隨著世界經濟的飛速發(fā)展和市場全球化，企業(yè)之間的競爭越來越激烈，而企業(yè)之間競爭能力的主要指標表現(xiàn)為新產品開發(fā)的時間周期(Time)、質量(Quality)、成本(Cost)，以及相應的服務(Service)，即TQCS。因此降低產品成本，提高產品質量，縮短產品開發(fā)周期已成為企業(yè)生存和發(fā)展的關鍵。

作為產品生命周期中的重要環(huán)節(jié)，設計階段的重要性在實踐中得到明顯反映，如圖1所示。

可見，設計占產品費用比一般在70%～80%間，產品的設計應受到越來越廣泛的重視，設計的好壞不僅影響產品的費用成本而且決定產品的質量、性能的優(yōu)劣。因此，近年來，世界發(fā)達國家的制造商已經將質量保證的重點由制造過程轉移到設計過程，提出了“產品質量是設計出來的”這一新觀念。

圖1 設計占產品費用比的統(tǒng)計圖

此外，為了適應當今動態(tài)多變的全球化市場需求，80年代后期國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算機支持技術對所必需的生產和制造活動進行全面建模和仿真，而產品的建模與仿真技術是實現(xiàn)虛擬制造的核心技術。借鑒該思想的原理，本文提出了在桌面虛擬環(huán)境下的設計質量保證技術，把產品的設計工作置于一個虛擬的設計、分析和仿真環(huán)境中，為產品的設計過程提供了一個強有力的支持環(huán)境。

1 虛擬環(huán)境下的設計質量保證系統(tǒng)的總體框架

總體框架

產品最終是為用戶服務的，而且一項新產品的設計也起源于用戶，如用戶對產品的某些性能、結構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，這些都可以歸結為用戶的需求。所以設計質量保證系統(tǒng)的輸入應該是一系列用戶需求，接著進行用戶需求分析，把用戶的需求轉化為產品相應的功能。

設計質量保證系統(tǒng)包括產品設計模塊和設計分析模塊。產品的設計模塊主要是在設計知識庫的支持下利用自頂向下的設計方法從產品概念設計到NC程序設計整個過程。產品設計分析模塊利用各種設計分析評價方法對產品的設計特性、結構、工藝等方面進行評價和分析，發(fā)現(xiàn)問題，提出改進措施，反饋給設計過程。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械加工中的切削過程，檢驗裝配順序和路徑以及NC程序的正確性。

虛擬設計質量保證系統(tǒng)最終把合理的設計結果輸出到虛擬制造環(huán)境中去。整個系統(tǒng)結構如圖2所示。

圖2 虛擬環(huán)境下設計質量保證系統(tǒng)的總體框架圖

設計過程

目前的CAD系統(tǒng)提供了強有力的零件級的詳細設計能力，設計者首先設計零件的詳細結構，接著按指定零件間的裝配關系來完成產品的裝配設計，這種自底向上的設計過程并不符合人們的設計思維，造成設計結果不能保證達到設計者指定的功能。為此，設計質量保證系統(tǒng)必須支持裝配級的設計，即所謂的自頂向下的設計過程。我們所設計的設計質量保證系統(tǒng)(DQAS)就建立在此理論的基礎上，如圖3所示。

整個系統(tǒng)的輸入是用戶的需求，輸出是產品的設計結果，符合人們的設計思想。整個系統(tǒng)建立在設計知識庫(包括幾何庫、技術庫、功能庫和管理庫)和設計分析知識庫(包括特征工藝庫、可制造性評價知識庫、可裝配性評價知識庫和優(yōu)化評價分析庫)的基礎上。

圖3 虛擬環(huán)境下設計質量保證系統(tǒng)的設計過程圖

2 虛擬環(huán)境下設計質量保證的關鍵技術

虛擬設計質量保證環(huán)境的建立

根據(jù)虛擬現(xiàn)實(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、投入虛擬現(xiàn)實和增強虛擬現(xiàn)實。根據(jù)設計和制造的不同情況，設計質量保證需要采用桌面虛擬現(xiàn)實環(huán)境，即使用個人計算機和工作站去產生仿真，在此仿真環(huán)境中，設計者利用各種軟件進行設計、評估和仿真工作。仿真環(huán)境的建立是桌面虛擬環(huán)境技術中的核心內容。由于面向對象的仿真在理論上突破了傳統(tǒng)仿真的概念，它分析、設計和實現(xiàn)系統(tǒng)的觀念與人們認識客觀世界的自然思維方式極為一致，因而增強了仿真研究的直觀性和易理解性，且面向對象的仿真具有內在的可擴充性和可重用性，因此為仿真大規(guī)模的復雜系統(tǒng)提供了極為方便的手段。此外面向對象的仿真容易實現(xiàn)與計算機圖形學、人工智能/專家系統(tǒng)和管理決策科學的結合。所以面向對象的仿真技術為虛擬設計質量保證環(huán)境的建立提供了有利的技術支持。

虛擬設計質量保證環(huán)境下的數(shù)據(jù)庫

虛擬設計質量保證系統(tǒng)由許多不同的功能模塊組成，由于系統(tǒng)的結構復雜，數(shù)據(jù)交換量及應用頻率都非常高，不同功能模塊，其數(shù)據(jù)的組織和管理要求也不同，為管理虛擬設計質量保證系統(tǒng)中的大量數(shù)據(jù)，有必要建立數(shù)據(jù)庫。由面向對象技術與數(shù)據(jù)庫技術結合形成的面向對象數(shù)據(jù)庫不僅能提供與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫相似的功能，如數(shù)據(jù)的持久存儲、并發(fā)控制，事物管理、恢復、查詢等，而且能提供一些適合工程應用的的高級功能和特點，如數(shù)據(jù)抽象與封裝、強大的信息建模能力、對象表識與組合層次多態(tài)性、可擴展性等。隨著PDES/STEP標準的逐漸完善和頒布，支持PDES/STEP的產品/過程建模的面向對象數(shù)據(jù)庫將成為虛擬設計質量保證環(huán)境中數(shù)據(jù)庫管理的重要支持。虛擬設計質量保證環(huán)境下的數(shù)據(jù)庫包括設計知識庫和設計分析知識庫兩大綜合庫，其中，設計知識庫包括幾何庫、技術庫、功能庫、管理庫，設計分析知識庫包括特征工藝庫、可制造性評價知識庫、可裝配性評價知識庫和優(yōu)化評價分析庫。

虛擬設計質量保證環(huán)境下各種設計分析軟件的編程和集成

從虛擬設計質量保證系統(tǒng)的框架圖可以看出：設計過程包括設計、分析和仿真過程，整個過程需要各種設計、分析和仿真軟件的支持，各種軟件模塊既互相獨立又相互間通過一定的接口進行通信。目前面向對象編程(OOP)方法將軟件系統(tǒng)分解為一系列表示對象的邏輯組件，每一對象是數(shù)據(jù)和過程的集合。數(shù)據(jù)表示對象的狀態(tài)，過程表示對象的行為，只有對象本身擁有的過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)實世界更為接近的模型，通過消息的傳遞執(zhí)行面向對象程序以改變對象狀態(tài)。因此面向對象編程工具是進行虛擬設計質量保證環(huán)境下各種設計分析軟件的編程和集成的理想工具。