敏捷制造环境下虚拟产品的协同设计模式

研究敏捷制造环境下产品的设计模式。阐述基于客户需求的产品虚拟设计的体系结构,分析网络化协同设计的体系结构和协同模式;在此基础上,提出敏捷制造环境下虚拟产品的协同设计模式。

    敏捷制造依赖于各种现代技术和方法,而最具代表性的是敏捷虚拟企业(简称虚拟企业)的组织方式和虚拟产品的设计、开发手段。

    组织虚拟企业的企业称为盟主企业,参与虚拟企业的企业称为盟员企业。在敏捷制造环境下进行虚拟产品的协同设计,可以使虚拟企业中成员的设计水平和效率得到快速提高,从而缩短产品的上市时间,提高企业的竞争能力和生存能力。

1 基于客户需求的产品虚拟设计

    基于客户需求的产品开发模式能够针对用户需求确定企业的产品开发战略,可以使产品的功能和性能根据用户的具体要求进行改变,使产品的设计、制造和服务全程面向用户;通过产品模型的虚拟设计方法,应用Web技术和虚拟现实技术设计开发原型系统,可以让用户在远程参与定义产品的尺寸、款式、颜色和其他属性。

    虚拟制造为虚拟企业提供了全方位的支持,即敏捷制造是以虚拟制造技术为基础的。虚拟制造是实际制造过程在计算机上的本质实现,即采用计算机仿真和虚拟现实技术,在计算机上群组协同工作,实现产品的设计、工艺规范、加工制造、性能分析、质量检验以及企业各级工程的管理与控制等产品制造的本质工程,以增强制造过程的管理与控制能力。虚拟制造分为三类:面向设计的虚拟制造、面向生产的虚拟制造、面向控制的虚拟制造。

    为了进行虚拟产品设计,应当提供一个协同的虚拟设计环境。虚拟环境下的产品设计包括从概念设计、详细设计到数字样机支持下的各种性能的分析和仿真,并在各种技术的支撑下,实现产品设计阶段的虚拟化。基于客户需求的产品虚拟设计体系结构如图1所示。

2 网络化产品协同设计

2.1 网络化产品协同设计体系结构

    面向敏捷制造企业的开放式协同设计环境,是企业适应产品个性化需求的必然要求,协同设计的根本目的是智力共享、资源共享,旨在以物质资源共享为基础,如软件资源共享、设备资源共享等;通过网络将分布在不同地域、不同行业或不同专业特长的智力资源有机地组织起来,综合各方优势,提高产品的整体设计水平。

    网络化产品协同设计的体系结构包括用户层、协同应用服务层和数据库服务层。用户层为用户提供统一的协同设计环境,使设计人员方便地进行预期的功能操作。应用服务层包括协同应用和网络通信,主要负责协同活动发起、终止,维护协同过程中用户的加入、退出等协同控制,实现各设计人员之间的数据交换和功能交互,同时利用网络技术提供网络协同工具,保证产品数据、用户控制命令、协同信息等能正确到达各用户。数据层提供各种共享数据库,并利用产品数据管理系统( PDM)来管理这些数据,以保证数据在任何时刻的完整性、统一性和版本的正确性。

2.2 网络化产品协同设计的模式

    虚拟企业中不同的盟员企业在设计过程中涉及的CAD、CAE、CAPP等软件各不相同,软件的运行平台和操作系统也不尽相同,根据设计任务要求和网络环境条件可以采用不同的协同模式。协同环境下的协同模式可以分为协同环境下的协商模式、异步模式和同步模式三类。

2.2.1 协同环境下的协商模式

    设计人员的交流不通过对模型对象的操作来实现,而是在模型之上通过协商的方式来交流, 如E2MALL、电子白板、文件传输、音频会议等。这是一种简便、有效的协作方式,由于协作者不对底层模型进行操作,就避免了许多冲突。

2.2.2 协同环境下的异步模式

    通过协同工具(如会议软件NetMeeting)建立一个多媒体会议系统来支持异地协同设计。设计用户可以将CAD图形文件通过文件传输功能发送给协同设计用户,协同设计用户可以参考此文件或对此文件进行修改,并把结果返回给设计用户。

2.2.3 协同环境下的同步模式

    实时协同设计模式指多个设计用户在异地环境下,对同一零件或产品模型进行实时的操作。实时协同设计一般是指同构的设计环境,即设计用户采用的是相同的设计软件。这种模式对网络要求较高,以便能保证对模型数据修改的实时性。协同环境下的同步模式如图2所示。

    这种模式的协同环境中,需要两种Agent:模型访问代理(Model Access Agent,MAA)和协同控制代理(Collaboration Control Agent, CCA ) ,每个设计用户的计算机上都有一个MAA代理,负责发送、接受数据;CCA在系统的服务器上,负责协同过程中的冲突仲裁和其他策略的管理。设计用户对数据的修改通过CAD系统和CAD接口传递给MAA,反映给网络上的其他的设计用户,而这些设计用户计算机上的MAA接受到修改信息后,对各自的本地的模型库进行修改,再通过CAD接口和CAD系统将修改后的数据模型显示在设计用户面前。

3 敏捷制造环境下虚拟产品的协同设计模式

3.1 盟员企业内部基于PDM的产品协同设计

    敏捷制造环境要求盟员企业内部的信息系统实现集成,以便于实现盟员企业之间的信息集成以及形成虚拟企业信息系统,进而在网络环境下实现盟员企业间的虚拟产品的协同设计。

    盟员企业内部可以通过PDM 平台实现CAD /CAE /CAPP /CAM的信息集成,在此基础上,实现盟员企业内部设计人员之间的产品协同设计。由于一个企业内部的不同设计人员通常采用相同的设计软件,以及企业内部网络传输效率较高,设计人员之间的协同设计可以采用同步协同设计模式。因此,盟员企业内部的产品协同设计模式是基于PDM的产品同步协同设计模式,如图3所示。盟员企业之间的协同设计采用协商模式或异步协同模式。

    盟员企业内部协同设计模式分为用户层、应用服务层和数据层。用户层为用户提供一个协同设计环境,包括用户设计过程中使用的CAD、CAE、CAPP等软件。应用服务层包括:系统管理、过程管理、产品数据管理、协同工具和安全控制等模块,其中, 1)系统管理:对盟员企业内部协同设计系统进行管理,包括用户管理、任务管理等; 2)过程管理:对协同设计过程进行管理; 3)产品数据管理:对盟员企业内部的基础数据、产品模型数据和共享资源信息进行组织与管理;4)协同工具:为协同设计提供通讯工具(包括视频会议、文件传输和邮件发送等)和协同代理; 5)安全控制:对进入协同设计系统的用户、协同过程中的数据访问和传输进行安全控制。数据层为盟员企业内部的协同设计提供基础数据、模型数据和共享信息。

3.2 敏捷制造环境下虚拟产品协同设计模式

3.2.1 敏捷制造环境下虚拟产品协同设计体系结构

    敏捷制造环境下虚拟产品的协同设计是为了实现在客户参与下的盟主企业、盟员企业和合作伙伴之间的虚拟产品的协同设计,其体系结构从逻辑上分为四个层次:用户层、任务层、应用服务层和数据层,如图4所示。

    用户层包括:盟主企业、盟员企业、合作伙伴和客户,其中,合作伙伴指为盟主企业、盟员企业提供技术支持和服务的高校、研究所或专业设计公司、服务商等。任务层包括:概念设计、详细设计、数字样机设计和提出的产品需求,不同的客户具有不同的任务。应用服务层包括:系统管理、项目管理、过程管理、CAD /CAE /CAPP系统、分布式数据管理、协同工具、安全控制、虚拟产品库等模块,其中, 1)系统管理:对整个协同设计系统进行的管理,包括盟员企业管理、客户服务、产品管理等; 2)项目管理:实现项目分配、项目进度管理等; 3)过程管理:对盟主企业、盟员企业和合作伙伴之间的协同设计过程进行管理,统筹安排协同设计过程中的各种活动和资源; 4) CAD /CAE /CAPP系统:为异步协同设计模式提供设计工具; 5)分布式产品数据管理:对协同设计过程中的基础数据、产品模型数据、共享信息和实例数据进行管理; 6)安全控制:对协同设计系统中不同的用户、协同过程中的数据访问和传输进行安全控制; 7)虚拟产品库:对盟员企业的虚拟产品进行统一管理,便于盟主企业选择盟员企业以及客户参与产品的评价。数据层:为整个协同设计系统提供数据服务。

3.2.2 敏捷制造环境下虚拟产品协同设计流程

    由客户对产品提出需求,通过销售渠道反馈给盟主企业,或者通过网络化协同设计系统的客户服务模块,提出对新产品的需求。盟主企业统计分析客户的需求,确定目标市场,制定产品战略,建立项目组,开始进行产品概念设计,产生数字产品的初始模型;通过网络化协同设计系统向盟员企业、合作伙伴和客户发布,征求对虚拟产品的评价和整改意见。同时,盟主企业将设计任务分解成若干子任务,建立相关的子项目组,将相关的零、部件BOM和设计文档、CAD模型等设计数据发布给有关的子项目组或盟员企业,进行详细设计和数字化样机设计。

    盟员企业在接受到盟主企业下达的子项目任务书后,盟员企业在本地进行零、部件及工艺、工艺装备的设计,并把设计结果提交到自己的PDM系统;同时,将设计数据提交到网络化协同设计系统的系统管理模块,系统自动通知盟主企业或相关盟员企业:该零件已经设计完成,并请求虚拟装配。

    合作伙伴可以为盟主企业、盟员企业提供诸如产品策略、CAD 建模、CAE分析、远程诊断等服务。在CAD方面,合作伙伴可以参与建模、评估虚拟产品等,CAD模型完成后提交到网络化协同设计系统;在CAE方面,合作伙伴可以从协同设计系统上下载CAD模型及有关设计参数,利用领域专家的知识资源和特定的软件工具、仿真实验环境等对虚拟产品给出分析评估,将结果及相关数据提交到网络化协同设计系统的系统管理模块,或直接用E2MALL传送到相关的盟员企业。产品的设计需要虚拟企业中的各方协同完成,协同设计中存在的大量协同数据由盟主企业的PDM和盟员企业的PDM系统来管理、调度。盟主企业、盟员企业、合作伙伴之间的协同模式采用协商模式或异步协同模式。

4 结语

    敏捷制造环境下虚拟产品的协同设计是一种新型的CAD模式,本文分析基于客户需求的产品虚拟设计的体系结构,以及网络化协同设计的体系结构和协同模式,提出了敏捷制造环境下虚拟产品的协同设计模式。该设计模式对于在敏捷制造环境下建立网络化虚拟产品协同设计平台具有一定的参考价值。