并行设计技术分析及其在产品研发中的应用
文 | 杨建中， 王艺颖，杨曦，李军
配图 | 来源互联网
1前言
并行设计是一种对产品及其相关过程(包括设计制造过程和相关的支持过程)进行并行和集成设计的系统化工作模式。并行设计是基于传统中的串行设计而提出的。它作为一种新的设计理念，以产品及相关过程的并行、一体化设计为核心，强调产品开发人员在设计开始就考虑生命周期中的各种因素，通过一系列的方法和技术，实现产品开发过程集成，为实现快速，准确和高质量的设计方案提供了一种系统化的有效方法。
与以往的过程式的设计与制造相脱节的生产方式不同，并行设计是在设计分析、人机交互和数据共享等工具及集成技术的支持下，按多学科、多层次协同一致的组织方式工作，为设计者提供良好的、友善的设计环境和工具。当设计者有好的构想在其脑海中产生时，这种自上而下的设计方式可以让产品开发的任何阶段、任何部位的设计都可以在该构想的指导和控制下进行，从而有效地减轻设计者的负担，提高生产效率和质量。
2并行设计的主要内容与关键技术
1．1并行设计的主要内容
产品开发的过程包括功能构思、结构和零件设计、工艺规划、制造、装配、试验和检验等工序。传统的串行设计方法是按顺序设计开发的过程【1】，产品开发过程下游存在的问题只有等到过程进行到下阶段才暴露出来，这样生产出来的产品既不能保证质量，又延长了产品的寿命周期。图1为传统产品开发流程图。串行设计不能及时地考虑到产品的制造、装配和检测等要求，很难对产品开发的各种方案进行筛选和评价，并且反复地设计过程，不仅延长了设计周期，还增加了产品成本。由于设计过程的复杂性，工艺、设备、材料和技术实现的多样性，使设计者只能选择最方便、设计周期短的方案，而不是最佳方案。同时，如果产品开发中没有考虑到营销、财务和采购的积极参与和策划，设计者很难达到目标成本和用户期望的要求，从而难以适应市场要求。
并行设计流程见图2。并行设计是产品全生命周期设计过程，在设计阶段就同时考虑产品生命周期内各影响因素，强调在产品开发的初始阶段就全面考虑到产品寿命周期的后续活动对产品综合性能的影响因素，建立产品寿命周期中各阶段问性能的继承和约束关系及产品各方面属性之间的关系，使产品在寿命周期全过程中综合性能最优。其特点表现在：一是缩短产品生产周期。产品开发是根据市场用户的需求来构思其开发方案，再将产品投放市场的过程，虽然并非所有环节都同时进行，但通过大部分并行或交叉的工作步骤，大大地缩短了产品的开发时间。二是降低成本。并行设计强调一次性达到目的，为后续的生产、检测和维修减少了费用。此外，并行设计采用仿真技术模拟产品的工作过程，分析工作状态，实现数字化设计、制造、检验等优化技术，从而省去测试样机的费用。三是提高质量。并行技术将所有的问题都消灭在设计阶段，所设计的产品便于制造易于维修，并在设计过程中采用优化设计，使产品的综合性能处于最优层次。四是产品符合市场或用户的需求。由于在设计过程中有销售人员的参与，结合用户反馈的信息，所设计的产品能够很好地满足市场需求，并且具有较高的可靠性和可行性¨【2-3】。美国波音公司的777客机就是采用并行设计的最好实例。
3并行设计的关键技术
实施并行工程的过程是非常复杂艰巨的，要满足并行工程的要求需要从管理与技术两方面来保证。
管理方面主要体现在群组协同合作。由于现代产品的复杂性，并行设计中成立一个包含不同领域的专家工作小组，这样组成的交叉团队不仅可以将解决问题的阶段转移到概念设计的阶段，并能消除来自不同领导对设计变更的对抗，更有效地应对产品需求的以外的变化。
技术方面主要体现在：(1)并行设计技术是DFX技术(面向产品全生命周期的设计技术)和RPM技术(快速成型制造技术)。DFX包括面向制造的设计DFM、面向装配的设计DFA、面向成本的设计DFC、面向测试的设计DFS、面向维护的设计DFS、面向环境的设计DFE、面向报废的设计DFD【4】。其中DFM和DFA是DFX的关键技术【5】。通过DFX使设计人员在新产品的设计阶段，可以充分考虑所设计产品的零部件的加工工艺性、装配工艺性、维修性等，从而使新产品在制造、装配、检测等过程中由于设计不当而产生的工程更改数量减少到最小程度。(2)信息抽象与建模技术。设计过程中建模一个能够表达和处理产品整个生命周期各阶段所有信息的统一的产品模型，可以让小组成员对公共数据库中的信息共享，并且保证产品信息在各个环节的转换过程中保持一致性和完整性。(3)计算机协调管理系统。该技术主要帮助远程工作人员们在一个虚拟的共享环境中快速高效地完成一个共同的任务。
本文以某产品开发设计中的锥形齿轮逆向设计与并行设计为例。
传统传动系设计多采用串行设计，即先对组成传动系的零部件进行几何结构与传动设计，然后对组成传动系的各零部件进行设计以及组合零件进行装配设计。传统设计的缺点是对与结构直接相关的装配协调和功能保证等总体性问题难以解决，因此将影响整个设计的质量和效率。在某传动产品设计中，锥齿轮传动是该传动系的一核心传动零部件，其设计与制造质量直接影响着传动系的效率、寿命和振动等问题。
锥齿轮传动系并行设计的基本思路是：在概念设计阶段，设计者可以先利用用户定义特征，建立一个标准完全相同的设计环境，然后在三维软件中建立整个传动系的数字化主模型，将传动系的模型设计划分为几个设计模块，每一部分的设计规范和标准完全相同并且受同一数字化模型控制。比如让不同的设计者分别进行传动系的结构设计和传动零部件的结构与曲面设计，同时让工艺设计师进行工艺设计，其他设计师、工程师也可以利用统一的数字化模型进行工业设计、工程分析、产品评价等相关阶段并行和协同设计。其具体并行设计流程图如图3所示。
在并行设计建立的三维实体模型中，无论在下游设计的哪个阶段进行修改，都能扩展到整个设计中，同时自动更改所有的设计信息以及产品数据。由于该设计是在协同工作环境下进行，分布在异地的不同部门人员可以在同一个虚拟的共享环境中合作，参与技术方案的分析、选择、评价等，可大大提高设计效率，避免大量不必要的重复工作。
该锥齿轮制造采用的是液态压铸工艺，设计与制造中利用了逆向工程对锥齿轮进行模型重构和准确测量，并与设计图纸进行比较以及误差分析，同时对压铸模具进行修改。锥齿轮件CAD设计图。根据设计图纸利用快速成型机进行了覆膜砂粉体的激光烧结制备，其烧结零件。利用激光三坐标逆向建模系统进行了反求点云建模。同时在其设计中，充分应用并行设计方法，结合其后续的制造工艺、装配工艺设计不断修改齿轮的参数以及压铸模具的参数，优化其结构，实现该传动系统的最优化。
5结语
并行设计能够很好地支持产品设计各阶段和企业各部门的协同工作，从而提高产品的开发率，降低成本，优化产品性能，提高产品质量，提高设计柔性和企业相应市场变化的能力。在网络的帮助下，处于不同地方的设计者还可以进行协同设计。特别对于形状结构复杂和设计方案繁琐的产品设计，将并行设计运用于其中，必将成为企业应付未来市场挑战的有利武器。并行设计能很好地支持新产品设计的各阶段与企业各部门的协同工作，从而提高产品的开发率，优化产品性能，降低成本，提高产品质量，提高设计柔性和企业适应市场变化的能力。采用并行设计可实现不同设计阶段和制造过程的协同，特别是对于复杂结构和特殊要求的产品，将并行设计运用于其中，协同不同阶段的工作，能有效解决设计与制造全过程中的疑难问题。
参考文献
[1]阎楚良，杨方飞．机械数字化设计新技术[M]．北京：机械工业出版社，2007．
[2]单鸿波．Web环境下面向装配的设计系统的研究[J]．计算机辅助设计与图形学学报，2005，17(2)：341—345．
[3]刘申立，刘继鹏．三维实体设计与并行工程[J]．工程图学学报，2004(2)：2—5．
[4]贾晨辉．并行工程关键技术，DFA的研究与应用[J]．机电一体化，2005(4)：29—31．
[5]吴学鹏．面向装配的设计(DFA)技术研究[J]．机械研究与应用，2008，21(3)：22-26．
[6]周皖青．CATIA在汽车模具逆向_T-程设计中的应用[J]．企业科技与发展，2008(16)：63-64．
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