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并行工程的应用技术研究
作者:刘敏 曲健 陆国胜
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CAD硬件/先进制造技术展厅
图形工作站, 绘图仪/大幅面打印机, 3D控制器/3D鼠标, ...
1、并行工程中的技术工具

近几年来,国内外学术界和企业界都在寻找从技术上解决实现并行工程的途径,目前,主要是围绕“基础技术”和“使能工具”两个方而进行研究,前者如CAX技术等,后者如DFX技术和PDM技术等。

1.1 CAX技术

计算机辅助工程( CAX)技术随着计算机技术的发展,形成了一批先进的CAX例如,计算机辅助设计CAD、分析CAE、制造CAM、工艺分析LAPP等及其集成技术,成为顺利实施并行工程的非常重要的工具。并行工程中CAX之间的交互是动态的、随机的、双向的,这种集成式的互动要比中一的CAX应用更频繁、更复杂。另外,在产品设计阶段,尚未获取全部详细信急,因此,并行工程中CAX系统具有模糊的逻辑推理功能,能从不完整的信息来确定设计的可行性。

1.2 DFX技术

而向产品生命周期(DFX)的设计技术是设计方法论和设计支持技术的重要研究内容之一是产品开发的有效方法和技术。DFX是一种设计方法论,本身不直接产生设计方案,而是设计评价分析方法,为设计提供依据。其主要内涵是要求在设计过程中尽旱考虑后续阶段,如装配加工、测试、性能方而对设计施加的设计约束,以期做到产品生产一次成功。DFX方法不仅用于改进产品本身,而且用于改进产品的相关过程,强调产品设计和过程设计的同时进行,而不是像以往,当产品设计完毕再进行过程设计。

DFX技术可以分成两类:一类是而向产品生命周期某环节的设计,例如,而向加工、而向装配、而向检验、而向服务的设计DFM, DFA,DFI,DFS等。另一类为而向产品性能因素的设计,例如,而向质量、而向成本、而向时间、而向环境、而向可靠性的设计DFQ,DFC、DFT、DFE、DFR等。

在应用DFX技术前,应该根据存在的问题和制定的目标,选择适当DFX工具。当需要应用几种DFX技术解决问题时,必须确定各种技术的优先应用次序。

1.3 PDM技术

产品数据管理(PDM)技术是产品数据共享与过程管理技术,是并行工程的基础平台。PDM的目的是对并行工程中的共享数据进行统一的规范管理,保证全局数据的一致性,提供统一的数据库和友好界而,使多功能小组能在一个统一的环境下工作。PDM将所有与产品有关的信急和过程集成于一体,从概念设计、计算分析、详细设计、工艺流程设计、制造、销售、维修直至产品报废的整个生命周期相关的数据,子以定义、组织和管理,使产品数据在整个产品生命周期内保持一致、最新、共享及安全。从产品数据管理的对象来看,主要分为两类:一类是产品的定义信息,另一类是产品结构、开发过程等相关的管理信息。

目前,产品数据交换标准PDES/STEP和利用PDM进行产品设计过程管理,己被学术界和产业界接受,成为发展新一代企业自动化的基础,对企业建立并行工程的环境是十分重要的。

除了上述关键技术之外,还有并行工程实施过程的建模、仿真与系统综合协调技术。计算机辅助仿真分析技术包括计算机图形技术、产品数字模型生成技术、快速原型技术、多媒体技术等各种分析手段。对于一个复杂产品设计系统,还要构造协同工作环境,进行组织重构和过程重组,使系统具有协调功能,能跟踪设计过程和管理工作流程,对发生的冲突进行检测与仲裁,从而保证并行工程的总目标实现。

2、基于并行工程的产品开发过程

并行工程实施的困难往往影响其效果的充分发挥。本文结合机械产品设计特点,对并行工程的实施和应用进行以下重点研究。

并行工程的实施需要从调整企业组织结构和建立产品并行设计体系两方而着手。产品并行设计作为并行工程的重要环节,决定着并行工程实施的成败。产品并行设计必须打破传统的串行设计模式,实现设计者、设计方法、设计工具、设计信息的有效集成及设计过程的高度并行。集成的关键在于各种设计信息能在设计的不同阶段之间进行有效的交流和协调,这里的信息,不但包括设计图样和设计说明,而且包括设计意图、设计原理、评价决策思想等。集成的结果应表现为设计过程的并行操作。

2.1 产品并行设计体系框架

基于并行工程思想,设计以产品全生命周期为基准,可建立产品并行设计体系框架如图1所示。


图1 产品并行设计体系框架

1) 每一设计活动在前一环节完成之前就开始进行,尽管这时所得到的信急并不完备,但山于各设计工作的每一最新结果做到及时发布,相互之间的信息,传输和使用是动态连续的,设计在全过程中逐步完善。

2) 将上、下游的设计要求作为本设计工作的约束条件,进行目标优化设计和相应评价。

3) 引入反馈流,把设计中的单向通道改为嵌套循环,各设计结果及时反馈给上游进行设计评价和修改,避免到产品开发后期才发现问题而再返工。

4) 应用过程管理软件对产品开发过程进行信急化管理,加快信急在设计部门和其他环节之间的流动,提高设计的质量和效率,缩短产品开发周期。

2.2 设计过程并行重组

1) 设计流程重组

运用并行工程原理,对产品开发流程进行重组。建立机床产品的开发过程的设计流程模型如图2所示,在这种模型中,设计知识库包含机床产品分析、工艺分析以及两者之间的并行关系分析组件,为获取产品数据、评价设计方案、分析产品关键特性提供支持。概念设计、详细设计和方案评价都是在而向装配、制造和服务的设计知识库的支持下进行的,避免机床产品传统设计中对设计以外的其他因素考虑较少的缺点。


图2 并行设计流程

2) 设计组织重构

并行设计组织结构要以项目为中心,减少不必要环节和冗余人员,而向设计过程,建立包含用户及各相关专业领域人员的设计团队,实现协同设计。

并行工程可纵向分为二个组织层次:决策层一一以企业领导为核心,负责制定企业战略方向和对重大问题作出决策。管理层一一负责基层团队的协调管理工作。基层团队-一负责设计、经营的实质性工作,直接而向市场、而向用户、而向设计项目。其中,设计组织山若干个功能互补的人力资源单兀组成,是重要的基层团队。各中一兀服从于共同目标、绩效要求和通用规则,共同为设计全过程负责。

如此构造的组织模型具有以下特点:

(1) 快速响应。针对不同的设计项目迅速组建新的基层团队,生成相应的设计过程,迅速集成,对复杂多变的市场做出快速响应。

(2) 并行协同工作,实现资源优化。在每个设计阶段,随时安排和调用专业、技能互补的人力资源协同工作,最大程度地利用资源,充分发挥人才专业特长。

(3) 全局优化。整个设计过程置于统筹管理之下,明确分工和进度,保证质量、成本、时间、环境、可靠性要求,实现工程项目全局优化。

3) 设计资源重组

为实施并行工程,达到快速设计的目的,必须通过对设计资源的优化重组,实现专业领域知识资源、人力资源、软、硬件装备等设计资源的共享。

(1) 通过建立计算机网络系统及CAD集成系统,构造集成系统,把以往独立的设备和应用软件集成起来,提供资源共享的支持技术和环境。

(2) 建立积累大量专业领域知识的数据库,如成功的设计实例、标准图库、实例图集、电I化手册等,将知识信息,化和软件化,实现专业领域知识资源共享。

(3) 实行资源的合理分配与动态重组。基础性资源全局共享,专业性资源局部共享。避免设计资源被某部门或某个人单独,片有而造成资源浪费。

2.3 并行设计过程的管理

并行设计过程管理的目的是对设计过程进行调度和监控,以设计过程为核心,通过系统集成、过程重组、信息,处理技术,实现最大可能地并行运作,使设计过程协调有序进行,达到设计过程并行执行、设计活动并行协调、设计信息,共享的要求。

设计过程涉及到设计活动、设计人员、设计信急方而。设计活动反映设计的过程性和动态性,贯穿于设计过程的各阶段中,如方案设计、技术设计和工艺设计等。设计人员是承担设计任务的组织形式,如动态的项目组和静态的个人角色等。设计信急是设计活动的结果表达,如产品设计的相关数据等。因此并行设计过程管理的内容如下。

1) 设计项目、计划、进度、成本及质量控制。
2) 设计人员、组织、资源的动态配置与协调管理。
3) 设计信急及工作流程管理。

① 各专业设计人员借助不同设计软件产生的异构数据的管理。

② 不同部门、不同地域的分布性设计产生的分布数据的组织和管理。

③ 协同设计过程的冲突消解。一个设计项目中有多个功能小组,其专业领域、设计目标、评价标准各不相同,因此相互之间存在大量彼此制约的因素,设计过程不可避免会出现需要消解处理的矛盾冲突。

④ 保持设计信息,的一致性、完整性和安全性,实现方便、灵活、及时、准确的传递与共享。

3、并行工程的效果

并行工程的目标是:

1) 提高整个制造过程的质量,包括设计、工艺、制造和服务各环节。

2) 降低产品生命周期费用,包括产品设计、制造、销售、服务、用户使用直到产品报废的全部费用。

3) 缩短产品研究开发周期,包括减少设计反复和制造中各环节的时间。本文对并行工程在某机床厂的轴承生产线开发研制中得到部分应用和相关技术实施,取得如下效果。

3.1 提高质量

并行工程在设计时考虑到加工、装配、检验、维修等因素,尽可能将所有质量问题消灭在设计阶段,使所设计的产品便于制造和易于维护,为质量的“零缺陷”提供了可能。

由于该项目各环节置少统一调度和管理之下,整个设计过程责任分工明确,信息,得到充分沟通和及时反馈,通过全局优化保证了质量要求。不但首条生产线一次开发成功,而且山于产品质量与性能很好地满足了用户需求,该企业获得源源不断的产品订货。

3.2 降低成本

轴承生产线的用户直接参与并行设计,保证去除冗余功能,降低设备的复杂性,提高产品的可靠性和实用性。被加工的圆锥轴承套圈属于一般复杂程度、大批量、高精度的小型零件。并行设计中各方人员共同参与意见,没有贪大求洋,从性价比考虑,大批量的高效率生产采用高效率液压全自动车床加机械手动态装卸工件;高精度和稳定性由机床结构刚度和控制系统精度子以保障;应用高可靠性的可编程控制器(PLC)进行自动化控制;复杂形状加工经过工艺、工艺装备的精心设计在专机上得到实现。因此该生产线的研制成本大为下降,实际价格仅为用户心理价位的44%。

3.3 缩短产品投放市场的时间

此生产线开发研制项目采用并行工程技术后,全部开发研制时间山传统方式预计的10个月缩短到7个月,其中设计开发周期仅为原来的50 %。

4、结语

并行工程可以快速开发适销对路的产品并投放市场,提高新产品质量,降低生产制造成本,提高企业的生产柔性,从而大大增强企业的市场竞争能力。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (2006-2-26)
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