并行工程的发展及应用 - 文章

并行工程的发展及应用

作者：河南科技大学傅立丰张耀宗刘长红

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, ...

随着对商品个性化需求的发展及市场竞争的日益激烈，产品更新周期将越来越短。市场需求向产品功能先进、高效、实用、可靠、节能和环保型方向发展；而生产过程正朝着多品种、单件化、个性化、柔性化和快速响应等方向发展。因此，各企业竞相在产品设计、加工工艺、材料和管理的各个生产环节上采用新技术、新工艺，力争在产品功能、交货时间、产品质量、产品价格、售后服务、可持续发展等方面进行改进。特别是计算机技术、信息技术以及管理技术的飞速发展，使各种先进制造技术(AMT)不断涌现，其中代表性的新技术有计算机集成制造(CIM)、并行工程(CE)、精益生产(LP)、敏捷制造(AM)、虚拟制造(“M)、智能制造(IM)、产品信息管理(PDM)等。本文主要介绍并行工程。

并行工程相关概念和内涵

并行工程的提出

长期以来，产品开发大都沿用传统的顺序(串行)设计方法，遵循“概念设计(Conceptual Design)-详细设计(Detail Design)-过程设计-加工制造-试验验收-设计修改”的设计、制造程序。由于在设计的早期不能很好地考虑后续的可制造性、可装配性、质量保证、产品销售等多种因素，因而不可避免地造成产品设计改动量大，开发周期长，成本高等问题，难以满足市场日益激烈竞争的需要。而且，企业内部的产品设计人员和工艺制造人员一般处于2个不同的独立部门，在产品开发时设计人员往往考虑产品结构和功能上的需要，而很少考虑到制造方面的因素。于是有人这样来描述设计和制造的脱节：“产品设计出来，把它抛过墙去，而后设计生产制造系统”。传统的串联工作模式如下：产品信息→研究开发→模具设计→加工制造→支持。

它带来的后果必然是：错误将沿着设计链一直传播下去，而且通常在需要昂贵的代价或在不便修正的情况下才被发现。不仅仅是设计和制造之间，同样产品设计和其他部门之间，如装配、销售等之间的脱节更加明显。为了改变这种状况，人们提出了并行工程的思想。并行工程(CE)，也称并行设计(Concurrent Design)或同步工程(Simultaneous Engineering)，其概念是由美国国防部防御分析研究所于1988年12月首先提出的。“CE是一种系统的集成方法，采用并行方法处理产品设计及相关过程，包括制造和支持过程。这种方法力图使产品开发人员从一开始就能考虑到产品从概念设计到产品报废的整个产品生产周期中的所有因素，包括产品质量、成本、作业调度及用户需求”。

图1 各部门“同室协调”

CE是建立在CIMS基础上的优化运行模式。它为计算机集成制造(CIM)的总体优化提供了新的思想与技术。它通过组成多学科产品开发队伍，改进产品开发过程，利用各种先进的计算机辅助工具和PDM 等技术手段，使产品开发的早期阶段能及早考虑下游的各种因素，达到缩短产品开发周期、提高产品质量、降低产品成本的目的。它要求各有关部门人员在产品开发的早期阶段就要介入，而且参与每一个有关环节，强调各个部门的“协同工作”，即产品设计师、工艺师、财务分析人员、生产计划人员以及采购供应、市场营销人员在开始时就集合在一起，把过去的“传递下去”，变成各部门之间的“同室协调”(如图1所示)，通过研究协商、加强配合，充分利用集体智慧，获取有效的知识和经验，使产品设计能更好地满足用户要求，大大减少设计中的返工现象，从而缩短产品开发周期，降低成本。

并行工程的要点

CE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。不同于传统的保守设计，保守设计是通过公差、增加安全系数等方法寻求鲁棒性，而CE中鲁棒性的实现是通过对过程的优化来达到预期的目标，其需具有如下要点：
强调团队工作精神和工作方式；
强调设计过程的并行性，尤其注意早期概念设计阶段的并行协调；
强调设计过程的快速反馈，杜绝错误的延续；
以产品为中心满足客户要求；
强调信息与知识的开发与共享。

并行工程的实施和关键技术

CE的显著特点是在于重视用户的要求，从全局优化的角度出发，对产品整个开发过程进行集成管理与控制。但是，实践表明，它的实施并不是轻而易举的，而需要改变企业的文化、管理以及各种用于设计、制造和支持的方法与技术。首先，涉及组织模式的变革；其次，从过去单纯的信息集成向人、管理、技术三者集成方向发展，并在由异构计算机、Internet、数据库支持的集成框架平台，由多学科、多部门交叉的产品开发成员利用各自的开发工作协同完成产品的开发任务。其关键技术有：

CAX CAX是CAD、CAPP、CAM、CAE等计算机辅助技术的简称；
DXF技术 CE要求在设计工程中及早考虑后续过程对设计施加约束，使设计结果便于后续过程的实施，以期一次成功或减少由于产品开发后期发现而导致的返工。这类技术称(DESIGN FOR X)，它是设计面向制造(DFM)、装配(DFZ)、测试(DFT)、成本(DFC)、质量(DFQ)等技术的统称。

过程建模和仿真技术并行工程要求及时了解产品生命周期中各个过程的反映，如可制造性、可负担性等。因此，必须建立各种相关模型，如产品模型、装配模型、成本模型、资源模型，借以产生生产过程的结构化分析和数据流向图，简化操作过程，并运用仿真技术对产品性能及相关过程进行仿真分析，给出评价结果和改进意见。

产品数据管理 (Product data Management)技术信息共享是企业过程自动化的基础，也是CE的基础。PDM的目标是对CE中共享数据与过程进行统一规范管理，保证全局数据的一致性、安全性、并提供统一的数据库操作界面，使多功能小组在统一的界面下工作，而不必要关心应用程序在什么平台上以及数据的物理位置。

综合协调技术 CE中的多功能工作小组能在不同地区的异构计算机环境下协同工作，环境的不同以及处理问题的侧重点不同，它们之间可能存在不一致，甚至冲突，因此，系统必须具有协调功能，从而保证并行工程总目标的实现。在CE中常采用项目协调板的方法。

集成框架技术为了实现信息集成、过程集成及人、经营、技术的企业集成，需要有一种集成框架技术。一个开放式的集成框架将使工具和任务的集成变得更加简单。所谓集成框架，就是使企业内的各类应用实现信息集成、功能集成和过程集成的软件系统。

并行工程的发展和应用

国外并行工程的发展

1988年，美国防御分析研究所以武器生产为背景，对传统的生产模式进行了分析，首次提出了并行工程的概念。特别是美国国防部高级房屋研究项目局与1988年7月在西弗吉尼亚大学投资4~5亿美元组建CERC，致力于设计、开发和推广CE使能技术，以提高产品的开发能力。

1986年-1992年，是并行工程的研究与初步尝试阶段。美国国防部支持的DARPA/DICE计划，欧洲的ESPRIT II&III计划，日本的IMS计划等都进行了并行工程的研究。

1995年至今是新的发展阶段。从理论向实用化方向发展并取得了明显的成效。

国外并行工程的应用

并行工程已从理论向实用化方向发展，越来越多的涉及航空、航天、汽车、电子、机械等领域的国际知名企业，通过实施并行工程取得了显著效益。

如美国洛克希德(Lockheed)导弹与空间公司(LMSC)于1992年10月接受了美国国防部(DOD)用于“战区高空领域防御”(Thaad)的新型号导弹开发，该公司的导弹开发一般需要5年时间，而采用并行工程的方法，最终将产品开发周期缩短60%。具体的实行如下：

改进产品开发流程。在项目工作的前期，LMSC花费了大量的精力对Thaad开发中的各个过程进行分析，并优化这些过程和开发过程支持系统。采用集成化的并行设计方法。

实现信息集成与共享。在设计和实验阶段，一些设计、工程变更、试验和实验等数据，所有相关的数据都要进入数据库。并各应用系统之间必须达到有效的信息集成与共享。

利用产品数据管理系统辅助并行设计。LMSC采用了一个成熟的工程数据管理系统辅助并行化产品开发。通过支持设计和工程信息及其使用的7个基本过程(数据获取、存储、查询、分配、检查和标记、工作流管理及产品配置管理)，来有效地管理它的工程数据。

CE带来的效益：导弹开发周期由过去的5年缩短到24个月，产品开发周期缩短60%。大大缩短了设计评审与检查的时间(一般情况下仅需3h)，并且提高了检查和设计的质量。

另外，像Siemens重型雷达设备也采用并行工程来改进产品质量及缩短开发周期。其实施有6个方面的要求：
建立“一次开发成功”团队和技术中心；
开发一种新的设计过程控制工具来跟踪循环中的时间延迟，消除无效的等待时间；
引入IDEF建模系统，使工程师在建模过程中质疑并改进；
过程控制工具。其软件包含获得每个通过设计中心的设计文件的历史资料以及记录DCI的根本原因；
采用1个在线系统要求对取消DCI负责的工程管理员写出详细原因；
将产品设计小组和产品测试小组合并为数字小组，并在以后负责开发测试，测试考虑则将成为设计过程的一部分。

ABB(瑞士)火车运输系统建立了支持CE的计算机系统、可互操作的网络系统和一致的产品数据模型，组织了设计和制造过程的团队，并应用仿真技术。应用并行工程后大大缩短了产品开发的周期。过去从合同签订到交货需3~4年，现在仅用3~18个月，对于东南亚的顾客，可在12个月内交货。整个产品开发周期缩短25%~33%，其中从用户需求到测试平台需6个月，缩短了50%。

另外，像雷诺(Renauld)、通用电力(GE)等著名企业通过实施并行工程并取得了显著效益。

我国并行工程的发展与应用

我国制造业要想进入世界竞争，必须增强自身的产品开发能力，并行工程是一个非常重要的选择。CE在中国的研究与应用分为以下几个阶段：

1992年前是并行工程的预研阶段，863/CIMS年度计划和国家自然科学基金资助了一些并行工程相关技术的研究课题，如面向产品设计的智能DFM，并行设计方法研究，产品开发过程建模与仿真技术研究等。
1993年，863/CIMS主题组织清华大学、北航、上海交大、华工和航天204所等单位，组成CE可行性论证小组，提出在CIMS实验工程的基础上开展CE的攻关研究。
1995年5月，863/CIMS主题重大关键技术攻关项目“并行工程”正式立项，投入大量资金开展CE方法、关键技术和应用实施的研究。
1995年5月-1997年12月，进行了“并行工程”项目的攻关研究。
1998年至今，“并行工程”已有攻关成果并进一步深入研究，应用于航天等领域。

国内对CE的研究也已发展到了一定的高度，以下是几个成功应用并行工程的典型范例。

西安飞机工业(集团)有限公司在已有软件系统的基础上，开发支持飞机内装饰并行工程的系统工具，包括：适用于飞机内装饰的CAID系统、DEA系统和模具的CAD/CAE/CAM系统。如Y7-200A内装饰设计制造并行工程。通过了过程建模与PDM实施，工业设计，DFA，并行工程环境下的模具CAD/CAM，飞机客舱内装饰数字化定义等技术手段。Y7-700A飞机内装饰工程中，研制周期从1.5年缩短到1年，减少设计更改60%以上，降低产品研制成本20%以上。

以波音737-700垂直尾翼转包生产为例，研制周期缩短3个月;节约工装引进费用370万美元;减少样板1165块，合计人民币50万元;减少标工、二类工装23项，合计人民币125万元;减少过渡模136项，合计人民币68万元;提高数控编程速度4~6倍，减少数控零件试切时间40%;工艺设计效率提高1.5倍等。

齐齐哈尔铁路车辆并行工程中改进后的棚车开发流程。其改进的措施包括：在产品开发的早期阶段，就能够充分考虑冲压件、铸钢件等零件的可制造性问题和铁路货车的结构强度、刚度及动力学品质等产品性能问题，从而能够尽量减少设计错误，提高设计质量;同时增加DFX，使得在产品设计阶段即可考虑产品加工、装配和工艺等问题，提高一次设计成功的可能性。实现工艺和工装的并行开发，精简设计过程;制造系统与产品开发过程不构成大循环，从而缩短产品开发周期，提高产品质量与水平。

结语

经过近几年的发展，CE技术已经取得了长足的进展，CE技术正逐渐成为支持现代企业适应市场发展的重要方法。CE在国外一些著名企业成功实施并取得了很好的效益，在我国技术攻关的初步应用也充分证明了这一点。CE是解决企业产品开发问题的有效方法，是提高我国企业产品竞争能力的重要手段。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (11/16/2004)


您的位置：首页 > CAD/CAM/PDM/PLM展区 > CAD硬件/先进制造技术展厅 > 产品库 > 并行工程/并行设计 > 技术论文 > 正文	产品库会展人才帮助 \| 注册登录