随着世界经济的飞速发展，市场竞争日益激烈，降低产品成本、提高产品质量和缩短产品开发周期已成为企业生存和发展的关键。在这种形势下，并行工程作为一种有效的解决方案正在逐步发展起来。它通过集成企业的一切资源，使设计人员尽早考虑产品生命周期(从概念形成到产品回收)中的所有因素，一体化、并行地进行产品及其相关过程的设计，尤其注重早期概念设计阶段的并行协调，以达到提高产品质量、降低成本和缩短开发周期的目的。
国际上对并行工程研究的一个重要方面，是对可装配性设计(Design For Assembly，简称DFA)、可加工性设计(Design For Manufac—turing，简称DFM)等DFX技术的研究。它们针对产品生命周期中的不同阶段对候选设计进行评价，是目前并行工程研究的一个十分活跃的领域。在这些体现并行工程思想的设计方法中，DFA因其在实践中产生的巨大效益尤为引入注目。它从装配的观点考察一个侯选设计，常常被认为是并行工程的首要工作。
一、DFA的概念及背景
1．DFA的基本概念
装配是一项劳动密集型的工作。据统计，装配成本在产品总成本中的比重可以达到40％[1]。法国对355家公司的调查结果表明，装配自动化的一个主要障碍是：通常的产品设计不是面向装配的，这使产品装配已成为制造业最薄弱的环节之一。如何有效地降低装配费用，是当今企业所面临的突出问题。DFA就是为了解决这一问题而成长起来的高新技术。
简单地说，DFA是一种优化产品设计，以获得最低装配费用的技术。DFA在产品设计阶段，通过分析影响产品可装配性的各种因素，对产品的可装配性进行评价，并在此基础上，给出产品再设计的建议，通过再设计，使产品易于装配，以达到降低产品装配费用的目的。
2．可装配性分析
装配活动可以分为逻辑上的两个阶段：一是零件的获取阶段，即零件从进料地点到达装配位置；二是零件的装配阶段，在这一阶段，零件和零件进行连接。影响可装配性的因素可以，分为三类：零件因素、系统因素和工艺因素E23。DFA通过考察这些因素在不同装配阶段的表现来完成对候选设计可装配性的评价。
(1)零件因素零件是装配的基本单元，其性质对产品的可装配性影响较大。在获取阶段，零件的影响主要表现在尺寸和形状两方面；在装配阶段，零件的影响主要表现在稳定性方面。
(2)工艺因素工艺因素依赖于所使用和装配工艺。在获取阶段，工艺因素对可装配性的影响有许多方面，包括所采用的输送手段和输送距离等。在装配阶段，则表现为紧固方法和装配路径等。
(3)系统因素系统因素是指零件与零件之间的相互作用。在获取阶段，系统因素表现为零件之间的嵌套或缠绕。在装配阶段，主要表现为两个零件之间的配合间隙和配合区段长度。
3．DFA的发展背景
DFA的思想起源于70年代。当时，人们开始注意到设计对于装配的重要性，于是根据实际设计经验和装配操作实践，制定了一系列有利于装配的设计指南(Design Guidelines)，以帮助设计人员设计出容易装配的产品。但由于受当时计算机软硬件技术的限制以及缺乏必要的系统分析工具，那些厚厚的设计指南手册实际上很难为设计人员提供有针对性的指导。
1980年，Massachusetts大学的Boothroyd教授提出了DFA这—概念，并被广泛接受。随后，对DFA的研究和应用进入了一个高潮，相继出现了—些有影响的DFA定量分析方法。它们都是基于容易装配原则来考察影响产品可装配性的各种因素，并使用列表的形式对各个项目进行评分，以此来追踪产品设计中不利于装配的薄弱环节并及时加以修正。这些方法的实际应用，有力地推动了DFA技术的发展，使产品的可装配性大大提高。
以Lucas方法(流程图见图1)为例，DFA定量分析方法的主要步骤是：
(1)功能分析功能分析的目的是在保持产品功能不变的前提下减少零件的数目。在Lucas方法中，减少零件数目采用了Boothroyd提出的最少零件数原则，即一个零件不能与其它零件合并，必须具有下述三条原因之一[3]：
a．与其它零件之间有相对运动要求；
b．由于性能要求而必须使用同其它零件不同的材料；
c．为了维护和替换，要求能够拆卸。
(2)输送分析通过分析零件的形状、尺寸、重量等来确定零件是否易于传送和定向，并自给出其输送指数和输送率。输送率过大，表明输送性能不佳，有必要改进设计或选择合适的输送技术。
(3)配合分析通过分析零件在装配过程中的装配方向、装配力大小以及是否需要特殊工具等因素，来确定零件的配合指数和配合率。配合率过大，表明配合设计不佳，需要改进。
(4)夹持分析用于机器人等自动线装配，以确定零件是否有适宜的夹持表面以及零件的易碎性等。
近年来，面向并行工程的DFA技术正逐渐成为制造自动化领域的研究热点。并行工程把DFA作为它的一个子集纳入其总体框架之下，并赋予了其新的内涵。
二、DFA的发展方向
1．局限和不足
现有DFA方法的局限与不足表现在：
(1)可装配性评价往往发生在产品的详细设计完成之后，因此对产品结构的简化仅仅限于合并或减少零件，原始设计中零部件划分的总体格局并末改变；从而不能对产品的概念设计提供充分有效的支持；
(2)局限于分析个别零件的可装配性，而较少考虑实际的装配工艺、装配条件和装配环境，因而使可装配性评价缺乏一定的针对性；
(3)依赖用户手工填写计算表格和绘制装配顺序流程图，或者在计算机软件支持下通过人机对话要求用户回答大量的有关装配的问题，不仅繁琐、效率低，而且容易出错；
(4)只给出零件的可装配性评价，指示其不足，但没有给出再设计建议，设计的改进也完全依赖于用户；
(5)缺乏对可装配性设计规则的管理机制，设计规则的反馈、扩充和修改没有受到重视，因而评价中存在的同一类问题常常重复发生。nextpage
2．发展方向
现有DFA方法的局限与不足已经严重束缚了它的应用和推广。随着对并行工程研究的逐步深入，DFA也在不断地得到改进和发展，其要点是：
(1)充分体现在产品设计、工艺、制造过程中的并行运行机制，使DFA能够与CAD实现信息共享，进而实现CAD/DFA/CAAPP(Computer Aided Assembly Process P1an—ning，计算机辅助装配工艺设计)的集成；
(2)基于三维零件描述的DFA系统，一方面减少了输入零件信息的大量重复劳动，另一方面，只有采用三维零件描述，才能使检验零件间的空间位置关系，包括装配关系成为可能；
(3)基于产品实际装配工艺的DFA系统，可以实现更完备的DFA分析，即可分析在特定装配工艺条件下的产品设计问题；
(4)DFA专家系统，采用基于规则的技术和面向对象编程方法，在知识库和数据库的支持下，通过推理机来判断给定的设计方案和装配方案的合理性，并给出再设计建议；
(5)设计兼容性分析DCA(Design Com—patibility Analysis)，即将各种DFX方法结合起来统一加以考虑，提供一种为担负不同职责的专家从不同观点来评定候选设计的一种设计观念模型，以获得全局最优的设计。
三、并行工程下的DFA框架
同传统的DFA相比，并行工程下的DFA主要有两个特点：一是直接从CAD系统获取装配信息，实现可装配性评价的自动化；二是支持CAAPP，通过评价选择合理的装配工艺，或对给定的装配工艺进行优化。采用的技术主要包括：面向装配的CAD系统、特征造型和特征识别以及专家系统技术。
1．面向装配的CAD系统
传统的几何建模CAD提供了完备的几何信息的表达方法，但它难以将工程设计中存在的大量非几何信息存入数据库。特征建模克服了几何建模的缺点，提供了非几何信息，如材料、精度等信息的表达方法，但它仍然是基于产品零件级的，不能表达和存储装配体组成部件之间的相互关系。因而，几何建模和特征建模都未能实现对并行工程下可装配性设计的支持。
一般来说，产品的功能很少是由单个零件实现的，更多的情况是通过装配体中零、部件之间的相互运动来实现。这种运动是由装配体内零件之间关系量的不断改变产生的，所以要得到一个正确的装配体以实现它的功能，就必须建立其内部零件间的正确和完整的关系。装配建模在几何建模和特征建模的基础上，提供了在计算机中表达和存储装配体组成部件之间相互关系的方法，从而使DFA不仅能够对单个的零部件进行可装配性评价，更重要的是，它能够通过其中对装配件之间的相互位置关系的描述进行仿真和干涉检查，通过其中对装配件之间的配合、联接等装配信息的描述进行公差分析与综合和装配序列规划，从而可以实现更加高级和全面的DFA分析。装配建模将成为并行工程下CAD的发展方向。
2．特征设计和特征识别
特征为完整地表达零件信息提供了有效的手段。产生特征的途径有两条：特征设计和特征识别。特征识别指的是从几何造型的三维实体中识别出所需的特征。由于特征是从零件实体模型中边面信息的CSG或B—rep表示以及彼此间的拓扑信息中提取出来的，因此，特征识别需要特殊的算法。能识别出的特征数量也是有限的，工艺信息则不可能识别出来。与特征识别不同，特征设计首先要求预定义一个特征库，设计过程中，从特征库中选取所需特征，赋之以具体的参数，包括非几何信息，然后利用特征的CSG或B—rep表示进行布尔运算，得到由特征组成的整体零件模型，从而省去了特征识别工作。但因为预定义的特征数目总是有限的，会使特征造型在某种程度上不如几何造型灵活。
为了取长补短，在特征造型中应该兼用两种方法，可以以特征设计为主，同时，对那些在实践中证明是行之有效的特征识别算法，应予以保留，作为特征设计的有益补充。
3．专家系统技术
现有的DFA方法基本上是属于一种数学计算方法，它通过评分来显示设计中不利于装配的薄弱环节。而实际上，DFA评价和再设计的许多知识都是属于启发式知识或经验性知识，难以用精确的数学模型和计算公式来表达。因此，要实现有针对性的DFA分析并给出再设计建议，必须运用知识处理技术如专家系统来解决。大量的DFA规则被存入知识库，推理机根据装配信息，扫描知识库，一旦发现匹配的条件，则触发相应的再设计建议。同时专家系统提供的知识库维护功能可以根据情况对DFA规则进行修改和扩充。
基于上述思想的DFA框架如图2所示。目前，特征造型已有商品化软件(如Pro/Engi—neer)，而装配建模仍然处于研究阶段。研究表明，以Pro/Engineer为支撑平台，开发面向装配的功能，可以使其具有描述装配信息的能力[4]。基于特征的装配CAD系统可以为DFA提供完备的装配信息，分别以装配数据库和零件数据库的形式给出。前者存储了详细的产品装配体之间的零件构成关系，后者则是对各个零件信息的详细描述。通过一定的转换机制，可以将它们进一步转换为基于STEP/Express标准的产品模型，从而可以使DFA不依赖于具体的CAD系统[5]。装配顺序从装配数据库中经推理产生，DFA在工艺知识库和时间成本数据库的支持下，可以从几个装配工艺方案中选择时间少、成本低的最佳方案。零件因素、工艺因素、系统因素亦可以从产品模型中提取出来，供DFA分析使用。产生的再设计建议反馈给CAD系统，用于改进原有设计中的对装配不利的部分。最终的输出结果是面向装配的设计和优化的装配工艺。它们可以进一步被送入DFM等系统，实现并行工程下从各个不同的生命阶段对设计的考察。
并行工程自提出以来，引起了各国政府、学术界和工业界的关注。我国对此也非常重视，国家科委从战略高度出发，将并行工程列为CIMS关键技术攻关项目，作为CIMS进一步发展的方向。积极开展包括DFA在内的并行工程下DFX技术的研究，必将为并行工程的应用创造广阔的前景。
