隨著世界經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和市場(chǎng)全球化，企業(yè)之間的競(jìng)爭(zhēng)越來越激烈，而企業(yè)之間競(jìng)爭(zhēng)能力的主要指標(biāo)表現(xiàn)為新產(chǎn)品開發(fā)的時(shí)間周期(Time)、質(zhì)量(Quality)、成本(Cost)，以及相應(yīng)的服務(wù)(Service)，即TQCS。因此降低產(chǎn)品成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期已成為企業(yè)生存和發(fā)展的關(guān)鍵。

作為產(chǎn)品生命周期中的重要環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)階段的重要性在實(shí)踐中得到明顯反映，如圖1所示。

可見，設(shè)計(jì)占產(chǎn)品費(fèi)用比一般在70%～80%間，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)應(yīng)受到越來越廣泛的重視，設(shè)計(jì)的好壞不僅影響產(chǎn)品的費(fèi)用成本而且決定產(chǎn)品的質(zhì)量、性能的優(yōu)劣。因此，近年來，世界發(fā)達(dá)國(guó)家的制造商已經(jīng)將質(zhì)量保證的重點(diǎn)由制造過程轉(zhuǎn)移到設(shè)計(jì)過程，提出了“產(chǎn)品質(zhì)量是設(shè)計(jì)出來的”這一新觀念。

圖1 設(shè)計(jì)占產(chǎn)品費(fèi)用比的統(tǒng)計(jì)圖

此外，為了適應(yīng)當(dāng)今動(dòng)態(tài)多變的全球化市場(chǎng)需求，80年代后期國(guó)外提出了虛擬制造思想，取得了明顯的效益。虛擬制造就是利用計(jì)算機(jī)支持技術(shù)對(duì)所必需的生產(chǎn)和制造活動(dòng)進(jìn)行全面建模和仿真，而產(chǎn)品的建模與仿真技術(shù)是實(shí)現(xiàn)虛擬制造的核心技術(shù)。借鑒該思想的原理，本文提出了在桌面虛擬環(huán)境下的設(shè)計(jì)質(zhì)量保證技術(shù)，把產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工作置于一個(gè)虛擬的設(shè)計(jì)、分析和仿真環(huán)境中，為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程提供了一個(gè)強(qiáng)有力的支持環(huán)境。

1 虛擬環(huán)境下的設(shè)計(jì)質(zhì)量保證系統(tǒng)的總體框架

總體框架

產(chǎn)品最終是為用戶服務(wù)的，而且一項(xiàng)新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)也起源于用戶，如用戶對(duì)產(chǎn)品的某些性能、結(jié)構(gòu)等方面的不滿意或根據(jù)自己的需要又提出了一些新的要求，這些都可以歸結(jié)為用戶的需求。所以設(shè)計(jì)質(zhì)量保證系統(tǒng)的輸入應(yīng)該是一系列用戶需求，接著進(jìn)行用戶需求分析，把用戶的需求轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品相應(yīng)的功能。

設(shè)計(jì)質(zhì)量保證系統(tǒng)包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)模塊和設(shè)計(jì)分析模塊。產(chǎn)品的設(shè)計(jì)模塊主要是在設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)的支持下利用自頂向下的設(shè)計(jì)方法從產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)到NC程序設(shè)計(jì)整個(gè)過程。產(chǎn)品設(shè)計(jì)分析模塊利用各種設(shè)計(jì)分析評(píng)價(jià)方法對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)特性、結(jié)構(gòu)、工藝等方面進(jìn)行評(píng)價(jià)和分析，發(fā)現(xiàn)問題，提出改進(jìn)措施，反饋給設(shè)計(jì)過程。此外還包括裝配過程仿真和NC加工過程仿真，主要是模擬工件的裝配過程和在機(jī)械加工中的切削過程，檢驗(yàn)裝配順序和路徑以及NC程序的正確性。

虛擬設(shè)計(jì)質(zhì)量保證系統(tǒng)最終把合理的設(shè)計(jì)結(jié)果輸出到虛擬制造環(huán)境中去。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 虛擬環(huán)境下設(shè)計(jì)質(zhì)量保證系統(tǒng)的總體框架圖

設(shè)計(jì)過程

目前的CAD系統(tǒng)提供了強(qiáng)有力的零件級(jí)的詳細(xì)設(shè)計(jì)能力，設(shè)計(jì)者首先設(shè)計(jì)零件的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，接著按指定零件間的裝配關(guān)系來完成產(chǎn)品的裝配設(shè)計(jì)，這種自底向上的設(shè)計(jì)過程并不符合人們的設(shè)計(jì)思維，造成設(shè)計(jì)結(jié)果不能保證達(dá)到設(shè)計(jì)者指定的功能。為此，設(shè)計(jì)質(zhì)量保證系統(tǒng)必須支持裝配級(jí)的設(shè)計(jì)，即所謂的自頂向下的設(shè)計(jì)過程。我們所設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)質(zhì)量保證系統(tǒng)(DQAS)就建立在此理論的基礎(chǔ)上，如圖3所示。

整個(gè)系統(tǒng)的輸入是用戶的需求，輸出是產(chǎn)品的設(shè)計(jì)結(jié)果，符合人們的設(shè)計(jì)思想。整個(gè)系統(tǒng)建立在設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)(包括幾何庫(kù)、技術(shù)庫(kù)、功能庫(kù)和管理庫(kù))和設(shè)計(jì)分析知識(shí)庫(kù)(包括特征工藝庫(kù)、可制造性評(píng)價(jià)知識(shí)庫(kù)、可裝配性評(píng)價(jià)知識(shí)庫(kù)和優(yōu)化評(píng)價(jià)分析庫(kù))的基礎(chǔ)上。

圖3 虛擬環(huán)境下設(shè)計(jì)質(zhì)量保證系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程圖

2 虛擬環(huán)境下設(shè)計(jì)質(zhì)量保證的關(guān)鍵技術(shù)

虛擬設(shè)計(jì)質(zhì)量保證環(huán)境的建立

根據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)的交互性，可以把它分成不同的類型，目前常用的有3種，即桌面虛擬現(xiàn)實(shí)、投入虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)。根據(jù)設(shè)計(jì)和制造的不同情況，設(shè)計(jì)質(zhì)量保證需要采用桌面虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，即使用個(gè)人計(jì)算機(jī)和工作站去產(chǎn)生仿真，在此仿真環(huán)境中，設(shè)計(jì)者利用各種軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)、評(píng)估和仿真工作。仿真環(huán)境的建立是桌面虛擬環(huán)境技術(shù)中的核心內(nèi)容。由于面向?qū)ο蟮姆抡嬖诶碚撋贤黄屏藗鹘y(tǒng)仿真的概念，它分析、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的觀念與人們認(rèn)識(shí)客觀世界的自然思維方式極為一致，因而增強(qiáng)了仿真研究的直觀性和易理解性，且面向?qū)ο蟮姆抡婢哂袃?nèi)在的可擴(kuò)充性和可重用性，因此為仿真大規(guī)模的復(fù)雜系統(tǒng)提供了極為方便的手段。此外面向?qū)ο蟮姆抡嫒菀讓?shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人工智能/專家系統(tǒng)和管理決策科學(xué)的結(jié)合。所以面向?qū)ο蟮姆抡婕夹g(shù)為虛擬設(shè)計(jì)質(zhì)量保證環(huán)境的建立提供了有利的技術(shù)支持。

虛擬設(shè)計(jì)質(zhì)量保證環(huán)境下的數(shù)據(jù)庫(kù)

虛擬設(shè)計(jì)質(zhì)量保證系統(tǒng)由許多不同的功能模塊組成，由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，數(shù)據(jù)交換量及應(yīng)用頻率都非常高，不同功能模塊，其數(shù)據(jù)的組織和管理要求也不同，為管理虛擬設(shè)計(jì)質(zhì)量保證系統(tǒng)中的大量數(shù)據(jù)，有必要建立數(shù)據(jù)庫(kù)。由面向?qū)ο蠹夹g(shù)與數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)結(jié)合形成的面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫(kù)不僅能提供與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)相似的功能，如數(shù)據(jù)的持久存儲(chǔ)、并發(fā)控制，事物管理、恢復(fù)、查詢等，而且能提供一些適合工程應(yīng)用的的高級(jí)功能和特點(diǎn)，如數(shù)據(jù)抽象與封裝、強(qiáng)大的信息建模能力、對(duì)象表識(shí)與組合層次多態(tài)性、可擴(kuò)展性等。隨著PDES/STEP標(biāo)準(zhǔn)的逐漸完善和頒布，支持PDES/STEP的產(chǎn)品/過程建模的面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫(kù)將成為虛擬設(shè)計(jì)質(zhì)量保證環(huán)境中數(shù)據(jù)庫(kù)管理的重要支持。虛擬設(shè)計(jì)質(zhì)量保證環(huán)境下的數(shù)據(jù)庫(kù)包括設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)和設(shè)計(jì)分析知識(shí)庫(kù)兩大綜合庫(kù)，其中，設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)包括幾何庫(kù)、技術(shù)庫(kù)、功能庫(kù)、管理庫(kù)，設(shè)計(jì)分析知識(shí)庫(kù)包括特征工藝庫(kù)、可制造性評(píng)價(jià)知識(shí)庫(kù)、可裝配性評(píng)價(jià)知識(shí)庫(kù)和優(yōu)化評(píng)價(jià)分析庫(kù)。

虛擬設(shè)計(jì)質(zhì)量保證環(huán)境下各種設(shè)計(jì)分析軟件的編程和集成

從虛擬設(shè)計(jì)質(zhì)量保證系統(tǒng)的框架圖可以看出：設(shè)計(jì)過程包括設(shè)計(jì)、分析和仿真過程，整個(gè)過程需要各種設(shè)計(jì)、分析和仿真軟件的支持，各種軟件模塊既互相獨(dú)立又相互間通過一定的接口進(jìn)行通信。目前面向?qū)ο缶幊?OOP)方法將軟件系統(tǒng)分解為一系列表示對(duì)象的邏輯組件，每一對(duì)象是數(shù)據(jù)和過程的集合。數(shù)據(jù)表示對(duì)象的狀態(tài)，過程表示對(duì)象的行為，只有對(duì)象本身?yè)碛械倪^程才能存取和改變自己的數(shù)據(jù)，這些特征有助于創(chuàng)建與現(xiàn)實(shí)世界更為接近的模型，通過消息的傳遞執(zhí)行面向?qū)ο蟪绦蛞愿淖儗?duì)象狀態(tài)。因此面向?qū)ο缶幊坦ぞ呤沁M(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)質(zhì)量保證環(huán)境下各種設(shè)計(jì)分析軟件的編程和集成的理想工具。