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工业设计/产品设计 |
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虚拟企业产品设计技术研究 |
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作者：合肥工业大学 褚学宁 |
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敏捷制造是面向21世纪的企业发展战略和模式，虚拟企业(或企业动态联盟)是实现敏捷制造的主要途径。虚拟企业强调充分利用社会上已有的设计、制造资源，通过组织动态联盟，快速响应市场变化，把握市场机遇［1］。它克服了传统企业的封闭性、局限性和设计、制造能力的不完备性，减少了资源的重复投入，缩短了生产准备周期，提高了产品从设计、制造到销售全过程的整体柔性和敏捷性，增强了企业(群体)的竞争能力。目前有关敏捷制造、虚拟企业的研究与实践活动已在世界范围内蓬勃展开，现代企业向虚拟企业、敏捷制造发展已是历史的必然。
1虚拟企业产品设计过程特点
产品设计(包括工艺设计)是虚拟企业中最重要的活动内容，它不仅决定着产品的成本、质量和上市时间，也是影响虚拟企业规模大小、成员组成和运行模式的主要因素，是组织、实施虚拟企业的重要基础和前提。由于涉及多企业资源共享和异地合作等问题，虚拟企业产品设计过程更加复杂，表现出以下新的特点：
(1)有效利用合作企业已有的设计、制造资源是虚拟企业产品设计过程的核心在产品设计过程中最大限度地利用合作企业已有的设计、制造资源，不仅可以减少大量的零件设计、绘图、工艺设计、夹具设计与制造等生产准备性工作，缩短生产准备周期，而且由于新的零件种类的减少，控制了工艺装备的多样性，降低了产品成本。同时，对经过生产实践考验的零件产品的采用，可快速形成可靠的新产品设计方案，提高了产品设计的可靠性和敏捷性。
(2)异地联合设计是虚拟企业产品设计的主要模式由于产品总体设计、零件详细设计(包括工艺设计)和生产制造将由核心企业和合作企业分别完成，跨地域的联合设计将成为主要方式。
(3)合作企业的优化选择必须在产品设计过程中同时考虑产品设计方案决定着合作企业的组成，合作企业的设计、制造能力也影响着产品最终方案的质量、成本和时间。因此两者必须同时考虑，以得到最优的产品设计方案和最佳的企业组合。
以上特点的实现，需要很好地解决面向合作企业设计—制造能力的产品设计方法，合作企业设计—制造能力的综合表示等一系列关键技术。
2虚拟企业产品设计关键技术
2.1面向合作企业设计—制造能力的产品设计方法
图1 虚拟企业产品设计系统总体框架
保证在产品设计全过程，特别是早期，有效利用合作企业的设计、制造资源是虚拟企业产品设计技术的关键［3］。笔者提出的基于GT的虚拟企业产品设计系统总体框架见图1。它把设计过程分为3个阶段：
(1)概念设计阶段包括用户设计要求描述、产品功能概念设计和建模，最终得到包含产品功能表面的原理方案。
(2)初步设计阶段确定产品的总体结构，包括结构布局，零件主要形状和装配关系。这一阶段是由原理方案向形状结构转变的关键阶段，它决定了产品的零件数量、结构形状、材料以及重要的精度要求，对产品的可制造性、可装配性以及对合作企业设计、制造资源的利用都至关重要。这一阶段包括产品装配单元(零件)划分、结构方案GT查询和产品可制造装配性分析3个部分。
产品装配单元(零件)划分是在原理方案基础上，根据便于制造和便于装配的原则，对产品功能表面进行分解和重组，将产品划分为装配单元(零件)，并确定它们之间的装配关系，不同的划分将形成不同的结构方案。
结构方案GT查询完成产品结构方案与合作企业设计、制造能力的匹配查询，通过对产品结构方案GT编码，再与反映合作企业设计、制造综合能力的零件族复合零件、标准工艺过程进行匹配查询，如果匹配，则表明该设计方案与合作企业的设计、制造能力相一致，合作企业的零件产品(包括设计图纸、工艺文件等资料)可以直接利用，并作为详细设计的基础。如果不匹配，则需要重新设计产品结构方案或扩充新的合作企业。
产品可制造装配性分析对产品结构方案所确定的零件数量、种类、标准化程度等可装配性指标以及产品制造时间、成本和材料的可加工性等可制造性指标进行分析和估算(由于有相似产品的标准工艺过程作参考，这些指标容易得到)。如果产品的时间和成本符合用户要求，则可进一步进行详细设计。否则需要更改设计方案或增添新的合作企业。
(3)详细设计阶段包括零件详细设计、工艺详细设计和可制造装配性详细分析。这些是在复合零件、标准工艺过程上进行的。
2.2产品可制造装配性综合评价
产品的可制造性和可装配性对产品的最终质量和成本有着同样重要的作用，可是两者之间常常此消彼长不能完全一致，因此必须统筹考虑，才能达到设计的全局最优。
(1)可制造装配性评价指标体系确定可从多个方面对产品的可制造性、可装配性进行综合评价，包括两大类指标：经济性指标(如制造时间、运输时间、装配时间、制造成本、运输成本、装配成本等)和技术性指标(如材料、形状结构、公差的可加工性，零件数量、种类、定位配合关系等可装配性)。两类指标还将分解成不同层次的具体分指标，共同构成整个指标体系。
(2)指标值的确定可采用定量计算和定性分析两种方式。对于能够定量计算的指标可建立数学模型，如制造成本计算模型。对于不能定量计算的指标，可采用定性分析。包括应用几何推理技术来确定产品的结构工艺性(如盲孔底部形状、特征加工进退刀空间、定位基准表面的面积大小和精度等)、结构装配性(如装配方向的一致性，配合、定位的方向性等)，应用分析比较法确定标准零件、刀具和几何结构采用的比率。
(3)指标的综合与评价方法分层加权将作为主要的综合方法。考虑到产品设计不同阶段的信息量水平不同，指标评价的原则有所不同。如初步设计阶段，评价指标的数目不宜太多，应抓住重点，指标值的确定主要以类比方法(如GT匹配查询)为主以及采用少量参数的经验估算方法。评价原则为着重考虑重点因素。在详细设计阶段，评价指标体系应尽可能完善，要充分反映各方面因素，一般应建立指标树。对定量指标尽可能应用精确的数学模型，对定性指标则应用几何推理方法，评价原则为全面考虑各个因素。
2.3企业信息模型
企业信息模型综合描述了企业经营管理现状以及设计制造能力水平，包括经营管理模型和企业能力模型。
(1)经营管理模型综合描述企业经济效益及稳定性、企业管理水平、质量保证情况(如是否通过国际ISO-9000标准)、生产准备周期和准时交货情况、交通通信条件以及企业信誉等信息,主要用于支持合作企业的优化选择。
(2)企业能力模型包括设计制造综合能力描述和设备加工能力描述。设计制造综合能力将用零件族复合零件、标准工艺过程来描述，这样做不仅可以通过零件族覆盖整个企业的各类零件产品，而且可以将每一族零件的设计图纸、工艺过程、工艺装备等资料有序地管理起来，便于在产品、工艺设计时检索查询。设备加工能力将描述企业生产设备的数量、种类，每台设备的加工范围、精度等级、切削用量等，支持零件工艺设计和可制造性分析。
2.4合作企业优化选择
在分析、比较不同产品设计方案的可制造装配性以及综合考虑合作企业经营管理状况、企业信誉等因素基础上对合作企业进行优化选择，这一过程是随着产品设计过程的不断深入逐渐完成的。(end)
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(12/6/2004) |
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