并行設計技術分析及其在產品研發(fā)中的應用

楊建中 王藝穎 楊 曦 李 軍

(1.重慶交通大學機電與汽車工程學院，重慶 400074;2.重慶港務集團，重慶 401120;3.駐256廠軍代表室，重慶 400050)

并行設計是一種對產品及其相關過程(包括設計制造過程和相關的支持過程)進行并行和集成設計的系統(tǒng)化工作模式。并行設計是基于傳統(tǒng)中的串行設計而提出的。它作為一種新的設計理念，以產品及相關過程的并行、一體化設計為核心，強調產品開發(fā)人員在設計開始就考慮生命周期中的各種因素，通過一系列的方法和技術，實現(xiàn)產品開發(fā)過程集成，為實現(xiàn)快速，準確和高質量的設計方案提供了一種系統(tǒng)化的有效方法。

與以往的過程式的設計與制造相脫節(jié)的生產方式不同，并行設計是在設計分析、人機交互和數(shù)據(jù)共享等工具及集成技術的支持下，按多學科、多層次協(xié)同一致的組織方式工作，為設計者提供良好的、友善的設計環(huán)境和工具。當設計者有好的構想在其腦海中產生時，這種自上而下的設計方式可以讓產品開發(fā)的任何階段、任何部位的設計都可以在該構想的指導和控制下進行，從而有效地減輕設計者的負擔，提高生產效率和質量。

1 并行設計的主要內容與關鍵技術

1.1 并行設計的主要內容

產品開發(fā)的過程包括功能構思、結構和零件設計、工藝規(guī)劃、制造、裝配、試驗和檢驗等工序。傳統(tǒng)的串行設計方法是按順序設計開發(fā)的過程［1］，產品開發(fā)過程下游存在的問題只有等到過程進行到下階段才暴露出來，這樣生產出來的產品既不能保證質量，又延長了產品的壽命周期。圖1為傳統(tǒng)產品開發(fā)流程圖。串行設計不能及時地考慮到產品的制造、裝配和檢測等要求，很難對產品開發(fā)的各種方案進行篩選和評價，并且反復地設計過程，不僅延長了設計周期，還增加了產品成本。由于設計過程的復雜性，工藝、設備、材料和技術實現(xiàn)的多樣性，使設計者只能選擇最方便、設計周期短的方案，而不是最佳方案。同時，如果產品開發(fā)中沒有考慮到營銷、財務和采購的積極參與和策劃，設計者很難達到目標成本和用戶期望的要求，從而難以適應市場要求。

圖1 傳統(tǒng)產品開發(fā)流程圖

并行設計流程見圖2。并行設計是產品全生命周期設計過程，在設計階段就同時考慮產品生命周期內各影響因素，強調在產品開發(fā)的初始階段就全面考慮到產品壽命周期的后續(xù)活動對產品綜合性能的影響因素，建立產品壽命周期中各階段間性能的繼承和約束關系及產品各方面屬性之間的關系，使產品在壽命周期全過程中綜合性能最優(yōu)。其特點表現(xiàn)在:一是縮短產品生產周期。產品開發(fā)是根據(jù)市場用戶的需求來構思其開發(fā)方案，再將產品投放市場的過程，雖然并非所有環(huán)節(jié)都同時進行，但通過大部分并行或交叉的工作步驟，大大地縮短了產品的開發(fā)時間。二是降低成本。并行設計強調一次性達到目的，為后續(xù)的生產、檢測和維修減少了費用。此外，并行設計采用仿真技術模擬產品的工作過程，分析工作狀態(tài)，實現(xiàn)數(shù)字化設計、制造、檢驗等優(yōu)化技術，從而省去測試樣機的費用。三是提高質量。并行技術將所有的問題都消滅在設計階段，所設計的產品便于制造易于維修，并在設計過程中采用優(yōu)化設計，使產品的綜合性能處于最優(yōu)層次。四是產品符合市場或用戶的需求。由于在設計過程中有銷售人員的參與，結合用戶反饋的信息，所設計的產品能夠很好地滿足市場需求，并且具有較高的可靠性和可行性［2-3］。美國波音公司的777客機就是采用并行設計的最好實例。

圖2 并行設計流程圖

1.2 并行設計的關鍵技術

實施并行工程的過程是非常復雜艱巨的，要滿足并行工程的要求需要從管理與技術兩方面來保證。

管理方面主要體現(xiàn)在群組協(xié)同合作。由于現(xiàn)代產品的復雜性，并行設計中成立一個包含不同領域的專家工作小組，這樣組成的交叉團隊不僅可以將解決問題的階段轉移到概念設計的階段，并能消除來自不同領導對設計變更的對抗，更有效地應對產品需求的以外的變化。

技術方面主要體現(xiàn)在:(1)并行設計技術是DFX技術(面向產品全生命周期的設計技術)和RPM技術(快速成型制造技術)。DFX包括面向制造的設計DFM、面向裝配的設計DFA、面向成本的設計DFC、面向測試的設計DFS、面向維護的設計DFS、面向環(huán)境的設計 DFE、面向報廢的設計DFD［4］。其中 DFM 和 DFA 是 DFX 的關鍵技術［5］。通過DFX使設計人員在新產品的設計階段，可以充分考慮所設計產品的零部件的加工工藝性、裝配工藝性、維修性等，從而使新產品在制造、裝配、檢測等過程中由于設計不當而產生的工程更改數(shù)量減少到最小程度。(2)信息抽象與建模技術。設計過程中建模一個能夠表達和處理產品整個生命周期各階段所有信息的統(tǒng)一的產品模型，可以讓小組成員對公共數(shù)據(jù)庫中的信息共享，并且保證產品信息在各個環(huán)節(jié)的轉換過程中保持一致性和完整性。(3)計算機協(xié)調管理系統(tǒng)。該技術主要幫助遠程工作人員們在一個虛擬的共享環(huán)境中快速高效地完成一個共同的任務。

2 應用實例

本文以某產品開發(fā)設計中的錐形齒輪逆向設計與并行設計為例。

傳統(tǒng)傳動系設計多采用串行設計，即先對組成傳動系的零部件進行幾何結構與傳動設計，然后對組成傳動系的各零部件進行設計以及組合零件進行裝配設計。傳統(tǒng)設計的缺點是對與結構直接相關的裝配協(xié)調和功能保證等總體性問題難以解決，因此將影響整個設計的質量和效率。在某傳動產品設計中，錐齒輪傳動是該傳動系的一核心傳動零部件，其設計與制造質量直接影響著傳動系的效率、壽命和振動等問題。

錐齒輪傳動系并行設計的基本思路是:在概念設計階段，設計者可以先利用用戶定義特征，建立一個標準完全相同的設計環(huán)境，然后在三維軟件中建立整個傳動系的數(shù)字化主模型，將傳動系的模型設計劃分為幾個設計模塊，每一部分的設計規(guī)范和標準完全相同并且受同一數(shù)字化模型控制。比如讓不同的設計者分別進行傳動系的結構設計和傳動零部件的結構與曲面設計，同時讓工藝設計師進行工藝設計，其他設計師、工程師也可以利用統(tǒng)一的數(shù)字化模型進行工業(yè)設計、工程分析、產品評價等相關階段并行和協(xié)同設計。其具體并行設計流程圖如圖3所示。

圖3 錐齒輪的并行設計流程圖

在并行設計建立的三維實體模型中，無論在下游設計的哪個階段進行修改，都能擴展到整個設計中，同時自動更改所有的設計信息以及產品數(shù)據(jù)。由于該設計是在協(xié)同工作環(huán)境下進行，分布在異地的不同部門人員可以在同一個虛擬的共享環(huán)境中合作，參與技術方案的分析、選擇、評價等，可大大提高設計效率，避免大量不必要的重復工作。

該錐齒輪制造采用的是液態(tài)壓鑄工藝，設計與制造中利用了逆向工程對錐齒輪進行模型重構和準確測量，并與設計圖紙進行比較以及誤差分析，同時對壓鑄模具進行修改。錐齒輪件CAD設計圖如圖4所示。根據(jù)設計圖紙利用快速成型機進行了覆膜砂粉體的激光燒結制備，其燒結零件如圖5所示。利用激光三坐標逆向建模系統(tǒng)進行了反求點云建模，其結果如圖6所示。同時在其設計中，充分應用并行設計方法，結合其后續(xù)的制造工藝、裝配工藝設計不斷修改齒輪的參數(shù)以及壓鑄模具的參數(shù)，優(yōu)化其結構，實現(xiàn)該傳動系統(tǒng)的最優(yōu)化。

圖4 錐型齒輪CAD圖

圖5 錐型齒輪燒結圖

圖6 錐型齒輪逆向建模圖

3 結語

并行設計能夠很好地支持產品設計各階段和企業(yè)各部門的協(xié)同工作，從而提高產品的開發(fā)率，降低成本，優(yōu)化產品性能，提高產品質量，提高設計柔性和企業(yè)相應市場變化的能力。在網(wǎng)絡的幫助下，處于不同地方的設計者還可以進行協(xié)同設計。特別對于形狀結構復雜和設計方案繁瑣的產品設計，將并行設計運用于其中，必將成為企業(yè)應付未來市場挑戰(zhàn)的有利武器。

并行設計能很好地支持新產品設計的各階段與企業(yè)各部門的協(xié)同工作，從而提高產品的開發(fā)率，優(yōu)化產品性能，降低成本，提高產品質量，提高設計柔性和企業(yè)適應市場變化的能力。采用并行設計可實現(xiàn)不同設計階段和制造過程的協(xié)同，特別是對于復雜結構和特殊要求的產品，將并行設計運用于其中，協(xié)同不同階段的工作，能有效解決設計與制造全過程中的疑難問題。

［1］閻楚良，楊方飛.機械數(shù)字化設計新技術［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2007.

［2］單鴻波.Web環(huán)境下面向裝配的設計系統(tǒng)的研究［J］.計算機輔助設計與圖形學學報，2005，17(2):341-345.

［3］劉申立，劉繼鵬.三維實體設計與并行工程［J］.工程圖學學報，2004(2):2-5.

［4］賈晨輝.并行工程關鍵技術，DFA的研究與應用［J］.機電一體化，2005(4):29-31.

［5］吳學鵬.面向裝配的設計(DFA)技術研究［J］.機械研究與應用，2008，21(3):22-26.

［6］周皖青.CATIA在汽車模具逆向工程設計中的應用［J］.企業(yè)科技與發(fā)展，2008(16):63-64.