并行工程在先进制造技术中的应用

并行工程在先进制造技术中的应用

摘要

在市场经济大潮中，企业之间的竞争主要是交货期、质量、成本和服务，即所谓的TQCS(Time，QuaIity，Cost and Service)之间的竞争。并行工程的思想改变了传统的生产管理模式，经过精心组织，能够有效地缩短交货期，降低生产成本，改善产品质量。因此，一经提出即成为众多企业革新的主要内容，也成为许多企业赢得竞争的法宝。

关键词：并行工程；CAx； DFx；过程建模；结构化分析

并行工程的提出

传统的产品开发过程是按顺序从上一个部门递交给下一个部门，每个部门则根据各自的需要或工艺特点对产品进行修改，这种方式被形象地称为“抛过墙”设计开发过程或串行工程。由于这种方式在设计时不能全面考虑后续环节的各种合理要求(如制造性、装配性、测试性、质量保证等)，因此到达下一环节后不得不对原设计方案提出修改意见，再返回上游环节进行修改。这种状况有时候会在同一个环节中反复多次，以致于大大延长产品的开发周期，而且在部门协调过程中不可避免地造成对原设计方案大的改动，假如部门之间的要求一时难以协调，那么所制造出来的产品必将存在较多缺陷或隐患。这种方式的长期有在无疑将削弱企业的信誉和竞争力，甚至导致一个企业的破产和倒闭。因此，面对日益激烈的竞

争，各个企业都在寻找一种更加能够适应市场需求的产品开发模式。

研究表明，产品成本的70％是由概念设计阶段确定的，而概念设计修改只占总费用的7％一10％，后续环节的修改费用则是上游环节修改费用的10倍，如详细设计的修改费用是概念设计修改费用的10倍，生产工艺制造阶段修改费用是详细设计修改费用的10倍。也就是说，在产品开发过程中把一个问题带入下一个环节将导致产品成本成倍提高，如果可以在产品开发初期就很好考虑后续环节的需求、并认真予以解决，即改变原来把产品开发只作为研究开发部门的任务的组织模式，认为产品开发是设计、工艺、制造、销售、维护部门之间的直接触合，组成产品开发小组(Teamwork)，那么不但可以降低成本，还可以大大缩短产品开发周期，改善产品质量。这就是并行工程的主要思想。

并行工程的定义与内涵

1．并行工程的定义

并行工程 (Concurrent Engineering，CE) 也称并行设计(Concurrent Design)或同步工程(Simultaneous Engineering)，实际上是一种以动态优化方式处理问题的系统工程方法。美国防务分析研究所在1998年l 2月提出一个定义：“并行工程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，包括创造和支持过程。这种方法力图使产品开发人员从一开始就能考虑到产品从概念设计到产品报废的整个产品生命周期中的所有因素，包括质量、成本、作业调度及用户需求。”从技术层面理解，并行工程是建立在信息集成基础上的优化运行模式，它为先进制造技术的总体优化提供了新的技术集成思想。

2．并行工程的目标

并行工程的主要目标是：提高新产品开发全过程，包括设计、工艺、制造、销售服务等的质量，降低新产品整个生命周期的成本，包括产品设计、工艺、制造、发送、支持、客户使用乃至产品报废等成本，缩短新产品研制开发周期，包括减少设计反复，降低设计、生产准备、制造及投放市场的时间等。并行工程方法确信质量的提高是改进过程的结果，认为改进设计、制造和支持过程是整个企业永无止境的任务。

3．并行工程的内涵

并行工程是适应短开发周期要求的产物。由于从产品开发到占有市场的整个周期越来越短，新产品必须凭借其准确的用户需求预测、高品质和富有竞争力的价格才能命中市场。新产品的设计要综合考虑各方面团素，首先最重要的一环是用户的要求及其优先权，他们将决定产品最终的成功与否。如果对目标用户的要求进行很好的定义和归档，所制定产品的技术要求就可以围绕用户的需要进行。对制造部门来说，并行工程意味着为获得最低的生产成本和最高的产品质量而制定新产品的技术要求和制造公差。由于制造过程经过丁严密的论证，并且运用了过程统计控制和全面质量管理工具对其进行监控，产品在提交制造部门后，能够以最经济、最合理的方式得以实施。

4．并行工程战略

并行工程战略是把CAD／CAE／CAM的集成化和制造性设计结合起来，在设计的初期就把制造因素考虑进去。这个战略的组成部分有：

1)确认当前制造过程的能力和限制，产生生产过程的结构化分析和数据流向固，由相应部门对其进行审查，剔除多余操作并验证实际过程。

2)对设计的新部件及其装配关系进行制造性、装配性、测试性、维护性以及技术正确性和整体设计质量的论证、检查。

3)开发计算机集成网络支撑系统，使CAD／CAE／CAM集成化过程的加工信息直接传送给制造设备和制造过程，以便在产品制造和组装过程中消除因复制带来信息冗余而引发的错误。

4)尽可能开发并使用软件工具。使制造部门可以建立所有产品的原型。产品原型在制造部门应享有最高的生产优先级。在制造产品原型时，制造部门应该记录装配与制造产品规程的所有误差、对制造设备或制造过程限制的违反、文件资料的错误、零部件的失配及所有的部件错误。这些关于制造性的反馈信息和产品原型的设计修改建议应一起迅速地提供给设计部门，以便使这些问题在制造性设计修改时进一步得到解决。许多企业实施并行工程和制造性设计，以促进新产品开发，缩短产品研制周期，提高产品可靠性，降低成本为目的，并且组成多学科新产品设计开发小组。这时，小组应设定一些目标这些目标应该富有进取性，同时又是可实现的，使他们的目标建立在已有产品性能的基础上。

5．并行工程的组织管理

在一个机构中引入并行工程工作小组(Teamwork)后，机构中的各个部门应把工作小组作为表达他们特殊需求和观点的途径，明确并行工程的长远利益和使并行工程制度化的方法，并且必须通过一系列对全体有益的日标，忽视小组建设将使并行工程成为一种冒险。小组建设首先是对企业的领导者和工程师团体观念的革新。“进入市场的时间”是开发新产品应考虑的一个重要方面，并行工程进行的一些工作，如培训和组织多学科小组，乍看起来似乎与缩短进人市场时间这一目标背道而驰，许多设计工程的管理者也正是因为这一点而放弃采用并行工程。但是这些做法是有效的，他们最终会发现，由于以后将遇到的一些问题所引起的设计修改和设计反复在并行工程模式下减少了，实际上却缩短了整个周期。由于并行工程小组成员具有不同的文化修养，使用不同的专业术语，在并行工程多学科小组的实践中会存在许多障碍，这些障碍包括小组中管理人员与管理人员之间发生于目标、报酬、权威以及技术支持不足等领域的冲突：官僚主义、个人冲突、技术多样性、严重资源短缺。设计部门的成员自以为具有创造力而不愿意受制于生产工艺约束；生产部门的成员不得不满足当前用户的订货需求而一味求稳；组织结构过分强调功能作用；每个人的立场都以其所在的领域为中心而不可调和等等。因此，创造重视合作并减少冲突的合作环境是小组长期健全发展的关键。

6．并行工程的关键技术

并行工程的实施方法与技术包括信息建模与过程建模、结构化分析方法、仿真技术、集成CAD／CAE／CAM、面向制造的设计、面向装配的设计、生命周期工程、质量功能配置(Quality Function Deployment，QFD)和集成框架技术等。其关键技术有：

1)结构化分析和设计方法

结构化分析和设计的一个优点是用图的形式表示出不同系统和部门之间的信息流动，它和层次方法相结合，使复杂的系统和过程变得简单明白。管理信息系统成功地运用了结构化分析和设计来进行生产操作细节中的信息和数据的设计。同样，结构化分析和设计也可用来描述复杂的市场、销售、制造和质量系统，帮助新产品的开发并推广到制造业和市场。结构化分析简单性在于只需少量几个符号和技术就能表达一个复杂的系统或操作。被描述系统的高层边界称为“上下关系图”，系统被分解为更小更细的单元即“数据流向图”。数据流向图把一个系统从高层和宏观的角度分解为低层微观的特定操作，这个过程称为“自上而下的分解”或“分层”。另外，从中可以轻易地看出过程中的无效部分，这样就能剔