并行工程--面向产品的全生命周期的设计

作者：上海同济同捷科技公司 彭岳华

欢迎访问e展厅 展厅 8 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, ... 面向产品的全生命周期的设计是一种在设计阶段就预见到产品的整个生命周期的设计，是具备高度预见性和预防性的设计。正是基于这种预见性，现代产品设计才能做到“运筹于帷幄之中，决胜与千里之外”。使产品设计具备高度预见性和预防性的技术就称作“并行设计”或“并行工程”。 并行工程的定义和特点 并行工程（Concurrent Engineering）的实质就是集成地、并行地设计产品及其零部件和相关各种过程的一种系统方法。这种方法要求产品开发人员与其他人员一起共同工作，在设计一开始就考虑产品在整个生命周期中从概念形成到产品报废处理的所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户的要求。 从上述定义可以看出，并行工程具有如下特点： 1. 强调团队工作（Team work），团队精神和工作方式 一个部门的能力总是有限的，不可能同时精通产品从设计到售后服务各个方面的知识，也不可能掌握各个方面的最新情报。因此，为了设计出便于加工、便于装配、便于维修、便于回收、便于使用的产品，就必须将产品寿命循环各个方面的专家，甚至包括潜在的用户集中起来，形成专门的工作小组，大家共同工作，随时对设计出的产品和零件从各个方面进行审查，力求产品便于加工，便于装配，便于维修，便于运送，外观美、成本低、便于使用。在集中了各方面专家的智慧后设计出来的产品（在定型之前经过多次设计修改）必然可以满足（或基本满足）上述要求。 在设计过程中，要定期组织讨论，大家都畅所欲言，对设计可以“横加挑剔”，帮助设计人员得出最佳化设计。需要指出的是，团队工作方式并不意味着一定要大家成天呆在一起，这样有时会造成人力的浪费。所以，可以采取定时碰头的方式，或由设计人员单独向某方面的专家咨询。在计算机及网络通讯技术高度发达的今天，工作小组完全可以通过计算机网络来工作。设计人员通过网络向各方面专家咨询。专家们亦可通过网络随时调出设计结果进行审查和讨论。这种工作方式如图1所示。 2. 强调设计过程的并行性 并行性有两方面的含义：其一是在设计过程中通过专家把关，同时考虑产品寿命循环的各个方面；其二是在设计阶段就可同时进行工艺（包括加工工艺、装配工艺和检验工艺）过程设计(见图3)，并对工艺设计的结果进行计算机仿真，直至用快速原型法制出产品的样件。这种方式与传统的设计（图2）在设计部门进行、工艺在工艺部门进行已大不相同。 3. 强调设计过程的系统性 设计、制造、管理等过程不再是一个个相互独立的单元，而要将它们纳入一个整体的系统来考虑，设计过程不仅出图纸和其它设计资料，还要进行质量控制、成本核算，也要产生进度计划等。这种工作方式是对传统管理机构的一种挑战。 4. 强调设计过程的快速反馈 并行工程强调对设计结果及时进行审查，并及时反馈给设计人员。这样可以大大缩短设计时间，还可以保证将错误消灭在“萌芽”状态。并行工程的组成及信息流如图4所示。图中虽未画出计算机、数据库和网络，但它们都是并行工程必不可少的支撑环境。 并行工程的技术支持 要实现产品的并行设计，必须采用一套并行工程实施的框架才能保证产品开发的并行设计，有效地提高产品的开发效率，提高产品的质量。 并行工程集成框架是由三大支撑（使能）技术构成，即以数字化虚拟样机为基础，以DFMA（Design For Manufacture And Assembly）技术为核心,以产品数据管理PDM技术为保障。如图5所示。 其中必不可少的有： 一个完整的公共数据库，它必须集成并行设计所需要的诸方面的知识、信息和数据以及数据存放的地址信息等，并且以统一的形式加以表达。可以采用很方便的方式加以查询和定位。 一个支持各方面人员并行工作、甚至异地工作的计算机网络系统，它可以实时、在线地在各个设计人员之间沟通信息、发现并调解冲突。该系统就是产品数据管理系统（PDM），即为产品的开发设计提供并行环境，可以实现产品信息的共享、查询以及分级管理。 一套切合实际的计算机仿真模型和软件，它可以由一个设计方案预测、推断产品的制造及使用过程，发现所隐藏的问题。这方面的软件通常分为两种。一种是通用的工程设计软件，目前使用的是三维CAD/CAE设计软件，如UG，Pro/E和CATIA等软件；第二种是专业软件，对于金属成型方面为Autoform，Hydroform等，机械产品动力学仿真软件如ADAMS，还有汽车设计领域的车门、车身、概念设计等软件，CAE分析仿真方面的MSC系列软件等等。 并行工程的效益 1. 缩短产品投放市场的时间 顾客的口味不断改变。在制造业不发达时代，顾客主要要求功能的完善程度和实用性，其它的要求则放在次要的位置。随着制造技术的发展，能够提供的商品增多，顾客又开始强调产品的价格。因此，制造者拼命降低成本，以求得价格优势。当价格降到一定程度后，顾客又开始将质量提到重要地位来考虑。我们现正处于以质量取胜的时代，没有好的质量，产品就难于在市场上站稳脚根，只靠价格取胜已经成为历史。市场的下一步发展将会是以缩短交货期作为主要特征。并行工程技术的主要特点就是可以大大缩短产品开发和生产准备时间，使两者部分相重合。而对于正式批量生产时间的缩短是有限的。据报道，国外某一汽车厂采用并行工程后，使产品从开发到达预定批量的时间从37个月缩短到19个月。设计和试制周期仅为原来的50%。 2. 降低成本 并行工程可在三个方面降低成本：首先，它可以将错误限制在设计阶段。据有关资料介绍，在产品寿命周期中，错误发现的愈晚，造成的损失就愈大。 其次，并行工程不同于传统的“反复试制样机”的作法，强调“一次达到目的”。这种一次达到目的是靠软件仿真和快速样件生成实现的，省去了昂贵的样机试制；其二，由于在设计时已考虑到加工、装配、检验、维修等因素，产品在上市前的成本将会降低。同时，在上市后的运行费用也会降低。所以，产品的寿命循环价格就降低了，既有利于制造者，也有利于顾客。 3. 提高质量 根据现代质量控制理论，质量首先是设计出来的，其次才是制造出来的，并不是检验出来的。检验只能去除废品，而不能提高质量。采用并行工程技术，将所有质量问题尽可能在设计阶段消灭，使所设计的产品便于制造易于维护。这就为质量的“零缺陷”提供了基础，使得制造出来的产品甚至用不着检验就可上市。 4. 保证了功能的实用性 由于在设计过程中，同时有销售人员参加，有时甚至还包括顾客，这样的设计方法反映了用户的需求，才能保证去除冗余功能，降低设备的复杂性，提高产品的可靠性和实用性。 5. 增强市场竞争能力 由于并行工程可以较快地推出适销对路的产品并投放市场，能够降低生产制造成本，保证产品质量，提高企业的生产柔性，企业的市场竞争能力将因而得到加强。 并行工程实施实例 并行工程在美国、德国、日本等一些国家中已得到广泛应用，其领域包括汽车、飞机、计算机、机械、电子等行业。精益生产在汽车工业中的应用是从应时制造开始的。其应用的典范是70年代的日本丰田汽车公司，当时被企业界称为“丰田制造系统”，该方式后为许多汽车公司所采用，取得了良好的效果。到了80年代中期，以时间配合和协调为手段的并行工程在汽车产品的设计、开发、制造工艺、质量控制以及销售等环节的应用，大大提高生产效率，降低成本，改善质量。像美国克莱斯勒公司的“自由产品规划”，通用汽车公司的“土星规划”，福特公司的“阿尔法规划”，都是并行工程的典型应用。 在国内，并行工程作为CIMS发展的一个新阶段，为一些企业所关注，其研究已于1992年底被列为国家863计划自动化领域的重点研究内容。在国家科技部和863/CIMS主题专家组的领导下，1995年7月由清华大学、华中理工大学、北京航空航天大学、上海交通大学和航天工业总公司二院5个单位人员组成了“863/CIMS关键技术攻关――并行工程”的技术攻关队伍，以航天总公司二院的复杂结构件为应用背景，开展并行工程关键技术的研究与应用。经过近两年的攻关，终于取得了重大进展。上海同济同捷科技股份有限公司是中国一家汽车设计公司，该公司在产品开发方面采用并行工程，将总体设计部门、底盘部门、车身部门、CAE分析仿真部门以及电器等部门的工作贯穿在一起，协调控制，能有效地提高汽车产品设计效率，提高产品质量，有效地缩短开发周期。传统汽车设计流程需要4～5年才能设计一款新产品，在同捷公司整个开发设计流程只需要16～18个月。这基本和国外汽车设计公司的速度一致，当然这一显着的成绩不能与中国目前计算机三维软件设计、仿真和制造技术分开。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (10/22/2004)