并行工程与DFX技术
文案 | 市场部
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世界制造业市场形势发生了根本性的转变, 信息技术的发展促进了全球大市场的形成。世界市场由传统的相对稳定逐步演变成动态多变的特征, 由过去的局部竞争演变为全球范围内的竞争, 同行业之间、跨行业之间的相互渗透和相互竟争越来越激烈。长期卖方市场变成了买方市场, 顾客对产品质量、交货期、成本和种类的要求越来越高, 产品的生命周期越来越短。可以说,“产品” 已经成为制造业的核心, 一流产品不仅是成功的源泉, 更是企业持久成功的基础。
为了适应变化迅速的市场需求, 真正提高竞争能力, 现代的制造企业必须解决TQCS难题, 即以最快的上市速度( T , Time to Makret ), 最好的质量(Q,Quality ), 最低的成本(C, Cost )和最优的服务(S,Service )来满足不同顾客的需求。
随着计算机技术的广泛应用, 在制造业领域出现了许多企业信息化系统, 如CAD/CAE/CAPP/CAMIFMS等产品研发系统, PDM /ERP/SCMC/RM等数据管理系统, 最近更有越来越“热”的PLM解决方案。
并行工程(CE,Coneurent Engineering)过去没有成为“ 炒作” 的热点, 现在似乎更成为过时的概念, 实际情况是这样吗?
通过20多年的改革开放, 中国确立了“世界制造中心” 的地位, 信息化建设也取得了极大的进展。但是, 不管怎样评估我国制造业信息化的现状和成果, 有一点是不可否认的: 我国制造业仍然远没有摆脱缺乏产品创新能力的困境。分析当前市场上比较流行的“ 一体化的数字化研发” 工具, 或者“ 全面支持异地协同设计和有效控制产品研发流程” 系统, 我们都会发现, 企业如果希望取得预期实施效果, “ 并行” 思想和方法都将是这些系统发挥作用的关键(“ 协同” 是“并行” 的最基本要求)。
也许, PLM是制造业非常重要和不可逆转的方向, 但是, 首先在企业内部按照“并行工程” 的思路和方法组织产品研发, 协同企业内部的研发流程, 关注与设计工作更贴近的问题, 可能比一些纯粹的信息化系统更能给企业带来明显的效益。
1并行工程的产生背景
1.传统的产品开发模式
长期以来, 在传统的产品开发方式中大都沿用“泰罗(Taylor) 制”的顺序设计方法, 遵循“ 概念设计一详细设计一工艺设计一加工制造一试验验证一设计修改” 的大循环。这种传统的部门制及串行流程的产品开发模式存在着很多不足, 如:
☆ 功能部门制: 部门之间的信息交流存在严重的障碍;
☆ 产品开发过程增加了很多不增值的环节;
☆ 生产准备周期延长, 更改反馈频繁;
☆ 缺乏数字化产品定义, 缺乏CAX/DFX工具和上下游信息的集成;
☆ 缺乏跨平台的产品数据管理工具, 对大量工程图档、产品数据的管理与维护工作耗费了产品开发人员的大量精力, 而且经常由于前后版本不一致而造成无法估量的损失。
2. 并行的产品开发
为了全面提高企业的整体竞争能力和产品创新能力, 企业必须改变传统的产品开发模式, 寻找更为有效的新产品开发方法, 国内外很多企业进行了大量的有益探索。人们发现, 最重要的是必须不断采用新技术来改善产品设计制造系统的各个环节。虽然CAX技术的普遍应用提高了企业产品设计制造的效率,CMI理论的出现提高了企业作为一个整体在运营中的效率。但从方法学的角度看, 企业在管理过程中使用的仍然是传统的串行方法, 大量的设计更改工作使缩短产品开发的周期从根本上很难实现。
为了真正解决企业“新产品设计与开发能力低下” 的问题, 在CIM理论的基础上, 并行工程技术应运而生。“并行工程” 是对产品设计及其相关过程(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全生命周期中的所有因素,包括质量、成本、进度与用户需求。通过设计阶段设计更改的“小循环” 避免了后期反复更改的“ 大循环” , 从而缩短产品的开发周期, 降低产品制造成本。
2并行工程的基本含义与作用
并行工程是一种工程方法 论, 它站在产品设计、制造全过程的高度, 打破传统组织结构里存在的部门分割封闭观念, 强调参与者的协同工作, 重构产品开发过程并运用先进的设计方法学, 在产品设计的早期阶段就考虑到其后期发展的相关因素, 以提高产品设计成功率, 通过缩短产品开发周期和降低成本, 增强企业的竞争能力。
并行工程的核心问题是产品开发过程中管理与技术的集成, 即以Team Work为工作的开发管理模式, 以改进产品开发流程为核心, 把传统的制造技术与计算机技术、自动化技术相结合, 在产品开发阶段全面考虑产品生命周期中的各环节及其潜在问题, 通过应用数字化产品模型定义、DFA、DFM、QDF和P DM等技术, 力争从设计到制造一次成功。
并行工程主要是针对产品开发领域而提出的解决方案, 它已经成为提高企业自动化水平、改善企业的T、Q、C、S、增强企业市场应变能力和竟争能力等方面的关键。国外一些著名企业(如波音、摩托罗拉、惠普、通用、福特、DEC 和DELL等) 成功实施并行工程所取得的效益, 以及并行工程在我国初步应用的效果都证明了这一点。
在波音77的开发过程中, 波音公司采用数字化技术和并行工程方法( 238个协同工作小组Team work), 实现了5年内从设计到试飞的一次成功(波音757、767研发周期约9一10年), 这意味着20世纪90年代制造业的标志性进展。
同样, 到目前为止, 我国已有数百家企业进行了CIMS应用工程和并行工程的实施, 在取得良好经济效益和管理效益的同时, 更取得了极大的社会效益, 为我国制造业推进并行工程技术的应用提供了良好的范例和借鉴。
随着中国正式加入WTO, 国内制造企业在面临国内竞争的同时, 也将迎来与国外先进制造企业的平等竞争与合作, 因此实施并行工程更具有重要的现实意义。正如( What Every Engineer Should Know About Concurrent Engineering ) 一书中所说的那样: “ 并行工程作为企业的基本战略, 对提高企业的竞争能力已变得绝对重要, 企业高层领导的重视程度对并行工程是否能够应用成功起着至关重要的作用。”
3并行工程的关键要素
并行工程是集成、并行地设计产品及其相关过程的系统化方法。它要求产品开发人员从设计的早期即考虑产品生命周期中的各种因素, 其核心内容包括以下四个方面:
1. 产品开发过程重构
并行工程实施应以客户需求为核心, 按照并行工程的哲理, 重组产品开发流程。从传统的串行产品开发流程转变为集成的、并行的产品开发过程。
并行过程, 不仅是活动的并行, 更主要的是下游过程在产品开发的早期即参与设计过程。另一方面则是产品开发环节和过程的精简, 以使信息流动与共享的效率更高.
2. 产品开发队伍重构
将传统的部门制或专业组变成以产品(型号)为主线的多功能集成产品开发团队(IPT , Integrated Pdocute Team ), 是实施并行工程的基本要求, 也是90年代以来企业组织机制的核心, 它利用集体的智慧, 协同工作。IPT被赋予相应的责权利, 对所开发的产品对象负责, 这样可以打破功能、部门制所造成的信息流动不畅的障碍。
3.协同工作环境
实施并行工程不仅要改进产品开发流程, 建立基于产品的开发团队, 而且要建立支持团队工作的协同工作环境: 主要指用于支持IPT协同工作的网络与计算机平台。在并行工程产品开发模式下, 产品开发是由分布在异地的采用异种计算机软件工作的多学科小组完成的。多学科小组之间及多学科小组内部各组成人员之间存在大量相互依赖的关系, 并行工程协同工作环境支持IPT的异地协同工作。
4. 使能技术与数字化产品定义工具
要在产品开发过程中更好地实施并行工程, 需要一些关键技术和工具作支撑。
(l)DFA(Design for Assembly )面向装配的设计,主要是在设计过程中解决产品的可装配性和装配路径问题, 避免后期出现装配类别方面的问题。
(2)DFM (Design for Manufacturing)面向制造的设计, 主要是在设计过程中解决设计特征的加工问题, 确保产品的可制造性并努力实现成本最低。
(3) 全数字化定义的计算机辅助设计工具, 如CAD、CAE、CAPP、CAM、CAFD(计算机辅助工装系统设计)、QDF(质量功能配置) 以及CSCW (计算机支持协同工作环境) 等。
(4)PDM(产品数据管理) 用于在企业范围内构造一个从产品策划到产品实现的并行协作环境,一个成熟的DPM系统能够使所有参与创建、交流以及维护产品设计意图的人员在整个产品生命周期中自由共享与产品相关的所有异构数据, 如图纸与数字化文档、CAD文件与产品结构等。
当然, 实施并行工程还需要大量其他技术和工具的支持, 在此不作详细说明。其中DFX技术是关键的使能工具和支撑技术, 下面进行具体阐述。
4DFX是并行工程的核心使能技术
前面我们已经介绍了, DFMA是并行工程的关键使能技术。要深人了解DFMA技术在并行工程中的地位和作用, 还得从并行工程和DFX技术本身说起。
1.产品设计在产品开发工程中的作用
一般说来, 产品开发的整个过程包括: 市场调研、设计、工艺、制造、检验、销售、售后服务以及回收处理等, 设计是其最重要的一个环节。产品设计消耗的成本虽然只占产品整个成本的7% 左右, 但它却将影响产品全部成本的80% 以上。研发后期的设计更改对于成本影响呈指数级增长, 这也是我们强调产品开发重要性的主要原因, 产品开发中的设计更改进行得越晚, 代价就越大。
2.传统产品开发模式的弊端
传统的产品设计采用“ 串行” 方法进行, 我们在前面已经进行了详细的论述。这种设计方式的弊端是各个环节缺少交流和沟通, 设计中很少考虑其下游的工艺、制造、装配、检测和维修等环节, 这样往往在产品制造阶段甚至是被制造出来以后, 还要多次返回进行设计更改。我们需要运用必要的技术工具, 采用新的产品开发模式, 去除旧模式中的弊端, 这就是下面要介绍的DFX技术。
3.关于DFX技术
DFX是一种方法 论和系统工具, 是并行工程的关键环节和重要组成部分。DFX是CE的思想核心,是CE的支撑工具, 而CE是DFX在产品生命周期上的拓展。
DFX中的X,可以代表产品生命周期或其中某一环节, 如装配、加工、维护和报废等, 也可以代表产品竞争力或决定产品竞争力的因素, 如质量、成本和时间等。而这里的设计不仅仅指产品的设计,也指产品开发过程和系统的设计, 代表一种产品开发技术。
DFMA( Design For Manufactuer and Assemble )是DFX技术的另一种统称, 其思想已贯穿企业开发过程的始终。它涵盖的内容很多, 涉及产品开发的制造、装配、检测、维护和报废处理等各个阶段。
DFX系列技术包括: DFA ( Design For Assembly,面向装配的设计)、DFM ( Design For Manufactuer ,面向制造的设计)、DFT ( Design For Te sting , 面向测试的设计)、DFS( Design For Service , 面向维护的设计)、DFE(Design For Environment , 面向环境的设计) 和DFD( Design For Discarding , 面向报废的设计) 等。
目前应用较多的是机械领域的DFA和DFM , 使机械产品在设计的早期阶段就解决可装配性和可制造性问题, 为企业带来显著效益。
DFA 指在产品设计早期阶段考虑并解决装配过程中可能存在的问题, 以确保零件快速、高效、低成本地进行装配。DFA是一种针对装配环节的统筹兼顾的设计思想和方法, 就是在产品设计过程中利用各种技术手段如分析、评价、规划及仿真等充分考虑产品的装配环节以及与其相关的各种因素的影响, 在满足产品性能与功能的条件下改进产品的装配结构, 使设计出的产品是可以装配的, 并尽可能降低装配成本和产品总成本。
DFA是一种优化产品结构的方法, 同时也是一种设计哲理。DFA在产品开发过程中的作用和地位主要表现在减少零件数(从而精简产品结构)、改进装配性能和降低产品成本等方面。
DFM则指在产品设计的早期阶段考虑与制造有关的约束, 指导设计师进行同一零件的不同材料和工艺的选择, 对不同制造方案进行制造时间和成本的快速定量估计, 全面比较与评价各种设计与工艺方案, 设计团队根据这些定量的反馈信息, 在零件的早期设计阶段就能够及时改进设计, 确定一种最满意的设计和工艺方案。
正是由于DFX的这些特点和功能, 使DFX技术成为并行工程的核心技术。
4.DFX 基于并行工程理念的产品开发模式
DFM Pro软件这是基于DFX方法的软件, 并行工程所采用的产品开发模式。在产品的设计早期(概念) 阶段应用DFX技术, 考虑并解决产品的可装配性和可制造性及其成本等问题, 经过多次DFX循环,得到合理的方案后, 再进行详细设计阶段, 最后才是样机制造和批量投产。经过这样的优化过程, 虽然设计阶段的时间可能有所延长, 但整个产品的开发周期却大大缩短了。
DFX正是通过设计阶段设计更改的“小循环” 避免了后期反复更改的“大循环” , 提高了产品设计、制造的一次成功率, 从根本上缩短产品的整个开发周期,降低产品成本, 提高产品质量。
小知识：
使能技术：使能，指负责控制信号的输入和输出，是一个动词，英文“Enable”。英文Enable，前缀en-就是使的意思，able就是能够。合起来就是使能。使能通俗点说就是一个“允许”信号，进给使能也就是允许进给的信号，也就是说当进给使能信号有效的时候电机才能转动。
使能技术（enabling technology），目前国际国内没有严格的“使能技术”相关定义。一般而言，使能技术是指一项或一系列的、应用面广、具有多学科特性、为完成任务，而实现目标的技术。
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