并行工程及其关键技术的研究袁清珂王海燕李春波王效岳1(西安交通大学西安710049)(1山东工程学院淄博255012)摘要并行工程的实施,对提高企业在世界市场中的竞争能力将起到重要的作用。
本文介绍了并行工程的概念,讨论了并行工程的目标、核心和并行工程的实现方法与技术,重点讨论了设计自动化中实施并行工程的关键技术。
关键词并行工程设计自动化产品设计主模型中图号TP39引言并行工程通过集成企业的一切资源,使产品开发人员尽早地考虑产品生命周期中的所有因素(包括设计、分析、制造、装配、检验、维护、成本和质量等),以达到提高产品质量、降低成本、缩短开发周期的目的。
它的实施对提高企业在国际市场的竞争能力将起到重量作用。
并行工程是美国于1989年首先提出来的一种综合经营、工程和管理的哲理、指导思想、方法论和工作模式。
美国国防分析研究所(IDA)在R338研究报告中给出了如下的定义:并行工程是对产品及其相关过程(包括制造过程和支持过程)进行并行、一体化设计的一种系统化的工作模式。
这种模式力图使开发者从一开始就考虑到产品生命周期(从概念形成到产品报废)中的所有因素,包括质量、成本、进度与用户需求等。
并行工程的原理可以概括为:有效的领导方法;并行设计产品及相关过程;满足客户要求;不断改进过程;开发管理信息和财富;重点放在通过长期计划和决策获取效益上。
并行工程不是某一种系统或结构,不能象软件或硬件系统一样买来安装上即可运行。
它是一种自顶向下进行规划、自底向上进行实施的一种哲理和方法论,有以下主要特点:(1)突出人的作用,强调人的协同工作;(2)一体化、并行地进行产品及其相关过程的设计。
其中,尤其注重早期概念设计阶段的并行协调,重视产品方案设计和成本预测;(3)重视满足客户的要求,注重产品质量;(4)持续地改善产品有关过程。
注重持续尽早地交换、协调、完善关于产品有关制造支持等过程的约定和定义,重视过程的质量和效率。
(5)注重信息与知识财富的开发、利用与管理;(6)注重目标的不变性;(7)并行工程不能省去串行工作中的任何一个环节;基于知识的应用软件(软件工具)产品信息以主模型表示后就可提供给设计小组的所有成员。
由于各成员具有不同的工程学科背景,他们对产品设计的看法是基于不同角度的,因此需要软件工具来帮助他们综合评价和测试产品设计。
这些高度集成的软件工具可促进设计人员和制造人员之间的信息交流。
一旦产品的初始设计如零部件、装配件和机构等完成后,设计人员就可使用各种应用软件来帮助解决一些制造方面的问题,这其中包括公差分析、了解产品装配顺序或直接从主模型中得到加工数据等。
例如,设计人员在设计塑料零部件时,可以使用模拟塑料模具填充和冷却过程的计算机软件来了解一些潜在的注塑问题,以及部件从模具中取出后的翘曲和收缩问题。
这些集成软件工具还可以允许每个用户直接存取当前的主模型,并且自由地使用主模型中的产品数据,而不需要修改、转换或重新编译。
因此,将带来以下好处:(1)由于产品的分析和优化工作可以很方便地进行,因此,技术人员能及时地用这些工具来把他们的设计思想运用到产品的设计当中去,而不是当产品在测试或设计失败时才使用这些工具。
(2)由于产品数据在转换过程中并不改变,因此设计数据的质量就得到了保证,在随后的设计过程中,如分析、测试、NC加工等将产生正确结果。
(3)由于这些不同的软件模块有公共的用户接口,便于软件的使用,使用户间的交流更加顺畅,并最终提供给用户一个基于知识的集成系统。
由以上可以看出,并行工程实质上是一种包括人机集成和系统功能集成在内的整体优化的集成。
4.3产品数据管理未来的CAD/CAM/CAE软件都支持数据管理系统,这个系统控制着文档及设计的建立、修改、检查和批准。
PDM(产品数据管理)系统可以在信息建立、修改、检查、批准和存档的同时组织、跟踪和控制信息的存取,以此来促进面向小组的产品开发研究。
最近的研究表明,大多数的设计工程师在真正的产品设计上仅花费25%的时间,然而却有30%～35%的时间花费在寻找设计所需的数据上,重复劳动现象严重。
为了有效地组织和管理产品数据,就要采用PDM系统,它提供了一种综合管理和控制工程信息的方式。
通过对工程信息的组织、跟踪和存取控制,产品数据管理系统可以促进设计小组的开发工作,使各种工程信息不断地建立、检验、修改、评价和存档。
PDM系统可在每个层次、不同的部门以及涉及不同类型软硬件和接口的环境下运行。
这可让设计小组成员迅速找到所需的数据,并且让项目管理人员很好地管理整个设计过程。
设计小组的负责人通过控制所有方面的数据来确保小组成员当前正在进行的设计和许可的修改,而不是在存取那些过时的、被淘汰的设计。
在整个设计过程中,产品数据管理系统以一种安全的电子文本形式存储产品及其设计信息。
这种信息,包括机械实体模型、绘图、印刷电路板图、装配指令、产品之间的关系和工程计划等。
友好的图形用户界面使得每个用户都能存取和查看工程信息。
通过集中的数据库,用户还可以方便地自定义数据的地址、设置、审计跟踪和计算机接口。
这样,工作小组就有了一个灵活的数据管理工具来满足产量和质量上的要求。
通过对数据存取提供先进的查询功能,并且提高数据安全性,整个设计过程的管理也得到了加强。
·331·第2期袁清珂:并行工程及其关键技术的研究成本预估降低成本是并行工程的目标之一。
通过建立成本评估模型,实现在产品设计阶段对产品成本和生产制造的经济效益进行分析和预测。
2.5各种现代技术的集成与综合运用并行工程的关键是在设计产品时考虑到相关过程,包括加工工艺、装配、检验、质量保证、销售、维护等。
产品开发过程中各阶段工作交叉、并行进行。
通过各项工作的仿真、分析、评价,不断改进。
并行工程涉及到产品整个生命周期中的方方面面,要使并行工程正常运行,必须集成并综合运用各种现代技术,如计算机技术、信息技术、通讯技术、CAD/CAM技术、人工智能技术、系统仿真技术等。
3实现并行工程的技术与方法并行工程是一种崭新的工作模式,实现并行工程需用到很多现代技术与方法。
主要的有:¹信息管理技术;º建模与仿真技术;»产品设计方法与技术;¼CAPP技术;½全面质量管理与控制技术;¾人工智能技术;¿决策支持技术;À分布式并行处理的智能协同求解技术;Á成本预测技术;bk系统集成技术等。
4关键技术并行工程有多项关键技术,本文就机械设计自动化(MDA)软件中支持并行工程的三项关键技术作一探讨。
4.1主模型技术主模型指的是一个几乎包括产品任何方面信息的核心数据库。
在多应用的工程环境中,主模型专门为授权用户和所有过程提供数据资源。
这样就不再需要用户在每次应用中都重新转换、编译或输入数据。
主模型除了表示产品的设计数据外,还包括实体的几何和拓朴模型、产品的特性、尺寸和属性、公差、约束、材料特性、分析结果、测试数据、制造和NC加工信息、零部件之间的从属和依赖关系、质量控制数据和导出数据等。
这样,企业中的各个工作小组以及小组中的各个成员都能很方便地获得产品信息。
主模型应该建立在三维实体模型基础上。
实体模型由于它的几何信息完整并且无二义性,所以它优于其它模型。
用实体模型表示的产品具有生动逼真的特点,因此实体模型已成为工程研究中的一个很好的工具。
主模型技术以软件为中心,该软件像一个中央数据库那样进行服务,包括有关产品概念要求的所有几何与非几何信息。
经过正确定义的主模型包含以下数据;¹设计和实体造型的几何与拓朴;º特征、尺寸和属性;»公差;¼约束和设计规则;½材料性质;¾零件之间的历史、联系和相关性;¿有限元结构分析数据与分析结果;À加工和NC刀具轨迹信息;Á质量保证数据;bk采购数据。
一个模型一旦经过生成和修正,主模型即保持和自动更新全部现有数据。
主模型的坚固性允许它如同唯一的数据资源那样工作,对于所有应用程序作为产品开发的一部分。
因为工程任务所需的全部数据均保存在主模型中,用户就可以方便地直接与主模型连接起来运行其它软件模块,如分析、测试、加工等应用模块。
这样,才能真正提供并行工程的产品开发环境。
·330·机械科学与技术第16卷(8)并行工程不是使设计与制造重叠或同时进行。
1并行工程的目标并行工程所追求的目标与CIMS、精良生产(LP)和敏捷制造的目标是相同的,即“提高企业市场竞争能力,赢得市场竞争”。
但出发点、实施策略与方式却有所不同。
1.1提高质量并行工程不仅考虑产品本身的质量,而且还考虑与产品有关的各工艺过程的质量,因此,质量不仅是产品本身的度量标准,而且是设计、制造、经营、服务等系统的度量标准。
为了获得高质量的产品而强调过程设计,其关键在于改进生产过程,以达到更小的工程变动,更小的产品缺陷,及易于制造和减少返工等目的。
1.2降低成本并行工程所指的降低成本,是指降低产品整个生命周期中的消耗,这不仅包括设计、制造、装配、检验等消耗。
并行工程不同于传统的“反复做直到满意”的思想,强调“一次就达到目的”,这样会提高产品设计阶段的消耗,但由于在设计阶段充分考虑了后续的相关过程,因此,却有利于减少后续的生产、维护等过程的消耗。
1.3缩短产品开发周期和产品上市时间并行工程通过减少设计反复、降低设计时间/生产准备时间/制造时间、提高设计质量等来缩短设计周期和产品上市时间,通过开发优化的、更快的生产过程来提高生产效率。
由于并行工程在设计阶段不仅设计出产品,而且确定了与生产有关的方法、计划等。
因此,在毛坯加工时,可同时制造后续过程中的所需的有关夹具、量具,这就缩短了产品的生产时间。
2并行工程的核心问题2.1协同工作协同工作是并行工程的首要问题。
实践表明,要实现协同工作必须要有称职的领导和完善、良好的组织管理,才能实现产品整个生命周期中有关各部门,包括设计、工艺、制造、支持(质量、销售、采购、服务等)以及用户代表组成的小组或小组群的协同工作,他们在设计阶段协同工作,同时设计产品和有关过程。
如果没有解决好协同工作的问题,设计和制造过程将会由于产品不断的修改、错误和返工而变得令人乏味,结果是花费大量的时间和金钱并且延误产品推向市场的时间。
2.2在早期概念设计阶段充分考虑后续的相关过程统计资料表明,设计阶段虽然只消耗产品成本的5%,但它所决定的成本却占产品全部成本的70%以上。
在设计阶段可以决定产品生产工艺的自动化程度、设备的类型和复杂程度,而在生产阶段改善生产成本的可能性很小。
设计与生产之间的匹配对生产率和产品质量影响很大,并对系统集成起关键作用。