【直面挑战】并行工程的应用技术研究

1年前浏览1218

作者｜李峰, 李华

配图｜来自于网络

1前言

传统的机械产品设计一般要经过产品设计和工艺设计2 个顺次执行的设计流程, 在产品设计完成后, 开始工艺过程的设计。这种设计方法往往由于设计人员的知识范围所限, 一般在工艺设计过程中,要对产品设计中工艺无法保证的部件进行重新设计, 在产品试制后, 对发现的问题, 产品设计要更改,所以, 工艺又需要重新设计。该设计的流程图如图1 所示。传统设计的这种顺序工程的大循环, 导致设计成功率和效率均偏低, 产品成型时间长。

现代产品更新换代周期短, 要求新产品开发的周期短, 因此, 迫切需要一种新的开发模式, 能够使产品设计和工艺设计时间短, 同时, 在设计过程中,要改变这种设计的大循环, 变成各个不断设计的小循环。新产品开发方式需要从顺序工程(Sequential Engineering)向并行工程(Concurrent Engineering , CE)转变, 并行工程可以并行处理各阶段的工作, 根据项目中不同任务之间关联性的不同, 各部分子任务的工作过程可以部分重叠或完全重叠, 根据这些原则,制定一个合理、优化的工作计划, 并在其中必要位置设置考核点, 由项目工作组具体落实, 使各子任务并行、有序地向前推进, 以保证整个项目的顺利实施。该设计方法, 能够快速地制造出市场需求的产品, 因此面向并行工程的产品设计方法成为研究热点。

并行工程的提出, 目的就是为了加快产品开发,提高产品质量。国际上被广泛接受的并行工程定义是:“并行工程CE 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过程(包括制造过程和支持过程), 这种方法可以使产品开发人员从一开始就能考虑到产品从概念设计到消亡的整个生命周期里的所有因素, 包括质量、成本、进度及用户需求。”从此可以看出, 并行工程力图使产品开发人员一开始就考虑到产品开发生命周期(从产品概念设计到产品报废), 它把产品开发的各个活动看成是一个整体、集成的过程, 从全局优化的角度出发, 在设计阶段综合考虑产品生命周期中制造、装配和测试等环节, 及时全面评价产品的设计, 反馈改进意见和改进产品设计, 使设计时间明显缩短, 设计成功的几率增加, 以期达到降低产品设计成本, 提高产品质量和缩短开发周期的目的。

2并行工程采用的技术支撑

(1)计算机辅助工程(CAX)技术

随着计算机技术的发展, 形成了一批先进的CAX 技术, 例如, 计算机辅助设计CAD 、计算机辅助分析CAE 、计算机辅助制造CAM 、计算机辅助工艺分析CAPP 及CAD CAE CAM CAPP 集成技术, 成为顺利实施并行工程非常重要的工具。并行工程中CAX 之间的交互是动态的、随机的、双向的, 这种集成式的互动要比单一的CAX 应用更频繁、更复杂。它需要大型的具有公共接口和无缝集成的数据库作为地层的支撑结构。另外, 在产品设计阶段, 产品的各种信息是不完全确定的, 因此, 需要有能够实时动态改变的模型, 所有的CAD CAE CAM CAPP 分析都在此模型上完成, 在该模型上, 能够对各种不同的参数进行修正, 即可以进行产品的优化设计, 从而设计出符合功能需求的, 能够符合工程中制造要求的, 成本较低的产品。在CAX 的集成过程中, 最重要是数据接口设计, 这个数据接口, 需要能够连接不同的软件, 让所有CAX 都能够共用, 同时, 对数据的理解要相同, 现在, 大部分CAX 软件都已经有了一些公共的产品数据接口能够与其它软件进行数据交换。CAX 软件这种共用接口的特性, 能够为PDM 中与多个应用程序进行数字通讯提供了实现的基础。

(2)DFX技术

并行工程要求在设计过程中及早考虑后续过程对设计施加的约束, 使设计结果便于后续过程的实施, 要尽早发现问题而避免返工。这类技术称为面向产品生命周期(DFX)的设计技术, 是设计方法论和设计支持技术的重要研究内容之一, 是产品开发的有效方法和技术。DFX 是一种设计方法论, 它是面向制造设计(DFM), 面向装配设计(DFZ), 面向测试设计(DFT), 面向成本设计(DFC)和面向质量设计(DFQ)等技术的统称。DFX 本身不直接产生设计方案, 而是设计评价分析方法总集, 它为设计提供了设计依据和设计目标。其主要内涵是要求在设计过程中尽早考虑后续阶段, 如加工、装配、测试、性能和造价等方面对设计施加的设计约束, 使设计的产品易加工、易装配、性能好、造价低。以往的传统设计, 当产品设计完毕再进行过程设计, 这样, 往往设计周期长, 且设计的产品都不会达到设计的最优, 而采用DFX 方法强调产品设计和过程设计同时进行, 因此,可以明显缩短设计周期, 而且有可能达到设计的最优。

(3)PDM 技术

产品数据管理(PDM)技术是产品数据共享与过程管理技术, 是并行工程的基础平台。PDM 技术的核心思想是数据共享、人员协同、过程优化和功能集成。PDM 的目的是对并行工程中的共享数据进行统一的规范管理, 保证全局数据的一致性, 提供统一的数据库和友好界面, 使多个功能小组能在一个统一的设计环境下工作, 而不必关心应用程序在什么平台上以及数据的物理位置。由于在不同的应用系统中数据的表现形式各异, 作为信息集成平台,PDM 将所有与产品有关的信息和过程(从产品的概念设计阶段、产品设计阶段、工艺流程设计、制造阶段、维修直至产品报废的整个生命周期相关的数据)集成于一体, 在PDM 集成平台下, 各个单元系统不再直接进行数据信息交换, 各个不同软件间数据交换是通过在PDM 平台上完成的—与其他软件的数据交换是在PDM 系统的屏蔽之下, 由PDM 系统来完成的。由于共享一个统一的数据库,CAPP 和其它单元系统之间的数据交换可以不再依赖于开发专用接口。CAPP 的设计对象可以从数据库中CAD 系统产生的产品结构树中获得, 经过CAPP 系统工艺规划, 将工艺BOM 存入PDM 数据库中, 以供工艺设计和生产管理用。产品数据管理提供版本和获取控制以及维持产品与其相关文件和文档之间的联系。

PDM 使得产品数据在整个产品生命周期内保持一致且能够被多个开发小组的多种开发工具所共享。从产品数据管理的对象来看, 主要分为2 类:一类是产品设计方面的信息, 如产品设计BOM 和工艺设计BOM;另一类是产品结构、开发过程等相关的管理信息。目前, 产品数据交换标准PDES STEP 和利用PDM 进行产品设计过程管理, 已经能够在实践中广泛理解, 因此, 现在的数据交换标准, 成为发展新一代企业自动化的基础, 这对企业建立并行工程的环境是十分重要的。一个企业日积月累的设计结果在纳入PDM 系统时, PDM 系统应能保证其不作或少作改动, 这无疑对目前自动化水平较高的企业具有十分现实的意义。因此, PDM 系统真正以产品的信息为核心, 为企业提供了一种宏观管理和控制所有与产品相关的信息平台。PDM 系统不仅能保证现有技术信息的正常运作以及所有制造信息的无缝集成, 而且能够支持产品从最初的产品设计概念一直到产品废弃为止的整个生命周期。因此, PDM 系统在多变的概念设计阶段以及工程变更过程中都支持并行工程实践, 这对并行工程的具体实施提供了可靠的技术保障。

(4)并行工程系统建模

在并行工程的设计中, 要不断对产品的各个阶段进行评价, 不断提供反馈信息, 一般的评价(见图2)可以从2 个方面来评价产品的可制造性。一个是从技术的角度来评价, 它体现了制造功能的约束(如能否在本厂的设备上制造, 在本国内能否外协加工等);另一个是从经济的角度来评价, 这个设计的目标是为了使产品更好地适应市场需求。这两方面的评价标准、技术标准由可加工性与可装配性两方面组成, 而经济性标准由时间与成本两方面组成。在并行工程中产品的设计阶段就考虑制造因素, 使产品设计和工艺设计同时进行, 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。

除了上述关键技术之外, 还有并行工程集成框架和并行工程中冲突消解及知识处理、协同技术以及质量工程研究等各种分析手段。对于一个复杂产品设计系统, 各个支撑环境相互配合工作, 有项目组长协调以及成员的配合, 才能最终保证并行工程的总目标实现。

3基于并行工程的开发模式

并行设计强调产品开发的各个功能环节之间实现最大限度地交叉、并行及协调。所谓并行不是同时进行, 而是逐步交替实现设计、工艺规划和管理等活动, 设计的过程如图3 所示, 并行设计要求在设计阶段的每一步骤中都最大可能地考虑到有关环节的约束, 如可制造性的约束、可装配性的约束和制造资源的约束等, 并且尽量在早期协调解决这些约束。设计早期, 要设计出产品的模型, 进行自评估后, 如果不合格则继续设计, 完成自身循环。如果自评估合格, 则要对其进行工艺设计并仿真、检验设计和检验仿真评估。对评估的结果, 如果合格, 则进行产品图纸设计、工序设计、夹具设计、检验工具设计和检验方法设计等。而不是等到整个设计阶段完成后,再重新修改不恰当的设计。这些环节组成一个完整的子系统。另外在并行设计中, 如果某一个子系统必须依赖于另一个子系统的结果作为输入时, 可以做一些假定, 使2 个系统并行工作, 然后插入若干次中间协调、修改和迭代, 使并行设计能在不完整数据的条件下进行, 这就需要原系统的协调和管理。譬如,设计过程中, 开始的模型建立以前, 一般都是按照以前的同类产品的模型进行后续的设计, 这样可以最大程度地交叉设计的时间, 以缩短设计周期。

并行设计是持续地改善产品性能的过程, 它是在不影响产品功能的前提下, 最大限度地不断改进产品设计的工艺性、质量与成本控制和相应的管理规划,以减少制造成本, 缩短产品开发周期, 提高设计效率, 努力做到一次设计成功。