面向敏捷制造的产品快速设计实现方法研究

面向敏捷制造的产品快速设计实现方法研究发表时间：2006-4-27 唐唤清来源：《机械设计与制造》关键字：敏捷制造虚拟制造快速设计首先讨论了在敏捷制造模式下产品快速设计的实验基础，接着提出构建以CAD／CAE／CAM／PDM的集成为核心的企业信息集成网络，采用虚拟制造的设计方法，形成在CAD／CAE／CAM／PDM集成下产品快速设计的虚拟实现方法。

1、概述企业要在激烈的市场竞争中求得生存和发展，必须具有敏捷性，即具有在瞬息万变中把握各种机遇，并通过不断技术创新、产品创新来领导市场潮流的能力。

敏捷制造就是为了提高企业的竞争能力，在“竞争一合作／协同”机制作用下，实现对市场需求做出灵活快速反应的一种新的制造生产模式。

企业通过采用现代通信技术，建立灵活多变的企业动态组织联盟，并通过动态组织联盟，实现先进的柔性生产技术和高素质的技术人员的全面集成，以敏捷、动态、优化的组织形式实现新产品的快速研制开发，并及时交付投放市场，以迅速响应市场需求，从而赢得竞争的优势。

敏捷制造的战略着眼点是基于对产品和市场的综合分析，快速地响应市场／用户的需求。

因此，一方面要求企业在实施敏捷制造时，必须不断提高企业应变能力，实现技术、管理和人员的全面、协调地集成，使产品设计、开发、生产等各项工作并行地进行；另一方面要求企业必须不断捉高新产品的研制开发能力，从而达到不断改进老产品，迅速设计和制造出高质量的新产品，以满足市场／用户不断提高的要求。

产品快速设计方法的研究是提高新产品快速研发能力的重要保障。

2、敏捷制造模式下产品快速设计实施基础在敏捷制造模式下，影响产品快速研制开发的基础因素主要有：快速的信息网络基础结构、灵活多变的动态组织联盟和具有敏捷性的劳动力。

2.1 信息网络基础结构信息网络是构建敏捷制造支持环境最基础的结构，畅通的信息网络在日常运作、过程控制、决策支持、效益评估及与其它企业的竞争、合作中的联系方面起着不可替代的作用，是实施敏捷制造的基础，也是保障企业在产品研制开发和制造过程中其它基础结构正常运转的最基本的手段。

建立畅通的信息网络，可以实现异地设计、支持并行的产品研制开发，在不同企业间实现信息的交换与共享，持续不断地为用户提供有关产品的各种信息和服务。

信息网络基础结构主要包括企业内管理信息系统MIS和企业外信息集成系统两部分。

企业内MIS是以MRP-Ⅱ为核心的产、供、销、人、财、物一体化的闭环应用系统，是在数据处理基础上发展起来的一个面向管理的集成系统，覆盖了产品生命周期的全过程。

其主要功能包括：信息处理——收集、传输、加工、查询各种与企业产品有关的信息，并进行快速处理；事物管理——经营计划管理、物料管理、生产管理、财物管理、人力资源管理、质量管理等；辅助决策——对现有信息进行分析、预测，提供决策支持。

影响敏捷制造网络信息基础的主要技术因素是信息交换的标准化和分布式多媒体数据库。

目前大多数企业在产品信息的生成、交换和处理中使用的产品信息交换标准如IGES等，还不能实现完全和无异义的产品信息交换，从而产生信息的冗余和延迟。

实现信息交换标准的标准化，使NIS中各个不同的子系统采用标准、通用的人机接口，使得新产品研制过程中不同研制阶段之间的交互接口，不同企业之间的信息交换有了共同的基础，有利于企业内及企业间数据共享。

在实现了信息交换标准化后，为了能够方便查询各种与产品有关的数据、支持产品设计信息与管理信息的共享，以便使得数据和知识能随时在全局范围内进行存取，必须建分布式多媒体数据库。

2.2 动态组织联盟实施敏捷制造不单纯是先进设计制造技术的问题，更重要的是组织和观念的转变、运作模式和社会体系的建立。

为了赢得某一机遇性市场竞争，由一个企业内部有优势的不同部门或有优势的不同企业群体，按照资源、技术和人员的最优配置，快速地组成一个动态组织联盟（虚拟企业），对一复杂产品迅速地研制、开发、生产出来并推向市场，从而抓住市场机遇。

动态组织联盟是建立在“共同取胜获益（win－win）”思想基础上面向经营过程的一种动态组织结构和企业群体集成方式，它改变了传统的金字塔式静态不变的多级管理组织结构，是实施敏捷制造的核心。

而影响动态联盟最关键的因素是合作伙伴的选择，这是基于联盟的经营过程和核心能力的基础上做出的重要决策。

2.3 敏捷型劳动力虽然纷繁复杂、瞬息万变的竞争环境，使企业不得不不断地对各种新技术和新方法进行研究并加以运用，但具有敏捷性的劳动力的技能和创造能力是影响敏捷制造中最重要的因素。

为了成功实施敏捷制造并创造一个充分敏捷的企业，必须培养掌握各种现代设计理论和方法，具有高度灵活、训练有素、多面手型和自主的敏捷型劳动力，并建立一种使他们发挥才干的文化环境。

通过对每个技术人员不断进行的技术培训和再教育，提高他们对新事物的接受和新技术的掌握能力，从而成为企业成功实施敏捷制造、保持和提高竞争能力的重要手段。

3、面向敏捷制造产品快速设计实现方法3.1 构建以CAD／CAE／CAM／PDM的集成为核心的数字化设计信息集成网络制造企业内部信息网络的建设应以CAD／CAE／CAM／PDM的集成为核心。

因此开展CAD／CAE／CAM 集成工作，逐步推进并行工程是实现敏捷制造的一个重要途径，因而可视为敏捷制造的内涵或外延。

CAD／CAE／CAM的集成实现，关键是建立各个自动化孤岛技术之间的数据信息通道和平台。

PDM系统是以关系型数据库加上面向对象技术为基础的产品数据管理应用系统，具有覆盖产品生命周期内全部信息的功能。

利用PDM构筑企业信息集成平台，让所有的信息传递与交换都通过PDM平台来完成，而CAD／CAE／CAM之间无须直接发生联系，从而可以实现真正意义上的CAD／CAE／CAM的无缝集成。

CAD／CAE／CAM／PDM的集成是CIMS的核心内容之一，它覆盖了从产品设计、工程分析到生产制造的全过程。

集成的模式主要有三种：信息的封装模式、程序接口模式和系统完全集成模式。

无论是哪一种模式，都是通过数据接口技术和多数据库的集成技术，实现CAD／CAE／CAM的信息集成、过程集成和功能集成。

具体包括基于特征的识别技术、数据信息的交换技术和多数据库的集成技术等。

随着信息技术的不断发展，企业外信息集成系统的内容和运行模式也随之不断变化，Internet／Intarnet网的应用为各种企业网络中信息交流和传递建立了良好的基础结构。

3.2 采用虚拟制造现代设计方法虚拟制造技术是综合运用仿真、建模、虚拟现实等技术，在三维可视交互环境下，对产品从概念形成、设计到制造全过程，甚至生产设备、制造环境等各个方面进行全方位的动态模拟实现。

其目的就是在产品设计阶段实时、并行地模拟出产品未来制造的全过程及其对产品设计的影响，预测产品的功能及可制造性，全面确定产品设计和生产全过程的合理性，最终获取产品的最优实现方法。

虚拟制造由从事产品设计、评价、分析、仿真、制造和支持等方面的人员组成“虚拟”产品开发设计小组，通过信息网络合作并行工作，在计算机上建立产品数字模型，并在计算机上对这一产品模型的设计结构合理性、可装配性、可制造性及功能等进行评审、修改，最终使新产品的开发一次获得成功。

在敏捷制造理念下的虚拟制造，将采用以下主要技术：（1）建模与仿真技术在敏捷制造的虚拟环境下，产品研制开发过程的建模与仿真结构可以划分为7类活动模型；虚拟产品定义、产品模型准备、服务开发、操作定义、产品处理、虚拟车间仿真和仿真接口。

这些模块可根据现有的仿真资源和性能需求进行不同功能层次的实现。

通过建模和仿真技术应能实现这些具有不同功能层的模块，并通过模块集成构成虚拟设计制造系统。

（2）面向对象数据库技术虚拟制造系统数据的交换量及应用频度非常高，不同功能模块的数据组织和管理要求也不同，由面向对象技术与数据库技术结合形成的面向对象数据库，能够实现数据的持久存储、并行控制、事物管理、恢复和查询，而且能提供一些适合工程应用的高级功能特点。

随着PDES／STEP标准的逐渐完善和颁布，支持POES／STEP的产品过程建模的面向对象数据库将成为虚拟制造环境下数据管理的重要支撑。

（3）虚拟原型系统技术虚拟原型系统技术是利用计算机仿真原型系统代替实际产品原型系统而产生的一种快速原型技术。

它具有明显的可视性，能并行处理设计分析、加工制造、生产组织与调度等各种生产环节所面临的诸多问题。

（4）虚拟环境下系统全局最优决策理论与技术。

3.3 CAD／CAE／CAM／PDM集成下快速设计虚拟实现以CAD／CAE／CAM／PDM集成为基础的虚拟实现，是在敏捷制造生产模式下实现产品快速设计的一种有效途径。

特别是对一些结构比较复杂、性能要求比较高的产品，利用CAD／CAE／CAM开展拟实制造，能够建立起CAD／CAE／CAM技术与生产过程和企业组织管理之间的技术桥梁，使企业的生产和管理活动在新产品投入生产之前，就在计算机屏幕上模拟显示出来，从而使虚拟制造技术成为企业实施敏捷制造的重要工具。

针对一些具有复杂结构的概念产品，通过利用CAD／CAE／CAM三维造型分析和制造软件为基础的集成设计系统，对概念设计、工程分析、制造、装配、运行试验等过程进行可视化仿真分析，具体包括从设计复杂的曲面外形、评估、修改、静动力学仿真试验，到同时进行钣金零件结构及相应模具的可视化设计、制造与装配，以及支持多模型共存、映射、集成、转化和统一等，到完成大型、复杂结构零部件的装配，建立虚拟产品模型，实现虚拟产品的试验仿真、制造、装配运行的可视化。

在此基础进行虚拟单元、虚拟生产线、虚拟车间、虚拟工厂的建立以及各种虚拟设备的重用性、重组性仿真，从而形成完整的虚拟实现制造体系。

这样可以大大加快产品的设计速度，减少投资风险，降低投资成本，缩短研发时间。

系统实现的结构模型如图1所示。

图1 基于CAD／CAE／CAM的虚拟实现制造体系采用Pro－Engineer、UG-Ⅱ、CATIA等为代表的第三代CAD／CAE／CAM软件系统均可形成虚拟开发网络系统结构，设计人员能够在此环境下利用强大的图形功能和修改功能，交互操作，存取和修改产品数据，快速灵活地设计出新产品。

而采用EPD等大型商品化CAD／CAE开发软件，甚至能使用户以动态漫游的方式进入三维CAD模型，从不同的角度观察了解所设计的产品的外观和结构。

非常适用于装配关系复杂的产品的总装、子装配和单个部件的检查。

EPD软件对一个新产品从概念设计到制造成最终产品的整个过程，均可在计算机上用统一的数字和图形模型进行全面的描述，所有相关的设计部门、组织管理部门和最终生产者即使在不同的地区工作，也能够依据自身的权限对同一产品的计算机模型进行并行的设计、修改和验证，可以在计算机模型上完成强度、可制造性、成本和功能等的测试和评价。