第五章-并行工程

第五章并行工程学习目标并行工程的基本思想并行工程体系结构并行工程支撑系统并行工程产品开发过程及特征并行工程组织与管理学习难点并行工程的基本思想并行工程产品开发过程内容概述本章从介绍并行工程的起源及基本思想入手，介绍了并行工程的体系结构及支撑系统。分析了并行工程中产品开发基本过程及特点，最后介绍了并行工程的组织与管理问题。5.1概述并行工程（CE，ConcurrentEngineering）是世界市场竞争日益激烈的产物。20世纪80年代后期以来，为了赢得市场，满足市场的需要和变化，许多企业都在积极研究对策，逐步改变其传统的设计和生产方式，努力提高产品的开发能力，提高产品质量，降低设计和生产成本，缩短新产品开发周期，加强售后服务，以提高企业的竞争能力，赢得竞争，而竞争的核心是新产品的开发。1．传统设计方法长期以来，新产品的开发研制大多沿用传统的串行工程方法，产品开发过程是顺序的、迭代式的，产品总是从一个部门递交到另一个部门（例如：设计部门→工艺部门→制造加工部门→总装测试部门等），每个部门都根据各自需要进行修改，由于顺序工程设计方法在初始设计阶段不能全面地考虑后续过程的多种需要（可制造性、可装配性、可测试性、质量保证等），使所制造的产品存在许多缺点。因此，对原设计必须进行必要的修改，从概念设计到工艺过程设计一直到最终产品定型，可能在不同的环节中多次重复这一过程，致使对原设计改动过大，推迟新产品上市时间。另外，由于产品成本的70％是在概念设计阶段确定的，但概念设计修改只占总费用的7％～10％，而采用顺序工程方法的代价是，详细设计的修改费用是概念设计修改的10倍，生产制造工艺阶段修改的费用是详细设计修改费用的10倍，从而使新产品成本成倍提高，开发周期延长。因此，传统的设计方法无法适应激烈市场竞争的需要，研究探索产品开发新方法是当务之急。2．改进方案为了改变这种状况，许多公司开发了制造后改善系统，在产品提交制造部门后的再设计中引入成本降低方案和价值工程，以降低成本和提高质量。新产品的开发仍主要集中在研究和开发部门，但是制造部门、营销维护部门对零部件的设计提出了符合公司制造能力的制造工艺要求、装配维修方便性要求和准则，这种新的运作方式和系统促进了世界性大公司之间的激烈竞争，促使各公司把竞争策略转向以在产品质量上取得全球性的有力竞争地位为中心。他们纷纷采用并行工程（CE）、可制造性设计（DFM）、连续过程改善（CPI）、全面质量管理（TQM）和准时生产（JIT）方法。近几年，并行工程在美国及西方许多国家十分盛行，它已成为当今工厂自动化方面的一个特点，许多公司先后报道了他们应用并行工程所取得的成果，这些成果已引起了人们极大的重视。并行工程和可制造性设计已成为新产品开发不可缺少的手段。3．并行工程并行工程是新产品概念生成、性能描述、开发、制造和维护机构各部分的直接融合。并行工程的宗旨是制造低成本、高质量、满足用户要求的新产品。成功的新产品开发不再只是研究和开发部门的任务，而是整个机构努力协作和配合的结晶。并行工程又称为并行设计（ConcurrentDesign），或同步工程（SimultaneousEngineering），或集成工程（IntegrationEngineering）等。这个概念最早是由美国国防系统于1986年首次提出来的，目的是要改变武器系统的生产，缩短生产周期与降低成本，不久即引起各国工业界和学术界的高度重视。美国国防分析研究所（IDA）对并行工程定义如下：并行工程是一种系统的集成方法，它采用并行方法处理产品设计及其相关的过程，包括制造过程和支持过程，它要求产品开发人员从设计一开始就能考虑到产品整个生命周期中从概念设计到产品报废处理的所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户要求等等。后来，麦克奈特（McKnignt）和杰克逊（Jackson）又给并行工程一个更简单的定义：并行工程是项目设计功能的并行开发，它要求在并行工作小组成员之间进行开放的和交互式的通信联系，以便缩短从概念设计到正式投产的生产准备时间。并行工程的思想是直观的，即同时考虑产品的设计开发、相关的制造设备、制造过程和维修等，在产品设计过程中就应考虑到制造过程的设计，其中包括生产规划、设备选型、生产能力设计、过程规划等，同时也要考虑产品服务系统如维修、销售、分配及其它组织和管理方面的内容，这样的设计在设计阶段完成后，一般都能保证后续阶段如制造、装配等的顺利进行。与传统上顺序的、重复的、分布式的设计方法相比，并行工程以并行的、交互的、协同的工作方式进行产品及其相关过程的设计，因此，其思想和方法适用于工业生产的各个方面。大规模的制造系统包含了众多的资源和设计活动，在设计过程中，如果能同时规划这些活动，将是企业实现并行运作的重要一步，使企业节约成本，提高产品质量。5.2串行工程与并行工程1．串行工程在传统的工程生产中，从市场需求分析至形成原型产品，信息在整个产品开发过程中是以顺序方式传递的，是在每个环节工作结束后才传递至下一环节的，这种工作模式称为串行工程（SequentialEngineering），也称顺序工程（SerialEngineering），工作流程图见图5-1。整个产品开发过程只是一个静态的、顺序的和互相分离的流程。由于传统上采用串行的生产模式，产品设计、生产、分配、维修等功能相对独立，开发工作分别由不同的专业部门完成，只有在下一环节的工作中才能发现上一环节的工作需要作某些必要的修改，其向上反馈的信息总是滞后的，缺点显而易见，它不仅生产周期长，而且由于反馈信息的滞后，导致各生产环节都有较大的返工浪费，产品开发过程中的各项设计和制造活动几乎不可能一次成功的。随着产品复杂性的不断提高，在产品开发周期的早期做出的设计决策对制造、质量和产品费用等都会产生重大影响。为解决这一问题，设计人员往往也应用一些朴素的并行思想，如协商解决冲突，提前发布信息等，但毕竟在产品开发过程中，从宏观上描述开发活动的时序关系是串行开发，并行思想只存在于设计人员的潜在意识中，而且具有很大的随意性，这将会造成对产品开发过程的管理松散，最终导致开发周期的拖延。2.并行工程并行工程是一种系统的集成方法，它采用并行方法处理产品设计及其相关的过程，包括制造过程和支持过程，它要求产品开发人员从设计一开始就能考虑到产品整个生命周期中从概念设计到产品报废处理的所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户要求等等。而生产制造前的产品设计阶段是产品开发的关键阶段，研究表明，产品的早期设计阶段对产品成本将起决定作用，并且在此阶段对设计进行修改的风险最小。所以，在产品开发过程中，应依照并行工程的思想对整个产品开发过程进行规划、监控和管理，在产品设计的早期就全面考虑产品生命周期中的各种因素，尽可能地减少修改和反复，扭转产品开发过程中的被动局面，实现产品的高质量、低价格和短周期，使企业赢得市场竞争。并行工程将传统的串行产品开发过程转换为并行过程，各环节在工程的开始阶段就协同工作，信息流是双向及时反馈而不滞后的，如图所示，争取产品在工程中的各项设计能够一次成功。并行工程在产品设计阶段就集中产品研制周期中各环节的有关技术人员，对产品的性能和有关的设计做出评估，及时改进设计，在满足用户需求的前提下，产品开发过程通过在产品开发的早期阶段，考虑整个产品生命周期的所有因素来提高开发活动的并行度，从而实现时间、质量和费用的指标要求，基本上避免了串行工程工作方式中的不断反复，可得出满意和优化的设计方案产品。3．并行工程产品开发并行工程是计算机集成制造、网络数据库、集成框架、计算机辅助设计、可制造性和可测试性设计工具集等技术开发研究到一定阶段的产物。并行工程与传统生产方式之间的本质区别在于，它把产品开发过程中的各个活动视为统一的整体，从全局优化的角度出发，对该过程整体进行管理和控制。并行工程产品开发过程具有以下几个特点：①过程的实施由多学科开发工作组负责组织和完成。②过程建立的基础是待开发产品的结构信息。③过程之间存在着相互支持和约束及资源冲突。④过程受企业自身条件和产品性质的约束。⑤过程的建立是一个动态的非确定性的过程。并行工程是一种系统工程的方法或哲理，是一种工作模式。实现并行工程首先涉及产品开发的组织模式的变革，在并行工程中，新产品开发队伍的组织既不是按部门划分，也不是按专业分工，而是组织多学科产品开发队伍。其次，从产品的信息集成到产品开发过程的自动集成，强调注重知识、协作和人的有效参与，即从过去单纯的信息集成向人员、管理、技术三者集成方向发展，在异构的计算机、网络数据库支撑环境下，在集成的框架平台上，多学科产品开发队伍成员利用各自的DFX工具，协同完成新产品的开发任务。产品开发过程的重组和并行化是实施并行工程的关键。在并行工程中，产品开发过程是指以产品开发工作组为执行实体，以产品信息结构为操作对象，以企业资源为物质基础，以过程间逻辑和时序关系约束为执行纽带的产品开发活动。对产品开发过程进行有效的组织和管理是并行工程实施中的主要问题，在这一过程中，对产品开发过程的建模和监控、管理是重点。必须指出，并行工程的实施并不能减少串行过程所包含的工序，它只是通过过程中合理的信息流向和资源配置，提高并行度，减少反馈的次数和时间，从而使产品开发过程总体最优，而不能把过程中某一环节的并行操作方式称为并行工程。2、主要研究内容（1）并行工程组织管理技术从我国制造业企业的实际出发，提出具有可操作性的与并行方式相适应的平面化、网络化企业组织管理机制、企业文化以及产品开发团队的组织、运行方式，并对企业从目前串行的组织管理模式方式转变为适应并行方式的过程中所要面临的问题、所应采取的措施和方法进行深入研究。（2）集成化产品开发过程的构造剖析机械工业企业现行的产品开发过程，研究产品开发过程的动、静态描述（建模）方法、图形化显示、编辑技术以及在资源约束下产品开发过程的优化算法，提出改进的产品开发流程。（3）过程协调（含冲突仲裁）技术与支持环境研究冲突检测与仲裁技术，通过先进通信和多媒体技术，进行管理约束和进程跟踪，保证把正确的信息，在正确的时刻，以正确的方式送给正确的人，及时作出决策、修改或认可，从而保证并行工程总目标的实现。（4）面向装配的设计在综合考虑经济性、生产时间及生产柔性的前提下，在产品设计阶段就考虑零件间的配合、定位、装配方向和路径等，选择有利于装配的产品结构、几何尺寸和材料等。（5）面向制造的设计在设计一开始就把制造系统的约束集成到设计过程中去，并从制造可行性的角度对设计不断进行评价，使设计满足可制造性要求并得到加工时间、加工成本的优化。（6）面向并行工程的工艺设计研究并行环境下CAPP的工作模式，利用协调模型实现CAPP系统与设计系统、CAED系统、CAM系统及本系统内部的信息交换方式，并采用专家系统的知识表达方法和面向对象技术，完成CAPP系统的开发并实现产品设计的可加工性评价。（7）面向并行工程的工装设计研究工装的参数化特征设计方法并建立相应的特征库：总结工装设计中的知识及其表达方法，建立各类工装的精度与强度模型，实现加工夹具、装配夹具与专用夹具的计算机辅助设计。（8）快速工装准备以功能部件的可组装化、参数化为核心，消除传统工装准备中的备料、切削加工、检测环节，使得工装准备基本上成为一个组装过程，并通过建立参数化元件、部件库为工装设计提供便利，使制造过程的设计时间显著缩减。CE/FT-Star系统在并行工程中的集成模型C1-C4：技术、功能、工艺和性能指标；I1：产品模型；I2，I3：载荷分布模型；I4-I6：工艺参数、材料和工艺方案；0111：CAD数据文件、二维工程图文档、STEP特征文件、特征可加工性文档；0112：3DCAD数据文件、装配工艺路线数据文件、装配工艺卡片、装配仿真报表数据文件、装配工装电子文档、设计说明书；0113：结构分析数据文件、结构分析说明书；0114：铸造分析数据文件、铸造分析说明书。5.3设计与制造关系的