模具全寿命周期设计

中国制造

一、技术概述  
     设计产品不仅是设计产品的功能和结构，而且要设计产品的规划、设计、生产、经销、运行、使用、维修保养、直到回收再用处置的全寿命周期过程。全寿命周期设计意味着，在设计阶段就是考虑到产品寿命历程的所有环节，以求产品全寿命周期所有相关因素在产品设计分阶段就能得到综合规划和优化。
    新产品是一个相对概念，具有很强的时间性、地域性和资源性，全寿命周期设计的最终目标是尽可能在质量、环保等约束条件下缩短设计时间并实现产品全寿命周期最优。以往的产品设计通常包括可加工性设计、可靠性设计和可维护性设计，而全寿命周期设计并不只是从技术角度考虑这个问题，还包括产品美观性、可装配性、耐用性甚至产品报废后的处理等方面也要加以考虑，即把产品放在开发商、用户和整个使用环境中加以综合考察。
    由于是对同一种产品对象进行设计，不同的设计人员很可能会设计出不同的模型，这样往往会造成不必要的紊乱，所以为了解决这个问题，统一的模型是必不可少的。同时，为了进行这一模型的统一讲解，要求工作人员在表达产品制造、生产设备和管理等方面必须拥有统一的知识表达模式。
    全寿命周期设计的最重要的特点是它的集成性，要求各部门工作人员分工协作，所以注定他们的工作地点是分散的，尤其在计算机技术已经充分利用到传统工业设计中来的时候，每个工作人员都拥有自己的工作站或终端。所以，分布式环境是全寿命周期设计的重要特点。
    全寿命周期设计始终是面向环境资源（包括制造资源、使用环境等）而言的，它的一切活动都是为了使制造出来的产品能够“一次成功”并在当地的资源环境下达到最优，而不必进行不必要的返工。在设计过程中，不仅要考虑产品功能，造型复杂程度等基本的设计特性，而且要考虑产品设计的可制造性。
    全寿命周期设计的关键问题在于建立面向产品全寿命周期的统一的、具有可扩充性的能表达不完整信息的产品模型，该产品模型能随着产品开发进程则自动扩张并从设计模型自动映射为不同目的的模型，如可制造性评价模型、成本估算模型、可装配性模型、可维护性模型等，同时产品模型应能全面表达和评价与产品全寿命周期相关的性能指标；面向用户的全寿命周期的产品智能建模策略，开发相应的计算机的辅助智能导航产品建模框架系统，包括产品的全过程仿真和性能评价模型、面向全寿命周期的广义约束模型；复合知识的表达模型及其进化策略，全寿命周期设计涉及到大量的非数值知识，现有的简单的数值化方法不能很好反映非数值知识的本质，不仅造成模型的失真，更使模型不易被用户理解。解决数值和非数值混合知识的表达和进化已成为产品全过程寻优的关键。   
     
二、现状及国内外发展趋势  
     1.国内外发展现状
    由于市场竞争的日益激烈，人们开始认识到有效利用企业资源的重要性。发达国家从1968年就提出：应该设计出能一次生产成功的产品，以有效利用生产资源，获得最大的效益。美国总统防务咨询委员会早在1986年就向总统报告：“武器系统的开发周期太长，生产费用太高，且使用效果不尽人意。”为此，美国国防部指示防御分析研究所对相关的全寿命周期设计及其用于武器系统的可行性进行研究。于1988年10月提交了题为“并行工程在武器系统采购中的作用”的研究报告，建立了并行工程研究中心（CERC）。它致力于并行工程的设计、开发和促进技术以及相应的实践和标准工作。现在该中心的技术已在全国范围内得到了广泛的应用。美国国防部在军工生产中也在向全寿命周期设计方向发展，其武器系统的试验项目、全规模开发项目及生产项目都采用了这种方法，与此同时，很我支持全寿命周期设计的工具软件也在研制和开发中。
    通过“九五”攻关和国家863项目的组织实施，我国在CAD/CAM、并行工程、工程广义优化和全寿命周期设计技术方面有了较好的基础，浙江大学、华中理工大学、清华大学、北京航空航天大学、上海交通大学和其他院校相继开展了并行优化、并行工程技术的研究工作。早在1991年，这些院校已经开始认识到开展并行工程技术研究的重要性。近年来，他们一直致力于并行工程环境的研制工作，并取得了显著的成绩。
    2.发展趋势
    从产品的全寿命周期设计的发展过程来看，它的发展肯定是从简单到复杂、从小领域发展到大领域。美国的DEC公司的专家提出了建立并行工程自动化环境的几个阶段，应用于全寿命周期设计也同样适用：内部可操作工具及任务；内部可操作计算环境；产品数据管理；过程管理和决策支持。
    发展第一阶段仅限于实现单个任务内部的集成；第二、第三阶段可实现任务之间的集成；第四阶段实现全过程的集成；第五阶段为高级阶段，可根据现有产品要求及历史经验，给各级管理者和设计者提供决策支持。
    美国的全寿命周期设计发展很快，已形成了多层次的集民软件框架产品，当前正致力于开发过程软件框架。在设计自动化方面，电子设计自动化进展得较快，设计工具正从CAX向DFX（Design for X）方向发展，并已较完整。机械设计自动化，由于产品本身复杂，正在不断完善，基于STEP的标准发展较迅速，已经从CAD扩展到全过程，并正在发展中。
    无疑，当前中国应当走这条路，并完全可以跳过第一阶段，而以第二、第三阶段为基础，主攻第四阶段，在今后10年中，要尽量向第五阶段发展。当然，这需要软件方面的大力支持。
    3.市场需求
    全寿命周期设计是跨世纪的现代企业特征，它强调技术、组织和人员素质的集成，采用并行的、小组化的工作方式，不断提高产品质量，降低成本，以增强企业的应变的竞争能力。
    现代设计方法要求在初始设计阶段就将产品的功能需求转化为设计概念、初步设计参数，再将这些参数往下传递，以约束后续的进一步详细设计。全寿命周期设计要求在设计过程中尽早考虑后续阶段对设计施加的设计约束，以达到“一次成功”，从而减少在设计后期发现错误而导致的返工。
    现代制造业再也不象本世纪初那样长期生产单一的产品了，任何产品都需要在很短的时间内做出新改进，而且品种要相对增多，以适应市场的需求。由于时间短，因此也就决定了产品设计必须满足小批量、多品种的要求，但这并不是说产品结构会越来越简单，而是恰恰相反会越来越复杂。全寿命周期设计恰好能满足这一特点。
    当前社会已经进入到计算机时代，通过计算机辅助设计，可以非常逼真地模仿设计的各个过程，降低成本。所以，对于我国的机械制造业来说，必须大力推广计算机的应用，以提高经济效益。
    产品数据共享是企业过程自动化的基础，当然也是全寿命周期设计的基础。数据库涉及到几何、拓扑等定义信息，也涉及到产品结构、开发过程等管理信息。因此如何优化数据库环境、减少查询时间就成为了今后企业发展的必要环节。
    4.发展前沿
    全寿命周期设计的基本内容就是面向制造及其维护和回用处理的设计，实现产品全寿命周期的最优化，所借助的手段是并行设计，而要顺利完成设计任务的基础是设计过程和数据的管理。
    成型产品很大一部分可以使用权设计产品化，也可以进一步商品化，但在我国，由于没有一个合理的设计过程，很多图纸上的产品不能及时转化为实际的产品，采用面向制造的设计技术，是改变一现状的关键。并行设计强调从产品开发的初始阶段就考虑寿命周期后续活动对产品综合性能的影响及产品各方面属性的联系，以达到最优的产品性能。于是可以缩短产品开发周期，以提高产品竞争力。
    全寿命周期设计会产生大量的数据和信息，它们都将存储到数据库中，产品数据管理可以保证数据的一致性和共享性。保证最有效地利用和调度企业的各种资源，及早发现错误，缩短产品开发时间。   
     
三、“十五”目标及主要研究内容  
     1.目标
    （1）用系统论和全寿命周期综合考虑的观点提出产品的合理开发进程、开发的组织结构，研究解决产品开发各阶段的关键技术，建立全寿命周期设计理论体系，开发出相应的计算机辅助产品创新设计工具，实现产品开发时全、快和优的全寿命周期设计思想。
    （2）在一批产品开发中应用全寿命周期设计技术，并在实践中不断检验和完善全寿命周期设计的理论体系和开发工具，使全寿命周期设计技术完全实用化。
    2.主要研究内容
    （1）并行设计技术
    在并行工程中，最重要的问题是如何处理各个任务间的耦合及协调并行设计群体的活动方式，因此，有效地建立并行工程的模型和优先顺序是并行设计技术发展的突破点。
    ①支持全寿命周期所有相关信息的产品多重表达模型，建立一个统一的产品模型以支持产品产品的全寿命周期，实现多侧面模型的自动映射；
    ②多功能设计小组所处理各个任务间的解耦、耦合及协调策略和方法，计算机辅助解耦及协调方法和系统的研究。
    （2）面向制造的设计技术
    ①系统总结面向制造的机械零部件结构设计知识，并在此基础上建立面向挂靠的机械零部件结构设计的专家系统；
    ②建立面向制造的机械零部件结构信息特征模型；
    ③建立面向制造机械部件和整机装配设计的专家系统及支持虚拟现实环境装配模型；
    ④建立面向制造机械部件结构的并行设计支持系统，该系统还应包括企业制造资源库、标准件和外购件库、原材料加工和装配成本库、多计算机并行设计协调系统的评价和决策支持系统等。
    （3）全寿命周期设计数据管理技术
    ①研究支持跨平台数据集成与共享的PDM系统，实现网络上不同平台和系统的真正一体化；
    ②研究支持全寿命周期的动态模型的数据库和设计过程管理技术；
    ③研究支持异地流动计算的自治体表达模型及其代理策略。
来源中国轻工模具网

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