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摘要從面向工業(yè)制造的角度考察產(chǎn)品設(shè)計中的因素。并行工程與CAD作為提高生產(chǎn)力的有效手段對促進設(shè)計創(chuàng)新、提高企業(yè)的設(shè)計水平能產(chǎn)生巨大的作用與影響。設(shè)計同時應(yīng)當是一個彈性的過程，設(shè)計手段也應(yīng)當更加人性化，如何使設(shè)計在產(chǎn)品全生命周期中更好的發(fā)揮自己的作用是我們應(yīng)當關(guān)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(guān)鍵詞并行工程；串行；DFMA技術(shù)；CAD；KBE；專家系統(tǒng)

0前言

21世紀的市場競爭不僅是先進科技的競爭，同時也是產(chǎn)品設(shè)計的競爭。以知識為基礎(chǔ)的產(chǎn)品創(chuàng)新是現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計的核心。隨著網(wǎng)絡(luò)化和信息技術(shù)的快步發(fā)展，企業(yè)之間的競爭愈加殘酷，產(chǎn)品開發(fā)的風險度也比以前大了許多，這就對企業(yè)提出了更高的要求：一個產(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間要短；產(chǎn)品的形態(tài)和功能要符合市場的需要，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)計過程中實現(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)計工作，而且在產(chǎn)品開發(fā)全過程中還必須讓用戶參與進來，以便發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的缺陷，及時糾正，滿足用戶需要，從而增強企業(yè)的核心競爭力。

1并行工程

一般來說，產(chǎn)品開發(fā)的整個過程包括這些環(huán)節(jié)：確立項目、市場調(diào)研、設(shè)計（工業(yè)設(shè)計+結(jié)構(gòu)設(shè)計+模具設(shè)計+電路設(shè)計+……）、工藝、采購、制造、檢驗、銷售、售后服務(wù)、回收處理等，設(shè)計是其中最重要的一個環(huán)節(jié)。產(chǎn)品設(shè)計雖然占產(chǎn)品總成本不到5%，但它卻影響產(chǎn)品整個成本的70%以上。

傳統(tǒng)的串行產(chǎn)品開發(fā)模式，即立項后先進行市場需求分析，設(shè)計部門根據(jù)分析結(jié)果進行產(chǎn)品設(shè)計，然后將圖檔交給技術(shù)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(jù)要求進行采購，等一切都準備好以后進行生產(chǎn)加工和測試，產(chǎn)品結(jié)果不滿意時再反復修改設(shè)計和工藝，再加工、測試，直到滿足要求，然后進行大批量生產(chǎn)。不難看出，串行工程從設(shè)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(chǎn)品方案的設(shè)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(shè)計方案進入下一環(huán)節(jié)后才能被發(fā)現(xiàn)，然后設(shè)計部門再根據(jù)后續(xù)部門反饋的結(jié)果進行設(shè)計的修改與更正。這樣，在一定的時期內(nèi)，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(yè)的競爭力造成很大傷害。這種方法由于產(chǎn)品開發(fā)中各個部門總是獨立地運作，特別是在設(shè)計中很少考慮到其他環(huán)節(jié)的要求等，因此常常造成設(shè)計的反復修改，嚴重影響產(chǎn)品的上市時間。

1986年，美國國防部防御分析研究所發(fā)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(shè)計產(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)品的整個生命周期中從概念形成到產(chǎn)品報廢的所有因素，包括質(zhì)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(nèi)涵更為豐富、外延更為廣泛，它要求在產(chǎn)品設(shè)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(huán)境的影響、直至報廢處理等方面的內(nèi)容，也就是說要同時考慮產(chǎn)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(fā)模式。實踐證明：并行工程能夠降低產(chǎn)品成本25%~35%，縮短產(chǎn)品上市時間20%~90%，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期40%~60%，減少工程變更次數(shù)60%~90%，全面性品質(zhì)（OverallQuality）增進200%~600%，企業(yè)年收入增加5%~10%，生產(chǎn)力提升20%~110%。④（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、維護、報廢處理等各個階段。在產(chǎn)品的設(shè)計早期（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，再進入后面的詳細設(shè)計階段，然后是樣機制造和大量投產(chǎn)。經(jīng)過這樣的過程，雖然設(shè)計階段的時間有所延長，但整個產(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。①

2CAD的應(yīng)用與發(fā)展

CAD技術(shù)是實現(xiàn)設(shè)計自動化，增強企業(yè)及其產(chǎn)品在市場上的競爭能力的一項關(guān)鍵性技術(shù)。在整個設(shè)計流程中，最受到關(guān)注的是數(shù)據(jù)的傳輸與設(shè)計的協(xié)同問題，在由概念設(shè)計到結(jié)構(gòu)設(shè)計到模具設(shè)計的計算機模型的數(shù)據(jù)傳導過程中，往往會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(shè)計制造一體化的大型軟件，提供了從概念設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計到模具設(shè)計與制造等的一系列功能，從而完美解決了數(shù)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)計階段。設(shè)計人員在進行產(chǎn)品外表面的電腦虛擬形態(tài)構(gòu)造時，首先應(yīng)根據(jù)概念草圖的特征曲線，在計算機上構(gòu)造出產(chǎn)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(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?shù)那鏄?gòu)造方法來生成產(chǎn)品外形曲面.在構(gòu)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(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)學模型建成后,應(yīng)生成刀具運動軌跡,在數(shù)控機床上加工出產(chǎn)品的外觀模型，再根據(jù)造型設(shè)計與人機工學的要求對模型進行相應(yīng)的修改，利用三坐標測量機，按設(shè)計的要求，測得外觀模型的表面數(shù)據(jù)，并生成相應(yīng)的點坐標文件，然后輸入造型CAD系統(tǒng)，根據(jù)新測得的數(shù)據(jù)修改產(chǎn)品表面數(shù)學模型。對該模型進行綜合評價后，生成最終產(chǎn)品表面的數(shù)學模型。③

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)CAD是按照產(chǎn)品功能及制造工藝的需要，將整個產(chǎn)品表面的數(shù)學模型分解為多個覆蓋件的數(shù)學模型，在此基礎(chǔ)上，進行覆蓋件的貼合面的曲面設(shè)計。在進行曲面造型時，應(yīng)對曲面的特性進行仔細的分析研究，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)計的需要。

模具CAD的依據(jù)是產(chǎn)品設(shè)計部門提供的產(chǎn)品表面數(shù)學模型，并根據(jù)該零件的工藝要求，著手各工序模具的計算機輔助設(shè)計。例如，在進行沖壓模具設(shè)計時，應(yīng)完成如下重要工作：沖壓方向選擇、工藝補充型面設(shè)計、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(shè)計的過程中對設(shè)計結(jié)果進行不斷的、實時的修改。而傳統(tǒng)的CAD不是幫助設(shè)計人員進行創(chuàng)新設(shè)計，而是把一個想好的設(shè)計做成實體。在激烈的國際化競爭面前，企業(yè)需要的不是在某一個產(chǎn)品細節(jié)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(chǎn)品協(xié)同設(shè)計的人員范圍很廣，從概念設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、模具設(shè)計直至于市場人員、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、零件設(shè)計、裝配設(shè)計、鈑金設(shè)計、產(chǎn)品真實效果模擬和動畫仿真等等問題，必將大大提高設(shè)計速度。

從某種意義上說，方案構(gòu)思設(shè)計是產(chǎn)品設(shè)計中最重要的方面，對設(shè)計結(jié)果的優(yōu)劣具有決定性影響。因此，對CAD系統(tǒng)而言，不僅要能很好的處理數(shù)據(jù)信息，而且要能處理知識信息。人工智能的一個分支——專家系統(tǒng)，為在計算機上實現(xiàn)上述非數(shù)值計算的智能行為提供了有力的手段。專家系統(tǒng)是一個運用計算機智能程序的系統(tǒng)，它具有大量專家水平領(lǐng)域內(nèi)的知識與經(jīng)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(shè)計中的問題。

建立一個工程設(shè)計類的專家系統(tǒng)一般應(yīng)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(zhuǎn)化為適當?shù)倪壿嫿Y(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，存儲在計算機內(nèi)。

（3）知識的利用——即怎樣設(shè)計推理機構(gòu)，以利用知識去解決問題。

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。隨著當今CAX設(shè)計系統(tǒng)發(fā)展，產(chǎn)生了以知識驅(qū)動為基礎(chǔ)的工程設(shè)計新思路，簡稱KBE（KnowledgeBasedEngineering）。如何把知識、技能、經(jīng)驗、原理、規(guī)范等結(jié)合到CAX系統(tǒng)中，使得設(shè)計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)的知識，自動推理構(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知識工程要解決的問題。KBE將人工智能技術(shù)（含知識庫、知識規(guī)則、邏輯推理等）與CAX集成系統(tǒng)有機的結(jié)合在一起，它的重點在于知識的重應(yīng)用，以便最快開發(fā)出優(yōu)質(zhì)、高知識含量的新產(chǎn)品。

EDS是最早將KBE實用化的公司，它第一個推出KDA（KnowledgeDrivenAutomation知識驅(qū)動自動化）這一實用工具。UGS的KDA是將所有的工程知識，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)都是用知識庫來存放、組織的，在運用過程中，KDA系統(tǒng)會自動根據(jù)規(guī)則之間的關(guān)系來計算其順序。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)就會根據(jù)這些工程規(guī)則來計算工程參數(shù)對幾何參數(shù)的影響，從而來驅(qū)動最終的幾何造型。可見，所有工程參數(shù)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(chǎn)品幾何造型的變化。②

CAD技術(shù)的發(fā)展趨勢就是要進行真正的創(chuàng)新設(shè)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(shè)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(jīng)過動態(tài)的修改得出精確的設(shè)計。

3．結(jié)論

設(shè)計應(yīng)當是一個彈性的過程，富有創(chuàng)造性的過程。設(shè)計沒有唯一的答案。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，運用先進手段，使設(shè)計在產(chǎn)品全生命周期中更好的發(fā)揮自己的作用是我們應(yīng)當關(guān)心的問題。并行工程與專家系統(tǒng)在CAD中的運用，則可以加強部門間的協(xié)調(diào)，提高設(shè)計效率與成功率，從而達到增強企業(yè)競爭力的目的。

參考文獻

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