快速开发工程

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　　在经过了规模竞争/成本竞争和质量竞争之后,世界制造业正面对着一个“顾客驱动市场”、“市场主导生产”、不确定而又急剧变化的市场，21世纪制造业进入了快速响应和科技创新竞争的新阶段。在激烈竞争的环境中，企业能否把握住市场机遇并快速开发出响应市场需求的产品已成为企业在竞争中获胜的关键，产品快速开发的技术和手段成为企业的核心竞争力。
　　我国制造业在国际市场上竞争能力不强，其主要原因之一就是产品开发能力弱，体现在:(1)产品创新能力低下。(2)对国外技术依赖程度过高。(3)开发周期长——同类产品开发周期一般为国外的2～3倍以上。
& G' |5 _: s; b! C6 r' s　　其中创新能力低下已经成为制约我国制造业进一步发展的瓶颈。目前我国制造业已占世界总量的5.6%，居世界第4位，但是在处于世界产量第一的机械产品中，只有拖拉机、集装箱、太阳能热水器等价值低、技术含量不高的产品。由于创新能力差，我国在世界制造产业的产品价值链中往往处于底端，例如在IT产品价值链中，美国硅谷的产品利润率占25%，台湾地区新竹占15%，而中国东莞仅占5%。据统计，我国产品技术源于国内的仅占43%，而在美、日等发达国家中，这一比例占到98%。由于产品开发能力和创新能力的欠缺，我国目前还仅仅是一个非创新产品的制造大国，而不是制造业强国。
- o7 ?; E( [1 f1 r　　1快速开发工程技术平台
; E' N, d& ?. Q4 q( ~1 _　　基于上述分析，我们认为，迫切需要建立一个在产品开发全周期内支持产品快速开发的工程体系，该体系不仅提供各种快速产品开发的技术支持，而且提供网络服务模式来更有效地组织和利用分布式的技术资源和智力资源为产品快速开发服务。
4 n/ j* }& L3 j' N$ H- G　　快速开发工程的技术链包括：
　　概念设计导致系统功能模块的无疑义分解；设计与分析的集成；几何造型导致物理模型的快速成形；数字样机的协同生成；控制系统仿真与控制系统模拟器的集成；控制模拟器导致控制系统的快速成形；物理样机的装配为物理原型+控制系统原型；样机实验与分析及仿真的集成。
　　快速开发工程的目标和标志是功能/工程样机的快速构造。产品快速工程支持系统中，在项目规划阶段主要进行信息搜集，并对产品开发立项进行多方面的分析和评估(包括市场分析、产品分析、技术分析、投资与财务分析、竞争分析等)，信息的搜集和处理工作需要在信息挖掘工具、知识库系统和数据分析工具的支持下完成。同时在概念设计阶段要实现创新设计，在知识获取、表达、挖掘及试验数据的积累和分析上也离不开快速开发知识工程的支持。
　　在RE/CAID/CAD/CAE以及虚拟协同装配的基础上生成的产品数字样机表现为数据流的形式；在RP/RT生成功能样件和控制系统快速原型基础上构造的产品功能样机表现为数据流与实物流相结合的形式。其中的关键技术包括：工业设计近似造型与CAD精确造型的集成；RE/工业设计与RP的直接集成；概念设计数据库与功能子系统设计规范的直接映射(Mapping)；CAD协同环境；网上虚拟装配与运动试验操作；快速控制工程的目标原型生成；快速控制工程的目标原型测试。
　　以CAD数字模型或者实物反求设备产生三维数字模型后，用光固化快速成型机(光源为激光或紫外光)生成实物原型，并通过真空注塑、电镀、石磨电极成形、金属喷涂等RT工艺设备分别快速地制作出硅胶模、钢模或合金软模。该系统投入实际应用以来，已推广应用于6家产品开发服务中心及10余家企业，为数百家企业提供了产品快速开发服务，大大缩短了开发周期，取得了显著的经济效益。
2 V8 M! R! ?: u+ r' \# @　　2快速开发工程的网络化协同模式
　　我国大多数国有大中型企业长期以来是以生产为主，市场及开发能力均较薄弱的橄榄形企业。由于人才、技术、资金等各方面的局限，企业向注重研发和市场的哑铃型模式调整面临许多困难。同时，由于产品项目的技术多样性，任何一个企业也无法储备应付这些挑战的所有人才和技术，而利用信息和计算机网络技术可以使企业的市场和开发能力得到极大延伸，在没有企业产权变化带来冲击的前提下，实现企业的结构调整和重构。
　　对于产品快速开发而言，由于快速开发的平台技术往往分布于多个专业机构，因此，如何将这些专业机构快速有效地集成起来为项目服务也成为“快速开发工程”的一个重要课题。实现这一目标的可行模式是采用网络化制造模式。我们提出了如图7所示的产品开发网络化支持体系。
4 M$ i0 H; j: ~  H: B( s5 C1 I　　该体系由产品开发者、产品开发门户服务平台、网上领域专家群和产品开发专业技术服务平台群4部分构成。
　　产品开发者是进行产品开发而需要获得信息服务或技术支持的用户，以浏览器为操作界面，在门户服务平台的引导下获得各领域专家和专业技术提供的服务。
$ I" h: K- v/ z, \　　产品开发专业技术服务平台群是提供产品快速开发专业技术服务的远程网络平台，包括：
　　(1)数字样机服务平台群——支持实现CAD远地协同、网上虚拟装配、运动仿真等；
8 h- s& E# H$ b' j6 f: }6 F0 z　　(2)RP/RT远程服务平台群——提供远程RP/RT技术服务以及多RP/RT服务中心合作完成物理模型样机；
　　(3)控制系统样机服务平台群——提供控制系统设计远程委托、电器子系统电路板远程制作等服务。
; h' `, g- p1 A　　这些远程服务平台群是快速产品开发技术与网络技术融合的产物，依托高校、研究所或者行业机构等有技术力量的机构来建立，面向广大产品开发用户特别是中小企业，提供在线或离线的技术服务。
　　在产品开发过程中，许多技术、管理上的问题都涉及到多个不同领域，需要多领域专家的同步或异步协同决策来合作解决。通过网络以虚拟组织的形式将所需专家动态组织起来无疑是最快速、有效的方式。领域专家是提供产品开发各领域内远程决策支持的服务机构，提供基于决策建模的客户化服务。产品开发门户服务平台是为产品开发者尤其是广大自身能力有限的中小企业提供信息和决策支持服务的网络门户，也是用户和领域专家之间的桥梁。它不以提供具体技术服务为目的，其主要功能是引导信息的获取和协调多领域专家的协同决策过程。在需要针对某个开发项目进行协同求解时，用户利用门户服务平台的决策伙伴选择系统来挑选合适的领域专家(决策伙伴)群，并通过门户服务平台所提供的多领域协调器来支持各领域专家之间同步或异步的协同求解过程。此外，它还提供产品开发信息智能导航系统和网络信息挖掘系统，可以根据用户实际需要分别提供产品开发所需的通用信息导航和针对具体项目的个性化信息搜集功能。
4 h0 G1 F9 T* s, T& R1 u( o　　采用网络化协同模式不仅可以极大地扩展产品快速开发技术的服务面，同时还可以更迅速有效地利用全国甚至全球范围内的制造资源、技术资源和信息资源，迅速组成一个跨地区、不受时空限制的产品开发群体为项目服务，这无疑将使快速开发工程如虎添翼。
　　3汽车车身快速开发技术
　　3.1国内外汽车工业状况
　　汽车是国民经济的重要支柱产业，属于资金、技术、劳动密集型行业。汽车贸易占全球贸易的15%左右，美国通用、日本丰田等7家汽车企业产销量占全球市场的60%。当前，汽车消费趋势向个性化发展，每个车型由百万辆降到10万辆左右，要求车型更新加快，开发周期缩短。
& n2 @/ Y( m4 A' P7 ], j5 P3 h" Z! }　　美国新一代汽车合伙计划(PNGV)是一个空前的官、产、学、研大规模统一行动的产业化计划，卷入这个计划的有758项高新科研项目，涉及453个高校、国家试验室、汽车供应商及政府有关部门，分布在美国38个州，其首要目标就是通过研究缩短汽车开发、制造时间和降低成本的技术，提高汽车工业的国际竞争能力。
　　在我国，从1992年汽车总产量突破百万辆开始，汽车工业进入快速发展时期。到2000年汽车总产量已达到206.9万辆，平均年增长率达8.47%。显示了我国近年来汽车产量及其预测趋势。未来5～15年将是我国轿车工业发展的关键时期，潜在市场空间巨大，经济条件日趋成熟，工业基础基本形成，这一切都预示着我国汽车工业的巨大发展机遇。
6 h6 v5 ~" L  I/ i3 L0 D5 t  O　　3.2车身快速开发技术的意义、需求和我国的现状
　　车身是汽车品牌的标志，其成本占到整车总成本的1/3～1/2，而且更新频度高，技术进步快，是车型竞争的第一要素。然而，轿车车身开发一直是我国轿车工业的薄弱环节，其中，汽车模具尤其是车身覆盖件模具是制约我国轿车工业发展的瓶颈。1999年我国模具进口总金额为8.8亿美元，其中2亿美元用于车身冲压模具进口。我国汽车工业能否尽快提高产品的技术水平，增强国际市场的竞争实力，汽车模具的水平可谓至关重要。
　　我国车身开发面临的主要困难是：缺乏车型设计经验；大型、复杂、精密覆盖件模具设计难度大，涉及起皱、拉裂、回弹等问题；多个覆盖件形成三维尺寸链，使模具设计制造更困难；汽车覆盖件模具投资大，周期长。
/ i& d  k2 `; Y. k　　我国汽车工业对快速、低成本的车身开发技术有着强大的需求，体现在：(1)节能、环保及消费者的取向引导汽车迅速变型，近两年来，汽车行业推出新车型近百种。
" I" z* \% K. a* D, b　　(2)年产25～30万辆为经济生产规模，但2000年我国13家重点轿车企业的平均产量仅为4.65万辆。美国通用汽车公司追求10万辆以下生产规模经济效益的做法值得借鉴，以适应我国轿车工业集成度低的现状。
　　(3)一个车型开发费用高达上亿美元，摊销开发费用以及进口材料使车身成本上升，直接影响竞争能力，这个问题亟待解决。
0 g, @4 ^1 Y$ [2 K　　因此，我国迫切需要建立为全国各汽车企业服务的车身开发平台，形成市场化、专业化机制。
0 J) T( _6 k9 v) N, y　　3.3车身快速开发技术的研究内容
　　车身快速开发技术的研究内容主要包括：
　　(1)汽车造型设计。
% L8 n7 g# ~* y+ z: K1 x& k" Q　　(2)CAE，包括汽车碰撞分析、噪声分析、振动分析、空气动力学分析。
5 `3 z& {" x/ D. }+ V: m, w6 X　　(3)CAE与基于知识的工程KBE的结合。鉴于板料成形过程是非线性、大变形问题，边界条件难以仿真，因此必须与试验相结合。研究内容包括板料成形过程分析与试验、工艺补偿面设计、拉延筋设计、压料面及压边力设计。
　　(4)200辆样车制造技术，包括主模型的车身简易模具制造工艺研究、模具材料研究、适应样车及大中小批量的模具工艺研究。
　　(5)三维尺寸链研究，白车身装配2mm工程。
　　(6)车身轮廓检测技术，车身几何模型重构。
( d7 A& z/ J. T　　(7)车身CAD/CAM软件开发。
8 |) a3 z0 K+ g! J" K0 h0 ^' V+ B, G　　(8)车身开发系统集成技术。
　　3.4基于RP/RT技术的板料成形模具快速制造系统
　　在前文所述的快速开发工程技术平台上，我们研究了一种基于RP/RT技术的板料成形模具快速制造系统，并将之应用到车身覆盖件模具开发中。
　　根据模具CAD模型，通过RP和某种RT技术(如金属喷涂)迅速制造出简易模具，进行冲压试验。对试冲件和模具进行三维测量和回弹评价，根据评价结果进行模具几何修正，通过修改模具CAD或直接通过STL模型的改变来修正RP/RT。这个过程反复进行，直到试冲件的三维测量结果和回弹评价结果都符合要求，形成正式模具。
　　西安交通大学开发了金属喷涂覆盖件模具制造工艺，该工艺具有以下优点：
( _$ a  t* k( ]( F　　(1)制模周期短，成本低。西安交通大学用此项技术制造奥拓轿车前翼子板拉伸模具，只用了20天就完成了从生产准备到模具上冲床调试的整个过程，制造硬成本不到2万元；
6 v% ?0 C3 J" S7 d& Y　　(2)与其他简易模具，如低熔点合金模、环氧树脂模相比，模具表面硬度、耐磨性有所提高，粗糙度有所改善；
　　(3)对模型的材料无特殊要求，可在金属、木材、蜡、石膏、环氧树脂等多种材料制作的模型上喷涂成型；
　　(4)对产品变化适应性强，从数平方毫米到数平方米的模具都可在同一设备环境下喷涂制成。
; R& x7 s; c7 a; J% S　　3.5车身曲面检测与三维重构
　　车身曲面检测和三维重构也是车身快速开发技术中的重要环节，其作用在于检验车身形状和模具误差，构造车身主模型CAD数据和曲面光顺性检查。
9 ]* T) z6 j9 W5 n　　当前的曲面测量方法主要有三坐标测量机测量、结构光扫描、投影光栅法、数字照相系统、断层扫描等。
- B  ~! i5 w( [0 m　　三维重构为CAD模型重构。通过在点云数据中寻求特征点，并用NURBURS曲面拟合，进行了重构。
　　4结束语
( W4 f& b" F# a, ~　　本文提出了一个在产品开发全周期内支持产品快速开发的工程体系——快速开发工程，该工程体系不仅提供各种快速产品开发的技术支持，而且通过网络服务模式能更快速、有效地组织和利用分布式的技术、制造和智力资源为用户的产品开发服务。针对汽车车身开发这一具够大大缩短车身开发周期，降低开发成本。体的工程领域，开发了基于RP/RT技术的板料成形模具快速制造系统。实践表明，该系统能够大大缩短车身开发周期，降低开发成本。
# m1 F# d8 p4 E% @) Z6 s文章关键词： 快速开发