产品协同设计

产品协同设计（共12篇）

产品协同设计 篇1

0 引言

在产品协同设计过程中,LCPT成员之间就产品结构问题存在紧密与广泛的协同信息交流,最终达成共识并设计出各方都认同的产品,以此指导各自本职工作的开展[1,2]。但在复杂的产品协同设计流程中,准确、合理地解决LCPT组成员之间的协同信息记录和传递问题成为产品协同设计工作能否顺利开展的关键所在[1]。

在产品协同设计过程中,协同信息往往是需要以图形符号与文字描述的方式表达。在当前以2D为主3D为辅的数字化技术状况下,3D模型不具备文字与符号表达能力,解决LCPT成员之间的协同信息记录与交流可通过二种方式:一种是将3D模型转化为2D工程图,并在其上表达这些协同定义信息;另一种是开发专用的图文信息记录与发放平台。前者在多个信息载体条件下,对协同工作的操作与控制具有很大的难度;后者则很难实现协同设计过程与产品数据的集成管理。同时,存在协同设计流程效率低及产品数据共享传递差的问题,将影响协同设计的整体效果。MBD技术的出现将为此提供了一种有效的解决方案。

1 MBD技术的内涵

MBD技术是一个用集成的三维实体模型来完整表达产品定义信息的方法体,它通过图形和文字表达的方式,直接地或通过引用间接地揭示了一个物料项的物理和功能需求,详细规定了三维实体模型中产品尺寸、公差、制造技术要求等产品非几何制造工艺信息的三维表达方法[3,4,5]。MBD建立的产品三维实体模型如图1所示。MBD将产品信息中的几何形状信息与尺寸、公差、工艺信息通过一个完整的三维实体模型来表达,改变了传统由三维实体模型来描述几何形状信息,而用二维工程图来定义尺寸、公差和工艺信息的分步产品数字化定义方法。同时,MBD使三维实体模型作为生产制造过程的唯一依据,改变了传统以工程图为主要制造依据,而三维实体模型仅为辅助参考依据的制造方法。MBD在2003年被ASME批准为机械产品工程模型的定义标准,是一个以三维实体模型作为唯一制造依据的标准体[3,4,5]。

2 MBD驱动的协同设计工作划分

保证以最短时间、最快效率、最低成本研制出新型产品,并保证产品具有符合设计要求的制造质量,是任何工程技术人员与管理人员的共同梦想。同时,也是开展与实施协同设计工作应该达到的总体目标与预期,而MBD技术将为推动这一目标的实现提供重要的保障。MBD技术以标注与属性表达的方法使产品非几何制造信息集成在三维实体模型中,使三维模型成为协同设计过程中产品信息表达的唯一载体。MBD驱动的协同设计工程的基本方式是以MBD模型为核心,通过组建跨部门的产品全生命周期集成开发团队(LCPT),并保证整个研制过程中团队内部成员对产品开发信息的完整记录与高度共享(Cooperated Information Record and Share,CIRS),以协同工作方式开展产品及其相关制造、服务过程的设计,使设计出来的产品不仅具有良好的性能,而且具有很好的可加工性、可装配性、可检测性和可维修性,从而达到并行协同设计的总体目标。LCPT组各成员根据职责分工,在企业信息管理平台的支持下,通过数字化产品定义DPD、数字化预装配DPA、数字化装配过程设计DAS、数字化工装设计DTD及质量保证计划SPC/AQS等工作步骤,得到产品设计及制造过程的完整数据。产品并行协同设计工作划分如图2所示。

3 MBD支持的协同设计流程

在产品协同设计过程中,设计人员与LCPT组中的其它专业人员一起进行产品结构设计,从不同专业角度提出改进产品结构的意见,使设计出来的产品具有更好的使用、制造与维护性能。同时,工艺与工装设计人员根据不同等级的结构设计信息同步开展工艺规划与工装设计等传统在研制下游完成的工作,形成了错综复杂的协同设计工作流程。在以2D为主、3D为辅的多信息载体的数字化技术条件下,实现不同阶段对不同载体信息的记录及其在不同LCPT组成员之间的准确传递、控制非常困难,给一体化研制流程定义与实施控制带来了不利影响。采用MBD制造技术后,MBD模型成为产品几何与非几何信息的唯一载体。因此,MBD模型不仅成为产品设计过程中同一零部件设计对象的唯一输出结果,也成为工艺、工装等部门直接开展工艺和工装设计工作的唯一数据源。同时,MBD模型为实现产品结构设计、工艺设计、工装设计工作的一体化管理创造了技术条件,从而真正形成可操作、可实施的产品协同设计过程,如图3所示。

在MBD技术支持下产品协同设计流程中,结构、工艺、工装设计工作在MBD模型的驱动下形成一个完整的整体。协同设计一方面强调产品及其工艺、工装设计同步进行,使工艺人员、工装人员全面参与产品结构设计,及时向设计部门提供反馈意见并加以修改,使产品结构满足制造工艺性要求,从而减少了设计返工;另一方面,在不同等级的产品结构数据支持下,工艺、工装人员预先开展设计工作,提出工艺、工装设计思路,反馈给结构设计人员,从而使MBD模型具有完整的工艺、工装设计信息,成为后继工艺、工装设计的工作依据。在MBD支持下的协同设计过程中,通过对设计任务的不断分解及各个任务的分布式并行处理,从而协作完成整个复杂的研制工作,结构设计与工艺、工装设计工作几乎同时开始又同时结束。同时,完备的结构数据与工艺工装信息几乎同时生成。

4 产品协同信息及其表达

4.1 产品协同信息

产品协同设计过程中,为了保证各类数据的准确性及协调性,必须在协同设计工作过程中保证LCPT组成员之间的信息交流与协调沟通,使LCPT每位成员在自己的工作成果数据中考虑并满足其它人的信息需求。在协同设计过程中,LCPT组成员之间需要协调的信息主要有结构分离面信息、关键特性信息、工装定位计划信息与测量计划信息。

4.1.1 结构分离面信息

结构分离面分设计分离面与工艺分离面。设计分离面是由设计人员根据使用功能、维护修理、运输方便等方面的需要,将产品划分为许多采用可拆卸连接的部件、段件和组件形成的;而工艺分离面是由工艺人员为了生产的需要将其划分为许多较小而简单的、采用不可拆卸连接的板件和组件形成的。工艺分离面的合理划分具有重要意义。通过合理的划分工艺分离面,可提高装配工作的开敞性,可以达到改善装配工作效率,缩短装配周期,并提高产品的装配质量。同时,由于增加了平行装配工作面,为提高装配工作的机械化和自动化程度创造了条件。在数字化技术条件下,产品结构的设计与工艺分离面通过产品数据管理平台PDM来表达和实现。结构设计人员从结构功能角度划分出设计分离面,并把产品结构数据组织成EBOM形式;而工艺人员从生产角度划分工艺分离面,并将产品结构从EBOM形式调整成PBOM,指导后继的工艺与工装设计工作。

4.1.2 关键特性

关键特性KC(Key Characteristics)是材料、零部件或制造过程的特征,它们的变化对产品的互换协调要求影响最大,进而影响到产品结构配合、性能、服务寿命或可制造性等。通过监控其波动情况可达到防止缺陷产生的目的。它的应用使得产品质量的控制从以检验为基础的质量控制体系转变为预防为基础的质量控制体系。在一个产品的众多协调特征中做出选择是十分困难的。因此,关键特性的定义和选择需由LCPT组共同研讨决定。选择和定义关键特性一般根据经验,包括两方面:一是依据关键特性概念及经验常识定义关键特性;二是依据历史数据资源定义关键特性。另外,可用比较复杂的数学分析方法进行关键特性定义,如损失函数法、相对损失函数法、风险分析法。为了保证高一级的关键特性如总体设计阶段给出的顶级关键特性,必须将这些关键特性沿产品制造树(或产品结构树)向下逐级传递分解,直到分解到零件级,形成树形结构—关键特性树。如果高一级的关键特性出现了波动过大的情况,其原因往往可追溯到低层零部件的波动上,直至关键过程参数。因此,上一层产品的关键特性应分解传递到下一层产品的关键特性上,以使制造者能追溯波动源。当零件级关键特性继续向下分解传递时,可继续找出对关键特性有较大影响的制造工艺参数。

4.1.3 工装定位计划

复杂产品装配过程的主要特点是为保证其形状和尺寸的协调准确度要求,必须用大量体现零件尺寸和形状的专用装配工艺装备来定位零部件空间位置并保证其形状。工装设计人员设计装配工艺装备时,不仅需要关于由工程设计人员设计的装配对象的几何形状与尺寸信息,而且还要关于由制造工艺技术人员制定的装配对象的装配过程及其零部件的具体定位方法,即工装定位计划TIP(Tool Index Plan)。在产品协同设计过程中,装配工装定位计划是在产品结构初步设计阶段,由LCPT组根据装配工作需要组织产品装配工艺结构树并制定出主要装配工艺流程后,进一步提出对装配工艺装备的需求及工装定位计划。工装定位计划制定的依据是产品结构构型,并在其中详细说明装配结构件的定位基准与定位方法,包括结构件基准面、装配配合表面、空间交点孔位、装配孔位置以及重要轮廓外缘等。

4.1.4 测量计划

在对关键特性的波动控制中,需要通过测量才能实现。因此,需要LCPT组对关键特性做出详细的测量计划,以便在制造过程中实施。测量计划包括对产品验收测量(对关键特性的控制点的测量)和工序验收测量(关键特性的检查点测量)。测量计划必须指出详细的测量基准与测量对象,同时包括测量指令并根据需要加上图解,有时需包括测量技巧。另外,应对测量结果绘制相应的统计过程控制图,使任何对过程进行审核的人都能以直观地方式看到这些信息。

4.2 MBD的产品协同定义模式

由于MBD模型独特的非几何信息三维表达能力,使它作为产品结构形状几何信息的载体外,也成为产品非几何制造信息的最好去处。因此,MBD模型具备了在飞机协同设计过程中记录LCPT组协同信息的能力,而且把产品设计信息与协同信息集成在同一个三维空间,LCPT组只需针对与依据同一个对象进行工作,减少了在不同信息环境下转换与操作的繁锁度,成为LCPT组的协同信息记录与交流的理想对象。LCPT组的工程设计人员可以用它来完成全部产品结构形状与制造工艺信息的设计表达工作;LCPT组的工艺计划与工装设计人员则可把工装定位需求信息以标注与属性的方式附加到MBD模型中。类似地,LCPT组也可将关键特性与测量计划信息通过MBD模型来表述。

由于MBD模型包含全部产品结构设计信息,是LCPT组工程设计人员的主要工作对象与设计成果。因此,在通过MBD模型记录协同信息时,需要由工程设计人员负责完成产品结构树调整及关键特性、定位计划、测量计划等相关信息的记录与操作过程,即LCPT组的其他成员根据产品结构与原始MBD模型,分析得出相关协同制造信息需求并传达给工程技术人员,由工程技术人员将这些信息表达在MBD模型中,然后LCPT组再依此MBD模型开展后继研制工作。如此反复,直到完成整个产品研制任务。MBD模型也在研制过程中不断更新、反映着最新产品定义(开发)状态,起到沟通不同工程部门(设计、制造、工艺、质量、服务支持等)意图的作用。LCPT组通过MBD模型实现协同信息定义的方式如图4所示。

4.3 协同信息在MBD模型中的表达

MBD模型强大的非几何信息描述能力为关键特性、定位计划、测量计划等协同信息的描述提供了全新的定义方法。这些协同信息一般由符号与文字说明信息两部分组成,传统只能通过二维工程图或图片并结合文字表达,而在MBD模型中将采用标注与属性联合表达的方式。为保证各类人员在全生命周期中对这些信息的理解一致性,需要制定它们在MBD模型中的统一表达方法与使用规范。

关键特性、定位计划、测量计划等协同信息都与零部件的特定结构几何特征相关。因此,既需要用符号标注的方式标识指出特定的几何结构特征及信息类别,又要对该标识用文本字符串属性进行详细描述说明。符号标注一般采用旗注标识符和包含一个参数的旗注定义联合说明。旗注标识符是用于描述所有零件特征的特殊工程标识符号,一般采用直角五边形。它被放在适当的标注平面中,并用一根导引线指向被描述的关联几何特征。旗注定义是对旗注的文本描述,放在旗注符号中,由信息类别标识与序号两部分组成。每个旗注都需要进行详细描述,这些详细的描述信息放在结构特征树上的有关结点中,并以旗注定义符号标识。如图5是基于CATIA的关键特性定义。关键特性的旗注定义由KC字符后面跟一个字母组成(如KC A),每个关键特性的描述信息都放在以“key characteristics”或“关键特性”标识的产品结构特征树主结点描述说明中。定位计划、测量计划等协同信息的定义与关键特性的定义方法一致。另外,为方便后继人员对这些特殊信息的查找索引,需建立单独的视图与捕获。

5 结论

在产品协同设计过程中,LCPT组成员之间就产品结构定义、加工、装配、检测等存在着大量复杂的协同信息交流与交换,形成复杂的产品协同设计工作流程,准确、快捷、方便地在中记录并传递这些协同信息成为协同设计成功的关键。MBD技术用标注与属性的方式解决了产品非几何制造信息在产品三维数字化实体模型中的表达问题,使三维模型成为了数字化产品定义的唯一载体,也成为产品协同设计过程中协同信息交流与交换的最好载体,有力地促进了产品协同设计技术的开发与应用。

参考文献

[1]周秋忠.MBD技术在大型飞机数字化装配中的应用研究[D].北京:北京航空航天大学,2009.

[2]卢鹄.大型飞机的并行数字化定义技术研究[D].北京:北京航空航天大学,2007.

[3]Y14.41-2003.Digital product de finition data practices[S].NewYork:ASME,2003.

[4]卢鹄,韩爽,范玉青.基于模型的数字化定义技术[J].航空制造技术,2008(3):78-81.

[5]周秋忠,范玉青.MBD技术在飞机制造中的应用[J].航空维修与工程,2008(3):55-57.

产品协同设计 篇2

路线与桥梁的协同设计

协同设计是工程设计发展的必然趋势.由道路设计中路线与桥梁的`设计特点,结合计算机的数据库应用特点,设计出一套协同设计系统,提高了设计效率,降低了设计成本.

作 者：王超 杜杨 WANG Chao DU Yang  作者单位：王超,WANG Chao(河南省交通规划勘察设计院有限责任公司,河南,郑州,450052)

杜杨,DU Yang(河南大学人民武装学院,河南,郑州,450052)

刊 名：资源环境与工程 英文刊名：RESOURCES ENVIRONMENT & ENGINEERING 年，卷(期)： 23(z1) 分类号：U412 U442 关键词：桥梁   协同设计  

产品协同设计 篇3

关键词:协同产品设计 数字化 并行工程

中图分类号:TH122文献标识码:A文章编号:1674-098x(2012)04(a)-0026-02

随着数字化时代制造数据集的应用,大大减少了繁琐的样板加工过程,我们通过采用先进的数控加工技术对零件产品进行数字化加工。目前,数字化时代的进步就在于复杂产品设计简单化,为了更好的把握制造数据集的应用,现代技术正逐步进入协同产品设计时代,即IPT(Integarted Product Team),意为协同产品设计组,是并行产品定义阶段所采取的联合设计组织形式。

1 波音的并行工程应用情况

波音(Boeing)公司在波音777上全面使用无纸设计制造技术和并行工程的理念,极大地缩短了设计制造周期,减少了工程更改,提高了产品质量,在市场竞争中取得成功。该成功范例对于全球的航空制造企业都具有非常大的示范作用。该公司在777项目中实施并行工程理念时,成立了238个集成产品开发团队(IPT),有关产品开发过程中产生的所有问题都在IPT内部协商解决。由于制造提前介入设计过程,减少了制造返工和工程更改的数量,保证了产品设计制造的一次成功。

2 IPT的组成及分工

我们不难看出,所谓的IPT就是一个由少量能力互补的人员组成的小组,在这里所有成员被委托以共同的目的、行为目标和工作方法,并相互负责[1]。从而,完成一项甚至是数项大的生产设计任务。其中IPT主要有四个基本属性:①承担有限的任务;②由具有多种交叉能力的成员组成,其中包括参与产品开发各阶段的核心成员组;③具有可定义和可度量的输出;④有唯一的团队领导。

协同产品设计组的建立不仅仅要求上面这四个基本属性的存在。同样IPT组织规范中最需要解决的问题是成立IPT的动因、团队领导、团队成员及工作过程和方式,以及与成员原来组织单元的关系等。这些是实际运作过程中必然碰到的问题,我们通过在大量实践经验的基础上,总结并开始逐步的完善规则,以便指导IPT在整个产品开发生命周期中的运作。

3 IPT工作在国内航空制造业的应用

往往对于一种飞机型号的开发,我们需要形成一个IPT群体来承担不同部件的开发工作。针对我国航空工业的现实情况,使用IPT进行产品开发的主要目的是为了实现设计到制造的一次成功,而不是飞机开发工作的一次成功。目前,由于技术的限制,IPT在中国目前的引用配套过程并不是完全成熟。

我们现在面临的最大困难和挑战不仅仅是从飞机设计出来到生产出原型机。同样在试验和试飞工作中我们自己的IPT工作还需要延续相当长的时间,甚至是工作框架还不够完善。因此,在中国航空工业技术相对完善的IPT生命周期仅到完成设计图纸结束,并不涵盖整个飞机开发的生命周期。尽管这样,国内基于IPT的应用也非常广泛,几家大型飞机制造企业联合生产飞机,不但加快了生产进度,更能够增加企业交流,谋求更深层次的发展。

4 模线样板的设计中应用的数据管理系统

相对于IPT而言,应用最广泛的主要就是产品的数据管理PDM系统的应用,即利用这个框架帮助企业实现对产品有关的数据、开发过程以及使用者进行集成与管理,从而更好的实现协同工作的目的,加快工作效率。

在这里,我们着重介绍基于PDM系统下的子系统PLM在模线样板中的应用。相对于当代的中国飞机制造业,仍然保留着对样板和模线的设计与使用,为了能过更好的对其进行合理的管理,一些大型飞机设计企业通过这种PLM(产品生命周期管理系统)提供资料管理、产品结构管理、查询管理、邮件管理、类型管理、工作流量管理等。

模线样板设计专业设计的产品为样板的工艺图和明胶板模线,传统的样板工艺图是用手工绘制、手工签审,样板工艺图和明胶板模线工人管理。在应用PLM系统后,样板的设计过程完全在系统中进行,同时能过清晰地对数据进行控制和管理,并相应建立与模线样板相关的表单:样板申请单、样板工艺图、零件划线图、样板工艺单、样板更改单、零件划线图更改单等,这些基于PLM系统的数据的管理,减少了大量的冗余信息管理时间。

对于专门的数据管理和模线样板设计的中枢单位的数据工作流程主要有2个。

4.1 样板或数据集申请单审批流程

①编制:由其发起申请单流程,并设定流程各节点会签人员;②校对:使用单位工艺室主任;③审查:工艺科或冶金科技术员;④设计单位(制造数据中心):数据室主任接到任务后利用“转移接收人”功能将任务“转移”给指定的设计员进行任务的批准或否决;⑤审查并批准;⑥分发:数据中心数据室主任接到任务后利用分发的功能给指定设计员。

4.2 樣板设计审批流程

①设计:样板设计员根据样板申请单对工程数据集进行模线及样板的设计;②校对:样板校对员;③审校:数据室副主任;④批准:数据室主任;⑤分发:资料室打印工艺图后下工段进行样板的加工。

建立在履行多种任务、行使内部控制的工作团体基础上的企业,经常能够超越以个人、单一任务和受外部控制为基础的组织形式。人们有能力决定自己的行为方法,而且团体内部控制比主管的外部控制更加有效,这就是IPT能产生高质量、高效率的根本原因。但是航空企业IPT目前的运作客观上讲并不完善。有些企业已经实施的联合工作组具有IPT的性质,但仅局限在较小的范围内产生效益。

5 结语

因此,针对我国航空企业目前的实际情况,参考目前国际上流行的并行设计理论与方法,创造出适合我国国情的飞机设计开发组织与运行管理模式,是目前航空业亟待解决的问题。但是我们知道,中国的进步、飞机的设计是有目共睹的,只要我们全体40万航空人的不断努力与学习,中国的飞机制造业一定会蒸蒸日上,成为世界航空飞机制造企业的佼佼者。

参考文献

[1] 郭卫东.虚拟样机技术与ADAMS应用实例教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005,

[2] 何平浒,蔡力刚,李培根.CAPP开发平台的关键技术的研究[J].华中理工大学学报,2000(4).

面向复杂产品的协同设计研究 篇4

随着现代制造技术的飞速发展和先进设计手段的出现,传统设计方法已经难以满足时代的要求,特别是复杂产品要求的不断提高,设计对象由单机走向系统,设计要求由单目标走向多目标,设计所涉及领域由某一领域走向多个领域,产品设计方法复杂,设计速度更新加快。基于这种复杂性的增加,导致产品开发难度大、周期长、成本高,整个过程无法由设计者单独完成,从而变成一个具备多学科性和群体协作性的工程。

复杂产品的协同设计使不同领域专家共同参与产品开发设计,要求从产品的整体性质和功能出发,综合整体与各组成要素之间的相互关系,以提高产品开发质量,缩短产品开发周期。

1 复杂产品的协同设计

1.1 复杂产品的开发特点

复杂产品是指客户需求复杂、产品组成复杂、产品技术复杂、制造过程复杂、项目管理复杂的一类产品[1]。在复杂产品的全生命周期中,其设计过程是机械、电子、控制等多个领域一体化的协同设计过程,该设计过程不仅涉及了概念设计、工艺规划、加工、装配协调、试验分析等多个学科专业,而且还要借助专家经验和技巧进行大量的科学计算分析,需要不同领域设计者相互密切协作、共同完成设计任务的过程。

1.2 网络化协同设计

为了完成某一复杂产品的设计目标,通常由多个设计成员通过一定的信息交换和协作机制来共同完成。利用Web提供支持环境和工具,要求所有成员在共享环境中对设计方案进行讨论或修改一系列设计活动,及时了解整体设计方案,进一步跟踪设计过程的进展状态,动态获取阶段性设计成果,有效地实现智能协同交流。

基于Web的协同设计框架已被广泛应用于协同产品设计系统。构建完善的协同设计过程建模语言体系是相关研究人员追求的目标之一,它能帮助设计人员理解设计过程本质,忽略非重要细节,对知识挖掘和知识重用等知识系统管理产生重大影响。通过网格技术协同设计人员完全融入协同设计系统中,共享数据信息,有效地利用服务端和客户端资源,实现产品数据管理和项目管理。

2 复杂产品的协同设计模式

2.1 协同设计知识

协同设计是一个以知识为基础的创造过程,新知识需要不断沉淀到企业知识中,当设计人员遇到超出系统现有知识范围的新问题时,尤其是流失的隐性知识,经常花费大量时间寻找。如何通过综合协调知识需求的有效机制来耦合协同设计中不同人员的任务,并进一步满足协同设计过程需求,是支持协同设计知识管理必须考虑的问题。协同设计迫切需要能够针对性地获取和共享产品设计的相关知识资源,建立关联化映射,规范和控制知识活动,对知识过程进行分类和管理。如图一所示。

(1)知识获取。了解领域范围内所涉及的各个子问题及其相互关系,确定知识源。通过分析研究,对系统的各主要任务作进一步分解,将知识进行提炼、整理,映射成某种适当的知识表达方式,再将形式化的知识编辑输入计算机,通过增加、删除、修改整理,形成知识库。

(2)知识表达。复杂产品的协同设计涉及的知识类型多、结构复杂。领域知识包括各种工程图库、手册、图表、公式、基础数据库等,因此,对于协同设计知识,通常与该领域中的零件对象有关。在单一知识表达方式的基础上引入面向对象的知识表达,更能适应协同设计的需要。

(3)知识交换与共享。在产品协同开发的过程中,不同的协同设计人员所采用的知识表达方式不可能完全相同,各协同小组需要获取其他小组所产生的设计数据和设计知识,以实现各种开发设计活动,使特定领域的知识能为产品开发过程的所有协同设计人员共享。

(4)知识管理。复杂产品的设计往往需要考虑功能、结构、加工工艺、材料、外观等多方面的知识,不仅涉及与产品相关的各个领域的知识或专业知识,而且广泛涉及多领域知识、经验、数据的综合处理和利用,是对并行工程、工作流技术、敏捷制造、产品数据管理等先进制造技术在设计领域的进一步深化。

2.2 多模式协同设计方法

协同设计实质上是对并行设计的进一步深入,在计算机的虚拟协作环境下,并行、交互协作地进行设计工作。它强调协同设计参与者采用群体工作方式,使不同地点的设计人员、管理人员、施工人员等都能同步或异步地参与设计工作,从而缩短开发周期、提高设计的质量和效率、降低产品成本、增加企业竞争能力。

协同设计具体表现为产品设计信息的协同、产品设计过程的协同、设计人员之间的协同、设计环境的协同、设计人员与计算机系统的协同等。由于协同设计是跨部门、跨企业的活动行为,设计参与者与子任务之间可能存在着并行独立关系,也可能是串行依赖关系,还可能是耦合关系。这种异构的设计环境随着设计的进程而变化,决定了设计活动必须按一定顺序协调进行,使设计人员与计算机系统紧密结合,充分发挥人机一体化的协同优势,减少或避免设计过程中产生的矛盾和冲突。

3 协同设计管理系统

3.1 任务分解

产品协同设计需多个设计参与者在计算机支持环境中,互相合作地完成整个设计任务。设计任务往往比较复杂,需要进行任务分解,将子任务分配给各参与者,使设计任务简单化,以便有序地完成整个设计任务。产品设计过程可被定义为过程结构树,它可以进一步分解为一组子项目,子项目由一组过程单元组成,而过程单元还可以进一步分解为子过程单元,整个过程是一个递归过程[2]。

产品协同设计涉及大量的设计活动,而且这些活动之间存在着复杂的设计依赖关系,因此产品设计过程就是由不同的设计活动按照一定的顺序组成,依据一定的原则,子任务应尽量使设计人员满意;数量和层次要适度,应具有相对的独立性且易于控制和管理,并易于组合。子任务设计完成后要提交给父任务进行装配,父任务可以按以下方式分解成各子任务:

(1)按部门划分。在产品设计过程中,根据产品的特点和各部门的能力及职责,将产品设计过程中不同设计任务分配给不同的部门。

(2)按结构划分。一个产品由多个部件组成,一个部件又由多个零件组成,如变速箱由箱体、齿轮、轴承和轴等组成,而轴又可分为输入轴和输出轴。

(3)按功能划分。按照产品多个部件所具备的具体功能进行划分,如机床设计中的变速系统、液压系统、连杆系统等。

(4)按设计流程划分。产品的设计有先后之分,根据设计的先后顺序进行划分。

(5)按组合划分。对于复杂产品,往往功能多、结构比较复杂,其对应的设计任务信息量大、类型多。应先确定总功能,进一步分析其结构,最后采用按功能与结构相结合的方式进行分解。

3.2 协同设计的知识管理模型

由于复杂产品的研制涉及多部门、多企业,还存在异地多企业PLM系统集成以及不同版本的信息共享问题,因此协同设计环境需要集成多学科工具,包括CAX和PLM系统的异构。其创建、管理和维护工作复杂、困难,数据源和数据有效性方面都需要协同平台提供支持。如图二所示。

多学科建模具有一定几何相关性、性能相关性和信息相关性,关键参数的修改会影响到整体、部件、组件和零件之间在空间结构和内性能上的协同关系,并最终影响到产品质量。总体与分系统之间的协同设计需经过多次协调、反复修改,进而优化的过程。设计—分析—修改的多次循环是一个典型的协同过程,为达到模型共享和总体性能最优,需要研究面向多学科仿真数据管理与产品数据管理之间的数据共享和混合式管理。

协同工作平台是支持协同工作的基础支撑,为满足客户多样性和多变性的特殊需求,形成适应客户需求变化的协同设计模式[3]。它除了必需的软硬件环境外,面向复杂产品的协同设计系统时还需满足协同流程的特殊要求:能集成一个联结CAD、CAE和CAPP等各种工程软件工具的框架,为公司内部部门或多个合作公司之间提供分布式系统设计开发环境[4];以Web为载体的知识库能被该系统所编译、调用和配置,并能远程实时利用这些软件资源;协同流程中不同节点的异地执行可以通过在PLM基础上扩充的PDM系统功能,针对不同客户需求,动态地组织资源,使之能参与到特定的项目工作之中。

4 结束语

本文介绍了基于网络服务与先进制造技术相互融合的复杂产品的开发特点,提出了多模式下的知识管理系统和协同设计系统相结合的方法,提高了知识在协同设计中的重用度,使知识的积累和共享更加方便,有利于企业的知识应用。并通过产品协同设计的任务分解,为企业提供了一个合理的产品开发管理模式,有效缩短产品开发周期、提高工作效率。

参考文献

[1]李伯虎,柴旭东,朱文海.复杂产品集成制造系统技术[J].航空制造技术,2002,(12):17-20.

[2]曹健,张申生.面向并行工程的集成化产品开发过程管理系统研究[J].中国机械工程,2002,13(01):80-83.

[3]王有远,王发麟,乐承毅,等.基于本体的多设计团队协同产品设计知识建模[J].中国机械工程,2012,23(22):2720-2725.

产品协同设计 篇5

一、流程中消息提示

流程的发起人员发起流程后，流程对应的下一个节点的接收人员会收到此条流程的消息，接收人员根据消息进行处理。

例如，设计人发起图纸会签流程，流程到会签的审核人员，审核人员登录进系统，系统右下角就会有会签流程的消息提示(如图1)，

审核人员可以点击【查看】按钮查看消息并进行操作(如图2)。

同样，当有人被任命为设计人等角色时，被任命人登录进系统同样会有消息提示。

二、目录节点消息操作

登录进系统后，展开消息节点就可以看到不同处理状态的信息(未读消息、已读消息、已发消息、草稿)，我们可以根据自己的需要进行进一步操作(如图3)。

三、项目组人员内部消息沟通

协同创新推动智慧设计 篇6

“协同设计、移动化、点云等都是当前工程设计领域的热点，也是Bentley公司的当前技术投入重点。”Bentley 软件公司首席执行官Greg Bentley在日前举行的Bentley用户和渠道合作伙伴研讨会上表示。

Greg 介绍说，协同设计是Bentley工程设计软件的一大特色。比如，其协同工作平台ProjectWise可实现建筑师、工程师、建筑公司和业主在单一平台上协同工作，大大提高了设计效率，未来还将进一步强化这一特色。“移动化”和“点云”是Bentley今年新增的特色功能，“移动化”让工程人员在工程现场就可以通过移动设备查看和修改工程设计，大大方便了工程项目的管理。而“点云”作为一种基本数据类型，可以有效地充当基础设施资产的“实用”三维模型，从而有助于在设计和运营工作流程中提高信息移动性与完整性。

Greg Bentley特别谈到了他对中国市场的重视，Greg Bentley说，“中国是全球基础设施建设最快的国家，中国也将成为工程设计软件应用和创新的前沿阵地。”

产品协同设计 篇7

1.1 协同设计起源

在上世纪八十年代,各行各业的市场竞争压力都在加大,人们为了求得生存,纷纷加入产品创新的浪潮中。随着产品开发中新方法和新技术的使用,逐渐出现了敏捷制造、CIMS、虚拟设计、并行工程和精益生产等新技术和管理概念,改变了企业原有工作协调、组织管理、信息交流和任务分配等形式。

伴随着科技的迅猛发展,计算机应用已经从单用户的工作模式过渡到多用户协作模式,衍生并完善了人机交互理论,随后便出现了计算机协同支持工作之一重要概念,简称CSCW。提出CSCW概念的公司来自美国,这一概念全面结合了心理学、计算机科学、认知科学、社会学和人机科学等内容,使其形成了一个新兴的应用研究型领域。

1.2 协同设计含义

以计算机为支撑,位于各个地域的工作人员围绕共同的一个项目协作,将设计任务平均分配,同时设计工作交互设计的过程便称为协同设计(CSCD)。实现不同层次和不同领域工作人员共享资源信息的过程便是其目的。协同设计能够将各种竞争、耦合和冲突协调好,实现跨时空、跨区域的协作愿望,以此来完成多元化市场发展的需要。

2 何谓协同数字化设计汽车产品

2.1 关于数字化协同设计的目的

数字化协同设计和制造是新时代发展背景下衍生的产物,是时代发展的必然趋势,其主要目的是为了提高产品设计的质量,缩短开发周期,降价开发成本。

2.2 设计方式的优点

(1)符合顾客个性化要求。随着国民经济的提升,人们逐渐提高了对产品设计制造的要求,因而现代化的产品不但要满足价格、功能和质量等基本要求,还要满足产品的耐用性能和外观等需求。满足顾客个性化的需求是现代企业发展的必要条件,因而有许多企业选择通过网络平台为顾客“私人订制”汽车,根据不同顾客的需求,制造不同型号和类型。另外网络技术还能够帮助企业建立一个顾客交流平台,及时了解顾客所需,设计者也能通过这个平台通顾客探讨汽车设计问题,了解顾客个性化特点,在此基础上将多样化、多功能的汽车产品设计出来。

(2)数字化设计功能的运用。数字化能够实现汽车制造企业从传统产业到现代化高技术产业的过渡。在开发设计汽车产品时,设计者需要掌握数字化使用技能和添加数值化工具,通过计算机的作用来控制设计制造汽车产品的过程,把握产品数据管理、数字化定义和数字化预装配的关键,以期将无纸化的产品设计模式和虚拟制造技术实现。另外,好的数字化协同设计是以三维模型为基础的,其通过建模、仿真计算、数字化工艺、数字化装配等流程来完成产品的设计,其中还需要增加数字化试验的过程,其主要是用于产品验证,可有效降低产品开发所需要的成本。

(3)网络化设计过程。经济全球一体化的到来,对汽车制造企业而言是机遇也是挑战,他们能够打开生产的大门,迎接来自其他区域的订单,但在网络技术如此发达的今天,若顾客难以和企业进行有效沟通,企业设计制造的速度过于缓慢等,都会限制企业的发展。因而企业应当合理的将制造的资源和设计进行异构,分布,在潜在的客户群区域驻扎,采用异地制造和设计的方式,有利于将企业的利润和影响力提升。

(4)满足协同需要。汽车产品是一个大型物件,其是由多种部件共同构成,因而能够将其划分为不同的功能模块,并组建多支不同技能的团队,每一个团队负责不同部件,同时需要加强团队之间协作交流的能力,这样才有利于产品质量的保证。从本质上来讲,汽车产品最终开发的速度和质量取决于不同人员和不同团队之间协同工作的能力和效果。企业若想要将协作的效率提高,首先需要建立的是协同合作的机制,这样有利于管理者对项目监控管理目标的实现。

(5)产品生命周期的满足。多样化的汽车产品,满足不同顾客的需求。企业若想要拓展自身的销售渠道,就需要从产品的开发初期着手,全方面的考虑产品设计、维护、制造、回收、市场需求,销售等环节的变化。随后将一个具有统一性、不完整信息表达性、全生命周期性以及扩充性等特性的汽车产品模型设计出来,同时设计者应当加强CAX/DFX封装组建的研制工作,尽可能综合性的优化和规划汽车产品在全生命周期过程中的设计影响因素,争取设计工作能够一次性完成,减少和避免返工现象。

(6)交换共享数据资源。众所周知,汽车产品的设计开发工作会涉及到大量的制造数据、设计数据和分析数据,这些数据是相互联系,相辅相成的,丢失了任何一项数据都会影响到协作工作的稳定性。因而我们在数据存储和利用过程中,需要借助到三维图形的作用,其能确保数据的准确性,还能实现异地资源信息共享。

2.3 数值化系统设计过程

仅需要一台计算机,企业和顾客、设计者和设计者、设计者和顾客之间就能进行无障碍的沟通交流。对于某一个具体的产品设计而言,企业在征询顾客的建议和愿望以后,制定出一份详尽的任务规划,设计者对这个任务进行分解,按照规划中的要求对进行产品开发与设计。

3 总结

根据笔者对协同理论知识和协通设计的理解,发现国内的汽车行业现目前在协同数字化技术的应用方面还处于缓慢成长的阶段,极度缺乏对多项关键技术的研究和探索精神,尤其是在异地产品的协同数字化设计、异地协同的数字化设计、异地协同的工作技能、制造技术、异地产品的数据管理技术以及虚拟产品的开发技术等方面,而这极大的限制了国内汽车企业市场的拓展能力,难以在激烈的市场竞争中继续生存,因此,笔者认为汽车企业与企业之间应当协同合作,根据顾客不同的需求,均衡的分配任务,有利于实现可持续发展目标。

摘要：随着全球经济一体化进程的加快,为汽车制造行业带来了巨大挑战,汽车企业为了在激烈的市场竞争中占据一席之地,就必须进行技术改革,走在时代前沿。但汽车制造作为庞大的一种系统工程,只有在引进高科技的基础上,加强与其他企业的合作关系,才能够将企业优势充分的发挥出来。因此,文章将围绕协同数字化设计汽车产品和制造应用等方面进行阐述。

关键词：汽车产品,协同数字化设计,制造应用

参考文献

[1]胡伟明.汽车产品协同数字化设计和制造的研究与应用[J].汽车科技,2011(04):10-13+17.

[2]刘英,易红,倪中华,孟秀丽,倪晓宇.机床产品协同数字化设计与制造关键技术的研究[J].组合机床与自动化加工技术,2005(07):108-110+112.

产品协同设计 篇8

随着市场竞争的加剧和计算机网络技术的进步,并行设计、网络化协同设计与制造、虚拟企业、动态联盟、敏捷制造等先进制造模式和技术得到迅速发展。这些技术对于快速响应市场需求、加快产品开发速度、缩短新产品上市时间、增强企业竞争力起到了重要作用[1]。

模具产品的设计与制造是一个十分复杂的过程,它涉及众多的设计制造企业。如:汽车车灯由汽车制造厂设计,而它的生产加工往往由汽车配件制造商负责,车灯模具则由模具企业生产。模具企业在整个产品生命周期中,只有通过与相关各方(客户、材料供应商、零配件供应商、协作制造厂等)的充分交流、合作,才能按时顺利完成任务。因此,为模具设计、制造企业提供一种方便的、易于访问和控制的协同设计环境,为参与工作的各相关企业提供有效的协同工作方式,是当今市场经济趋于国际化、地域经济转向全球化、消费者的需求趋于个性化的大环境下的必然选择。

本研究以汽车零配件制造的模具设计和制造企业为对象,研究模具设计和制造企业、模具订购企业(模具使用和成形产品生产企业)、汽车主机场(成形产品使用企业)和模具标准件和配件生产企业(供应链)等相关方面的业务协作关系,以STEP/AP239应用协议为核心,结合AP203、AP214、AP209、AP238等应用协议,建立EXPRESS语言表达的业务协作模型和相应的业务协作STEP数据交换文件,针对模具行业特点,设计并实现一种基于STEP的模具产品远程协同设计系统。

1 基于STEP的远程协同设计系统开发技术

由于各种原因,参与协同设计的各个成员企业所使用的常常是各种各样的异构系统,如:不同的CAD系统、CAE系统、CAPP系统、CAM系统、PDM系统等等。这些系统由不同的开发商开发,基于不同的标准,所具有的数据文件格式不尽相同。通常需要通过专门的数据交换接口来实现不同系统之间的数据交换或信息共享。而在此过程中常会出现数据不能顺利交换或信息丢失的现象,国际标准化组织(ISO)制定了产品模型数据交换标准STEP(Standard for the Exchange of Product model data, ISO 10303)来解决产品全生命周期的数据表达和交换的标准化问题。基于STEP标准的数据核开发远程协同设计系统,可以将运行于不同CAD环境下的各个企业的技术数据在统一的机制下连接起来,提高产品数据的利用率和系统集成程度。

远程协同设计技术是制造业信息技术领域里一项技术难度大、企业需求迫切的关键技术。国内外学者在这方面提出了一些解决问题的思路和方法,综合起来有以下几种模式[2,3,4,5]:

(1) 基于屏幕图像传输和文本信息传送的对话式协同信息交互和协同设计方法。这种方法比较简单,容易实现,但是,这种方法传递的只是二维的屏幕图形信息,对于结构复杂的三维机械零件和装配体来说,是远远不够的。这种方法只适合于层次比较低、要求不高的简单协同设计场合。

(2) 基于虚拟现实建模语言VRML的远程协同设计方法。基于VRML可以远程传送形体的三维立体图像,接收方可以对得到的立体模型进行渲染、选择、移动和缩放等操作,比简单的屏幕图形传送前进了一大步。由于VRML是通过将三维形体转换为多面体来进行形体的三维图形渲染的,形体的拓扑信息和结构信息在转换过程中被丢弃。因此在这种方法中要进一步提取形体的拓扑信息是十分困难的。

(3) 基于XML,利用XML语言在网上传送模型或业务信息。这种方法在理论上有望实现异构系统的深度集成,但在实际操作中存在两个比较大的困难:①机械零件或装配体三维模型的XML文件尺寸太大;②关于制造业信息系统的XML的标准尚未完全成熟,标准化还未实现。

通过研究,本研究提出了一种新的远程协同设计模式,即直接基于EXPRESS语言和STEP应用协议,在本地和网上传递产品模型的全息信息,实现了异构系统的深度集成。根据此方法,本研究以某汽车零配件制造的模具设计和制造企业为具体应用对象,建立了业务协作平台,开发了远程协同设计系统。

2 系统结构

本研究提出了基于STEP/AP203、AP214应用协议的异构CAD、CAM、CAE系统在本地和网上的集成机制,建立了一个面向模具产品的远程协同设计系统。所开发的远程协同设计系统的总体结构和主要功能配置如图1所示。

系统包括3个模块:STEP三维模型浏览器、远程协同设计数据库和远程协同设计管理系统、STEP数据交换文件重新输出工具。

(1) STEP三维模型浏览器,可以在本地或网上直接打开由各种不同CAD、CAM、CAE系统输出的STEP数据交换文件,进行三维模型的浏览。浏览器具有旋转、平移、缩放、改变颜色和透明效果等三维图形变换功能;可以对模型中包含的几何和拓扑信息进行全息信息提取和查询,可以提取点、曲线和曲面的所有参数信息,可以测量距离和角度,可以对模型进行剖切操作;浏览器还可以在浏览的基础上,对设计修改意见进行三维标注。

(2) 远程协同设计数据库和远程协同设计管理系统,可以通过网络的协同设计对企业之间进行管理。管理系统具有对数据库中的产品数据和客户数据进行数据管理、访问权限管理等管理功能;具有对不同产品和客户的设计修改意见的管理功能;具有对协同设计过程和设计结果的统一管理功能;具有产品模型版本管理、产品数据一致性管理等功能;具有对企业间有关设计方面的业务协作进行管理的功能。

(3) 利用STEP数据交换文件重新输出工具,可以在本地或网上重新输出修改后模型的STEP数据交换文件。输出的STEP文件,可以直接被各种不同的异构CAD、CAM、CAE系统读入,并加以利用,从而实现异构数字化系统的基于STEP的深度集成。

3 系统开发中的关键技术

3.1 数据集成与交换

为了在异构系统中实现数据交换和信息共享,必须依靠某一机制来传递产品模型的数据层信息、数据结构层信息和语义层信息。本研究直接基于EXPRESS语言和STEP应用协议来解决这3方面信息的传送问题,即依靠特定应用领域里(比如机械设计与制造)的STEP应用协议(AP203、AP214、AP209)来解决应用系统的语义信息的定义和一致性问题。语义层信息由应用协议定义,是标准化的信息模型,在应用程序设计和编译时就加以实现,因此,在程序实时运行时,不需要额外地再次传送。也就是说,语义层信息不需要在传送产品模型时再通过网络或别的途径加以传送。这样,既能满足程序运行时对语义信息进行解释和应用的需要,又可以大大减小数据传送量。产品模型的数据层信息和数据结构层信息,包含在用EXPRESS语言写成的STEP数据交换文件当中,因此,只需要简单地把STEP文件传送过去,并预先开发好基于既定应用领域的EXPRESS语言解释和应用程序(如浏览器、编辑器等),信息接收方就能够与原有的系统很好地进行数据交换和系统集成。

用EXPRESS语言表达的STEP文件,原则上可以支持产品全生命周期的所有数据交换和信息集成的需求。现行STEP/AP203、AP214、AP209文件中包含了产品模型的几何信息、拓扑信息以及产品配置信息等信息;现有CAx系统采用B-Rep边界表示法模型来描述产品模型的结构。因此,信息接收方可以依靠语义层、数据结构层、数据层信息对所收到的所有信息进行恢复;可以恢复三维模型的结构,也可以恢复产品的配置信息,以便进行与设计有关的业务协作。此外,基于EXPRESS语言,以及AP239、224、238等应用协议(还可以进一步利用ISO 13584、15531等SC4工业数据标准),还可以对产品的PDM、工艺、数控加工、供应链等方面的产品全生命周期信息进行数据交换和系统集成。因此,基于STEP数据交换文件,可以满足机械设计、制造、工艺、产品数据管理、业务协作等方面的需求,可以实现异构系统的深度集成。

这种机制与文献中常见的基于VRML或XML的机制相比,具有很大的优越性。实际上,基于VRML只能达到三维图形级的信息传送,达不到模型级的信息传送。使用VRML,模型的拓扑信息和整体几何信息已经被丢弃;数据接收方得到的只是一个近似的多面体,因此无法继续实现系统的深度集成。使用XML,虽然从原理上讲可以完成模型全息信息的传送,但由于语义层信息需要实时传送,数据传送量远大于EXPRESS方式;而且,至今关于机械产品的XML的模式定义,特别是关于三维模型的定义,尚未完全成熟,离进入实际工业应用还有很大距离。基于EXPRESS语言和STEP应用协议的机制,可以传送模型的所有结构信息和非结构信息,可以直接利用现有主流CAx系统输出的STEP文件作为信息载体和集成媒介,非常简单、直接、有效,有着良好的基础,马上就能够进入工程应用。

3.2 STEP三维模型浏览器

现在的大部分三维CAD软件(如:UG、CATIA、Pro/E、SolidWorks等)都有支持STEP应用协议AP203和AP214的输出接口,可以利用STEP接口实现对由异构CAD系统建立的三维模型的统一浏览及信息集成。鉴于B- rep是AP203和AP214中主要的形体表示法,本研究建立了符合AP203和AP214应用协议的B-rep模型,它包含了三维形体的所有几何信息和拓扑信息。在网络传输过程中,只需要直接传送由三维CAD系统导出的三维模型的STEP文件。STEP文件包含了描述三维形体所需要的全部几何数据和拓扑数据。数据的逻辑结构由AP203和AP214应用协议中所确定的模式(Schema)统一规定。在传送产品信息时,只需要传送数据实体的标准标号(ID)和数据的值即可,而形体表达的信息模型本身由标准规定,所有CAD软件供应商都会遵守,因此不需要在每次网络传输中加以传送,如图1所示。STEP文件既含有数据ID,又含有数据的值。将STEP应用协议和STEP文件有机结合,能方便地以较小的数据量实现产品“全息”信息的传送。基于此方法,本研究开发了基于B-Rep边界表示法模型的三维STEP模型图形浏览器STViewer[6,7,8]。

4 工程应用实例

某汽车车灯塑料模具设计制造企业主要为国外汽车制造厂商和国内大型汽车企业定制汽车车灯模具。作为其协同用户的单位共分3类:客户、供应商、协作厂,地域遍布上海、广东、台湾、德国、法国、加拿大、南非、意大利等世界各地。根据企业的实际运行情况,远程设计交互机制的建立从两方面考虑:①企业内部:企业内部的图形、文档等文件数据的相互交互,是建立在企业内部局域网上,通过建立PDM系统的工作流方式实现;②企业外部:企业与协同单位之间的数据交互,是建立在互联网上,以Web页面方式实现。所有协同用户通过客户端的浏览器,访问Web服务器上的数据库,对拥有权限的图形、文档文件进行各种操作和管理(如图2所示)。通过建立基于STEP标准数据模型的远程数据交互机制,客户可以跨地区跨部门,在异构环境下,通过STEP三维模型浏览器,对向客户开放的相关产品的STEP模型进行浏览、信息提取、协同设计意见标注等远程操作,实现远程模具设计的交互(如图3所示)。

5 结束语

远程协同设计系统的一个核心内容是确保参与协同设计的各成员能有效地对产品模型数据进行交换和共享。本研究在研究、分析已有的协同设计模式的基础上,提出了一种新的远程协同设计模式,即直接基于EXPRESS语言和STEP应用协议,在本地和网上传递产品模型的全息信息,实现异构系统的深度集成。应用此模式,本研究以某汽车零配件制造的模具设计和制造企业为具体应用对象,建立了业务协作平台,开发了远程协同设计系统,实现了在异地异构环境下,远程协同用户对模具产品设计信息的共享与交流。

摘要：当今市场竞争的加剧以及现代制造技术的迅速发展,对企业间异地实时协同工作能力提出了更高的要求。针对模具行业特点,设计了一种基于STEP的模具产品远程协同设计系统,即直接基于EX-PRESS语言和STEP应用协议,在本地和网上传递产品模型的全息信息,实现了异构系统的深度集成。根据此方法,以某汽车零配件模具设计和制造企业为具体应用对象,建立了业务协作平台,开发了远程协同设计系统,在企业运行效果良好。

关键词：协同设计,网络化制造,STEP,计算机支持的协助工作

参考文献

[1]潘云鹤.智能CAD方法与模型[M].北京:科学出版社,1997.

[2]李玉华,刘春伟,赵顺丹,等.异地协同设计技术研究与实现[J].机电工程,2007,24(2):17-19.

[3]FHJ Y H,LI W D,Advances in collaborative CAD:the-state-of-the art[J].Compute-Aided Design,2005,37(7):571-581.

[4]唐荣锡,席平,宁涛.协同设计特征造型软件发展概况[J].计算机辅助设计与图形学学报,2003,15(1):15-20.

[5]田凌,陈继忠,赵慧设,等.网络化协同设计工具[J].中国机械工程,2004,15(19):1774-1777.

[6]卢炎麟,周晓,贾虹,等.面向产品全息信息传送的三维STEP模型网络浏览器[J].机电产品开发与创新,2005(9):138-142.

[7]苏艳艳.基于STEP模块化的虚拟企业产品库[J].机电工程,2007,24(2):74-76.

产品协同设计 篇9

复杂产品多性能之间通常存在复杂的耦合关系,这些耦合问题是涉及多过程、多参数的多重耦合,各性能之间不仅存在顺序的信息传递,有时还存在复杂的双向信息交互,因此求解难度很大。目前,国内外学者对多学科多任务之间的耦合与解耦作了深入的研究。文献[1]对复杂产品协同优化设计中耦合因素进行了研究。文献[2]对包含大量子系统的多学科设计优化问题中的解耦理论进行了分析,深入研究了不同类型的子系统的处理方法。文献[3]研究了耦合任务的并行解耦方法。文献[4]、[5]采用设计结构矩阵对协同设计流程进行优化。文献[6]对多学科协同设计的协商特点进行分析,探讨了产品多学科协同设计的协商策略和协商模型。文献[7]通过确定状态下的多学科设计方法(MDO),结合确定性的等价方程和一阶泰勒近似值,详细分析了不确定状态下多学科优化设计中的解耦方法。文献[8]以平整机和辊轧机为实例,对复杂机电系统耦合设计理论和方法作了深入研究,重点分析了并行设计方法。这些研究多数是按学科将产品分成多个子系统,然后通过各学科之间的相互关系分析子系统间的耦合因素,并通过协同与优化算法对各学科子系统进行解耦运算。目前所研究的方法能较好地实现各学科子系统间的协调与解耦。但由于各子系统内部还存在复杂的关系,尤其是子系统内部通常还包含复杂的多性能耦合关系,以各学科子系统为目标的耦合分析与解耦方法对以产品多性能为核心的情况不能完全适用,因此在以下几方面还需进行进一步研究:(1)如何对产品多性能之间的复杂关系进行形式化描述,并通过重构方法对产品的多性能进行分解和重组以便于解耦。(2)如何在满足客户需求与设计要求的情况下对具有耦合关系的性能进行快速解耦,并使多性能达到整体最优。

2 产品多性能耦合机制分析及其DSM描述和解耦规划

2.1 产品多性能之间的耦合机制

产品性能通常用于衡量子系统功能的执行情况,而子系统与设计参数直接关联,最终性能之间的耦合关系可以通过设计参数之间的信息交互来描述。任意两个性能ri与rj间的关系可表示为如图1所示,其中ri与rj分别对应m和n个设计参数,这些参数构成各自的产品性能设计参数集Xi与Xj。且Xic={xi(p+1),…,xim}与Xjc={xj(q+1),…,xjn}是同时影响性能ri与rj相同的参数集,即Xic=Xjc=Pi∩Pj。Cik与Cjk表示变量间约束关系。如Ci1与Cj1分别是性能ri与rj内部变量{xi1,xi2,…,xik}与{xj1,xj2,…,xjk}的约束,ri与rj之间关系通过约束Ci2与Cj2实现。Ci2与Cj2通过xi2与xj3起作用:因约束Ci2的存在,xi2的改变将影响xj1的取值,而xj1的改变通过rj的内部约束Cj1影响的取值。同理,xj3的改变反过来又会影响xik的取值,进而影响{xi1,xi2,…,xi(k-1)},如此反复地交互信息形成复杂的耦合关系。

对于性能ri与rj,Xic与Xjc是系统变量,在设计中可以认为是通过特殊约束互相影响对方。根据约束与信息交互关系,将性能ri对应的参数集Xi中影响性能rj的子参数集记为Xij(Xic哿Xij哿Xi),性能rj对应的参数集Xj中影响性能ri的子参数集记为Xji(Xjc哿Xji哿Xj)。Xji与Xij统称为耦合设计参数,在设计中Xic与Xjc可视为一般的耦合设计参数进行求解。对参数集Xi与Xj中的其他元素,若与耦合设计参数具有约束关系,则称为关联设计参数,记为Xir与Xjr。这些参数通过约束关系影响其他性能中的参数,如Xi中的{xi1,xi2,…,xik}与Xj中的{xj1,xj2,…,xjk}。若与耦合设计参数不存在约束关系,则称为独立设计参数,记为Xio与Xjo,如Xi中的{xi(k+1),xi(k+2),…,xi(k+p)}与Xj中的{xj(k+1),xj(k+2),…,xj(k+q)}。因此,单个性能的参数集可描述为由耦合设计变量、关联设计变量与独立设计变量三种变量构成的集合,即Xi=Xij∪Xio∪Xir。结合产品性能、参数与子系统间的关系、性能内部与性能之间的约束关系,将性能ri与rj之间的关系分为如下几类:

(1)独立关系。如果与性能ri和rj相关联的结构参数互不相同,即Xi∩Xj=覫,且Xi与Xj不存在关联约束,则ri与rj为独立关系。此时可对ri与rj单独求解,求解后获得各自的参数域。

(2)耦合关系。如果与性能ri与rj相关联产品参数集具有相同的设计参数,即Xi∩Xj≠覫。或者没有相同的设计参数,但ri与rj通过约束使相互之间存在双向的信息交互,则称ri与rj是耦合关系。由于存在相互依赖性,所以需采用并行方法进行设计。

(3)顺序型关系。如果性能rj的设计需要在ri设计完成之后才能开始,即ri的设计需要rj的输出作为输入才能进行,则称ri与rj是顺序型关系。可以将顺序性关系认为是单向信息流动的耦合关系。采用串行方法可完成各顺序型性能的设计。

2.2 基于设计结构矩阵的多性能耦合描述与解耦规划

设计结构矩阵(Design Structure Matrix,DSM)常用于描述和分析具有复杂依赖关系的工程项目或任务,为理解和分析复杂设计过程提供简洁而可视的形式。DSM矩阵是各元素取值为二进制的方阵,矩阵的维数代表了需要分析的性能个数,主对角线上的元素代表性能本身,矩阵中的其他元素代表性能之间的相互关系,取值为1或0。为了便于分析,以aij表示DSM矩阵的元素,其中i与j分别代表矩阵的行与列序号。若aij=0(i≠j),表示在设计中性能ri不需要性能rj提供信息,即性能ri与rj是相互独立的,不存在耦合关系;若aij≠0(i≠j),则表示在设计中性能ri需要性能rj提供信息。进一步可以分为:aij=0(i>j)且aij≠0(ij)且aij≠0(i

如图2(a)所示,以产品的8个性能设计为例,说明采用DSM进行描述与规划的过程。首先将性能按相同的顺序分别置于矩阵顶部和左边,用1表示存在信息交互的性能,用0表示不存在信息交互的性能。对于已知为独立关系的性能,可以将其规划为到DSM中,对应的行与列中的元素aij=0(i≠j),也可以不规划到DSM中而是作为独立模块进行分析。由于DSM对角线上方的元素表示性能设计时存在信息反馈,即排序在前的性能需要后续性能提供信息才能完成设计,对角线下方元素表示接受信息,即排序在后的性能需前面性能提供的信息才能完成设计。从优化设计流程的角度分析,需要尽量减少信息反馈才能减少不必要的迭代。对图2(a)所示的模型,若去除已知的独立性能{r7,r8},设DSM中的任意一种组合都是设计方案,从理论上有6!种方案。分析的性能越多,可能的方案越多,为了快速找到最优的方案,需要对DSM进行优化,以使得其尽量成为下三角矩阵。优化目标可表示

为:

式中,q(q>0)为一个变权,其实际意义反映的是在一个产品设计开发活动中,是选择小范围的多反馈,还是选择大范围的少反馈,它与开发活动本身直接相关。q>1表示寻优过程中反馈距离比反馈任务数量具有优先权,q<1则表示反馈任务数量具有优先权。F反映了各耦合强度与对角线的距离的总和,因此优化函数为:min(F)。定义目标函数后,可以采用多种快速优化算法进行优化,如爬坡法(Hill-Climbing,HC)、模拟退火(Simulated-Annealing,SA)算法和遗传算法(Genetic Algorithm,GA)等。优化后的DSM将形成模块化矩阵,如图2(b)所示。优化结果将耦合紧密的性能重组为由若干个解耦性能组,各组之间为串行关系,如图2(c)所示。整个流程可描述为逐步分解的过程,即将错综复杂的多性能逐步分解成独立性能集、顺序性能集和耦合性能集。独立性能集中的性能可进行单独设计,不影响其他性能。各耦合性能集内的性能采用并行协同设计,而顺序性能集中的性能采用串行设计方法。优化后性能的解耦规划归结为处理三组性能:独立性能参数R1={r7,r8},耦合性能参数集R2={r3,r2,r6}与R3={r1,r5,r4}。R2与R3之间为顺序关系,采用串行设计。对于存在强耦合的R3内部性能则采用并行协调设计。

3 基于满意度的产品多性能协同求解

优化后的DSM矩阵最终将多性能设计归结为全局上处理各模块小组的设计,局部上协调小组内部各性能的设计。由于小组内部各性能通常存在比较大的冲突,因此在设计时关键是如何处理这种冲突,为此采用多性能协同设计方法以协调冲突。多性能协同设计实质可总结为如下策略:对于一个产品性能设计问题,各性能通过相互合作、协商与协调,来寻求在达到各性能目标满意度水平的前提下,使总体目标的综合满意度最大化的设计解。对于多性能需求空间,由于耦合关系的存在,难以同时求得满足约束的各性能的最优解。通过满意度函数将多性能需求映射到满意度空间,使得每个性能的评价尺度都映射到[0,1]范围。各性能的满意度对应相应性能的“优化”程度,将各满意度加权求和后,得到多性能满意度空间的群体评价指标。映射方法如图3所示,第三象限代表某个性能ri=f(x),第一象限为与ri对应的满意度函数(隶属度函数),表征了f(x)处于不同区间时对应的满意程度,具有一定的模糊性。语义等级根据性能f(x)的需求程度与应用背景确定,图中语义等级m=4,表示{不满意、可行、满意、非常满意}。如果给出需求满意度水平λ,即μ(f(x))>λ,f(x)的设计转化为f(x)≤ελ,因此最终将性能的求解转化为全约束寻优过程。

由于耦合因素的存在,在对多性能的求解时通常会产生各种冲突。一般采用分布式并行与协同优化方法求解以获得设计参数的解。其原理是割裂性能ri与rj之间的耦合关系,把性能rj中影响性能ri的耦合设计变量Xji同时包含到性能ri的参数集Xi中,把性能ri中影响性能rj的耦合设计变量Xij同时包含到性能ri的参数集Xj中。即解耦后ri的参数集合变为Xi*=Xi∪Xji,rj的参数集合变化为Xj*=Xj∪Xji。因此,性能ri与rj之间存在具有相同物理意义的公共结构或设计参数,设公共参数Xic=Xi*∩Xj*。利用分布式并行方法对各性能进行协同求解,最终任务为如何求得满足客户需求的各性能的解,同时通过协调保证性能之间的公共参数具有收敛性和一致性。采用基于满意度与分布式并行协调的设计方式,m个性能需求及其需求权重与满意度的求解最终转化为如图4所示的协同并行优化设计过程。

建立并行优化设计模型后,选取合适的优化算法进行计算。由于伪并行遗传算法不需要梯度信息,对由多个初始点组成的群体进行迭代优化搜索,全局优化能力强,保持了搜索群体之间的差异性。因此选择伪并行遗传算法能比较方便快速地处理耦合性能设计问题。设有m个需求性能,各性能有k个公共设计参数,用x*ji表示在协调过程中性能ri中的第j个公共参数。一般而言,在进行协调之前,不同性能对应公共参数的初始值不同。在初值的基础上通过确定协调值与协调方向来获得公共参数的一致值。引入优化型协调函数:

因此,在协调层中建立优化模型对公共设计参数进行协调,目标函数F的优化解z则是协调解,而F的优化值min F表示了全部性能的协调解与各性能公共参数不一致解的整体不一致程度。显然,当min F=0时各性能的解协调一致,若大于0则通过单个性能进行协调处理。对

性能ri有:

而Fi的优化值min Fi表示了性能ri的协调解到设计可行域之间的距离,若等于零表示此协调解满足该性能的约束,优化点取该协调点。若大于0则表示协调点不满足该性能的约束,优化点取满足设计约束并离协调点最近的点。然后,以优化点代入整体协调函数式(1)中进行协调解的第二次求解,将协调解代入单个性能的协调函数式(2)进行判断,依次类推,采用伪并行遗传算法直至使得min F=0,则完成公共参数的求解。如果前面的求解方法最终无法使min F=0,则说明在满足需求度与性能约束的前提下,无法完成协调。此时,需要根据不能同时满足所有约束的公共设计参数搜索相应的约束,通过这些约束进行分析,对约束进行“松弛”,实现对模型的修正。然后再按前面的方法进行求解,直至min F=0。

4 结语

本文分析了产品多性能之间的耦合关系与协同设计方法,其中主要技术包括:(1)分析了产品性能间耦合机制,并采用DSM进行形式化描述;(2)通过对DSM重构获取产品多性能的设计流程,减少设计迭代与返工;(3)通过满意度转换将产品多性能设计转换为综合满意度设计,并利用协同方法进行求解,提高了产品设计效率。

参考文献

[1]陈柏鸿,肖人彬,刘继红.复杂产品协同优化设计中耦合因素的研究[J].机械工程学报,2001,37(1):19-23.

[2]RAPHAEL H,et al.Decomposition theory for multidisciplinary design optimization problems with mixed integer quasiseparable subsystems[J].Optimization and Engineering,2006,7(2):135-149.

[3]徐路宁,张和明,张永.基于设计结构矩阵的多领域协同设计[J].中国机械工程,2005,16(12):1035-1038.

[4]HELO P T.Product configuration analysis with design structure matrix[J].Industrial Management and Data Systems,2006,106(7):997-1011.

[5]TANG D B,et al.Re-engineering of the Design Process for Concurrent Engineering[J].Computer and Industrial Engineering,2000,38(4):479-491.

[6]陈亮,金国栋,罗志伟.产品多学科协同设计的协商模型[J].机械工程学,2006,42(8):175-181.

[7]CHIRALAKSANAKULA,etal.Decoupledapproach to multidisciplinary design optimization under uncertainty[J].Optimization and Engineering,2007,8(1):21-42.

[8]钟掘,等.复杂机电系统耦合设计理论与方法[M].北京:机械工业出版社,2007.

产品协同设计 篇10

研究显示供应商参与产品开发并非总是提高项目的效率,特别是当一个产品由不同的供应商提供的零部件组成时,由于涉及到供应商参与协同开发的时间、分担责任的程度和与制造商交流的频率等因素,供应商参与协同开发可能会加大开发管理的复杂性[6]。加强对供应商协同开发的管理是提高协同开发绩效的关键[7]。

信息共享是进行供应链协调的主要手段之一[8]。在供应协同中要想通过合作达到比较理想的结果成员之间进行一些相关的信息共享是必不可少的[9]。但以往信息共享的研究中供应商与制造商是相对独立的,没有关注供应商参与产品设计时,供应商与核心企业之间的信息共享对产品最终的整体质量和价格的影响。而在本文中,考虑的是制造商自己设计并制造产品的一部分,结合从供应商采购的零部件组装成最后的产品,故最终产品的质量不仅取决于制造商生产的零部件的质量,还取决于供应商提供的零部件的质量。这种情形下,通常面临在进行产 品设计时,由于制造商和供应商有可能是同时设计产品,下游企业无法得知上游企业产品的具体信息,无法确定上游企业提供的产品的质量,从而影响决策自己设计产品的最佳质量水平和最终价格。本文针对该问题研究通过共享供应商零部件成本信息,消除不对称信息对最终产品的质量和价格的影响,提高整个供应链绩效,减少供应商协同设计带来的质量风险。

1问题与模型描述

制造商设计零部件时有两种情况:1已经拿到供应商设计的零部件的样品或者供应商零部件已经在市场上销售,知道该零部件的质量水平,然后确定自己设计的零部件的质量水平;2与供应商同时进行设计,无法确知供应商设计的零部件的质量水平。通过供应商最大化其利润函数来确定零部件的质量水平,可以看到质量水平与成本系数、产品的价格敏感 系数和市 场对质量 的反应系 数相关。除了成本系数,其他参数均可通过市场调研得到,而成本系数反应了供应商的技术水平,属于其私密信息,特别当制造商并非其垄断性买家时,供应商不愿意进行成本系数的信息共享。而制造商只能依靠该行业的平均成本花费而推知供应商的成本系数在某个范围内,然后根据此范围对自己设计的零部件的质量水平和市场售价进行优化决策。信息的不对称势必导致最终利润未达到信息共享时的最优利润水平。

本文考虑的是一个二级供应链。一个供应商S,一个制造商M.制造商生产的产品由两个零部件组装而成,一个由供应商设计并生产提供,另一个零部件由制造商自己设计生产后与由供应商提供的零部件组装而成最终的产品向市场销售。供应商并非只为该制造商一家提供产品,即供应商的产品是面向竞争市场,其产品设计是遵循其行业标准和要求,并考虑的是整个市场对产品质量的要求,故其批发价和零部件质量水平由成本和整个市场环境而决定。而无论是零部件还是最终产品,其需求函数都为线性函数,并受到质量的影响。为了简化模型,本文假设 市场对来自制造商和供应商的零部件的质量反应系数是一样的。而零部件的成本随质量的提高而增加,且其边际质量的提高随成本增加而递减,沿用Tsay的模式[10],成本函数为kiqi2,i=S,M.以下是模型的相关参数:

S:供应商。

M:制造商。

qi,i=S,M:供应商或制造商零部件质量。

λ:市场对产品质量的反应系数。

ki,i=S,M:供应商或制造商零部件成本系数。

ai,i=S,M:潜在的市场需求。

w:供应商提供的零部件的批发价。

p:最终产品的销售价格。

bi,i=S,M:市场对价格的敏感系数。

α:供应商提供的零部件的质量占整个产品质量的影响比率。

供应商的利润函数:

制造商的利润函数:

2成本信息共享模型

制造商在设计零部件,已经知道供应商的零部件的质量水平,或者供应商愿与制造商共享其成本信息,制造商可最大化供应商的利润函数,得出其零部件的最优质量水平qS和最优批发价w.

命题1供应商设计的零部件 的最优质 量水平和 批发价为:

证明对供应商的利润函数πS求最大值,一阶条件为:

联立上述方程组,命题1得证。

从命题1中可以看出供应商零部件的最优质量水平与制造商的决策无关,与市场对质量的反应系数成正比,与价格敏感系数和成本系数成反比。因为成本系数越高,要提高零部件的单位质量水平意味着投入的成本越多,而价格越敏感,意味着价格的小幅增加将导致市场份额流失比较大,故高成本系数和高价格敏感系数都会抑制零部件质量水平的提高。而市场对质量的反应系数越大则意味零部件质量的小幅提高将带来较大的市场扩张,吸引供应商加大投入以提高零部件质量水平。

供应商与制造商进行成本系数共享,使得制造商能够准确根据命题1的结果推知供应商零部件的最优质量水平和批发价格,并根据此决定自己设计的零部件的最优质量水平和产品最终市场价格。

命题2制造商在得知供应商成本系数后,即可推知命题1的结果,则自己设计的零部件的最优质量水平和产品最优价格为:

证明制造商设计的零部件的最优质量水平和产品最优价格,均可通过对其利润的函数一阶求导得出:

联立上述方程组,命题2得证。

由上式得到制造商设计的零部件质量水平与供应商零部件的任何参数都无关,完全取决于自己的零部件的成本结构、市场敏感度等参数。但产品的最终定价涉及到供应商设计的零部件的成本信息,且产品价格随供应商提供的零部件的成本增加而减少。

命题3在成本信息共享下,供应商和制造商的最大利润分别为:

证明将命题1和命题2的结论代入供应商和制造商的利润函数即可得命题3。

3成本信息不对称模型

信息共享能提高整个供应链的绩效,很多文献研究了信息共享对供应链的影响,但在实际的运营中,企业担心信息泄露或者被恶意出卖所带来的危害,宁可放弃信息共享所带来的利益而保证企业能安全的运营。有文献研究指出因为信息共享涉及到一些敏感信息[11,12,13],而敏感信息的泄露将会降低企业的议价能力同时减弱其在对手面前的竞争力。特别当合作伙伴并非企业的垄断性买家或卖家时,企业不愿意向对方泄露成本信息,以防被竞争对手得知,降低其议价能力。在此种情况下,假设制造商不知道供应商成本系数kS的具体值,但知道其期望值为和分布区间],在对模型结果没有影响的前提下,为了简化模型,假设kS在区间服从均匀分布。制造商根据其分布估计供应商设 计的零部 件的最优质量水平,然后最大化自己的期望利润

命题4在信息不对称情况下,供应商自己决策零部件的最优质量水平和批发价不变,为:

命题4证明同命题1。

由命题4可知尽管信息不对称不影响供应商的决策,但由于供应商设计的零部件的最优质量水平与成本系数相关,在信息不对称情况下,制造商不知道kS的具体值,进而无法确定qM的具体值,只能根据其分布区间对供应商的零部件质量水平进行估计,使得制造商对自己设计零部件的最优质量水平和最终产品价格的确定受到影响。

命题5在信息不对称时,制造商设计的零部件最优质量水平和最终价格为:

证明信息不对称时,制造商只知道,则制造商的期望利润为:

将命题4中供应商的最优质量水平和批发价代入上式后,求解得到:

联立上述方程组即可得到命题5的结果。

命题6制造商设计的零部件 质量水平 未受信息 不对称的影响,但产品的价格随成本系数的不确定而偏离信息共享时的最优价格。信息不对称时,制造商不能确定供应商砷计的零部件的质量水平使其利润下降。

信息共享使得制造商能确定供应商设计的零部件的质量水平,从而得到产 品的最优 价格,使得利润 最大化。而信息不对称使得制造商对产品的估价非最优价格,使得制造商利润受损,且供应商 未从信息 共享得到 额外的效益。故能否进行信息共享取决于制造商与供应商的协调结果,制造商采取一定的激励措施,使得供应商在信息共享后也能从中受益,信息共享才可能实现。

命题7当时,信息不对称使得制造商对供应商成本系数不确定性越大,制造商的利润减少 得越多,即。当)时,信息不对称虽使得制造商的利润不如信息共享时多,但随着供应商成本系数不确定性增加,其利润的损失在减少。

证明如x >1,则有因为,故依据上述分析有非空。同理可证非空。

对求关于ε的导数得知:

当时,当kS时,命题7得证。

当时,制造商容易将供应商成本系数 估计过高,而导致产 品的估价 过低,虽低价格吸引更过消费者购买此产品,但其影响小于单件利润的减少带来的损失,制造商的总体利润呈递减趋势,但利润递减的速度随着不确定区间ε增加而减少。

当时,制造商易将供应商成本系数估计得比实际值小,而由命题2得知产品的最终定价随供应商零部件的成本系数减少而增加,导致产品的估价过高,而市场对价格的敏感性使得产品销量递减,尽管产品单件利润增加,但市场萎缩导致制造商利润的减少大于单件利润增加带来的利润增幅,制造商的总体利润仍呈递减趋势,且利润递减的速度随着不确定区间ε增加而增加。

4安全通信系统下的信息共享补偿机制

上述分析得出信息不对称会影响制造商的利润,但对供应商的利润无影响。以往的文献一般提出建立补偿机制以激励供应商与制造商进行信息共享。但在实际中很多企业为了安全运营而不愿进行信息共享。互联网的便利性使得信息更容易及时传递和共享,但其开放性使得传递的信息容易被黑客或者竞争对手截获,从而泄露其商业机密,使进行信息共享的双方蒙受损失[11,12,13]。Atalla首次提出将密码技术里面的安全多方计算引入供应链管理中,设计了安全供应链合作(SSCC:SecureSupplyChainCollaboration)协议[15]。随后不少学者对安全供应链进行了研究,提出了安全的联合采购协议,安全的经济批量的计算模型和安全的产能分配模型[16,17,18,19,20,21]。引入安全的通信系统建立安全供应链,让供应链参与各方能在协同合作的同时,保护自己的商业信息安全是实施信息共享的必行趋势。本文提出让制造商与供应商投入一定的资金建立安全通信系统,以保证信息共享的安全实施。

假设安全信息系统是一次性投入,但分摊到 每次通信中,成本比较小,远小于信息共享带来的利润。假设每次通信投入成本为cS和cM,而通过信息共享制造商可获得ΔπM的利润,供应商可 得到ΔπS的利润。则有cS<ΔπS,cM <ΔπM .

在引入了安全通信系统下的补偿机制后,供应商和制造商的期望利润分别为:

供应商与制造商最终的利润取决于通过信息共享带来的整体利润如何在二者之间划分,下面将引入纳什讨价还价模型来最优化制造商和供应商的利润划拨。假设供应商与制造商的效用函数为:

其中,τS和τM分别是供应商和制造商的风险规避程度,其值越大则风险偏好程度越大。根据纳什讨价还价模型,信息共享带来的利润划拨可通过解决以下最优化问题得到:

上述问题化解为:

则供应商和制造商在安全的通行系统中进行信息共享后,最终利润为:

供应商和制造商的最终利润与总的安全信息系统投资有关,与供应商或制造商某一方的投资量无关,无论供应商还是制造商谁多出资建立安全信息系统都不影响最后的利润获得。即使信息系统全部由某一方投入,也不会使得该方在最终的利润获得上处于不利地位。这使得实际中安全信息系统不会受某方资金短缺而影响双方进行信息共享。最终的利润分拨比例取决于供应商和制造商的议价能力τS和τM.当τS>τM时,说明供应商的议价能力高于制造商,供应商将分得较多的利润;反之则是制造商将分得较多的利润;如果τS=τM,则供应商和制造商将分得一样多的利润

5数值分析

假设λ=0.8,bS=2,bM=3,kM=1,kS=[0.5,5]。图1说明无论是供应商还是制造商的零部件质量都与其成本系数成反比,成本系数越高,意味着要提高零部件的单位质量水平所需要的成本越大。当供应商的零部件成本系数相对制造商的成本系数升高时,意味要提高零部件质量水平供应商花费的成本比制造商的大,而要保持或增加产品的质量水平以维持或扩大市场份额时,提高制造商生产的零部件的质量水平能更好的控制整个产品的成本。故供应商成本系数越高,其零部件质量对整个产品质量水平的贡献越小。此时产品质量的提高主要依靠制造商生产的零部件质量。

假设λ = 20,kS= 7,kM= 7,bM= 3,bs= 2,aS 1000,aM=850,,α=0.8。信息不对称时,制造商不知道供应商的成本信息,对供应商的成本信息进行估计,以确定产品的价格。图2显示的是当供应商成本系数的期望值比真实值小时,制造商容易将供应商的成本估计过低,以至于最终产品定价高于最优价格,此时进行信息共享,能挽回因为 过高的产 品价格而 流失的潜 在市场,从而使提高制造商的利润。当供应商成本系数的期望值高于真实值时,制造商容易将供应商的成本估计过高,以至于最终产品定价低于最优值,此时进行信息共享,能提高产品的单件利润,从而提高制造商的总利润。

假设λ=20,kS = 7.2,kM = 7,bS = 0.2,bM = 0.7,aS =1000,aM =850,α=0.8,,ε∈ [0.6,1]。图3显示供应商的成本系数较大时,制造商容易将供应商的成本系数估计得较小,导致产品定价过高,高于最优价格,使得潜在消费者流失,市场份额减小。制造商的利润也随之减少。此时,信息共享能使得制造商将价格降到 最优价格,赚取流失的消费者的利润,且随着供应商成本系数的不确定性越大,信息共享能消除最终定价离最优价格的偏离越大,为制造商带来的利润增值也越多。

假设λ=20,kS= 6.8,kM= 7,bS= 0.2,bM= 0.7,aS =1000,aM =850,α=0.8,,如图4所示供应商成本系数较低时,信息不对称使得制造商容易将供应商成本系数估计过高,而导致最终产品的估价过低,虽低价格能扩大市场份额,但由于受到单件利润的减少带来的损失,制造商的总体利润仍比信息共享时低,且信息共享带来的利润随着供应商成本的不确定性增加而减少。

6结语

产品协同设计 篇11

关键词：城市导向设计；“生态协同”；造型；色彩；材料

0 引言

城市导向是人们在城市中工作、生活、购物、休闲等活动时的一种位置、方向、距离以及警示等的引导。在城市化的背景下，我国城市不断发展、演进，城市规模逐渐扩大、城市人口持续增加、城市的功能日趋完善。在城市中，有效、便利的出行离不开城市导向的引导。城市导向是城市的一个部分，它发挥着出行的引导作用，同时也是城市形态中的一道亮丽风景线，反映着每个城市独有的文化、美学特征。

生态文明，是指以人与自然、人与人和谐共生、良性循环、全面发展、持续繁荣为基本宗旨的文化伦理形态。党的十八大报告指出：“把生态文明建设放在突出地位，融入经济建设、政治建设、文化建设、社会建设各方面和全过程，努力建设美丽中国，实现中华民族永续发展。”在建设生态文明的大趋势下，城市建设也应注重其生态文明建设。城市导向是城市建设的一部分，共同构成了城市的风貌。因此，在生态文明的背景下，应设计、建设基于“生态协同”的城市导向，共同构建城市的生态文明。

1 基于“生态协同”城市导向设计的基本理念

基于“生态协同”的城市导向，是生态学和设计艺术学的结合体，是生态文明背景下，城市导向设计的有益探索。与“生态协同”的城市导向设计，遵循生态文明观念以及可持续发展的原则，从生态文明的角度去考量城市导向设计，进而科学规划、合理设计城市导向，使城市导向设计更符合生态文明观念、更具备生态文明的意义，从而实现基于“生态协同”的生态与功效、美观相结合的城市导向设计。

基于“生态协同”的城市导向设计，既应注重城市导向的功能性、艺术性，也应注重城市导向的生态协同性。另外，还应倡导城市导向的生态文明理念，营造城市导向设计的生态文明美感，从而建设“生态协同”的城市导向。

2 基于“生态协同”城市导向設计的策略

2.1 与自然环境相协调

自然环境，是指人类生存和发展所依赖的各种自然条件的总和。为了生存人类用树木修建了住宅、用石头垒起了祭坛，聚集在一起生活，城市的雏形就出现了。随着人类活动的发展，又修建了学校、广场、公路、铁路等，城市的规模不断扩大。在城市发展的同时，自然环境遭到了破坏，植被被砍伐，甚至空气也被污染。城市的发展对自然环境所带来的破坏是不能完全避免的，但可以有效规划，做到最大程度地保护自然环境，使城市和自然环境共同发展的。随着社会的进步，城市的发展以及生态文明观念深入人心，人们越来越重视自然环境，强调城市和自然环境协调发展。

城市导向是城市面貌的一部分，也需要与自然环境相协调。在进行城市导向设计的过程中，应巧妙地利用艺术设计的方式方法，合理规划、设计导向的各个要素，使城市导向与自然环境相协调。这既是城市导向设计的自身要求，也符合生态文明观念，是城市导向设计的必然要求。

2.2 与社会环境相适应

社会环境，是指人类生存及活动范围内的社会物质、精神条件的总和，是我们所处的社会的政治环境、经济环境、法制环境、科技环境、文化环境等宏观因素的综合，是与自然环境相对应的概念。社会环境是随着人类社会的产生出现的，随着人类文明的演进而不断发展、丰富。城市可以看作为孕育社会环境的一种载体，既孕育了社会环境，反过来又受到社会环境的影响。城市风貌，不可避免地受到社会环境的影响，也需要与社会环境相适应。

城市导向作为城市风貌的一部分，也需要与社会环境相适应。在城市导向设计的过程中，考虑到城市导向所处社会环境情况，巧妙地利用艺术设计的方式方法，合理规划、设计导向的各个要素，使城市导向与社会环境相适应。了解城市的风土人情、历史特点、审美品位、生活习惯等社会环境情况，设计出合适的、与社会环境相适应的城市导向设计，是城市导向设计的自身要求，也符合生态文明的观念，是城市导向设计的必然要求。

3 基于“生态协同”城市导向设计的措施

3.1 形态设计

城市导向的形态是指导向的外形造型。一个好的导向造型不仅视觉效果突出，还可以架构空间秩序，迅速地吸引受众的注意力，提高导向的识别效率，并且可以增添审美趣味，烘托环境氛围，愉悦受众的身心。

基于“生态协同”的城市导向的形态设计，需考察导向所之处的自然环境和社会环境，力求形态与自然环境相协调，与社会环境相适应。从自然环境相协调的角度来看，导向的形态要符合导向所处的自然环境的特点。例如，在交通导向中多采用几何的导向形态，既简洁明了又与道路交通的几何形态特征相符合、相协调。从社会环境相适应的角度来看，导向的形态需符合社会环境的特征、氛围。例如，展览馆、艺术馆等场所，导向的造型一般可以更抽象化、更具备现代气质，而海洋馆、儿童乐园等场所，导向的造型则可以更具象化，模仿自然形态，更具备欢乐的感觉。

基于“生态协同”城市导向的形态设计，应与导向所处的生态环境相协调。既与自然环境的造型元素、特点相协调，也与社会环境的气质氛围相适应，再创意性、艺术性的加以表现，使导向的形态设计既富于创意、易于识别，又与“生态协同”。

3.2 色彩设计

色彩是视觉传达中最活跃、最先声夺人的视觉元素。人们在找寻、接收一个导向所携带的信息时，往往首先接收到色彩的信息。一个恰当的导向色彩不仅能够快速传递导向信息，还能给受众带来的愉悦的视觉感受和心理感受。

基于“生态协同”的城市导向的色彩设计，需考察导向所处之处的自然环境和社会环境，力求色彩与自然环境相协调、与社会环境相适应。从自然环境的角度来看，导向的色彩要符合导向所处的自然环境的色彩因素与色彩特点。比如自然风景区的导向色彩，就需要考虑到风景区的自然植物的颜色，与风景区的自然环境的色彩相协调。从社会环境的角度来看，导向的色彩需符合社会环境的色彩氛围和色彩心理。例如，人们对两种颜色具有普遍的认知，一种是红色，象征禁止、危险、提醒等，一种是绿色，象征通行、安全、顺利等。色彩还可以通过强烈的视觉冲击力和鲜明的对比，在导向中起到帮助信息分区的辅助作用。例如，在城市轨道交通中，就有用不同颜色来区分不同线路，方便乘客搭乘、换乘，减少坐错线路的可能性。此外，某些城市具有传统相承的特定色调，在导向设计中使用这类特定色调，可以增强地区的个性，提高审美体验。

基于“生态协同”城市导向的色彩设计，应与导向所处的生态环境相协调。既与自然环境的色彩元素、色彩特点相协调，也与社会环境的色彩气质、色彩心理感受相适应；在通过艺术性的设计表现，使导向的色彩既易于识（下转第页）（上接第页）别、恰如其氛围；又与“生态协同”。

3.3 材料选择

材料是指用于制造物品，或其他产品的物质。不同的材料既具有不同的物理、化学属性，主要包括坚硬度、耐受度等，又具有不同的质感属性，如金属的现代感、瓷砖的整洁感、石材的坚固感等。在城市导向设计中，材质的选择至关重要，合适的导向材质不仅能够展现城市导向的特征、气质，还能兼顾经济性、环保性。

基于“生态协同”的城市导向的材料选择，需考察导向所之处的自然环境和社会环境，力求材料与自然环境相协调、与社会环境相适应。从自然环境角度来看，需考虑导向所處之处的自然环境特征。比如室外风景区域的导向材料，就需要与风景区自然环境的风貌和材质相协调；室内办公区域的导向材质，就需要与办公区的建筑风格和特征相协调。从社会环境角度来看，需要考虑导向所处之处的社会环境特征、氛围。又如，室外风景区域的导向材料，就需要具有休闲放松的感觉；室内办公区域的导向材质，就需要具有工作氛围的感觉。同时，城市导向的材质选择还需考虑材料自身对生态的破坏性、环保性，尽量选择可再生资源，对生态破坏尽量降到最低。

基于“生态协同”城市导向的材料选择，应与导向所处的生态环境相协调。既与自然环境的材料元素、特点相协调，也与社会环境的材料的质感心理感受相适应。再创意性、艺术性的加以表现，使导向的材料既合适恰当、富于意味，又与“生态协同”。

4 结语

在生态文明的背景下，城市建设更注重其生态文明建设。城市导向作为城市建设的一部分，也需考虑其生态文明建设。基于“生态协同”的城市导向设计，遵循着生态文明的理念，在与自然环境相协调、与社会环境相适应的策略下，探究基于“生态协同”的城市导向的形态设计、色彩设计、材料选择策略，以期打造与“生态协同”的生态与功效、美观相结合的城市导向，构建城市的生态文明。

参考文献：

[1]凯文·林奇（美）.城市意象[M] .方益萍，何晓军，译.北京：华夏出版社，2001.

[2]章莉莉.城市导向设计[M].上海大学出版社，2005.

[3]周岚，于春.低碳时代生态导向的城市规划变革[J].国际城市规划，2011（1）.

产品协同设计 篇12

在现代设计中, 创新设计已成为科学发展的主旋律。伴随着设计理念的变更和创新, 设计一词已经演化成为一个具有高度进化性质的概念。设计制造技术的进化, 基本都是随着设计理念、设计和制造技术的创新在进化, 但是设计指导原则的创新却很少有人提出。对比计算机领域中的摩尔定律在指导CPU以超级加速度发展过程中所起的巨大驱动作用, 我们可以从心灵深处感到该定律本身就是设计指导原则在推动计算机技术发展时的魔力化体现。基于这一事实, 我们应该科学地理解, 设计指导原则与设计思想的创新才真正是科技创新的灵魂中的灵魂。

1 体积最小化设计原则的科学定义

在传统机械设计领域中, 最小体积的内涵基本上是作为基于目标函数、设计变量和约束条件的优化目标在运用, 而不是作为促进创新设计的指导原则在使用。随着全球人口数量快速增加, 人类可重复利用物质资源匮乏, 人类生存空间和设计人员可利用的设计空间的减少, 工业产品体积最小化设计已成必然趋势。基于未来设计制造技术发展趋势, 同时极大化激发科技人员的创造能力和智力潜力, 非常有必要提出一个系统性综合化的创新设计指导原则。

体积最小化设计指导原则是指在设计制造过程中, 能从多学科角度极大化整合当前相关学科的研究成果, 在具体产品设计研发和优化设计中, 无论设计变量和约束条件是否满足所给目标函数的要求, 均能产生一组阶段性的参照样本进行当前技术时空的优化结果, 并基于专家系统的推理技术进行二元化分支判断处理, 从产品的材料选择、加工工艺、到设计原理和制造技术给予创新性设计指导, 使所设计制造的产品在单位体积内, 产品单元及其子单元所占空间最小化, 功能最大化, 并力求产品消耗的物质资源微量化, 设计制造过程绿色化的广义设计制造原则。体积最小化设计指导原则要求在设计中, 除了要寻求当前时空的最优解, 还要能够提供未来时空的创新解。

2 体积最小化设计原则的多学科协同设计算法模型

体积最小化机电系统的设计是一个非常复杂的多学科优化设计 (参图1) 。

在具体的机电产品设计过程中, 必然涉及多个学科;由于各物理子系统或过程耦合作用, 本质上要求各学科设计应协同进行。体积最小化的多学科设计是以系统性能和体积最小化为评价指标, 综合考虑各学科的设计要求以及各学科设计变量 (即物理过程) 间的耦合关系。多学科优化设计作为一门针对复杂系统的优化方法, 对于由多个耦合子学科或子系统组成的复杂系统的优化非常实用。同时, 多学科优化设计 (MDO) 还可以具备基于知识和规则驱动的推理能力、智能决策能力等。基于这些技术, 建立体积最小化的多学科协同优化设计问题的数学模型。

2.1 多学科优化设计问题可简单地描述为

其中:f (x, y) 为目标函数;x设计变量;y是状态变量;hi (x, y) 是等式约束;gi (x, y) 是不等式约束。状态变量y, 约束hi (x, y) 和gi (x, y) 以及目标函数的计算涉及多门学科。对于非分层系统, 状态变量y, 约束hi (x, y) 和gi (x, y) 以及目标函数的计算, 需多次迭代才能完成;对于分层系统, 可按一定顺序进行计算。该计算步骤称为系统分析。只有当一组设计变量xi (i=1, 2, 3…n) 通过系统分析有解时, 才能获得约束和目标函数。

2.2 多学科协同优化设计的数学模型

系统层优化问题的数学模型 (以三个子系统为例)

式中:xi D, xSD, yji D分别为由子系统设计求得的学科设计变量、系统设计变量和耦合变量;

为一致性约束。

数学计算后追加推理判断语句:优化的结果是基于当前设计制造技术的最优解吗?是, 采用当前解;否, 判断、推理和搜索是否有新的创新解。搜索到新的创新解后, 继续追问:已经达到了设计制造的极限了吗?是, 有新的设计理念和技术吗?否, 继续体积最小化优化。

子系统i (i=1, 2, 3) 优化问题如下:

3 结束语

机电产品体积最小化设计, 已经成为时代发展的趋势。机电产品的设计理论研究, 也必须结合时代的发展给予创新性研究。

参考文献

[1]Liu Jun-an, Mao Jian, Tao Limin, Zhou Hui.Study on volume minimizing design principle in CSCD, 9th International Confer-ence on Computer-Aided Industrial Design and Conceptual Design:Multicultural Creation and Design-CAIDCD2008[C].Kun Ming, China, 2008.11.25:298~301. (EI Accession Number:20091311975938) .

[2]Liu Jun-an, Tao Limin, Mao Jian, Zhou Hui.The spirit, mental connotation and philosophic essence of general design, 9th In-ternational Conference on Computer-Aided Industrial Design and Conceptual Design:Multicultural Creation and Design-CAIDCD2008[C].Kun Ming, China, 2008.11.25:818~822. (EI Accession Number:20091311976046) .