制造一體化設(shè)計(jì)論文

1、制造一體化設(shè)計(jì)論文 摘要從面向工業(yè)制造的角度考察產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的因素。并行工程與cad作為提高生產(chǎn)力的有效手段對(duì)促進(jìn)設(shè)計(jì)創(chuàng)新、提高企業(yè)的設(shè)計(jì)水平能產(chǎn)生巨大的作用與影響。設(shè)計(jì)同時(shí)應(yīng)當(dāng)是一個(gè)彈性的過程，設(shè)計(jì)手段也應(yīng)當(dāng)更加人性化，如何使設(shè)計(jì)在產(chǎn)品全生命周期中更好的發(fā)揮自己的作用是我們應(yīng)當(dāng)關(guān)心的問題，合理地配置資源，運(yùn)用先進(jìn)的手段是能達(dá)到這一目的的。 關(guān)鍵詞并行工程；串行；dfma技術(shù)；cad；kbe；專家系統(tǒng) 0前言 21世紀(jì)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)不僅是先進(jìn)科技的競(jìng)爭(zhēng)，同時(shí)也是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的競(jìng)爭(zhēng)。以知識(shí)為基礎(chǔ)的產(chǎn)品創(chuàng)新是現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)的核心。隨著網(wǎng)絡(luò)化和信息技術(shù)的快步發(fā)展，企業(yè)之間的競(jìng)爭(zhēng)愈加殘酷，產(chǎn)品開發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)度也比以前

2、大了許多，這就對(duì)企業(yè)提出了更高的要求：一個(gè)產(chǎn)品由最初的概念構(gòu)想到制造完成再銷售到用戶手中所用的時(shí)間要短；產(chǎn)品的形態(tài)和功能要符合市場(chǎng)的需要，質(zhì)量要好；制造成本要盡量低，還要盡可能作到環(huán)保。因此，企業(yè)如果想在市場(chǎng)上立于不敗之地，就不得不加速解決新產(chǎn)品開發(fā)中的一連串的問題，如了解市場(chǎng)需求、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本和提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)等。然而在這些問題中，迅速開發(fā)出新產(chǎn)品、加快上市時(shí)間是關(guān)鍵。現(xiàn)代企業(yè)要求敏捷生產(chǎn)，這既要求在設(shè)計(jì)過程中實(shí)現(xiàn)并行工程，即在協(xié)同企業(yè)和部門之間開展方便、快捷、安全的協(xié)同設(shè)計(jì)工作，而且在產(chǎn)品開發(fā)全過程中還必須讓用戶參與進(jìn)來，以便發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的缺陷，及時(shí)糾正，滿足用戶需要，從而增強(qiáng)企業(yè)的核心

3、競(jìng)爭(zhēng)力。 1并行工程 一般來說，產(chǎn)品開發(fā)的整個(gè)過程包括這些環(huán)節(jié)：確立項(xiàng)目、市場(chǎng)調(diào)研、設(shè)計(jì)（工業(yè)設(shè)計(jì)+結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)+模具設(shè)計(jì)+電路設(shè)計(jì)+）、工藝、采購、制造、檢驗(yàn)、銷售、售后服務(wù)、回收處理等，設(shè)計(jì)是其中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。產(chǎn)品設(shè)計(jì)雖然占產(chǎn)品總成本不到5%，但它卻影響產(chǎn)品整個(gè)成本的70%以上。 傳統(tǒng)的串行產(chǎn)品開發(fā)模式，即立項(xiàng)后先進(jìn)行市場(chǎng)需求分析，設(shè)計(jì)部門根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，然后將圖檔交給技術(shù)部門進(jìn)行工藝方法的編制和制造工裝的準(zhǔn)備，采購部門根據(jù)要求進(jìn)行采購，等一切都準(zhǔn)備好以后進(jìn)行生產(chǎn)加工和測(cè)試，產(chǎn)品結(jié)果不滿意時(shí)再反復(fù)修改設(shè)計(jì)和工藝，再加工、測(cè)試，直到滿足要求，然后進(jìn)行大批量生產(chǎn)。不難看出，串行工程從

4、設(shè)計(jì)到制造各道工序是按一定的先后順序逐步實(shí)施的，由于在產(chǎn)品方案的設(shè)計(jì)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(gè)設(shè)計(jì)方案進(jìn)入下一環(huán)節(jié)后才能被發(fā)現(xiàn)，然后設(shè)計(jì)部門再根據(jù)后續(xù)部門反饋的結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)的修改與更正。這樣，在一定的時(shí)期內(nèi)，一些部門很忙，而另一些部門很閑，造成時(shí)間與資源的浪費(fèi)，而且出問題時(shí)如果部門與部門間相互推卸責(zé)任，會(huì)對(duì)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力造成很大傷害。這種方法由于產(chǎn)品開發(fā)中各個(gè)部門總是獨(dú)立地運(yùn)作，特別是在設(shè)計(jì)中很少考慮到其他環(huán)節(jié)的要求等，因此常常造成設(shè)計(jì)的反復(fù)修改，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的上市時(shí)間。 1986年，美國(guó)國(guó)防部防御分析研究所發(fā)表了非常著名的r338報(bào)告，提出了“并

5、行工程”的概念，即“并行工程是集成地、并行地設(shè)計(jì)產(chǎn)品及其相關(guān)過程（包括制造過程和協(xié)同過程）的系統(tǒng)方法。這種方法要求產(chǎn)品開發(fā)人員在一開始就考慮產(chǎn)品的整個(gè)生命周期中從概念形成到產(chǎn)品報(bào)廢的所有因素，包括質(zhì)量、成本、進(jìn)度計(jì)劃和用戶要求”。進(jìn)入21世紀(jì)以來，并行工程內(nèi)涵更為豐富、外延更為廣泛，它要求在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中既要考慮其上游的市場(chǎng)要求、客戶要求，又要同時(shí)考慮其下游的工藝、制造、維修、對(duì)環(huán)境的影響、直至報(bào)廢處理等方面的內(nèi)容，也就是說要同時(shí)考慮產(chǎn)品全生命周期中各項(xiàng)因素。 如圖1.1所示，這是并行工程所采用的開發(fā)模式。實(shí)踐證明：并行工程能夠降低產(chǎn)品成本25%35%，縮短產(chǎn)品上市時(shí)間20%90%，縮短產(chǎn)品開發(fā)周

6、期40%60%，減少工程變更次數(shù)60%90%，全面性品質(zhì)（overallquality）增進(jìn)200%600%，企業(yè)年收入增加5%10%，生產(chǎn)力提升20%110%。（p5） 圖1.1并行式新產(chǎn)品開發(fā)示意圖 dfma(designformanufactureandassemble)技術(shù)是并行工程關(guān)鍵技術(shù)的重要組成部分，其思想已貫穿企業(yè)開發(fā)過程的始終。它涵蓋的內(nèi)容很多，涉及產(chǎn)品開發(fā)的制造、裝配、監(jiān)測(cè)、維護(hù)、報(bào)廢處理等各個(gè)階段。在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)早期（概念）階段應(yīng)用dfma技術(shù)，考慮并解決產(chǎn)品的可裝配性和可制造性問題，經(jīng)過多次dfma循環(huán)(見圖1.2)后，再進(jìn)入后面的詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，然后是樣機(jī)制造和大量投產(chǎn)。

7、經(jīng)過這樣的過程，雖然設(shè)計(jì)階段的時(shí)間有所延長(zhǎng)，但整個(gè)產(chǎn)品的開發(fā)周期卻大大縮短了。并節(jié)約了成本,提高了產(chǎn)品質(zhì)量。 2cad的應(yīng)用與發(fā)展 cad技術(shù)是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)自動(dòng)化，增強(qiáng)企業(yè)及其產(chǎn)品在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)能力的一項(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù)。在整個(gè)設(shè)計(jì)流程中，最受到關(guān)注的是數(shù)據(jù)的傳輸與設(shè)計(jì)的協(xié)同問題，在由概念設(shè)計(jì)到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到模具設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)模型的數(shù)據(jù)傳導(dǎo)過程中，往往會(huì)由于軟件相互間的數(shù)據(jù)接口而出現(xiàn)許多問題。因而，最理想的方式是所有的過程能夠在一個(gè)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(gè)設(shè)計(jì)制造一體化的大型軟件，提供了從概念設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到模具設(shè)計(jì)與制造等的一系列功能，從而完美解決了數(shù)

8、據(jù)接口問題。而且eds公司的相關(guān)軟件產(chǎn)品涵蓋了整個(gè)企業(yè)產(chǎn)品流程，在產(chǎn)品的全生命周期中都能提供良好的服務(wù)。 2.1cad的應(yīng)用 在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，創(chuàng)新性表現(xiàn)最為集中和突出的階段是產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)階段。設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行產(chǎn)品外表面的電腦虛擬形態(tài)構(gòu)造時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)概念草圖的特征曲線，在計(jì)算機(jī)上構(gòu)造出產(chǎn)品外形大略的線框模型，并對(duì)這些曲線進(jìn)行必要的光順和優(yōu)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(dāng)?shù)那鏄?gòu)造方法來生成產(chǎn)品外形曲面.在構(gòu)造曲面時(shí)，一般要求兩相鄰曲面在公共邊界處要保持切矢連續(xù)或曲率連續(xù)，并要求所生成的曲面是光順的。 產(chǎn)品外表面數(shù)學(xué)模型建成后,應(yīng)生成刀具運(yùn)動(dòng)軌跡,在數(shù)控機(jī)床上加工出產(chǎn)

9、品的外觀模型，再根據(jù)造型設(shè)計(jì)與人機(jī)工學(xué)的要求對(duì)模型進(jìn)行相應(yīng)的修改，利用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，按設(shè)計(jì)的要求，測(cè)得外觀模型的表面數(shù)據(jù)，并生成相應(yīng)的點(diǎn)坐標(biāo)文件，然后輸入造型cad系統(tǒng)，根據(jù)新測(cè)得的數(shù)據(jù)修改產(chǎn)品表面數(shù)學(xué)模型。對(duì)該模型進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)后，生成最終產(chǎn)品表面的數(shù)學(xué)模型。 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)cad是按照產(chǎn)品功能及制造工藝的需要，將整個(gè)產(chǎn)品表面的數(shù)學(xué)模型分解為多個(gè)覆蓋件的數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行覆蓋件的貼合面的曲面設(shè)計(jì)。在進(jìn)行曲面造型時(shí)，應(yīng)對(duì)曲面的特性進(jìn)行仔細(xì)的分析研究，合理生成構(gòu)造曲面的邊框曲線，并確定各曲線之間的相互參數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系，選擇合適的曲面造型方法，才能滿足造型設(shè)計(jì)的需要。 模具cad的依據(jù)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)部門提

10、供的產(chǎn)品表面數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)該零件的工藝要求，著手各工序模具的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。例如，在進(jìn)行沖壓模具設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)完成如下重要工作：沖壓方向選擇、工藝補(bǔ)充型面設(shè)計(jì)、確定最佳的壓料面、沖壓成型分析等。 2.2cad的發(fā)展 近年來，市場(chǎng)的需求越來越廣泛，用戶的需求也越來越趨向于個(gè)性化。為滿足這些新需求，就需要在設(shè)計(jì)的過程中對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行不斷的、實(shí)時(shí)的修改。而傳統(tǒng)的cad不是幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，而是把一個(gè)想好的設(shè)計(jì)做成實(shí)體。在激烈的國(guó)際化競(jìng)爭(zhēng)面前，企業(yè)需要的不是在某一個(gè)產(chǎn)品細(xì)節(jié)上有一個(gè)工具做得更好，而是一個(gè)完整的解決方案。另外，參與整個(gè)產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)的人員范圍很廣，從概念設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)直至于

11、市場(chǎng)人員、銷售人員，這些人都需要同樣的數(shù)據(jù)。如果cad軟件能用一套集成工具全面解決概念設(shè)計(jì)、零件設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)、鈑金設(shè)計(jì)、產(chǎn)品真實(shí)效果模擬和動(dòng)畫仿真等等問題，必將大大提高設(shè)計(jì)速度。 從某種意義上說，方案構(gòu)思設(shè)計(jì)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)中最重要的方面，對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果的優(yōu)劣具有決定性影響。因此，對(duì)cad系統(tǒng)而言，不僅要能很好的處理數(shù)據(jù)信息，而且要能處理知識(shí)信息。人工智能的一個(gè)分支專家系統(tǒng)，為在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)上述非數(shù)值計(jì)算的智能行為提供了有力的手段。專家系統(tǒng)是一個(gè)運(yùn)用計(jì)算機(jī)智能程序的系統(tǒng)，它具有大量專家水平領(lǐng)域內(nèi)的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)，通過進(jìn)行推理和判斷，模擬專家解決問題的方法和過程來解決設(shè)計(jì)中的問題。 建立一個(gè)工程設(shè)計(jì)類的專家

12、系統(tǒng)一般應(yīng)解決三個(gè)問題。 （1）知識(shí)的獲取何將人類專家的知識(shí)和推理方法提取出來。 （2）知識(shí)的表示即如何將以取得的知識(shí)轉(zhuǎn)化為適當(dāng)?shù)倪壿嫿Y(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)。 （3）知識(shí)的利用即怎樣設(shè)計(jì)推理機(jī)構(gòu)，以利用知識(shí)去解決問題。 將人工智能技術(shù)，特別是專家系統(tǒng)的技術(shù)，與傳統(tǒng)cad技術(shù)結(jié)合起來，形成智能化cad系統(tǒng)，這是cad系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。隨著當(dāng)今cax設(shè)計(jì)系統(tǒng)發(fā)展，產(chǎn)生了以知識(shí)驅(qū)動(dòng)為基礎(chǔ)的工程設(shè)計(jì)新思路，簡(jiǎn)稱kbe（knowledgebasedengineering）。如何把知識(shí)、技能、經(jīng)驗(yàn)、原理、規(guī)范等結(jié)合到cax系統(tǒng)中，使得設(shè)計(jì)人員只要輸入工況參數(shù)或工程參數(shù)或應(yīng)用要求，系統(tǒng)就能依據(jù)相關(guān)

13、的知識(shí)，自動(dòng)推理構(gòu)造出符合該特定要求下的數(shù)字化的幾何模型。這正是kbe知識(shí)工程要解決的問題。kbe將人工智能技術(shù)（含知識(shí)庫、知識(shí)規(guī)則、邏輯推理等）與cax集成系統(tǒng)有機(jī)的結(jié)合在一起，它的重點(diǎn)在于知識(shí)的重應(yīng)用，以便最快開發(fā)出優(yōu)質(zhì)、高知識(shí)含量的新產(chǎn)品。 eds是最早將kbe實(shí)用化的公司，它第一個(gè)推出kda（knowledgedrivenautomation知識(shí)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)化）這一實(shí)用工具。ugs的kda是將所有的工程知識(shí)，以統(tǒng)一的“規(guī)范”(rule)形式，來表示工程產(chǎn)品的不同幾何參數(shù)與工程屬性之間的相互關(guān)系。這些工程“規(guī)則”(rule)都是用知識(shí)庫來存放、組織的，在運(yùn)用過程中，kda系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)根據(jù)規(guī)則之

14、間的關(guān)系來計(jì)算其順序。用戶只需輸入、改變工程參數(shù)或添加、修改工程規(guī)則，而無需關(guān)心cax系統(tǒng)的任何功能，系統(tǒng)就會(huì)根據(jù)這些工程規(guī)則來計(jì)算工程參數(shù)對(duì)幾何參數(shù)的影響，從而來驅(qū)動(dòng)最終的幾何造型?？梢?，所有工程參數(shù)作為屬性被定義在幾何實(shí)體上，可隨時(shí)通過修改屬性來顯示產(chǎn)品幾何造型的變化。 cad技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)就是要進(jìn)行真正的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，它不再需要先想好要做成什么樣，只要有一個(gè)模糊的概念，然后在設(shè)計(jì)的進(jìn)程中不斷把自己的想法表達(dá)出來，再判斷是否正確，并經(jīng)過動(dòng)態(tài)的修改得出精確的設(shè)計(jì)。 3結(jié)論 設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)是一個(gè)彈性的過程，富有創(chuàng)造性的過程。設(shè)計(jì)沒有唯一的答案。作為產(chǎn)品開發(fā)的源頭與重要環(huán)節(jié)，如何合理配置資源，運(yùn)用先進(jìn)手段，使設(shè)計(jì)在產(chǎn)品全生命周期中更好的發(fā)揮自己的作用是我們應(yīng)當(dāng)關(guān)心的問題。并行工程與專家系統(tǒng)在cad中的運(yùn)用，則可以加強(qiáng)部門間的協(xié)調(diào)