制造一體化設計論文

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摘要從面向工業制造的角度考察產品設計中的因素。并行工程與CAD作為提高生產力的有效手段對促進設計創新、提高企業的設計水平能產生巨大的作用與影響。設計同時應當是一個彈性的過程，設計手段也應當更加人性化，如何使設計在產品全生命周期中更好的發揮自己的作用是我們應當關心的問題，合理地配置資源，運用先進的手段是能達到這一目的的。

關鍵詞并行工程；串行；DFMA技術；CAD；KBE；專家系統

0前言

21世紀的市場競爭不僅是先進科技的競爭，同時也是產品設計的競爭。以知識為基礎的產品創新是現代工業設計的核心。隨著網絡化和信息技術的快步發展，企業之間的競爭愈加殘酷，產品開發的風險度也比以前大了許多，這就對企業提出了更高的要求：一個產品由最初的概念構想到制造完成再銷售到用戶手中所用的時間要短；產品的形態和功能要符合市場的需要，質量要好；制造成本要盡量低，還要盡可能作到環保……。因此，企業如果想在市場上立于不敗之地，就不得不加速解決新產品開發中的一連串的問題，如了解市場需求、提高產品質量、降低成本和提供優質服務等。然而在這些問題中，迅速開發出新產品、加快上市時間是關鍵。現代企業要求敏捷生產，這既要求在設計過程中實現并行工程，即在協同企業和部門之間開展方便、快捷、安全的協同設計工作，而且在產品開發全過程中還必須讓用戶參與進來，以便發現產品的缺陷，及時糾正，滿足用戶需要，從而增強企業的核心競爭力。

1并行工程

一般來說，產品開發的整個過程包括這些環節：確立項目、市場調研、設計（工業設計+結構設計+模具設計+電路設計+……）、工藝、采購、制造、檢驗、銷售、售后服務、回收處理等，設計是其中最重要的一個環節。產品設計雖然占產品總成本不到5%，但它卻影響產品整個成本的70%以上。

傳統的串行產品開發模式，即立項后先進行市場需求分析，設計部門根據分析結果進行產品設計，然后將圖檔交給技術部門進行工藝方法的編制和制造工裝的準備，采購部門根據要求進行采購，等一切都準備好以后進行生產加工和測試，產品結果不滿意時再反復修改設計和工藝，再加工、測試，直到滿足要求，然后進行大批量生產。不難看出，串行工程從設計到制造各道工序是按一定的先后順序逐步實施的，由于在產品方案的設計中缺乏其他部門的支持與合作，因此，許多本來可以提前解決的問題都必須等到整個設計方案進入下一環節后才能被發現，然后設計部門再根據后續部門反饋的結果進行設計的修改與更正。這樣，在一定的時期內，一些部門很忙，而另一些部門很閑，造成時間與資源的浪費，而且出問題時如果部門與部門間相互推卸責任，會對企業的競爭力造成很大傷害。這種方法由于產品開發中各個部門總是獨立地運作，特別是在設計中很少考慮到其他環節的要求等，因此常常造成設計的反復修改，嚴重影響產品的上市時間。

1986年，美國國防部防御分析研究所發表了非常著名的R—338報告，提出了“并行工程”的概念，即“并行工程是集成地、并行地設計產品及其相關過程（包括制造過程和協同過程）的系統方法。這種方法要求產品開發人員在一開始就考慮產品的整個生命周期中從概念形成到產品報廢的所有因素，包括質量、成本、進度計劃和用戶要求”①。進入21世紀以來，并行工程內涵更為豐富、外延更為廣泛，它要求在產品設計中既要考慮其上游的市場要求、客戶要求，又要同時考慮其下游的工藝、制造、維修、對環境的影響、直至報廢處理等方面的內容，也就是說要同時考慮產品全生命周期中各項因素。

如圖1.1所示，這是并行工程所采用的開發模式。實踐證明：并行工程能夠降低產品成本25%~35%，縮短產品上市時間20%~90%，縮短產品開發周期40%~60%，減少工程變更次數60%~90%，全面性品質（OverallQuality）增進200%~600%，企業年收入增加5%~10%，生產力提升20%~110%。④（P5）

圖1.1并行式新產品開發示意圖

DFMA(DesignForManufactureandAssemble)技術是并行工程關鍵技術的重要組成部分，其思想已貫穿企業開發過程的始終。它涵蓋的內容很多，涉及產品開發的制造、裝配、監測、維護、報廢處理等各個階段。在產品的設計早期（概念）階段應用DFMA技術，考慮并解決產品的可裝配性和可制造性問題，經過多次DFMA循環(見圖1.2)后，再進入后面的詳細設計階段，然后是樣機制造和大量投產。經過這樣的過程，雖然設計階段的時間有所延長，但整個產品的開發周期卻大大縮短了。并節約了成本,提高了產品質量。①

2CAD的應用與發展

CAD技術是實現設計自動化，增強企業及其產品在市場上的競爭能力的一項關鍵性技術。在整個設計流程中，最受到關注的是數據的傳輸與設計的協同問題，在由概念設計到結構設計到模具設計的計算機模型的數據傳導過程中，往往會由于軟件相互間的數據接口而出現許多問題。因而，最理想的方式是所有的過程能夠在一個軟件里得到完成。在這方面，EDS公司給我們提供了很好的解決辦法。UGNX作為一個設計制造一體化的大型軟件，提供了從概念設計、結構設計到模具設計與制造等的一系列功能，從而完美解決了數據接口問題。而且EDS公司的相關軟件產品涵蓋了整個企業產品流程，在產品的全生命周期中都能提供良好的服務。

2.1CAD的應用

在產品設計過程中，創新性表現最為集中和突出的階段是產品的概念設計階段。設計人員在進行產品外表面的電腦虛擬形態構造時，首先應根據概念草圖的特征曲線，在計算機上構造出產品外形大略的線框模型，并對這些曲線進行必要的光順和優化處理,利用光順處理后的曲線及考慮曲面的成形條件，選擇適當的曲面構造方法來生成產品外形曲面.在構造曲面時，一般要求兩相鄰曲面在公共邊界處要保持切矢連續或曲率連續，并要求所生成的曲面是光順的。

產品外表面數學模型建成后,應生成刀具運動軌跡,在數控機床上加工出產品的外觀模型，再根據造型設計與人機工學的要求對模型進行相應的修改，利用三坐標測量機，按設計的要求，測得外觀模型的表面數據，并生成相應的點坐標文件，然后輸入造型CAD系統，根據新測得的數據修改產品表面數學模型。對該模型進行綜合評價后，生成最終產品表面的數學模型。③

產品結構CAD是按照產品功能及制造工藝的需要，將整個產品表面的數學模型分解為多個覆蓋件的數學模型，在此基礎上，進行覆蓋件的貼合面的曲面設計。在進行曲面造型時，應對曲面的特性進行仔細的分析研究，合理生成構造曲面的邊框曲線，并確定各曲線之間的相互參數對應關系，選擇合適的曲面造型方法，才能滿足造型設計的需要。

模具CAD的依據是產品設計部門提供的產品表面數學模型，并根據該零件的工藝要求，著手各工序模具的計算機輔助設計。例如，在進行沖壓模具設計時，應完成如下重要工作：沖壓方向選擇、工藝補充型面設計、確定最佳的壓料面、沖壓成型分析等。

2.2CAD的發展

近年來，市場的需求越來越廣泛，用戶的需求也越來越趨向于個性化。為滿足這些新需求，就需要在設計的過程中對設計結果進行不斷的、實時的修改。而傳統的CAD不是幫助設計人員進行創新設計，而是把一個想好的設計做成實體。在激烈的國際化競爭面前，企業需要的不是在某一個產品細節上有一個工具做得更好，而是一個完整的解決方案。另外，參與整個產品協同設計的人員范圍很廣，從概念設計、結構設計、模具設計直至于市場人員、銷售人員，這些人都需要同樣的數據。如果CAD軟件能用一套集成工具全面解決概念設計、零件設計、裝配設計、鈑金設計、產品真實效果模擬和動畫仿真等等問題，必將大大提高設計速度。

從某種意義上說，方案構思設計是產品設計中最重要的方面，對設計結果的優劣具有決定性影響。因此，對CAD系統而言，不僅要能很好的處理數據信息，而且要能處理知識信息。人工智能的一個分支——專家系統，為在計算機上實現上述非數值計算的智能行為提供了有力的手段。專家系統是一個運用計算機智能程序的系統，它具有大量專家水平領域內的知識與經驗，通過進行推理和判斷，模擬專家解決問題的方法和過程來解決設計中的問題。

建立一個工程設計類的專家系統一般應解決三個問題。

（1）知識的獲取——何將人類專家的知識和推理方法提取出來。

（2）知識的表示——即如何將以取得的知識轉化為適當的邏輯結構和數據結構，存儲在計算機內。

（3）知識的利用——即怎樣設計推理機構，以利用知識去解決問題。

將人工智能技術，特別是專家系統的技術，與傳統CAD技術結合起來，形成智能化CAD系統，這是CAD系統發展的必然趨勢。隨著當今CAX設計系統發展，產生了以知識驅動為基礎的工程設計新思路，簡稱KBE（KnowledgeBasedEngineering）。如何把知識、技能、經驗、原理、規范等結合到CAX系統中，使得設計人員只要輸入工況參數或工程參數或應用要求，系統就能依據相關的知識，自動推理構造出符合該特定要求下的數字化的幾何模型。這正是KBE知識工程要解決的問題。KBE將人工智能技術（含知識庫、知識規則、邏輯推理等）與CAX集成系統有機的結合在一起，它的重點在于知識的重應用，以便最快開發出優質、高知識含量的新產品。

EDS是最早將KBE實用化的公司，它第一個推出KDA（KnowledgeDrivenAutomation知識驅動自動化）這一實用工具。UGS的KDA是將所有的工程知識，以統一的“規范”(Rule)形式，來表示工程產品的不同幾何參數與工程屬性之間的相互關系。這些工程“規則”(Rule)都是用知識庫來存放、組織的，在運用過程中，KDA系統會自動根據規則之間的關系來計算其順序。用戶只需輸入、改變工程參數或添加、修改工程規則，而無需關心CAX系統的任何功能，系統就會根據這些工程規則來計算工程參數對幾何參數的影響，從而來驅動最終的幾何造型。可見，所有工程參數作為屬性被定義在幾何實體上，可隨時通過修改屬性來顯示產品幾何造型的變化。②

CAD技術的發展趨勢就是要進行真正的創新設計，它不再需要先想好要做成什么樣，只要有一個模糊的概念，然后在設計的進程中不斷把自己的想法表達出來，再判斷是否正確，并經過動態的修改得出精確的設計。

3．結論

設計應當是一個彈性的過程，富有創造性的過程。設計沒有唯一的答案。作為產品開發的源頭與重要環節，如何合理配置資源，運用先進手段，使設計在產品全生命周期中更好的發揮自己的作用是我們應當關心的問題。并行工程與專家系統在CAD中的運用，則可以加強部門間的協調，提高設計效率與成功率，從而達到增強企業競爭力的目的。

參考文獻

1．詹友剛、王峰．DFMA面向制造與裝配的設計——并行工程的核心技術．計算機輔助設計與制造，北京：2001

2．莫欣農．協同制造工程——現代制造業的關鍵技術．計算機輔助設計與制造，北京：2001

3.盧金火、劉伯倫、蘭鳳崇．汽車車身CAD/CAM的開發與應用．計算機輔助設計與制造，北京：2001

4．林寒蹾．模具制造企業實施并行工程的分析與規劃．計算機輔助設計與制造，北京：2000.12