面向制造的一体化设计 - 文章

面向制造的一体化设计

作者：康佳通信开发中心汪崟

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摘要　从面向工业制造的角度考察产品设计中的因素。并行工程与CAD作为提高生产力的有效手段对促进设计创新、提高企业的设计水平能产生巨大的作用与影响。设计同时应当是一个弹性的过程，设计手段也应当更加人性化，如何使设计在产品全生命周期中更好的发挥自己的作用是我们应当关心的问题，合理地配置资源，运用先进的手段是能达到这一目的的。
关键词　并行工程；串行；DFMA技术；CAD；KBE；专家系统

０　前　　言

21世纪的市场竞争不仅是先进科技的竞争，同时也是产品设计的竞争。以知识为基础的产品创新是现代工业设计的核心。随着网络化和信息技术的快步发展，企业之间的竞争愈加残酷，产品开发的风险度也比以前大了许多，这就对企业提出了更高的要求：一个产品由最初的概念构想到制造完成再销售到用户手中所用的时间要短；产品的形态和功能要符合市场的需要，质量要好；制造成本要尽量低，还要尽可能作到环保……。因此，企业如果想在市场上立于不败之地，就不得不加速解决新产品开发中的一连串的问题，如了解市场需求、提高产品质量、降低成本和提供优质服务等。然而在这些问题中，迅速开发出新产品、加快上市时间是关键。现代企业要求敏捷生产，这既要求在设计过程中实现并行工程，即在协同企业和部门之间开展方便、快捷、安全的协同设计工作，而且在产品开发全过程中还必须让用户参与进来，以便发现产品的缺陷，及时纠正，满足用户需要，从而增强企业的核心竞争力。

1　并行工程

一般来说，产品开发的整个过程包括这些环节：确立项目、市场调研、设计（工业设计+结构设计+模具设计+电路设计+……）、工艺、采购、制造、检验、销售、售后服务、回收处理等，设计是其中最重要的一个环节。产品设计虽然占产品总成本不到5%，但它却影响产品整个成本的70%以上。

传统的串行产品开发模式，即立项后先进行市场需求分析，设计部门根据分析结果进行产品设计，然后将图档交给技术部门进行工艺方法的编制和制造工装的准备，采购部门根据要求进行采购，等一切都准备好以后进行生产加工和测试，产品结果不满意时再反复修改设计和工艺，再加工、测试，直到满足要求，然后进行大批量生产。不难看出，串行工程从设计到制造各道工序是按一定的先后顺序逐步实施的，由于在产品方案的设计中缺乏其他部门的支持与合作，因此，许多本来可以提前解决的问题都必须等到整个设计方案进入下一环节后才能被发现，然后设计部门再根据后续部门反馈的结果进行设计的修改与更正。这样，在一定的时期内，一些部门很忙，而另一些部门很闲，造成时间与资源的浪费，而且出问题时如果部门与部门间相互推卸责任，会对企业的竞争力造成很大伤害。这种方法由于产品开发中各个部门总是独立地运作，特别是在设计中很少考虑到其他环节的要求等，因此常常造成设计的反复修改，严重影响产品的上市时间。

1986年，美国国防部防御分析研究所发表了非常著名的R—338报告，提出了“并行工程”的概念，即“并行工程是集成地、并行地设计产品及其相关过程（包括制造过程和协同过程）的系统方法。这种方法要求产品开发人员在一开始就考虑产品的整个生命周期中从概念形成到产品报废的所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户要求”①。进入21世纪以来，并行工程内涵更为丰富、外延更为广泛，它要求在产品设计中既要考虑其上游的市场要求、客户要求，又要同时考虑其下游的工艺、制造、维修、对环境的影响、直至报废处理等方面的内容，也就是说要同时考虑产品全生命周期中各项因素。

如图1.1所示，这是并行工程所采用的开发模式。实践证明：并行工程能够降低产品成本25%~35%，缩短产品上市时间20%~90%，缩短产品开发周期40%~60%，减少工程变更次数60%~90%，全面性品质（Overall Quality）增进200%~600%，企业年收入增加5%~10%，生产力提升20%~110%。④

图1.1 并行式新产品开发示意图

DFMA(Design For Manufacture and Assemble)技术是并行工程关键技术的重要组成部分，其思想已贯穿企业开发过程的始终。它涵盖的内容很多，涉及产品开发的制造、装配、监测、维护、报废处理等各个阶段。在产品的设计早期（概念）阶段应用DFMA技术，考虑并解决产品的可装配性和可制造性问题，经过多次DFMA循环(见图1.2)后，再进入后面的详细设计阶段，然后是样机制造和大量投产。经过这样的过程，虽然设计阶段的时间有所延长，但整个产品的开发周期却大大缩短了。并节约了成本,提高了产品质量。①

2　CAD的应用与发展

CAD技术是实现设计自动化，增强企业及其产品在市场上的竞争能力的一项关键性技术。在整个设计流程中，最受到关注的是数据的传输与设计的协同问题，在由概念设计到结构设计到模具设计的计算机模型的数据传导过程中，往往会由于软件相互间的数据接口而出现许多问题。因而，最理想的方式是所有的过程能够在一个软件里得到完成。在这方面，EDS公司给我们提供了很好的解决办法。UG NX作为一个设计制造一体化的大型软件，提供了从概念设计、结构设计到模具设计与制造等的一系列功能，从而完美解决了数据接口问题。而且EDS公司的相关软件产品涵盖了整个企业产品流程，在产品的全生命周期中都能提供良好的服务。

2.1　CAD的应用

在产品设计过程中，创新性表现最为集中和突出的阶段是产品的概念设计阶段。设计人员在进行产品外表面的电脑虚拟形态构造时，首先应根据概念草图的特征曲线，在计算机上构造出产品外形大略的线框模型，并对这些曲线进行必要的光顺和优化处理,利用光顺处理后的曲线及考虑曲面的成形条件，选择适当的曲面构造方法来生成产品外形曲面.在构造曲面时，一般要求两相邻曲面在公共边界处要保持切矢连续或曲率连续，并要求所生成的曲面是光顺的。

产品外表面数学模型建成后,应生成刀具运动轨迹,在数控机床上加工出产品的外观模型，再根据造型设计与人机工学的要求对模型进行相应的修改，利用三坐标测量机，按设计的要求，测得外观模型的表面数据，并生成相应的点坐标文件，然后输入造型CAD系统，根据新测得的数据修改产品表面数学模型。对该模型进行综合评价后，生成最终产品表面的数学模型。③

产品结构CAD是按照产品功能及制造工艺的需要，将整个产品表面的数学模型分解为多个覆盖件的数学模型，在此基础上，进行覆盖件的贴合面的曲面设计。在进行曲面造型时，应对曲面的特性进行仔细的分析研究，合理生成构造曲面的边框曲线，并确定各曲线之间的相互参数对应关系，选择合适的曲面造型方法，才能满足造型设计的需要。

模具CAD的依据是产品设计部门提供的产品表面数学模型，并根据该零件的工艺要求，着手各工序模具的计算机辅助设计。例如，在进行冲压模具设计时，应完成如下重要工作：冲压方向选择、工艺补充型面设计、确定最佳的压料面、冲压成型分析等。

2.2　CAD的发展

近年来，市场的需求越来越广泛，用户的需求也越来越趋向于个性化。为满足这些新需求，就需要在设计的过程中对设计结果进行不断的、实时的修改。而传统的CAD不是帮助设计人员进行创新设计，而是把一个想好的设计做成实体。在激烈的国际化竞争面前，企业需要的不是在某一个产品细节上有一个工具做得更好，而是一个完整的解决方案。另外，参与整个产品协同设计的人员范围很广，从概念设计、结构设计、模具设计直至于市场人员、销售人员，这些人都需要同样的数据。如果CAD软件能用一套集成工具全面解决概念设计、零件设计、装配设计、钣金设计、产品真实效果模拟和动画仿真等等问题，必将大大提高设计速度。

从某种意义上说，方案构思设计是产品设计中最重要的方面，对设计结果的优劣具有决定性影响。因此，对CAD系统而言，不仅要能很好的处理数据信息，而且要能处理知识信息。人工智能的一个分支——专家系统，为在计算机上实现上述非数值计算的智能行为提供了有力的手段。专家系统是一个运用计算机智能程序的系统，它具有大量专家水平领域内的知识与经验，通过进行推理和判断，模拟专家解决问题的方法和过程来解决设计中的问题。

建立一个工程设计类的专家系统一般应解决三个问题。
（１）知识的获取——何将人类专家的知识和推理方法提取出来。
（２）知识的表示——即如何将以取得的知识转化为适当的逻辑结构和数据结构，存储在计算机内。
（３）知识的利用——即怎样设计推理机构，以利用知识去解决问题。

将人工智能技术，特别是专家系统的技术，与传统CAD技术结合起来，形成智能化CAD系统，这是CAD系统发展的必然趋势。随着当今CAX设计系统发展，产生了以知识驱动为基础的工程设计新思路，简称KBE（Knowledge Based Engineering）。如何把知识、技能、经验、原理、规范等结合到CAX系统中，使得设计人员只要输入工况参数或工程参数或应用要求，系统就能依据相关的知识，自动推理构造出符合该特定要求下的数字化的几何模型。这正是KBE知识工程要解决的问题。KBE将人工智能技术（含知识库、知识规则、逻辑推理等）与CAX集成系统有机的结合在一起，它的重点在于知识的重应用，以便最快开发出优质、高知识含量的新产品。

EDS是最早将KBE实用化的公司，它第一个推出KDA（Knowledge Driven Automation知识驱动自动化）这一实用工具。UGS的KDA是将所有的工程知识，以统一的“规范”(Rule)形式，来表示工程产品的不同几何参数与工程属性之间的相互关系。这些工程“规则”(Rule)都是用知识库来存放、组织的，在运用过程中，KDA系统会自动根据规则之间的关系来计算其顺序。用户只需输入、改变工程参数或添加、修改工程规则，而无需关心CAX系统的任何功能，系统就会根据这些工程规则来计算工程参数对几何参数的影响，从而来驱动最终的几何造型。可见，所有工程参数作为属性被定义在几何实体上，可随时通过修改属性来显示产品几何造型的变化。②

CAD技术的发展趋势就是要进行真正的创新设计，它不再需要先想好要做成什么样，只要有一个模糊的概念，然后在设计的进程中不断把自己的想法表达出来，再判断是否正确，并经过动态的修改得出精确的设计。

3．结论

设计应当是一个弹性的过程，富有创造性的过程。设计没有唯一的答案。作为产品开发的源头与重要环节，如何合理配置资源，运用先进手段，使设计在产品全生命周期中更好的发挥自己的作用是我们应当关心的问题。并行工程与专家系统在CAD中的运用，则可以加强部门间的协调，提高设计效率与成功率，从而达到增强企业竞争力的目的。

参考文献
1．詹友刚、王峰．DFMA面向制造与装配的设计——并行工程的核心技术．计算机辅助设计与制造，北京： 2001
2．莫欣农．协同制造工程——现代制造业的关键技术．计算机辅助设计与制造，北京： 2001
3. 卢金火、刘伯伦、兰凤崇．汽车车身CAD/CAM的开发与应用．计算机辅助设计与制造，北京： 2001
4．林寒蹾．模具制造企业实施并行工程的分析与规划．计算机辅助设计与制造，北京： 2000.12(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/6/2005)


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