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第一节并行工程技术第六章先进制造生产模式一、并行工程的产生传统的产品开发模式是串行的：产品设计→工艺设计→计划调度→生产制造。设计工程师与制造工程师之间互相不了解，互相不交往，中间有如隔了一堵墙。概念设计设计和绘图原型论证制造准备和加工传统产品开发模式存在的缺点部门之间信息共享存在障碍；操作流程的串行实行，使得设计早期不能全面考虑产品生命周期中的各种因素，不能综合考虑产品的可制造性、可装配性和质量可靠性等因素，导致产品质量不能达到最优；各部门对产品开发的独立修改导致产品开发出现各种反复，总体开发时间延长；基于图样以手工设计为主，设计表达存在二义性，缺少先进的计算机平台，不足以支持协同化产品开发。并行工程产生的背景要求：全球化市场要求企业必须改变经营策略：提高产品开发能力、增强市场开拓能力，但传统产品开发模式已不能满足市场竞争要求。并行工程是一种企业组织、管理和运行的先进设计、制造模式；采用多学科团队和并行过程集成化开发模式。并行工程把传统的制造技术与计算机技术、系统工程技术和自动化技术相结合，在产品开发的早期阶段全面考虑产品生命周期中的各种因素，力争使产品开发能够一次获得成功。从而缩短产品开发周期、提高产品质量、降低产品成本。并行工程(ConcurrentEngineering,CE)产生和发展历史美国国防先进研究计划局（DARPA）1987年12月举行了并行工程专题研讨会，提出了发展并行工程的DICE计划（DARPA’sInitiativeinCE）。同时，美国防御分析研究所IDA（InstituteofDefenseAnalyses）对CE及其用于武器系统的可行性进行调查研究，88年公布了著名的R-388研究报告，明确提出了并行工程的思想。1988年DARPA发出了并行工程倡议，西弗吉尼亚大学设立了并行工程研究中心，许多大软件公司、计算机公司开始对支持并行工程的工具软件及集成框架进行开发。CE在国际上引起各国的高度重视，其思想被更多的企业及产品开发人员接受和采纳，各国政府也加大支持并行工程技术开发的力度。并行工程已在一批国际著名企业中获得成功应用，如波音、洛克希德、雷诺、通用电气等均采用并行工程技术来开发自己的产品，取得显著效益。CE与串行工程产品开发成本比较串、并行产品开发过程对比二、并行工程的定义并行工程CE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。这种工作模式力图使开发人员从一开始就考虑到产品全生命周期中的各种因素，包括质量、成本、进度及用户需求。二、并行工程的运行特性——（1）并行特性CE的最大特点是把时间上有先有后的作业过程转变为同时考虑和尽可能同时（或并行）处理的过程；在产品的设计阶段就并行地考虑了产品整个产品生命周期中的所有因素，研制周期将明显地缩短。这样设计出来的产品不仅具有良好的性能，而且易于制造、检验和维护。CE认为，制造系统（包括制造过程）是一个有机的整体，在空间中似乎相互独立的各个制造过程和知识处理单元之间，实质上都存在着不可分割的内在联系。CE强调全局性的考虑问题，即产品研制者从一开始就考虑到产品整个生命周期中的所有因素。并行工程追求的是整体最优。有时为保证整体最优，甚至可能不得不牺牲局部的利益。二、并行工程的运行特性——（2）整体特性二、并行工程的运行特性制造系统各个环节的内在联系二、并行工程的运行特性——（3）协同特性并行工程特别强调设计群体的协同工作（Teamwork）：1）多功能的协同组织机构：CE根据任务和项目需要，组织多功能工作小组，小组成员由设计、工艺、制造和支持（质量、销售、采购、服务等）的不同部门、不同学科代表组成。工作小组有自己的责、权、利，工作计划和目标，成员之间使用相同术语和共同信息资源工具，协同完成共同任务。2）协同的设计思想：CE强调一体化、并行地进行产品及其相关过程的协同设计，尤其注意早期概念设计阶段的并行和协调。3）协同的效率：CE特别强调“1＋1＞2”的思想，力求排除传统串行模式中各个部门间的壁垒，使各个相关部门协调一致的工作，利用群体的力量提高整体效益，强调“工”字钢带来的三块钢板的协调强度。二、并行工程的运行特性——（4）集成特性CE是一种系统集成方法，具有人员、信息、功能、技术的集成特性。①人员集成：管理者、设计者、制造者、支持者以至用户集成为一个协调的整体。②信息集成：产品全生命周期中各类信息的获取、表示、表现和操作工具的集成和统一管理。③功能集成：产品全生命周期中企业内各部门功能集成，以及产品开发企业与外部协作企业间功能的集成。④技术集成：产品开发全过程中涉及的多学科知识以及各种技术、方法的集成，形成集成的知识库、方法库。三、并行工程的体系结构（l）产品概念设计：对产品设计要求进行分组描述和表述，并对方案优选、批量、类型、可制造性和可装配性评价，选出最佳方案，指导概念设计。（2）结构设计及其评价：将产品概念设计获得的最佳方案结构化，对各种方案进行评价和决策。选择最佳结构设计方案或提供反馈信息，指导产品的概念设计和结构设计。（3）详细设计及其评价：根据结构设计方案对零部件进行详细设计，并对其可制造性进行评价，即时反馈修改信息，指导特征设计，实现了特征／工艺并行设计。（4）产品总体性能评价：该阶段产品信息较完善，对产品的功能、性能、可制造性和成本等采用价值工程方法进行总体评价、提出反馈信息。最后必须进行工艺过程优化，对零件的实际加工过程进行仿真。三、并行工程的关键技术（1）过程管理与集成技术：包括过程建模、过程管理、过程评估、过程分析和过程集成。（2）团队：由传统部门制或专业组变成项目为主的多功能集成产品开发团队（IntegratedProductTeam，IPT）。（3）协同工作环境：产品开发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。具体关键技术包括约束管理技术、冲突仲裁技术、多智能体技术、CSCW（Computer－SupportedCooperativeWork）技术等。（4）DFX：DFX是CE的关键使能技术。X代表产品生命周期中的各项活动。应用较多的是DFA（面向装配设计）和DFM（面向制造设计）。（5）PDM：产品数据管理（ProductDataManagement）集成和管理产品所有相关数据及其相关过程。PDM能在数据的创建、更改及审核的同时跟踪监视数据的存取，确保产品数据的完整性、一致性及正确性，保证每个参与设计的人员都能即时地得到正确数据，使产品设计返回率达到最低。四、并行工程的应用实例——波音公司自1991年起，在波音767－X系列产品上采用了：①按飞机部件组成两百多个IPT；②改进产品开发流程；③采用DFA／DFM等工具；④利用巨型机支持的PDM系统辅助并行设计；⑤大量应用CAD/CAM技术，做到无图样生产；⑥仿真技术与虚拟现实技术等CE的方法和技术。获得了以下显著效益：①提高设计质量，极大地减少了早期生产中的设计更改；②缩短产品研制周期，优化设计过程；③减少报废和返工率，降低制造成本。四、并行工程的应用实例——波音公司波音公司在767－X飞机的开发中，全面应用CAD/CAM系统作为基本设计工具，在计算机上设计出所有零件的三维图形，并进行数字化预装配，获得早期的设计反馈，便于及时了解设计的完整性、可靠性、可维修性、可生产性和可操作性。同时，数字化设计文件可以被后续设计部门共享，从而在制造前获得反馈，减少设计更改。总结为：（1）100％数字化产品设计（2）3D实体数字化整机预装配（3）并行产品设计（CPD）四、并行工程的应用实例——瑞士ABB自1992年起，在火车运输系统上采用：①建立支持CE的计算机系统；②可互操作的网络系统；③组织设计和制造过程的团队；④统一的产品数据定义模型；⑤应用仿真技术等CE的方法和技术。获得效益如下：①过去从签订合同到交货需3~4年，现在仅用3~18个月；②对东南亚的用户，能在12个月以内交货；③整个产品开发周期缩短25%~33%。四、并行工程的应用实例——日本横河HP自1984至1990年，在高精度测量设备上，采用了：①开发制造生产网络（MPN）；②网络化计算环境；③实时的全局工程数据库等CE的方法和技术。获得效益为：①新产品上市周期缩短30%；②技术部门生产率上升30%；③总体生产能力增加30%。四、并行工程的应用实例——中国长峰科技集团1995年起，在复杂系统产品（机械与电子）开发中，采用：①建立并行设计、制造与管理的集成环境；②组建多层次的集成产品开发团队；③改进现有产品开发流程；④应用各类CAX／DFX工具；⑤动态管理和跟踪项目的进展，实施PDM；⑥应用并行工程集成框架技术等CE的方法和技术。获得效益为：①总体方案设计周期压缩60%，工程绘图周期从1~2个月下降到2~3周。工艺检查周期减少50%，更改反馈次数降低50%，工艺规划时间减少30%，工装准备周期减少30%，数控加工编码与调试周期减少50%；②毛坯成品率由原来的30%~50%提高到70%~80%；③降低产品成本20%；④培养了一支人才队伍，为并行工程在我国全面实施应用奠定了基础。四、并行工程的应用实例——齐齐哈尔车辆厂自1998年起，在铁路货车的生产中，采用了：①组建产品开发中心，组织设计、工艺、制造团队；②实现产品开发过程管理及项目协凋管理；③基于PDM实现产品数据的集成化管理；④基于STEP标准实现CAD/CAPP集成；⑤采用结构强度分析、刚度分析及动力学分析工具；⑥建立产品报价系统等CE的方法和技术获得效益为：①缩短产品开发周期30%~40%；②减少产品试制次数和试制费用，每年可节约试制费500万元；③提高产品质量水平，增加出口量，每年可多获利润1250万元。第二节敏捷制造一、敏捷制造产生的背景1970—80年代，美国制造业一度成为美国经济严重衰退的重要因素之一。20世纪80年代，西德和日本高质量产品大量推向美国市场，迫使美国制造策略由注重成本转向产品质量。90年代，产品更新换代加快，市场竞争加剧，靠降低成本、提高质量还难以以赢得市场竞争，还必须缩短产品开发周期。当时美国汽车更新换代的速度已经比日本慢了一倍以上，速度成为美国制造商关注的重心。“一个国家要生活得好，必须生产得好”。美国政府为重新夺回美国制造业的世界领先地位，把制造业发展战略目标瞄向21世纪。美国通用汽车和Leigh大学的Iacocca研究所在国防部的资助下，组织了百余家公司，耗资50万美元，花费1000人日，分析研究400多篇优秀报告后，提出《21世纪制造企业战略》的报告。88年在这份报告中首次提出敏捷制造的新概念。90年向社会半公开后，立即受到世界各国的重视。92年美国政府将敏捷制造作为21世纪制造战略。二、敏捷制造的定义在《21世纪制造企业发展战略》报告中，并没有给敏捷制造一个确切的定义，但专家们都强调，针对21世纪市场竞争的特点，制造业不仅要灵活多变地满足用户对产品多样性的要求，而且新产品必须能快速上市。“美国机械工程师学会”（ASME）主办的“机械工程”杂志94年刊中，对敏捷制造做了如下定义：“敏捷制造就是指制造系统在满足低成本和高质量的同时，对变幻莫测的市场需求的快速反应”。敏捷制造企业的敏捷能力①市场快速反应能力：判断和预见市场变化并快速反应的能力。②竞争力：企业获得生产力、效率和有效参与竞争所需的技能。③柔性：以同样设备与人员生产不同产品或实现不同目标的能力。④快速：以最短时间执行任务（如产品开发、制造、供货等）的能力。⑤企业策略上的敏捷性：企业针对竞争规则及手段变化、新竞争对手出现、国家政策法规变化、社会形态变化等快速反应的能力。⑥企业日常运行的敏捷性：企业对影响其日常运行的各种变化，如用户对产品规格、配置及售后服务要求的变化、用户定货量和供货时间的变化、原料供货出现问题及设备出现故障等做出快速反应的能力。三、敏捷制造的组成♣敏捷制造是在全球范围内企业和市场的集成，目标是将企业、商业、学校、行政部门、金融等行业都用网络进行连通，