并行工程的关键技术及应用 黄博东 120412123

先进制造技术课程论文论文题目：【并行工程的关键技术及应用】系部：机械工程系专业：机械制造与自动化班 级:机制124学生姓名:黄博东学 号：120412123指导老师:安林超2014年10月25日绪论先进制造技术越来越受到人们的重视，其中比较成熟的并行工程哲理已经在 国外推广应用，国内也有些初步的成果。本文结合国内外的研究实践，对并行工 程的概况进行了较为详细的介绍，并分析了国内外的差距所在，并行工程是提高 我国企业产品竞争能力的重要手段。传统的新产品开发大多沿用串行工程方法，部门间的沟通和互动不够， 从而导致设计改动量非常大，产品开发周期长，新产品开发过程低效而缓慢，难 以适应激烈的市场竞争。并行工程是制造领域的关键技术之一，主要研究如何将产品的创新、构思、 规划、设计、制造、使用、服务的整个生命全周期的信息和知识在产品设计阶段 以并行的方式实施，以大大缩短产品上市周期、提高质量、减少成本、降低污 染和能耗。因此，并行工程是全球制造业和学术界长期关注的高技术领域之一。在我国制造产业面临从原始设备制造商到原始设计制造商转型升级的关键时 期，并行工程和并行设计是我国工程界、产业界和学术界高度关注 的领域。在 此形势下召开的CE2014并行工程国际会议对我国有着重要的学术意义和产业价 值，给我们一次重要的学习、交流、演示、展望的 机会。国际并行工程学术会议将于2014年9月在北京举行。本系列国际会议自1990 年代开始每年轮流在各大洲召开，该会是并行工程领域重要的国际会议，在全球 具有广泛影响力。这种形势迫切要求企业采用新的产品开发手段以保证产品开发早期阶段能 作出正确的决策，从而缩短产品开发时间，提高产品质量，降低研发成本。并行 工程是对传统产品开发模式的一种根本性改进，是一种新的设计哲理与产品开发 技术。它一开始就考虑整个产品生命周期，把产品开发活动看成一个整体、集成 的过程，组织以产品为核心的多学科跨部门集成产品开发团队来进行产品开发， 并通过改进开发流程、采用计算机信息技术辅助工具，实现产品的全生命周期数 字化和信息集成，从而使在产品开发过程的早期便能作出的正确的决策，进而达 到缩短产品上市周期，降低生产成本，提高产品质量的目的。本文针对如何通过 并行工程来提升企业的新产品开发绩效便成为学界和业界相当关注的问题。本文 针对产品开发探讨并行工程的关键技术及应用分析。第一章 并行工程的原理及特点1.1并行工程的原理一个新产品从概念构思到生产出来是一个完整的过程。传统的串行工程方 法是基于二百多年前英国政治经济学家亚当斯密的劳动分工理论。该理论认为 分工越细，工作效率越高。因此串行方法是把整个产品开发全过程细分为很多步 骤，每个部门和个人都只做其中的一部分工作，而且是相对独立进行的，工作做 完以后把结果交给下一部门。西方把这种方式称为“抛过墙法”，他们的工作是 以职能和分工任务为中心的，不一定存在完整的、统一的产品概念。而并行工程 则强调人唢要面向整个过程或产品对象，因此它特别强调设计人员在设计时不仅 要考虑设计，还要考虑这种设计的工艺性、可制造性、可生产性、可维修性等等， 工艺部门的人也要同样考虑其他过程，设计某个部件时要考虑与其他部件之间的 配合。所以整个开发工作都是要着眼于整个过程和产品目标。从串行到并行，是 观念上的很大转变。在传统串行工程中，对各部门工作的评价往往是看交给它的那一份工作任务 完成是否出色。就设计而言，主要是看设计工作是否新颖，是否有创造性，产品 是否有优良的性能。对其他部门也是看他的那一份工作是否完成出色。而并行工 程则强调系统集成与整体优化，它并不完全追求单个部门、局部过程和单个部件 的最优，而是追求全局优化，追求产品整体的竞争能力。对产品而言，这种竞争 能力就是由产品的TQCS综合指标一交货期、质量、价格、和服务。在不同情况 下，侧重点不同。在现阶段，并货期可能是关键因素，有时是质量，有时是价格， 有时是它们中的几个综合指标。对每一个产品而言，企业都对它有一个竞争目标 的合理定位，因此并行工程应酬围绕这个目标来进行整个产品开发活动。只要 达到整体优化和全局目标，并不追求每个部门的工作最优。因此对整个工作的评 价是根据整体优化结果来评价的。1.2并行工程的特点并行工程作为一种管理理念和工作模式，其特点在于重视用户的要求，全面 考虑整个产品生命周期，对产品开发过程进行集成管理和控制。2.1全方位考虑产品。在并行工程项目中，集成产品开发团队协同工作，同 时处理新产品的多个方面，并在新产品开发活动中，职责和权利共享，制造部门 成员和其他功能成员不会等到产品开发完成才参与进来，而是一直和产品设计师 紧密配合完成产品开发和过程处理，故而影响产品设计从而最终使产品具有更好 的可生产性及更低的成本。为了更好地制造新产品、销售新产品、运送新产品及 售后服务，并行工程全面考虑产品设计开发、制造、销售、服务部门等信息需求。2.2集成产品开发团队。并行工程中突出了组织和人的因素。现代客户需求越 来越多样化，产品功能越来越多，设计越来越复杂，为了确保产品的可装配性， 管理者必须建立一套标准流程。另外，开发过程涉及的学科门类和专业人员也是 非常多的，为达到开发过程的整体最优，企业必须更好地发挥并掌握现代先进技 术的人的群体协作，组成集成产品开发团队和支持团队进行协同工作（指计算机 系统、各种软件工具、网络手段与设计工具在一起的支持环境系统等），把产品 开发过程看成一个有机系统，消除传统串行模式中各部门之间的壁垒，使各部门 协调一致，提高团体效益。并行工程必须要有一个来自公司各部门的集成产品开 发团队并让战略合作伙伴、重要供应商及客户参与进来。2.3并行交叉有序。并行工程作为一种方法，旨在产品开发的早期阶段就能综 合评估产品全生命周期的各种因素，做出正确决策。它强调产品设计与工艺工程 设计、生产技术准备、采购、生产等各种活动并行交叉进行。并行工程强调各种 活动并行交叉、并不是也不可能违反产品开发过程必要的逻辑顺序和规律，不能 取消或超越任何一个必经的阶段，而是充分考虑整个产品的各个子模块，找出它 们之间的逻辑关系，尽量并行交叉进行。并行设计是并行工程主体，它利用计算 机仿真技术等系列工具，对产品开发的全生命周期进行并行而有序的设计，使传 统的在生产制造阶段才能发现的问题能够在设计早期得到解决。2.4尽早开始工作。正因为强调各活动之间的并行交叉和节省时间，并行工 程往往要求人们学会在信息不完整的情况下就开始工作。综上所述，并行工程的本质特征包括：1）强调产品开发设计的并行性，强调 产品最终的上市时间；2）强调集成产品开发团队紧密合作，权责利结合，有效沟 通与协调，尽量确保产品开发的一次性成功；3）强调和战略伙伴、重要供应商和 客户的合作，降低产品成本。第二章 并行工程的作用2.1并行工程对新产品开发的促进作用并行工程是一种集成系统的方法，设计、制造、测试、售后支持等活动同时 进行考虑，使得在产品开发时各种问题尽早地被考虑到，产品设计修改减少，从 而降低了产品开发成本，缩短了产品上市时间。其与串行工程的根本区别在于并 行工程把产品开发的各个活动看成是一个整体、集成的过程，要求产品开发人员 从设计伊始就要考虑产品整个生命周期中从概念形成到产品处理的全部因素，并 从全局优化的角度出发，对集成过程进行管理与控制。并行工程的重要目标就是 尽可能使产品设计一次性成功（熊光楞）。Mark。等学者认为采用并行工程的目 标在于：（1）缩短新产品开发时间。并行产品开发缩短50%以上时间是由于开发 活动并行进行、团队成员能够经常性交换信息，责任在于团队而不是浪费时间去 追寻某个人的责任。（2）相对传统的串行开发而言，并行工程新产品开发降低了 产品开发成本。在产品串行开发，由于各个活动串行执行产品开发成本增长很慢， 但由于反复的修改过程制造成本增长很快。而产品开发如采用并行工程，早期产 品开发活动成本增长很快，反复的修改过程少，制造成本增长慢，进而降低了产 品开发成本。并行工程在新产品开发中的意义。如前所述，采用并行工程进行新产品开发 能够提高新产品开发效率，增加新产品竞争优势，从而获得新产品成功。这主要 表现在以下几方面：（1）新产品研制时间缩短；（2）新产品设计质量提高；（3）新 产品设计的反复次数减少；（4）新产品提高了工艺质量；（5）减少了新产品的制造 时间。2.2并行工程的研究热点并行工程基础理论的研究：主要包括概念设计模型、并行设计理论、鲁棒设 计及支持产品开发全过程的模型研究。尤其是并行设计的建模技术，所谓建模就 是指建立产品模型，而产品模型包括产品生命周期各阶段的信息及访问、操作这 些信息的算法。在计算机环境下，进行并行设计要求信息模型能够获取和表达产 品信息、制造信息和资源信息；能够方便地获得有关产品可制造性、可装配性、 可维护性、安全性等方面的信息；能够使小组成员共享信息。要满足这些要求， 必须建立一个能够表达和处理有关产品生命周期各阶段所有信息的统一产品模 型。统一模型的建立可以在特征建模基础上进行，但是特征建模只是强调设计和 制造信息的集成，在多学科人员协同工作环境下，当产品开发某环节数据被改动 后，它不具备自动更新相关数据的能力，即不支持所谓全相关性。国际标准化组 织(ISO)提出的产品数据模型STEP标准是建立模型的工具，但由于产品数据复 杂、多变此标准仍在试用阶段。从支持并行设计建模技术研究现状来看，目前的 模型对详细设计阶段以及下游诸环节支持得较为充分，但在产品概念设计阶段其 信息描述能力较弱，这是需要深入研究的课题。制造环境建模：在并行工程中产品的设计阶段就考虑制造因素，使得产品设 计和工艺设计同时进行，因此，无论在产品的初期方案设计或详细设计阶段都要 及时地进行产品可加工性及可装配性的评价并生成合适的工艺，这就必然涉及到 从现实制造资源角度评价所涉及产品的制造工艺性能，同时还要工厂、车间、工 段的生产能力、设备布局及负荷情况等，这样制造环境的数据和知识模型就是达 到并行必不可少的部分。运用二叉树及特征建模描述了制造环境建模情况。面向并行工程的CAPP:传统的CAPP不具备与产品设计并行交互的能力， 不能对产品或零件进行可制造性评价并反馈结果，为实现计算机辅助并行工程， 面向并行工程的CAPP是关键。为了达到这一目的，零件信息模型应是一个动态 的数据结构，设计者可以在设计中的任何阶段将设计结果移交工艺评价模块，并 根据评价结果修改模型或继续设计；该模型应将零件功能与零件特征间建立一种 映射关系；此模型还应便于多知识源的协同处理，一般可采用“黑板结构”，即 一组负责相应功能的知识源系统在“管理者”的协调控制下，对领域黑板上的当 前零件信息模型进行操作。文献给出了面向并行工程的CAPP体系结构及零件建 模、环境建模等模块的结构。文献以轴类零件为例，采用了链表作为数据结构表 示零件的形状特征等，但距离实用还有一定的差距。在这一领域中，主要集中于DFM和DFA这两个方向上。面向制造的设计 (DFM)是并行工程中最重要的研究内容之一，它是指在产品设计阶段尽早地考虑 与制造有关的约束全面评价产品设计和工艺设计，并提出改进的反馈信息，及时 改进设计。在DFM中包含着设计与制造两个方面，传统上制造都是考虑设计要 求的，但是设计考虑制造上的要求不够充分，在DFM中必须充分考虑制造要求， 一般通过可制造性评价来实现。面向装配的设计（DFA）与DFM类似，它是将 可装配性在设计时加以考虑，设计与装配在计算机的支持下统一于一个通用的产 品模型，来达到易于装配，节省装配时间、降低装配成本的目的。冲突消解及知 识处理、协同：在并行工程中产品的早期涉及阶段能够得到的信息大多是模糊和 不确定的，仅仅运用经典数学的精确方法来处理往往不能真实地反映客观世界的 现实，具有很大的局限性，由美国自动控制专家创立的模糊集理论在处理定性和 模糊的知识方面显示了强大的生命力，因此将模糊集理论应用于并行工程中的知 识协同处理取得了良好的效果。新的设计知识的表示方法棗资源模型，对资源和 资源间的运算关系进行了定义，对多功能小组、任务并行执行、质量管理、知识 重用等进行了描述。面向并行工程企业的体系结构和组织机制：主要包括人的集 成（客户、设计者、制造者和管理者）、企业各部门功能集成、信息集成及设计、 制造工具集成的组织机制。第五章并行工程的关键技术及应用效益5.1、CE的关键技术CE的关键技术包括四个方面：1)产品开发的过程建模、分析、与集成技术; 2)多功能集成产品开发团队；3)协同工作环境；4)数字化产品建模。CE中的 产品开发工作是由那些分布在异地、采取同构或异构的计算机软件工作的多学科 小组协同完成的。因此，需要一个专门的协调系统来解决各类设计人员的修改、冲突、信息传 递和群体决策等问题。5.2、CE的应用效益并行工程自提出来以来，引起了各国政府部门、学术界和工商界的高度重 视，并迅速由研究开发走向应用，如航空领域的播音777、737-X,麦道Northrop B-2轰炸机等；航天领域的Lock-Head/Thaad导弹开发；汽车领域的 Ford2000C3/P3、Chrysler Viper、Renault 等；机械领域的 ABB、GM 等。通过讨论大量实践证明，运用并行工程能取得明显的效益：设计质量改进， 使用生产中工程变更的次数减少一半以上；产品设计及其有关过程的并行，使产 品开发周期减少40%-60%；多专业小组一体化进行产品及其有关过程的设计，使 制造成本下降30%-40%；产品及其有关过程的优化，使产品的报废及返工率减少 75%。以此提咼产品开发的一次成功率，降低产品开发成本，提咼企业对市场需 求的响应速度，从而全面的提高企业及其产品的市场竞争能力，在实践中显露出 其巨大的经济效益。并行工程管理模式已越来越多地应用于企业的生产管理中。并行工程以 CIMS的信息技术为基础，通过项目小组的工作方式，改进模具开发流程。同时 利用面向制造的设计和面向装配的设计等工具，达到缩短模具开发周期，保证模 具质量，并降低模具开发成本的目标。模具生产从产品决策到制造的全过程，每 一套模具都具有一定的独立性，为了很好地完成这种设计任务，必须采取项目小 组的工作方式，小组成员由来自模具开发各阶段的人员组成，也包括用户代表。 模具企业为了适应市场需求和吸引客户，必须满足客户对质量和交货期的苛刻要 求，为此需要实行并行的过程管理。在模具的开发过程中，设计所占的时间相当 长，约占整个开发周期的1/3。要缩短模具的开发周期，设计过程必须并行进行。 面向制造的设计(DFM)和面向装配的设计(DFA )是并行设计的重要内容，其目的在 于能够在设计的早期阶段就考虑与制造和装配有关的问题，减少和尽早发现设计 错误，以便缩短产品开发周期和降低成本。在模具设计过程中，采用DFM、DFA 技术能有效地缩短设计时间，降低成本。另外，在模具的生产管理和质量控制等 方面也都需在并行的工作方式下进行。实践表明在模具生产管理中很好地应用并 行工程管理模式可以为企业带来巨大的经济效益。在并行工程产品开发过程中存 在着大量的冲突，有效地解决冲突是并行工程顺利实施的一个重要关键。由于冲 突往往涉及并行工程多功能小组中的多个成员，冲突解决往往需要以协商的形式 进行，而协商是一个多次循环反复互助的过程，协商中需要考虑的目标、约束较 多，在计算、推理、评价、决策过程中难免出错，而改正错误的过程往往是一个 回溯过程，即需要重复许多先前的工作，这使得协商非常低效。但在工程实践中 存在大量的冲突实例，通过找出与当前冲突相似的实例，把该实例应用于冲突解 决过程，能有效地解决当前的冲突问题，充分发挥过去的设计实验的作用。这就 避免了协商过程中的许多循环、交互过程，加快了协商过程，提高了协商效率。 文中给出了冲突解决实例的知识表达和知识管理模式以及相似实例的检索方式。 基于实例的冲突解决技术是并行工程实施中的一项关键支持技术，它为多功能小 组中各方面专家的协作提供了重要的技术支持，为各领域专家提供了一种记录、 保存、利用丰富的工程实践经验的一种知识处理工具，是并行工程技术得以顺利 实施的重要保证。总结：对比国内与国外的研究情况，发现目前我国并行工程的研究工作主要存 在以下一些问题：(1) 研究的广度和深度不够：虽然并行工程的研究工作已经广泛开展，但是无论 从研究的内容上看，还是从研究的水平上说都明显存在差距。女如并行工程在成 本和质量上的应用才刚刚起步，与供应商的集成问题还没有提上日程。(2) 与并行工程有关的技术实用化不够：在实用技术研究方面，目前还没有商品 化软件诞生，而国外公司已经推出商品化软件。(3) 并行工程的实施队伍不够：由于科研力量薄弱，在研究上还不能全面开花， 并行工程的实施就更是难上加难了。而且，当前国内机械行业在激烈的市场竞争 中经济效益不好，CAD/CAM技术还有待普及，全面实施并行工程还缺乏基本的物 质基础。综上所述，并行工程的实施将从根本上改变现行的制造模式，在国外已经取得了 大量的成功应用，对此我们必须引起高度重视，跟踪世界先进水平开展适合我国 国情的研究工作，为并行工程在我国的广泛应用打下坚实的基础。参考文献：【1】 王润孝.先进制造技术导论.北京：北京科学出版社，2004.【2】张世昌.先进制造技术.天津：天津大学出版社，2004.【3【张平亮.先进制造技术.北京：高等教育出版社，2008.