机械设计制造中的并行工程.pdf

第 34 卷 2006 年第 12 期98Mining & Processing Equipment98通用网 络技术与信息技术的发展，使企业之间在技术开发、市场占有率等领域的竞争不断升级。面对这种挑战，应对策略是在企业内部涉及产品生命周期的各个过程之间实现集成化和由若干个企业集成为动态联盟这种更高级的竞争手段。并行工程 (CE) 是实现此策略的有效途径。本文对并行工程在机械产品设计与制造中的应用进行了探讨。1 现代制造技术的新要素机械制造业竞争的核心是产品，而产品的竞争目标随国民经济的发展而不断变化。以往机械制造业所追求的三大目标是：优质、高效、低成本，但随着国内市场经济的发展和国际市场的开拓，除增加交货期、服务两个要素外，又增加了环保这一要素，即绿色制造。随着知识经济时代的到来，知识创新这个要素也必将成为一个新要素。信息技术革命和以信息技术为主导的高新技术为机械制造业的发展提供了极大的技术支持，这导致了机械制造业的深刻变革。信息时代的现代制造技术及产业应运而生，现代集成制造系统 (CIMS) 技术及其产业正是其重要的组成部分。计算机集成制造系统(CIMS) 是现代制造技术、自动化技术、现代管理技术、计算机技术和信息技术相结合的产物，它包括了产品生命周期的各个活动。并行工程是集成地、并行地设计产品信息与过程开发的一种系统方法，强调各过程的整体性和协同性。应用并行工程，通过信息集成、过程优化及资源优化，实现物流、信息流、价值流的集成和优化运行，达到人 / 组织、经营管理和技术三要素的集成优化，提高机械制造企业市场应变和竞争的能力。2 现代集成制造系统的三类集成优化技术制造系统集成优化是 CIMS 技术与应用的核心技术。 CIMS 技术的发展可从系统集成优化发展的角度可划分为如下 3 个阶段：(1) 以静态的计算机集成制造 (CIM) 为标志的企业信息集成；(2) 以并行工程 (CE) 为标志的企业过程集成；(3) 以敏捷制造 (AM) 为标志的企业间集成。在这 3 个阶段中，企业信息集成始终贯穿其中。它是过程集成和企业集成的决定因素，并处于不断的研究发展之中。2.1 企业信息集成优化信息集成主要解决企业各个自动化孤岛之间的信息交换与共享，其主要内容有：(1) 企业建模、系统设计方法、软件工具和技术规范；(2) 异构环境和子系统的信息集成。理想的情况是所有 CIMS 信息应被并行地设计、构造和管理。但多数情况下，由于这些信息来源于早期的计算机辅助系统的各种异构数据，因而形成了巨大的信息孤岛。有限的信息共享、缺少数据交换和信息的不一致是这种系统的严重缺陷。解决信息孤岛问题的方法之一是建立一个信息集成系统 , 管理异构分布数据 , 以连接CIMS 中的信息孤岛 , 提供从设计、计划到制造的平滑的信息流动，允许多数据库间的信息自动交换与共享 , 保证 CIMS 数据源间动态数据的请求服务。关键之一是实现有效的信息集成。 CIMS 信息集成是对其信息系统中存在并活动于各个异构子系统中的异构信息进行集成，以便共享和优化运行。目前主要用 Intranet 、 Extranet 、 PDM 、集成平台和框架技术来实施。基于 CE 、 DFX 技术、软构件技术和 web 技术的集成框架已成为系统信息集成的重要支撑工具。2.2 企业过程集成优化传统的产品开发模式采用串行产品开发流程，设计与制造是 2 个独立的功能部门，缺乏数字化产品定义、 DFA / DFM 工具和产品数据管理；缺乏支持群组协同工作的计算机与网络环境。但是并行工程较好地解决了这些问题，它组成多学科团队，尽可能多地将产品设计中的各个串行过程转变为并行过程，在设计初期采用 CAX 、 DFX 工具，考虑可制造性 (DFM) 、可装配性 (DFA) 、质量 (DFQ) ，以减少返工，缩短技术开发与生产准备周期。并行工程的关键技术是：信息集成技术；过程建模及重组；面向并行工程的计算机辅助工具，如CAX 、 DFX ( 虚拟制造技术的一部分 ) ；支持并行作业的多学科的协同工作小组以及计算机网络支持下CSCW 和集成框架等。引进和应用 BMP 、项目管理、 MRP-II 与 JIT 相结合、 ERP 、精益制造等新的管理思想。2.3 企业间集成优化企业间集成优化是企业内外部资源的优化利用，实现敏捷制造，以适应知识经济、全球经济、全球制造的新形势。在技术发展日新月异和竞争不断升级的环境下，没有哪家企业可以在任何领域都占有优势，甚至在同论文编号 ： 1001-3954(200 6)12-0098-101机械设计制造 中的并行工程薛进学 * 孔庆华同济大学机械工程学院 上海 200092* 作者简介 ： 薛进学， 男， 1965 年生， 河南灵宝人， 毕业于中北大学机械制造及自动化专业， 工学硕士， 讲师。 研究方向为制造信息系统。机械设计制造中的并行工程第 3 4 卷 200 6 年第 12 期99Mining & Processing Equipment99通用一生产过程的各个环节保持技术领先都是不可能的，越来越多的企业认识到集中经济资源，发挥核心优势的重要性。许多企业集中精力在自己擅长的领域和有利环境中进行生产，把不擅长的业务外包给其他企业，实现了在供应链上的分工。从管理的角度，企业间实现企业动态联盟(Virtual Enterprise) ，形成扁平式企业的组织管理结构，克服“小而全”、“大而全”的缺点，实现产品型企业，增强新产品的设计开发能力和市场开拓能力，发挥人在系统中的重要作用等。企业间集成的关键技术包括信息集成技术、并行工程的关键技术、虚拟制造、支持敏捷工程的使能技术系统、基于网络 ( 如 Internet / Intranet / Extranet)的敏捷制造、以及资源优化 (ERP 、 Supply chain 、 E-B) 。在上述过程中，只有通过应用并行工程，才能降低交易费用、减少不确定性、实现优势互补等目的，以支约方式结合起来共同提高市场竞争力。3 基于并行工程 (CE) 的 CAD /CAPP 的集成优化下面以本人开发的塑料机械 CAD CAPP 集成系统为例，说明并行工程的具体实施方法。3.1 两种设计过程的差异同济大学机械工程学院在 20 世纪 80 年代首创了样件式 CAPP 系统，但无论是手工工艺设计还是这样的 CAPP 系统，只是设计手段和孤岛技术效率的变革。其主导思想仍然是传统的串行设计思想，即必须等到设计人员完成产品设计 ( 手工绘图或 CAD) ，工艺人员才能依据设计资料进行制造工艺设计。工艺设计过程中发现问题，经反馈、修改设计后重订工艺，如此多次反复，贻误商机。其过程如图 1 所示。并行设计过程作为一种先进的系统方法，要求面向产品的整个生命周期。如图 2 所示，并行性有两方面的含义：其一是在设计过程中通过专家把关，同时考虑产品生命周期的各个方面；其二是在设计阶段就可同时进行工艺 ( 包括加工、热处理、检验和装配工艺 ) 过程设计，并对工艺设计的结果进行计算机仿真，也可用快速原型法(RP) 制造出产品的样件。这种方式与传统的设计在设计部门进行、工艺在工艺部门进行已大不相同。并行设计过程，在设计之初，就充分考虑到后续有可能涉及的影响因素，随着概念设计、详细设计的深入，有关工艺、制造等相关信息也随设计阶段的不同，逐渐融入设计领域，力求避免在某一设计阶段完成后才意识到因工艺、制造等因素的制约而造成该阶段甚至整个设计方案的更改。这就要求有一种能保证各部门之间进行实时通讯的并行工作环境，没有这种环境，并行工程仍然无法应用。网络安全技术与网络信息技术为这一应用提供了技术支持。3.2 基于并行工程的 CAD / CAPP 集成系统的支撑环境计算机协同工作 (Computer Supported Coopera-tive Work ， CSCW) 是通信技术、计算机技术以及网络技术的融合，产生的新的研究领域。它是在计算机支持的网络环境下，一个群体协同完成一项共同的任务 (CW) ，目标是设计出支持各种协同工作的工具、环境与应用系统。 CSCW 使并行工程在各孤岛技术集成中的应用成为现实，具体实施时，还要考虑以下问题。(1) 软件技术规范与标准 设计、工艺阶段的软件工作平台不同，所形成的文件格式不统一。设计阶段主要以图形文件为主，而工艺阶段主要以表格、文本文件为主，利用产品信息模型和产品数据交换标准如 STEP 、 IGES 等将风格各异的工作环境和文档格式集成于一个统一的大环境中或从起始阶段就在同一软件平台上进行开发。(2) 产品生命周期信息共享 应用网络信息传输技术 (INTRANET) 将设计阶段产生的信息，适时地传输到其它相关部门，实现产品生命周期中各阶段信息的实时共享，以便并行统筹协调地工作。(3) 产品生命周期信息管理 随着企业产品品种、数量的不断增加， 图形、工艺信息量急剧膨胀，通过产品数据管理 (PDM) 系统，实现科学有效的信息管理，满足信息检索的要求。 PDM 应并行工程的需求日益受到重视。3.3 基于并行工程的 CAD / CAPP 集成系统体系结构分析利 用网络环境、 DFM 、 DFA 、 DFQ 等手段和技术，在设计阶段就将工艺思想、质量意识贯穿始终。即在设计阶段进行的同时，工艺部门就可以读取相应的工艺信息。根据这些工艺信息，既可以对设计过程实施工艺信息监控，又能为制造部门及时提供原材料和设备要求等信息。(1) 设计与制造一体化分析 此阶段，设计部门只能提供有关产品模型的初步构思及相应的原始设计方案，所包含的工艺信息虽是有限的、粗糙的，但工艺人员从这些总体工艺信息中可以把握设计者的意图和思路。如同与产品设计人员和工艺人员面对面地对设计方案从产品模型的功能、结构、制造工艺性和成本核算等方面进行综合评价一样，实质上就是从制造角度对设计方案进行总体把握。通过设计、工艺两方面的综合考虑制定的总体设计、工艺方案，将更加可行、优化。(2) 设计的工艺视角评判 随着各个阶段性设计工作的深入与细化， CAPP 系统要能保证实时地对设计的每一个细节加以评价，对从工艺方面无法实现或不太理想的设计，要实时通知有关设计人员，并根据设计意图提供合理化建议，将设计更改限制在最小范围内，其最终目的是通过设计阶段的多次“小反复”来避免传统串行工作模式中方案更改“大反复”所造成的各项损失。(3) 工艺方案 制订 在设计的不同阶段，设计部门提供不同级别详细程度的信息。所以，在工艺制订图 1 传统制造方式 图 2 并行工程制造方式机械设计制造中的并行工程第 34 卷 2006 年第 12 期100Mining & Processing Equipment100通用过程中，也要跟踪相应设计流程，分层次制订工艺规程。根据设计过程的进展，逐渐细化总体工艺设计阶段制订的工艺方案，直至形成具体可行的工艺规程。在该集成环境下，设计和工艺均面向制造现场，以实现产品的功能要求为最终目标，根据产品模型的功能要求和结构特点，始终将具体产品的制造环境、设备、工艺装备要求、相应零部件的制造工艺性评价及车间作业调度等因素贯穿于产品和工艺设计过程中，在设计过程中从工艺角度完成虚拟制造过程和产品的可制造性检测。使工艺不但指导实际生产，而且也指导产品设计，真正实现工艺作为沟通设计、制造环节的桥梁纽带作用。3.4 基于并行工程的 CAD / CAPP 集成系统功能分析根据图 3 的功能模型，在进行产品设计的同时，工艺部门就可以通过网络传输系统读取设计信息，在网络环境中实现设计、工艺信息集成化，进而优化。(1) 构建与获取资料库 基于网络环境的 CAD CAPP 集成软件系统能较好地实现功能集成、信息集成和过程集成。但是因为在 CAPP 过程中需要许多“人为”的创造性工作，还要用到人工智能的知识。CAPP 功能模块可基于数据库，最优的是基于 PDM子系统。(2) 基于 GT 编码系统功能名称的概念设计和初步设计 产品设计时，首先提取基于设计特征的成组技术 (GT) 功能名称矩阵，如塑料机械分类编码系统SB-1 等成组技术分类编码系统。比如，某一待设计零件的功能名称为“底座”， GT 代码为 “ 8 ”，那么在该零件设计过程一开始，设计人员在设计特征信息中就可以输入 “ 8 ( 底座 ) ” 和相应零部件号，利用数据库中关键字段，根据数据库中事先建立的基于本企业工艺特点的工艺标准“类”库，自动生成包含基本工序和典型技术要求的工艺模板文件 ( 此时的工艺文件只是一种框架性指导文件 ) 。(3) 基于并行工程的具体工艺设计 工艺部门通过网络系统可以在获得图形信息的同时，在工艺信息数据库中通过文件号将已经自动生成的工艺模板文件调出，同时利用关键字段 “ 8 ( 底座 ) ” 将本企业常用关于 “ 8 ( 底座 ) ” 的典型工艺路线和方法库 ( 如设备信息、工时计算或工艺技术要求等 ) 调出，从中选出所需信息，通过信息集成和再设计，形成详细工艺文件。这种工作方式实现了产品设计和工艺设计周期的部分重叠，极大地缩短了制造前的技术设计周期，而且在设计部门开展工作的同时，工艺部门通过网络系统，对设计工作的工艺可实现性进行监督和验证，并在发现问题后及时反馈，从制造可行性方面保证了设计工作的可靠性，大大消除了设计中存在的返工隐患。(4) 产品生命周期内信息的即时转移 在传统串行工作模式中，设计部门工作时 , 工艺部门无事可做；设计一旦完成，工艺部门紧张工作，而设计部门则要“坐等”工艺部门的“核查”结果，一旦工艺方面提出异议或存在制造不可行因素，则设计部门的某些方案或技术参数就要进行返工或修改。这种往返式的信息滞后交流，造成了极大的时间浪费。在本文介绍的 CAD / CAPP 集成软件系统中，以并行工程思想为指导，较理想地解决了串行工作模式中存在的信息“集中”转移的问题，将串行工作模式中各部门之间信息转移和理解消化的这段独立时间融于部门之间的周期重叠之中去，缩短产品上市周期、实现信息和过程的集成与优化。4 结束语以上只是 本人在开发塑料机械集成制造系统项目中的一些经验和体会。基于并行工程 (CE) 的 CAD /CAPP 集成只是过程集成的一部分。整个产品生命周期内各项活动的集成正处于不断的发展之中。发展趋势是：(1) 设计制造集成化 从当前的企业内部的信息集成和功能集成，发展到以并行工程为代表过程集成、并正在步入以敏捷制造为代表的实现企业间集成的阶段；(2) 设计制造数字化、虚拟化 从产品的数字化设计，发展到产品全生命周期中各类活动、设备及实体的数字化。在此基础上，虚拟化技术正迅速发展，主要包括虚拟现实 (VR) 、虚拟产品开发 (VPD) 和虚拟制造 (VM) ；(3) 设计制造网络化 从基于局域网发展到基于Intranet / Internet / Extranet 的网络制造，以支持全球制造策略的实现；(4) 设计制造柔性化 继续研究动态联盟、快速设计与制造、柔性可重组技术等，以实现敏捷制造；(5) 设计制造智能化 在柔性化和集成化基础上进一步发展，引入各类人工智能 (AI) 和智能控制技术，实现具有自适应、分布式、智能化、仿生性、敏捷性等特点的新一代制造系统；(6) 设计制造绿色化 资源、环境、人口是当今人类社会所面临的三大问题，绿色制造是一种充分考虑资源和环境的现代制造模式，是人类社会可持续发展战略在现代制造 业的具体体现。参 考 文 献1 陈炳森，张 曙 . 生产系统学 . 上海：同济大学出版社， 1992.2 James A.Regh,Henry W.Kraebber:Computer-IntegratedManufacturing(2nd ed.). China Machine Press ， 2003.3 赵汝嘉 . 先进制造系统导论 . 北京：机械工业出版社， 2003.4 郑 力，陈 恳，张伯鹏 . 制造系统 . 清华大学出版社， 2001.5 侯宏仑，孙守迁等 . 网络设计与网络制造 . 中国机械工程， 2001(1)6 武良臣，郭培红，赵俊伟 . 敏捷夹具设计理论及应用 . 北京：煤炭工业出版， 2003. ( 下转第 101 页 )图 3 CAD / CAPP 集成体系结构模型机械设计制造中的并行工程第 3 4 卷 200 6 年第 12 期101Mining & Processing Equipment101通用目 前交流电动机变频调速传动主要采用矢量控制和直接转矩控制的策略。 20 世纪 70 年代开始发展起来矢量控制技术是模仿直流电动机的控制，以转子磁场定向，用矢量变换的方法，实现了交流电机的转矩和磁通控制的完全解耦，然而转子磁链难以观测，并且系统特性受电动机参数的影响较大，以及在模拟直流电动机的控制过程中，所用矢量旋转变换的复杂性，使得实际控制效果难以达到理论分析的结果。这是矢量控制的不足之处。直接转矩控制技术是 20 世纪 0 年代中期继矢量控制技术之后发展起来的一种异步电动机变频调速技术，采用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标下，计算控制交流电动机的转矩，采用定子磁链定向，借助于离散的两点式调节 (bang-bang 控制 ) 产生PWM 信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。它省掉了复杂的矢量变换运算和电动机数学模型的简化处理过程，控制结构简单，控制手段直接，信号处理的物理概念明确，转矩响应迅速，限制在一拍以内无超调，是一种具有高静、动态性能的交流调速技术。1 直接转矩控制基本原理和结构1.1 基本原理调速系统的根本是控制转矩，而转矩控制的主要问题在于磁通的控制，异步电动机直接转矩控制只用到定子磁链。三相逆变桥的简化拓扑图如图。电动机的定子电压空间矢量为2343AOBOCOsseej/j/s jab=+=+uuuuuu (1)3 个开关函数为 Sa 、 Sb 、 Sc ， S( a， b， c) = 1 代表上桥臂导通， S( a， b， c)= 代表下桥臂导通，因此 us有个离散值，即 us (0 ， 0 ， 0) us (1 ， 1 ， 1) ，其中us (0 ， 0 ， 1) us (1 ， 1 ， 0) 为个非零矢量， us (0 ，0 ， 0) 和 us (1 ， 1 ， 1) 为零矢量。在 a - b 坐标平面上各电压空间矢量的分布如图 2 ，定子电压方程为sssddRi tY=+U(2)忽略定子电阻上的压降，电机定子磁链矢量可表示为sss0d iitt=+YYuu (3)可知定子磁链的运动方向基本是沿 us 进行的，其运动速度快慢由电压幅值 su 确定。当三相桥臂中点电压为正负 180 方波时