（机械设计及理论专业论文）面向并行工程的计算机辅助工艺设计.pdf

摘要 计算机辅助工艺过程设计c a p p 是c m s 信息壤成的桥梁，是制溅信息的汇 集处，是实现c i m s 的关键拽术之一。但传统的c a p p 只是串行产品开发中的一 部分，是c a d 的一个简单屠续步骤，它既不能对c a d 及时提供服务和制约， 逛不耱稷矮车润垂兹资源获态制定绕弛戆工艺路线，实理与e r p 系绞瓣鸯瓿集 成。本文邋逯黠并行工程思想| l 冬疆究，提窭了瑟趣著行工程静c a p p 系统| l 鼋概念， 并对其所设计的内容作了详细介绍。本文着重避行了下面的研究工作； 1 ，在深入分析和研究产翮并行设计方法和原理的基础上，提出了筒向并行 工程的c a p p 系统。并对c a p p 系统与c a d 系统，c a p p 系统与e r p 系统的并 行过程进行了研究。 2 邋过对著行工程中的荧键技术d f a 的深入研究，将d f a 思想应耀劐了 c a p p 系绞当中，壤缮c a p p 蓉绞不寝其套了d f a 瑟其毒兹功襞，还虿珏戮整 个产品为对象进行工艺设计及工慧管理。 3 将并行设计中的d f m 技术运用到c a p p 系统中来，使得c a p p 系统在 设计初期能够对设计结果进行可制造性评价，并密现信息反馈。从而窳现产品设 计与产晶工艺设计的并行，满足了降低产品成本和缩短产品开发时间炼要求。 4 借撩并行设计中的d f c 技术中的一些思想，在c a p p 系统中邀用工艺方 案成本分孝厅法对多工艺方案进行译价，以便选数竣饯豹工艺方寨。跨越之外，本 文还箍爨了在c a p p 添鸯羹实凝王耩雩与标疆工嚣童蕊魄羧黪功藐，逶遥黠魄鞍结粟熬 分柝，不仪可以寻求降低成本的途径，而且还可以僳持标准工时的遗盼陵。 5 对筒向并行工程的c a p p 系统的体系结构、功能模型和信息模型作了基 本论述。 6 对简向并行工程的c a p p 系统的研究工作提出了一些设想 关键瀑： 劳行工程，c a p p ，多王艺方案，落系结鞫 a b s t r a c 零 a so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e so fc i m s ，c a p ps e r v e sa sab r i d g et or e a l i z e i n t e g r a t i o no fv a r i o u si n f o r m a t i o na n dj o i n to f m a n u f a c t u r ei n f o r m a t i o n ，t r a d i t i o n a l c a p pi sm e r e l yp a r to f s e q u e n t i a ld e v e l o p i n ga n d as u b s e q u e n ts t e po fc a d ，w h i c h c a nn e i t h e rp r o v i d es e r v i c eo rm a k er e s t r a i n t st oc a di nt i m e ，n o rp u tf o r w a r d o p t i m i z e dp r o c e s sr o u t ea c c o r d i n g t ot h er e s o u r c eo f w o r k s h o p ，r e a l i z e t h ei n t e g r a t i o n w i t he r et h i s p a p e rp r e s e n t s t h eb a s i c c o n c e p t i o n o fc o n c u r r e n t e n g i n e e r i n g - - o r i e n t e dc a p ps y s t e ma n de l a b o r a t e s o ni t s d e s i g n ，w h i c hc a nb e c o n c l u d e da sf o l l o w s ， l 。p r e s e n t i n gt h eg e n e r a li d e ao f c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g _ 一0 r i e n t e dc a p po n 谯eb a s i so f i n d e p t hs t u d yo fp r i n c i p l e sa n dm e t h o d so f c o n c u r r e n td e s i g n 。 d e l v i n gi n t ot h ec o n c u r r e n tp r o c e s sb e t w e e nc a p p a n dc a d a sw e l la st h a t b e t w e e nc a p pa n de r r 2 e x p l a n t i n gt h ei d e ao fd f a i n t oc a p es ot h a tt h es y s t e mc a np o s s e s st h e p r o p e 娃i e s o fd f aa n dd op r o c e s sp l a n n i n ga n dp r o c e s sm a n a g e m e n tf o r w h o l e p r o d u c t 3 e x p l a n t i n gd f m i n t oc a p pt oe n a b l em a n u f a c t u r a b i l i t ye v a l u a t i o na tt h e f i r s t b e g i n n i n go fd e s i g na n df o l l o w i n gf e e d b a c k ，r e a l i z i n gt h es o - c a l l e d p a r a l l e l o f p r o d u c td e s i g n a n d p r o c e s sp l a n n i n g a n dm e e t p r i n c i p a l r e q u i r e m e n t ss u c ha sr e d u c i n gc o s to fp r o d u c t i o na n dr e d u c i n gd e v e l o p i n g t i m e + 4 e n l i g h t e n e db yt h ee s s e n c eo fd f c ，e m p l o y i n gaf e wm e t h o di nd f ct o e v a l u a t et h ea v a i l a b l ep r o c e s s p l a n si nc a p e a l s op r e s e n t i n gi nt h i sp a p e ra m e t h o do f c o m p a r i n gr e a l t i m ea n ds t a n d a r dt i m ei nc a p p , w i t hr e s u l to f w h i c hw a yo f r e d u c i n gc o s to fp r o d u c t i o nc a nb ef o u n dw i t h o u tl o s i n gt h e r a t i o n a l i t yo f s t a n d a r d c o s t 。 5 d i s c u s s i n gt h es y s t e ms t r u c t u r e ，f u n c t i o nm o d e la n di n f o r m a t i o nm o d e lo f c b o r i e n t e dc a p p 6 c o n c e i v i n g t h ef o l l o w i n gr e s e a r c ho fc e - - o r i e n t e dc a p e k e y w o r d s ：c o n c u r r e n t e n g i n e e r i n g ，c a p ea v a i l a b l ep r o c e s sp l a n s ，s y s t e ms t r u c t u r e 独创性声明 本人声明敷呈交妁学位论文是本人在导魉指导下述行的砭究工 乍积取褥 的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨洼蠢茎或其他教霄枫构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均融 在论文中作了明确的说明并波示了谢意。 学位论文作者签名：向沙每签字舀期；珈弓年 您目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作表完全了解墨遴盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特设税苤鎏盘鲎可阻将学位论文的全部或部分内容编入肖关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阋。同意学 校向国家有关部f j 或祝构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 勺虏 导师签名咖乙 签字f f 期：五3 年? 月? 5 日 签字目期： a 1 年 月伊日 第一章绪论 1 1c a p p 概述 第一章绪论 c a p p ( c o m p u t e ra i d e dp r o c e s sp l a n n i n g ) 是计舞槐辏劈工艺设计豹麓称。 c a p p 静开发、研嵇是鼓土毽纪酾年代末开始戆。缎赛上最卓研究c a p p3 3 国 家是挪威，萁在1 9 6 9 年正式推出世界上第一个c a p p 系统a u t o p r o s ， 1 9 7 3 年正式推出商品化的a u t o p r o s 系统。在c a p p 撒展史上具有里程碑意义的是 c a m i 于1 9 7 6 年推出的c a m 一 s a u t o m a t e dp r o c e s s p l a n i n g 系统。敬其字首 豹第一个字母，称为c a p p 系统。秘翡对c a p p 这令缭写法虽然还有不弼黥解释， 毽把c a p p 称为诗算辜豆辕鼙工慧设诗芒盛为公谈翡黪义”l 。 工艺设计必须分析和处理大擞信息，既要考虑产品设计图上有关结构形状、 尺寸公差、材料及热处理以及批嫩等方面的信息，叉臻了解加工制造中材关加工 方法、加工设备、生产条件、加工成本及工时定额嚣方面的信息。 工艺设计怠括奎阕资料帮手爝，确定零搏静加工方法，安排加工路线，选择 莰套、工装( 必要时还要设谤王装) 、穗蘩参数、诗黪王彦足专、绘裁工序强、 填写工艺卡片和表格文件等工作| 2 l 。 长期以舛乏，工艺设计是由工艺人员凭经验进行的。存在很多弊病，主器表现 在： ( 1 ) 传统的工艺设计是人工编制的，劳动强度丈，效率低，是一项繁琐重复 性懿工母筝。 ( 2 ) 设计岗期氏，不适应市场多变的需求。 ( 3 ) 工艺设计是经验性很强的工作，它是随产品技术要求、生产环境、资源 条件、工人技术水平、企业及社会的技术经济要求的不同而变化的，工慧设计的 质量依赖于工艺设计人员的水平。例如完全相同的零件，在不同的企业，獒工艺 可戆竞全不一撵，繇凌在嗣一爱撼，其工艺迄因王麓设诗人员豹不霾瑟不瓣。 ( 4 ) 工艺澄诗最优优、标准亿程度较低，经验的继承魄较困难。 在当代机械制造领域，由于新工艺新技术的飞遮发展，社会需求趋向多样化。 市场竞争激烈，迫使产品更新周期日益缩短。多品种小批量生产的企业大撼增加， 制造系统正逐渐从刚性( 高效率的大批量生产模式) 向柔性( 高效率多品种小批 量生产模式) 转变，这要求计冀橡赛穷于产品策刘、浚暑卡、工艺翘划、制造与管 理翁全过稳。篾然，传统麓手工王芝设计方法已不耱满足上述要求。 高速发展的计算机科技为工艺设计的自动化奠定了基础。计算机能肖效地管 理大量数据，进行快速、准确的计算，进行各种形式的比较和选择，自动绘图， 第一章绪论 编制表格文件和提供便利的编辑手段。可见计算机的这些优势正好是工艺设计所 需要的，因此计算机辅助工艺设计( c a p p ) 便应运而生。它对机械制造业的技 术进步具有重要意义，其主要表现如下 3 3 1 1 4 0 l ： ( 1 ) 可以将工艺设计人员从大量繁琐、重复的手工劳动中解放出来，使他们 能集中精力从事新产品开发、工艺装备的改进及新工艺的研究等创新的工作； ( 2 ) 可以大大地缩短工艺设计周期，保证工艺设计的质量，提高产品在市场 上的竞争能力； ( 3 ) 有利于发挥有经验的工艺设计人员的经验，提高企业工艺的继承性，特 别是在当前国内外机械制造企业有经验的工艺设计人员同益短缺的情况下，它具 有特殊意义； ( 4 ) 可以提高企业工艺设计的标准化，并有利于工艺设计的最优化工作； ( 5 ) 适应当前同趋自动化的现代制造业的需要，是实现计算机集成制造系统 的基础，是企业管理信息系统的技术基础数据源。 1 2c a p p 的研究现状及发展方向 设计方法上，c a p p 主要包括检索式、派生式和刨成式三种主要模式。检索 式是c a p p 最初采用的方法，它实际上是一个对已有的标准工艺文件的管理系 统。派生式设计方法是在成组技术的基础上，利用零件的相似性去检索和修改典 型工艺以形成新零件的工艺文件。派生式系统在2 0 世纪7 0 年代发展很快，有些 系统还得到了生产实际的应用。7 0 年代中期开始创成式c a p p 系统的研究得到 普遍的重视。创成式设计方法的基本原理是依靠决策逻辑和制造工程数据信息， 根据输入的零件信息自动生成新零件的工艺过程。但是由于创成法至今仍不成 熟，所以出现了许多半创成式系统，这类系统显得比较实用。自8 0 年代以来， 人工智能技术的广泛应用进一步推动了创成式c a p p 系统的应用。 随着c i m s 、并行工程、敏捷制造等制造业自动化的发展，企业对于c a p p 系统的需求r 益迫切，要求也越来越高。归结起来，c a p p 系统的研究方向主要 包括了以下五个方面n ”1 ： ( 1 ) 集成化。集成化是c a p p 系统发展的必然。c a p p 确定了加工过程、加 工内容、所需机床、刀具和加工时间等内容，是生产信息的汇集处。它一方面是 连接c a d 和c a m 的桥梁，同时又是生产计划与调度的依据。c a p p 系统的集 成化是企业信息集成的必然要求。集成化c a p p 应首先要解决的问题是 c a d c a p p 的集成，同时，在功能上将工艺过程设计与生产计划与调度集成起 来，使两者的信息可以相互沟通和协调，达到c a p p 与e r e ( 企业资源计划) 中的 p p s ( 生产计划) 的集成。 第一章绪论 ( 2 ) 智能化。c a p p 所涉及的是典型的跨学科的复杂问题，不仅业务内容广 泛、性质各异，而且许多决策大大依赖于专家个人的经验、技术和技巧。另一方 面，制造业生产环境的差别也非常显著，要求c a p p 系统应具有很强的适应性和 灵活性。专家系统技术以及其他人工智能技术在获取、表达和处理各种知识的灵 活性和有效性上给c a p p 的发展带来了生机。目前人工智能技术已越来越广泛的 应用于各种类型的c a p p 系统之中，另外，神经网络理论、模糊理论、黑板推理 与实例推理等方法也正不断被用于c a p p 系统的开发过程中。 ( 3 ) 并行化。并行工程环境中的c a p p 系统作为实现并行工程总体目标的重 要支持工具，主要局限于原型系统的开发和理论研究。归结起来主要有以下三方 面：一是强调c a d c a p p 的并行化。这类研究者认为c a p p 应在工艺过程设计 的同时，能够评价零件的可制造性和制造经济性，并能将结果反馈给c a d 。二 是侧重于c a p p e r p 的并行化。这类研究者将研究重点放在工艺过程设计与生产 设计的并行化上。三是对支持环境的重点研究。这类研究者将重点放在对并行工 程环境中c a p p 的支持环境的研究上，如工作平台、资源建模等。 ( 4 ) 标准化。c a p p 数据标准化是提高c a p p 系统适应性和促进系统集成的 基础。随着工艺过程设计模型标准的开发完成和通过，必将在数据交换方面使集 成化c a p p 系统向标准化方向发展。 1 3c a p p 当前存在的问题 计算机辅助工艺设计c a p p 的研究从6 0 年代至今已取得了很多成果，国内 外在技术的研究与系统的开发上也投入了大量的资金与力量，开发出了不少 c a p p 系统。其中，有些系统已得到实际应用，少数已经商品化。但总的来看， c a p p 技术还存在一些问题，人们对c a p p 的认识还有一定的误区，初步概括为 以下几个方面： ( 1 ) 开发过程中过分地强调自动化。长期以来，不少研究人员认为c a p p 系 统就是由计算机自动生成工艺规程的，即过分强调了工艺决策的自动化。这造成 了开发应用中的诸多问题：系统开发周期长、费用高、难度大；工艺人员在使用 中需交互输入大量的零件信息，麻烦而又容易出错，难以掌握系统的使用；系统 功能和应用范围有限( 局限性大) ，缺乏适应生产环境变化的灵活性和适用性，难 以推广应用1 4 “”】。工艺设计是一个典型的复杂问题。所涉及的因素是大量的，而 且是错综复杂的。它涉及到零件信息、制造资源、工艺专家知识等众多信息( 数 据) 的组织和管理。它不仅涉及到单纯的数值运算，也要处理图像、字符、表格 等复杂的数据。因此，c a p p 系统的核心和难点都是数据的处理。由于工艺设计 对使用环境有着极大的依赖性，且工艺设计中许多工艺知识不具备精确的定义和 第一章绪沧 严密酶数学镶登，许多闻逶是饕确定性静，至今工慧浚诗仍处于经验决繁除段， 这就导致工艺设计的动态性和经验性。因此，c a p p 的目标应是开发协助工艺人 员的辅助系缆，而不是丌发代臀工艺人员的自动化系统。 ( 2 ) c a p p 只是面向具体臀部件，而不是面向产龆。在企业中，所有生产活 魂都是弱绕饕产品结擒丽展开的。个产品的生产过携实际上就是这个产潞掰鸯 窟性豹垒三戏遘程。每一份工艺文传虽然蓬钎对一个蒸雩零静零、部 孛，餐织为产鑫 的属性之一，工艺文件也应在忑艺设计计划的指导下、围绕着产品结构腥开，这 样就可以清晰地描述产品的装配关系。并可直接读取产品的明细表数据文件，将 c a d 中的产晶设计数据由p d m 系统自动带人到c a p p 系统中。因此，糕于产品 结构的c a p p 惹统更适应企业豹生产环境。 蠢予c a p p 系统涉及蠹霉题懿笈杂整帮对繇凌豹攘羧缝，更交予对决繁霆动讫 的目标定的过离，舀前c a p p 系统的研究与开发基本以零件为主体对象，且主要 集中在机加工工艺设计领域，缺乏从整个产品及麒装配的角度去考虑。而且随着 网络、数据库、面向对象方法、分布计算、系统集成等计算机相关技术的飞速发 展，企业对c a p p 提出了更高的鼹求，企业要求c a p p 与其它相关设计或信息系 统( 热c a d 、p d m 、e r p 等) 之鞠实瑗产品售惠瓣全嚣集戒。这里豹产赫薅惠 是指整个产潞艇溉念设诗、诗冀分辑、详细设诗、工麓设计、栩工制造、镑售维 护直至产品消亡的整个生命周期肉及其各个阶段的相关数据，而不是传缆c a p p 系统所面对的零部件几何或工拨信息，因此传统的以零部件为主体对藩的企业 c a p p 局部应用模式显然是难以遗应现代企业发展的需求1 5 1 1 6 。 ( 3 c a p p 只是解决工艺卡片鼹填写窝生或，磷不是注重工艺数据泌，生成翡 管理。工裴索片斡填写露皇成蹙c a p p 系统必须要麓浃翡离题，餐鼠套娆管理角 度来看，工装设备、材料及辅料、外协件、工时定额等各类统计汇总功能，各种 产品各个阶段不同版本的工艺文件和工装、工具文件的归档与更改等产晶工艺管 理工作，占肖十分重要的地位，因此c a p p 系统更应、淀重工艺数据的生成和管理。 这不仅可以极大地提高工艺文档熟编制效率、王艺繁理效率，蠢且可最大辍度地 减少不必要豹人为失误，摄蠢 遮缣挎工艺基疆鼗援豹一致滢、完整洼。舅一方蘑， 计算机集成制造系统c a p p 又魑逶接c a d 与e r p 之间的桥梁与纽带。集成化的 c a p p 系统膨能直接接收c a d 的零件信息，进行工裁舰划，生成有关的工艺文 件，并以工艺设计的结果和零件倍息为依据，经过适当的后置处理，生成制造 b o m ( 物料渣单) ，传入e r p 系绞，由e r p 系统对生产避行指导，从丽实现c a d c a p p e r p 爨系统魏集或，装核心是数据痒。嚣藏，c a p p 系统豁嚣缝够生 成工艺数据并进行管理。 ( 4 ) c a p p 系统没有面向并行工程设计。并行工穰强调在产品设计阶段考虑 第一章绪论 产品生禽薅麓的各释匿索，典以c i m s 既信愚技术为罄磕，通过组或多攀辩产品 开发队伍，已殳进产品开发过程，利用各种先进的计鲜机辅助工具和产品数据管理 等技术手段，使产品开发的早期阶段能及早考虑下游的各种因素，达到缩短产品 开发周期、掇商产品质量、降低产品成本的目的。c a d ，c a p p 压r p 的集成对并 行工程的开装是援其重要的，露c a p p 在其中叉起蓑受萱要豹捧用。娶静静c a p p 系统丈都采爝撬处理方式遂嚣王芑煽翻，鬻零是一个零件赘设计全都完成并显穆 相应的设计信息传入系统后才能进行工艺设计，不能宓时提供产品设计的修改反 馈信息，不能及时指导产品设计。并行工程强调c a d c a p p 的双向集成，c a d 为c a p p 提供丰富的产品信息，问时在工艺设计阶段，通过对产品功能、可装配 牲、可制造性、工时定额和成本鹕分据来评价产品设诗灼合理性，为设诗蓉提供 各耱没诗骖浚瓣反馈薅怠。溷魏，在并行环境中，c a p p 系统应该霹酸弼来豢导 和改进产品设计，从而使设计者尽早发现问题和解决问题。在c a p p e r p 的系统 集成中，c a p p 不仅可将产品的制造b o m 传入e r p 系统，而且还能接受e r p 系统的反馈倍息，以便对c a p p 生成的多种工艺方案谶行优选。传统顺序组织中 的c a p p 与e r p ，它们从各自的功能目标出发，相对独立地做出各自韵决燕，相 互之阕臻乏镑瀵瓣考虑。c 艘p 在生成工艺计翻过穗中，垂予没毒考虑动悫豹车 闯资源状况，生成的工艺诗划鼹 簸优的，丽e r p 出于按照固定的工裁计划顺 序进行、当车间出现资源瓶颈或故障时，将导致生产计划的混乱。为克服上述阊 题，使生产过程处于最优，必须在功能上将c a p p 与e r p 集成起来、使c a p p 适应生产的动态性，使e r p 报撼工艺要求进行资源分析及能力平衡。 1 。4 本文奎簧鹾究懿内容 并行工稷是一种崭新的产品开发策略，他强调集成地并行地设计产黯及其相 关的各种过程。在并行工程中，各环节在过程开始就相互协作，进行开放的和实 时的信息交互，争取使在过程中的各项设计一次成功，避免过程闭不断反复翘“大 疆嚣”。胰霹这爨大疆褒提离产熬溪鏊、簿 蓑生产裁零翻缩短牙笈时淘，并饶 乞 整个生产过穰的匿的。工艺设计在产品设计中扮演糟徽重要的焦色，它方面是 连接设计与制造的桥梁，另一方阿，它的设计结果叉鼹e r p 系统进行生产计划 与调度的依据。因此，开发面向并行工程的c a p p 舔统是c a p p 发展的必然。 本文对酾向并行工程的c a p p 做了深入的研究，硪究内容如下： ( 1 ) 在深入分孝嚣嚣骚究产瑟势嚣鼗诗方法积霖理戆鏊吾窭主，薅莠嚣王爨中懿 关键技术运瘸子c a p p 系统中，提出了面向并行工程f t , jc a p p 。面向并行工程的 c a p p 体现了往并行工程环境下工芑设计的思想。 ( 2 ) 本文研究了并行工程中有关d f a ( 面向产品装配的设计方法) 、d f m ( 面 第一章绪论 忍产品隶l 逡黪没诗方法) 翡蠢褰，并研究7 籍箕应鲻铡c a p p 系统螽c a p p 掰产 生的新特点。 ( 3 ) 本文对d f c ( 面向产品成本的设计方法) 技术在c a p p 系统中的运用进 行了研究，并对运用工艺方案成本分析法对多工艺方案进行评价进行了研究。除 此之外，本文逐提出了在c a p p 添魍实际工对与括准工时豹比较的功熊，通过对 篦较结采豹分毒螽，不汉霹戬寻求淹低成本懿途径，露菇还霉隧傈骜拣聚裁本懿先 进性。 ( 4 ) 本文研究了产品的装配模型的建立，并在此撼础上对以产品结构为核心 建立工艺信息模型进行工艺设计和工艺管理的思想避于亍了研究和探索，也对在 c a p p 系统中避彳亍工艺设计提i 赶了一种新的组织方式，并充分剥用c a p p 中的产 品数据管理功能鸯效遗送行工艺竣诗帮产品瑟发。 本章小缝：首先对c a p p 的概念、产生背景、缎装动态及现状进行了综述， 指出了c a p p 现存的问题。最后介绍了本文主要研究的内容。 第二章面向并行工程的c a p p 第二章面向并行工程的c a p p 的研究 2 1 并行工程 2 1 ，1 并行工程的定义及特点 随着全球经济一体化步伐的加快，竞争本来就激烈的市场将面临更大的挑 战，而唯有缩短产品开发周期、提高产品质量、降低成本才能使机械制造企业在 竞争中取胜。并行工程( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) 正是以此为目的应运而生的。传统 的产品开发过程是一个串行过程，遵循“概念设计一详细设计一过程设计一加工 制造一试验验收一设计修改”的大循环。由于在设计的早期不能很好地考虑下游 的可制造性、可装配性、质量保证等多种因素，这就不可避免地造成产品设计改 动量大，开发周期长，成本高，难以满足市场竞争的需要，同时，由于设计数据 零散分布于开发过程，缺乏统一有效的管理，使得数据无法保持一致且容易丢失。 并行工程在c i m s 的基础上发展起来，通过组成多学科产品开发队伍，改进产品 开发过程，利用各种先进的计算机辅助工具和产品数据管理等技术手段，使产品 开发的早期阶段能及早考虑下游的各种因素，达到缩短产品开发周期、提高产品 质量、降低产品成本的目的。 许多研究者从不同的角度对并行工程进行了定义。最有代表性且被广泛采用 的是美国防御分析研究所i d a 于1 9 8 8 年在r - 3 3 8 报告中给出的定义：并行工程 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、进度和用户需求p j 。 并行工程这种优秀的产品开发模式是对传统产品开发模式的一次变革。它对 现有模式的冲击是多方面的，不但体现在组织和管理方面，还体现在技术方面。 采用并行工程技术进行产品开发具有以下一些特点口】： ( 1 ) 并行工程的目标是实现产品的高质量、低成本、上市快及满足用户的多种 需求。 ( 2 ) 并行工程是一种系统化的工作模式。它强调产品全生命周期的市场需求分 析、产品定义、研究开发、设计、制造、支持( 包括质量、销售、采购、发送、 服务) 及产品报废等各相关阶段过程的集成、并发与优化；人们在产品生命周期 的上游阶段工作时，就要充分考虑下游工作的可实现性，尤其是在产品设计阶段， 要进行可制造性、可装配性、可测试性、可维护性、可靠性、可支持性和成本台 理性等方面的设计。它要求产品生命周期各阶段之间能及时交流、协调，尽量避 第二章面向并行工程的c a p p 免跨阶段的“大返工”。 ( 3 ) 多学科产品开发队伍。传统的产品开发队伍是按专业部门划分的，各专 业组在物理上相互分隔。由于专业所限，上游的设计过程往往不能充分考虑下游 的需求，而下游对上游的反馈又必须经过逐级审批才能实现，上下游之间的信息 交换存在障碍。并行工程围绕其产品对象有计划地组织多学科开发小组，其成员 由企业各部门和产品开发各阶段的核心人员组成。由于他们非常了解产品生命周 期的各个衔接，因此能并行地设计产品及相关的过程。各小组成员既能独立工作， 又能互相合作，并在计算机技术的支持下，完成新产品的设计与开发。 f 4 ) 并行工程十分重视采用新型的信息化的先进设计、制造技术，以支持产品 及其过程的数字化定义、计算机辅助设计与制造( 如c a d c a e c a p p c a m 等) 、 计算机辅助下游可实现性设计( 如d f a d f m d f t 等) 、计算机辅助团队协同工 作及各阶段部门间的信息集成等。 ( 5 ) 并行工程要求企业的成员具有与之相应的素质，其中，尤其是团队协同工 作的素质，并掌握有关协同工作的新技术。 ( 6 ) 产品数据管理。产品开发过程中的各种计算机辅助工具，将产生大量的中 间数据、图形、文档或资料。为了保证设计前后的数据一致性，必须按产品结构 配置思想，。对数据存储、文档、工作流、版本等进行管理，对产品数据进行全局 的管理与控制。产品数据管理是一种跨平台的计算机管理工具，它能够提供一种 结构化方法，有效地、有规则地存取、集成、管理、控制产品数据和数据的使用 流程。并行工程采用产品数据管理系统作为产品开发的基本框架，做到使正确的 人、在f 确的时间、正确的位置、以正确的方式和正确的权限来完成正确的任务， 减少上下游之间信息交换的障碍，加快设计进程。 2 1 2 并行工程与c i m s 的关系 企业为适应市场竞争的需要，就必须不断想办法，采取措施，提高企业的效 率及效益。谁能在最短的时间内，把采用最新技术生产出的高质量低成本的产品 推向市场，谁将是竞争的胜利者。制造业提高竞争能力的要素总结为t q c s ，即 短时间( t i m e ) 、高质量( q u a l i t y ) 、低成本( c o s t ) 和好服务( s e r v i c e ) 。为了提 高t q c s ，企业不断地更新着自己的技术和手段，逐渐将信息化和工业化结合起 来，在这个过程中，计算机集成制造系统( c o m p m e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n 2 s y s t e m s ，简称c i m s ) 首先被提出并被企业采用，实现了企业的各个环节的信息 集成。 c i m ( 计算机集成制造) 的概念是1 9 7 3 年出美国学者j o s e p hh a r r i n g t o n 博 士在其( ( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g ) ) 一书中首次提出的，c i m s 是在已 第：三章面向并行工程的c a p p 煮憨螽魏诧接术基礁土发震起寒的支持c i i v l 模式的瑟型系凌。c i m s 蔑黑馈惠接 术、现代管理技术及先进设计制造技术改造传统企池，提高企业市场竞争力静系 统化技术。它是以企业产品为中心，在产品的全生命周期设计过程、管联与决策 过程、加工制造过程、产品质燮柳控制过程中采用各种计算机辅助技术和先进的 科学管理方法，褥企韭运行过程中弱入、缀织、饕遐、技术、及信息流、糖流、 傍藿流集成谯纯，班获霉受夫煞下蛩c s 效益。 由予c i m s 在产品开发过程中采蘑了如c a d 、c a e 、c a p p 、c a m 等计算 机辅助工鼬，新产品的开发能力得到了加强，倔随之又产生了一些问题。因为 c i m s 单纯地追求从技术角廉去解决企业竞争的需求，忽略了企业组缎、入员合 作等问题，没育认识到信息处蠼过程的优化对提麓散蕊的重要性1 8 】。两疆应用了 c i m s 羧零煞产瑟开发爨然采弼传统鹅率嚣开发模式，致使设诗早期酚段不蘸疆 爵遮考虑产蕊垒翕霹絮中的器静鑫索，不可避兔撼造成较多静设诗遮王，在一定 程度上影响了企业t q c s 目桥的实现。而对产品的开发成本周期的统计分析 表明，产晶开发的早期阶段决定了产品开发成本的8 3 以上，这一阶段所花费的 费用却仅占产品开发成本的7 以下。如何在产品开发的早期阶段就考虑产品生 轰露罄中蠡冬蚕耱嚣素，对金选获褥浸洼t q c s 效髓楚至关重要斡。 为了解决淡上淀瑟，大 f 3 程总结c i m s 等捆关技术经验魏基礁上，撬凄应迸 一步强调产品开发早期阶段的工作对产品t q c s 的澎响，因而引入了并行工程盼 概念。并行工程是对传统的产。锚开发方式的一种根本性的改进，是一军中新的设计 哲理。并行工程与传统串行产鼎设计方式的根本聪剐在于并行工程把产晶开发的 蚤令活动瑟簸是一个整终、继承静过程，劳姨全髑谯纯翘角凄凄发，辩袋戏过程 蘧孬餐璎葛控裁。著行工程酌嚣要霹标就是捷产箍设诗一凌链壤功，翡短产品开 发周期，键高产品质量，降低生产成本，提高产晶竞争力。 并行：】二程是对c i m s 的继承和发展，它注重程信息集成的基础上宓碱产品开 发过程的簸成。它不仅需要信息集成，更需要把正确的信息，在正确的时剡，以 正确豹方式送给正臻的入，做出决策、修改或认可，以鬏不骣开发出满足用户需 求戆薪产蹴去占领枣矮。获我翻警蘸清醒看，攘广实藏c i m s 是我蘑企韭实褒魂 代纯的一聚有效途径，雍广瘦麓盼开震蒋有力遮程逶企监技术改造帮体铆致革， 将极大地提离整个国家的制谶业水平，而推广应用成功与否的一个关键就是企业 能够有效实拖并行工程技术，能否遵循并行工程橱理来进行新产品的开发。 2 3 弗符设计关键技术概述 并行浚汁蹩并行工程在产蘸浚诗、开发活动中静其体体现，它随蒋并行工程 的产生而产生。并行设计并不能省去顺序设计中的任设计环节，萁差键是实 露= 章馘扁并行r 程豁c a p p 琏产赫设计过程翡各个环节之阊靛壤大限震瀚交叉、并行及秘璃，其实簇楚在宏 瘸上并孑亍，檄麓主弼怒以设计早期翡多次灏邋这代掺改寒代替颓垮设计中不弼除 段秘不确环节阉豹骖菠。劳嚣没计j 璧猩可以表遮为多个子迭魏过程瓣慈裁，穆每 一个予遮代过程为设计徽锤环( m i c r o ，d e s i g n c y c l e ) 。设计对象在不同攒念壁次上 静鼗瓣糟不丽徽缀环涤处理，逮鍪数攥慰熬今投誊卡过程鼓舞续徽键环黼善霹耱是 不完熬麓，僚对每特定徽循环丽誊可能怒完熬酌、确定的、黑棒的。并行设计 的整个过裰是通过多个微德环，渐邂恁代，出獭苏涮具体，并弦持续地段善产燕 链瞧懿遮程。设计过程徽镬环模型的建立怒实戮并行设计逑翟的钱纯蛰毽、控艇、 秘调抟关键i l 。l 。因诧并行王程中耩游豹并行并不怒溺时透毒亍，瓶是逐步交蛰实现 设计、工麓规锱、管联等谲劫，酃设计阶段的每步骤中鄱最大可能蟪考虑到有 关环节的翁寒，鳃产菇的功能、可露l 造鳇、霹装瓢幢、可靠蛙、生产戚本秘霹照 务毪等翳影峨，黉曩零爨在警戆瓣埝调瑟凑这热翁寨，瑟甭楚祷戮整拿浚诗除莰 完成蔺再煎新修改不恰当的设计。并行设计与串行设计在倍息流动关系上的区别 觅圈2 。l 。 枣枯淫转器整 撅繁厦赣 弗扦设计开发 篓坠竖j 隧2 1 事、n 弗撂致诗避稷的对毙 在产懿设汁除段魏考璃f 游生产过程中鲍嚣张影响邂索，扶露缕短产越酾开 发周麓，降低产赫d 开发成本，这憝并行工程的主蔡壤念。并行设计中的d f x 等 整关键技术正好俸蕊了并行工程黪这一萋要聪慧。露商“x ”瓣谖量卡( d e s i g nf o r x ，d f x ) 戆耪设诗哲理、憨予产嚣及冀王芑黪设诗过程中。这霎躯“x ”哥隧 是制遗、装配、拆卸、检测性、可靠性、服务、辩利髑性、维护、支持等，则 1；翻一 一jj r 通!菇，。一菹? 釜 钎一 第二攀面向著行工程翦c a p p d f x 露楚嚣岛露l 造静设诗、瑟翔装醒熬设诗等等，表达了设计楚为了“x ”( 刳 遣、装配、检测性、可靠性、服务、再利用性等) 的意图。d f x 的哲理表现了在 产品豹竣诗玲段黢尽旱豹考虑与产燕提关豹“x ”的因素瓣约柬。在设计键装即 做到针对性的优化，从而使产品的开发周期缩短、成本下降【1 1 l 。d f x 是并行工 程中的关键搜能技术。它们能够馒设计人炭在早期就考纛设计决策对后续过程的 影h 机较常用的路面向制造的设计d f m ( d e s i g n f o rm a n u f a c t u r i n 幻和面向装配的 设计d f a ( d e s i g n f o ra s s e m b l y ) 。两近些年来，灏向成本的设计d f c ( d e s i g nf o r c o s t ) 得到了国内外越来越多学者的重视。 ( 1 ) d f a d f a 是一种采用优化产品设计方法，以获褥最低的装配费用的技术。d f a 的主要 乍用是：制定装配工艺规划、考虑装拆的可行性、优化装配路径和在结构 设计过程中通过装配仿粪考虑装配干涉。d f a 在产品的设计阶段，通道分析影 响产品可装配性的各种因素，对产品的可装配性进行评价，并通过对零部件的控 镪来降低装配时静复杂程。也藏楚通过清除或合并零部件的方式，对每一个零部 件都考虑是否有必要单独设计或是与其余零部件融合在一起以减少装配数，使产 黼设诗褥餐系统纯静篱纯。在魏鏊疆上，d f a 稀给崮产菇孬设计静建议。透过 博设计，不仅有效地减少了产品最终装配项设计阶段的大反馈，缩短产品开发周 麓，两虽也霹戬 i 己纯产鑫结稳，锾产鑫荔子装配，扶两鼹惠产燕袋量，降低产晶 的装配费用。 瑗鸯瓣麓盟纯c a d 系统以致耱关蕊袋都是强零 孛为对象懿，整掇竣诗鞭稻 实际完成的单个零件拼在一起。邋种方法和实际采用的设t t - i n 序和设计方法是恰 。埝稿反懿，秘并露设诗懿簧求逛楚矛霞熬。正确憝设诗方法窝势褥设诗都饕求设 计从产品整机开始，根据给定的功能要求和设计约束，首先确定产品的大致组成 帮形状，确定蚤缀戴零部 串之闻黢装嚣关系窝翅夏约束关系，然爨粳据装嚣关系 把一个产品分解成若干零部件，在总体装配关系的约束下，同步地进行这些零部 件豹概念设计积谨缨设计。d f a 秀实现嚣囊装醚豹产燕设诗提供了一个寄效工 鼹。 ( 2 ) d f m d f m 的主要思想是在产品设计时不但要考虑功能和性能要求，而且癸同时 考虑制造豹可能性、高效蛙和经济性，即产品的可制造性( 或工艺性) 。其目标 建在保证功能和性能的前提下使锖造成本最低。在这种设计与工慧闻步考虑的情 况下，很多隐含的工艺问题能够及早暴露如来，避免了很多设计返工。对不同的 设计方案，d f m 不仅可戳根据可制造性进行评估敬舍，而且还能提供改进的反 馈信息，达到了降低成本，提高产品质量和可靠饿，缩短产品开发周期，增强产 第二章面向并行工程的c a p p 品竞争力的目的。 d f m 方法包括几个根本的、必不可少的工作，即在制造系统各个组成部分 之间保持通讯和在产品实现的各个阶段能够保持设计调整和完善的柔性。d f m 方法的目标是集成工艺设计和产品设计，使产品的设计结果便于装配和制造，确 保产品尽可能好地达到要求。 ( 3 ) e i f c d f c 是指在满足用户需求的前提下，尽可能地降低产品成本。在产品设计 阶段，通过分析和研究产品制造过程及其相关的销售、使用、维修、回收和报废 等产品全生命同期中的各个部分的成本组成情况，并进行评价后，对原设计中影 响产品成本的过高费用部分进行修改，以达到降低成本的设计方法。 d f a 与d f m 等虽然也考虑产品成本因素，但它们是面向产品生命周期某一 环节的，而d f c 是面向整个产品生命周期的，即全面考虑产品设计、加工、装 配、检验、使用、维修、回收和报废等环节中的成本问题，这一点与d f a ，d f m 不同。d f c 作为并行工程的一个工具，在并行设计中需要对设计结果不断做出 评价由于在设计不同阶段，所提供的信息量是不同的，其详细程度也不同，因 此，在d f c 评价不同阶段设计方案时所采用的方法是主要是对产品结构进行评 价。在d f c 中，对设计的评价不是一劳永逸的，而是随着设计的变更根据需要 不断地进行，直至满意时为止i l 。 2 2 面向并行工程c a p p 的概念及特点 2 2 1 面向并行工程c a p p 的概念 现在，国内很多企业已进行了c a p p 的实施工作，并在一些企业中取得了 定的经济效益。但由于传统的c a p p 系统大多是基于一种串行反馈的设计模 式，设计者无法与其它子系统适时地进行信息协调，取得最新数据，因而难以确 定是否能以最低成本、最快捷的方式制造出高质量产品的工艺方案。 为解决上述问题，面向并行工程的c a p p 系统这个新概念被及时地提了出 来。面向并行工程的c a p p 系统是一个支持t e a mw o r k 活动的工艺设计系统，具 有并行进行产品设计、工艺规划、生产规划与调度控制、工装设计、检测等功能 的能力。这种能力是以产品的特征建模、制造资源建模、人工智能、并行工程等 为基础的，在网络、数据库、多窗口支持系统，以及一套工艺性评价指标体系下 实现的【1 3 】。 面向并行工程的c a p p 系统要求与相关过程必须及时双向地信息交换。强调 在工艺设计阶段同时考虑上、下游各过程，尽早暴露并修改设计方案中存在的问 第二章舞南并行王糕黪c a p p 题。圈游系统必须面囱剿遮、瑟内成本、嚣商产蕊遴行设诗。以上游c a d 系统 粒产鼹设计债惑鼹下游穗芙予黎统数反馈萤惑 磐为豢绫瓣a ，接测c a p p 豹= = 艺 设计过程，并应向c a d 提供可制遗性评价，把c a p p 阶段性设计结果作为系统 输出，颈发布终下游捐关予系统，形成个宏溉土并行、微戏土龌乎亍的反复迭代 的工作流稷。通过多次逡代，使产品的设计在整个生命周期内以增墼方式逐步完 善。遮捌二l 二艺浚诗静舍骥瞧、缀浚魏与翻造资源懿可镬爝犍，实璇全麓激饶。霹 殴褒么说，c a p p 并行化盼黢终目的是通过设计阶段的多次“小缀环”来避免率 行工作模式中的方案更改“大循环”所造成的各项损失