到或加以利用，市场前景并未完全明朗；基于数字样机技术的应用广泛性，及对设计、研发、生产、制造、装配、售后服务、回收利用等全生命周期环节的前期可预期性，数字样机技术本身的前景还是不错的。

目前，在中国的主要应用是狭义数字样机，包括：数字物理样机、数字力学分析样机、数字运动分析样机、数字宣传培训样机等。

在数字样机概念出现前期，国内外文献就已大量出现虚拟样机（Virtual Prototype, VP）这一概念。按照美国前MDI公司总裁Robert R. Ryan博士的界定，VP技术是面向系统级设计的、应用于基于仿真设计过程的技术，包含有数字物理样机（Digital Mock-Up，DMU）、功能虚拟样机（Functional Virtual Prototype, FVP）和虚拟工厂仿真（Virtual Factory Simulation, VFS）三方面内容。

其中，DMU对应于产品的装配过程，用于快速评估组成产品的全部三维实体模型装配件的形态特性和装配性能；FVP对应于产品分析过程，用于评价已装配系统整体上的功能和操作性能；VFS对应于产品制造过程，用于评价产品的制造性能。

01、狭义数字样机

从计算机图形学角度，利用虚拟现实技术对产品模型的设计、制造、装配、使用、维护与回收利用等各种属性进行分析与和设计，在虚拟环境中逼真的分析与显示产品的全部特征，以替代或精简物理样机。

02、广义数字样机

从制造角度，基于计算机的产品描述，从产品设计、制造、服务、维护直至产品回收整个过程中全部所需功能的实时计算机仿真，通过计算机技术对产品的各种属性进行设计、分析与仿真，以取代或精简物理样机。

中国国家标准GB/T 26100-2010《机械产品数字样机通用要求》对数字样机的定义采用英文Digital Mock-Up（DMU），即：数字样机是对机械产品整机或具有独立功能子系统的数字化描述；这种描述不仅反映了产品对象的几何属性，还至少在某一领域反映了产品对象的功能和性能。

由此可见，产品数字样机形成于产品的设计阶段，可应用于产品的全生命周期，包括：工程设计、制造、装配、检验、销售、使用、售后、回收等环节；数字样机在功能上可实现产品干涉检查、运动分析、性能模拟、加工制造模拟、培训宣传和维修规划等方面。

数字样机技术是以CAX/DFX技术为基础，以机械系统运动学、动力学和控制理论为核心，融合虚拟现实、仿真技术、三维计算机图形技术，将分散的产品设计、开发和分析过程集成在一起；使产品设计者、制造者和使用者在产品早期，就可直观形象地对数字化虚拟产品原型进行设计优化、性能测试、制造仿真和使用仿真，为产品研发提供全新的数字化设计方法。

无论是狭义数字样机，还是广义数字样机，都具有以下3技术特点：

01、真实性

数字样机存在的根本目的，是为了取代或精简物理样机；所以，数字样机必须在仿真的重要方面，具有同物理样机相当或一致的功能、性能或内在特性，即能够在几何外观、物理特性及行为特性上与物理样机保持一致。

02、面向产品全生命周期

数字样机是对物理产品全方位的一种计算机仿真，而传统的工程仿真是对产品某个方面进行测试，以获得产品该方面的性能。

数字样机是由分布的、不同工具开发的，甚至是异构子模型的联合体。

主要包括：CAD模型、外观模型、功能和性能仿真模型、各种分析模型、使用维护模型及环境模型。

03、多学科交叉性

复杂产品的设计，通常包括设计机械、控制、电子、流体动力等多个不同领域。

要想对这些产品进行完整且准确的仿真分析，就必须将多个不同学科领域的子系统，作为一个整体进行仿真分析，使数字样机能满足设计者进行功能验证与性能分析的要求。

按照数字样机反映机械产品的完整程度，可分为全机样机和子系统样机：

01、全机样机

包含整机或系统全部信息的数字化描述，是对系统所有结构零部件、系统设备、功能组成、附件等进行完整描述的数字样机。

02、子系统样机

按照机械产品不同功能划分的子系统，包含相应信息的数字化描述，譬如：动力系统样机、传动系统样机、控制系统样机等。

按照数字样机研制流程或生命流程阶段，分为方案样机、详细样机和生产样机：

01、方案样机

指在产品方案设计阶段，包含产品方案设计全部信息的数字化描述。

02、详细样机

指在产品详细设计阶段，包含产品详细设计全部信息的数字化描述。

03、生产样机

指在产品生产阶段，包含产品制造、装配全部信息的数字化描述。

按照数字样机反映机械产品的精确程度，可分为低精度数字样机、一般精度数字样机及高精度数字样机：

01、低精度数字样机

目前在中国，这是最主要的一种应用。因其成本低、技术含量少、消耗时间短、性价比高而得以广泛采用。

02、一般精度数字样机

相较低精度数字样机，其对技术含量、计算机性能、操作人员的综合能力都有一定要求；所以，在要求不高的情况下，是不会使用的。

03、高精度数字样机

又称高仿真数字样机，也就是极接近真实物理样机的数字样机；在日常应用中，主要针对狭义数字样机，广义数字样机成本、计算都太过复杂，以目前的人工智能技术、一般个人及公司物力财力还无法达到。

由于高仿真数字样机对技术含量、计算机性能、操作人员的综合能力都有非常高的要求；因此，建议在采用前，作好时间、成本、计算机性能、知识量的综合性规划，以免超出能力范围之外而无法实现。

按照数字样机的特殊用途或使用目的，可分为几何样机、功能样机、性能样机和专用样机等：

01、几何样机

侧重于产品的几何描述。

02、功能样机

侧重于产品的功能描述。

03、性能样机

侧重于产品的性能描述；

04、专用样机

能支持仿真、培训、市场宣传等特殊目的。