数字化设计概述

并行工程
并行工程（Concurrent Engineering）
20世纪50年代~20世纪60年代 基于产品功能和成本的竞争——物美价廉
20世纪70年代~20世纪80年代 增加了对质量的关注
20世纪80年代末~20世纪90年代初 在质量和成本的基础上增加了产品开发时间
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串行产品开发模式
市场需求
绿色产品就是在其生命周期全程中，符合环境保护要求，对生态环境无害或
危害极少，资源利用率高、能源消耗低的产品，主要包括企业在生产过程中
选用清洁原料、采用清洁工艺；用户在使用产品时不产生或很少产生环境污
染；产品在回收处理过程中很少产生废弃物；产品应尽量减少材料使用量，
材料能最大限度地被再利用；产品生产最大限度地节约能源，在其生命周期
系统服务层 网络层
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PDM的优点
• 提高设计效率，缩短产品上市时间
据调查，传统方式的设计者在查找信息和处理信息上 花费30%-70%的时间寻找信息、检索信息等。
• 提高设计与制造数据的准确性、一致性和安全性
PDM系统的版本管理功能能够保证所有参与同一项目 的人员采用同一最新数据来工作，避免了设计上的重复 和不一致。
流水生产 (line)
需求量大 标准 大 少 产品 价格 小 少 强 小 步进式 集权 正式
大量生产 (mass)
需求量大 标准 很大 单一 产品 价格
几乎没有 少 很强 很小
换代式 集权 科层
先进制造 (advanced) 个性化、多样化
定制 小 很多 顾客 核心能力 大 很多 弱 很大 集成式 自主 网络
• 精益生产 Lean Production (LP)
CAD/CAM等）
• 敏捷制造 Agile Manufacturing
• 精密成型（Net shape）
• 仿生制造Bionic Manufacturing
• 高（速水切、削激、光超）精加工、特种加工• 智能制造 Intelligence Manufacturing
• Coordination 协调性：对产品设计及其后续相关过程进行 统一协调和管理；
• Consensus 一致性：产品设计过程中的所有重大决策都 要建立在工作组成员意见一致的基础上；
• Computerization 计算机性：产品设计需要在计算机及其 网络系统支持下实现集成和并行。
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并行工程应避免的几个误解
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1.2.2 CIMs目标
(1)缩短产品开发、生产周期，快速响应市场：以
时间求效益，以速度求竞争，占领市场。
(2)降低产品成本，减少库存：以成本求效益，以
价格求竞争，占领市场。
(3)提高产品质量：以质量求效益，以质量求竞争，
赢得信誉，占领市场。
(4)增加生产柔性，提高设备利用率：以最小资源
获最大效益，向设备要效益。
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多品种小批量
单品种大批量
满 足
个
价 格 低 廉 职 能 分 工
实 用 耐
生产方式变革
性 爱 好
久
生
标
产
准
规
产
模
品
柔 性 制 造 设
快 速 产 品 创
备
新
快 速 相 应 市 场
并 行 工 作 方 式
多层次递阶控制结构、固定组织 扁平网络结构、自主管理动态团队组织
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先进制造技术
先进制造模式
• 现代设计（并行、反求、
便于处置。
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设计阶段对产品生命周期的巨大影响
Boothroyd引用福特公司的报告表明，尽管产品设计和工艺费用只占整 个产品费用的6%，却影响了总费用的70%以上。
费 70% 用
6%
36% 20%
成本的决定因素 实际成本消耗
40%
18% 7%
3%
设计阶段 制造阶段
材料采购
其它阶段
产品成本的决定因素构成及实际成本消耗构成示意图 1
系统(集成化)观点：企业生产的各个环节,即从市场分析、 产品设计、加工制造、经营销售到售后服务的全部生产 活动是一个不可分割的整体，要紧密连接，统一考虑。 信息化观点：整个生产过程实质上是一个数据的采集、 传递和加工处理的过程。最终形成的产品可以看作是数 据的物质表现。
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CIMS 是将信息技术、现代管理技术和制造技术相结合，并应 用于企业产品全生命周期（从市场需求分析到最终报废处理）的 各个阶段；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、管理）、经营 和技术三要素的集成，以加强企业新产品开发T（时间）、Q （质量）、C（成本）、S（服务）、E（环境），从而提高企业 的市场应变能力和竞争能力。
械的动作代替人力操作，自动地完成特定的作业。这实质上 是自动化代替人的体力劳动的观点。 ▪ 后来随着电子和信息技术的发展，特别是随着计算机的出现 和广泛应用，自动化的概念已扩展为用机器(包括计算机)不 仅代替人的体力劳动而且还代替或辅助脑力劳动，以自动地 完成特定的作业。
1）用机器代替手工，从作坊形成工厂 18世纪末机器在英国诞生，先后传人法国、德国和 美国。
2）从单件生产方式发展成大量生产方式 泰勒：以劳动分工和计件工资制为基础的科学管理。 福特：零件互换技术，1913年建立了具有划时代 意义的汽车装配生产线。
3）柔性化、集成化、智能化和网络化的现代制造技 术 柔性制造系统、计算机集成制造系统、网络化制造、 智能制造系统、及时生产、精良生产、敏捷制 造……
➢必须快速生产出市场需要的产品 ➢生产的瓶颈变成了产品快速创新 ➢决定产品成本和利润的主要因素是新产品中所含知识及创 新的价值 ➢新的资源利用方式－－异地资源利用 ➢新的企业－－学习型企业 ➢新的竞争方式－－培养核心能力、合作 ➢新的生产方式、新的技术
解决方案：先进制造技术+先进制造模式
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制造企业生产方式的转变
不是通过简单的并行来缩短
•
CE是设计与制造的并行或同步
产品开发周期, 而是通过过 程分解、IPT（集成产品开
发团队）成员之间的信息和
• CE是设计活动的并发或科并学的行管理思想知的和识专先共 业进享壁等垒方, 法增,加打设破计传活统动
• CE是一种管理模式
技术的集间成的协作, 从而获取更高的 效益
• CE是对其他几种生产模式的否定
• 部门之间的信息共享、信息再利用
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面向X的设计
DFX：X代表了产品生命周期中的所有因素 ，包括制造、装配、拆卸、检测、维护、 测试、回收、可靠性、质量、成本、安全 性以及环境保护等。
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CIM概念
CIM：Computer Integrated Manufacturing CIM一词是由美国的Joseph Harrington博士于1973年著书 《Computer Integrated Manufacturing》从而提出的。 CIM的基本观点：
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知识经济对制造的影响
• 信息技术改变了人类的生活
• 需求呈现个性化、多样化 需求
• 市场多变、快变
• 全球经济一体化，必须参与世界竞争 竞争
• 异地制造、合作制造、24小时不间断制造成为 可能
• 企业生存关键--核心能力、快速响应能力
• 合作与竞争并存成为趋势
• 知识成为重要的制造资源
资源
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知识经济时代的制造
(5)提高企业制造与管理水平，保持整体实力：保
持长期效益，未来竞争能力。
wenku.baidu.com
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▪ 自动化－－是美国人D.S.Harder于1936年提出的。当时他在 通用汽车公司工作，他认为在一个生产过程中，机器之间的 零件转移不用人去搬运就是“自动化”。这实质是早期制造 自动化的概念。
▪ 制造自动化(以下简称自动化)的概念是一个动态发展过程。 ▪ 过去，人们对自动化的理解或者说自动化的功能目标是以机
CE不能称之为生产模式， 而是一种新的产品开发
模式
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管理信息系统
办公自动化系统
用户
CAD/CAM应用系统
应用系统 集成工具
项目 管理
工作流 管理
用户接口层
数据与文档 管理
查看与 注释
图像 管理
应用层
设计的再利用 与零部件建库
产品结构与 变更管理
通信服务、计算服务、描述服务、安全服务、数据服务…… 计算机、操作系统、通信网络、异构分布式数据库及数据库接口……
• 快速原型
• 柔性制造 Flexible Manufacturing
• 拟实加工
• 绿色生产 Clean (Green) Manufacturing
• 自动化技术、检测技术
• 集成制造技术
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绿色生产 Clean (Green) Manufacturing
绿色产品是指生产过程及其本身节能、节水、低污染、 低毒、可再生、可回收的一类产品，它也是绿色科技 应用的最终体现。
冯欣欣 Email：fxmao@yahoo.com.cn
CAX：
CAD 计算机辅助设计 CAE 计算机辅助工程 CAPP 计算机辅助工艺设计 CAM 计算机辅助制造 CAFD 计算机辅助工装设计
产品生命周期 产品策划 设计开发 样件生产 生产
质量检验 进入市场
CAD
CAE
CAPP
CAM
CAFD
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CAPP：计算机辅助工艺设计
的各个环节所消耗的能源应达到最少。
绿色产品的第一个环节是设计。绿色产品要求产品质量优、环境行为优。
绿色产品的第二个环节是生产过程。要求实现无废少废、综合利用和采
用清洁生产工艺。
绿色产品的第三个环节是产品本身的品质。比一般产品更体现以人为本、
提高舒适度和健康保护及环境保护程度。 绿色产品的第四个环节是废弃物
并行工程是对设计过程的集成，是企业集成的一个侧面， 它企图做到的是优化设计，依靠集成各学科专业人员的 智慧做到设计一次成功。
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并行工程的特点
• Concurrence 并行性：产品设计与其后续相关过程在同一 时间框架内并行处理；
• Constrains 约束性：在充分考虑产品设计约束的同时引入 其后续相关过程约束；
系统(集成化)观点：企业生产的各个环节,即从市场分析、 产品设计、加工制造、经营销售到售后服务的全部生产 活动是一个不可分割的整体，要紧密连接，统一考虑。 信息化观点：整个生产过程实质上是一个数据的采集、 传递和加工处理的过程。最终形成的产品可以看作是数 据的物质表现。
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CIM概念
CIM：Computer Integrated Manufacturing CIM一词是由美国的Joseph Harrington博士于1973年著书 《Computer Integrated Manufacturing》从而提出的。 CIM的基本观点：
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生产方式 主要特征
市场特征 产品类型 产品产量 产品品种 价值定向 竞争优势 产品变化 新产品开发 技术专用性 生产柔性 生产能力变化 组织控制 组织型式
单件生产 (job shop) 需求量小 非标准
小 多 技能 专门技能 大 多 弱 大 渐进式 分散 非正式
批量生产 (batch) ────—→ ───——→ ───——→ ───——→ ───——→ ───——→ ───——→ ───——→ ───——→ ───——→ ───——→ ───——→ ───——→
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1988年，美国防御分析研究院（IDA），提出并行 工程的概念：
并行工程是对产品及相关过程（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
到产品全生命周期的所有因素，包括质量、成本、
进度和用户需求。
注：支持过程 —— 包括对制造过程的支持（原材料的获 取,中间产品的库存，工艺过程设计，生产计划制定…） 和使用过程的支持（产品销售，使用维护，售后服务，产 品报废后的处理…）
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并行工程的含义
并行工程是一个关于设计过程的方法，它需要在设计中全 面地考虑到相关过程的各种问题，但并非包括制造过程等 其它过程。它要求所有设计工作要在生产开始前完成，并 不是要求在设计产品的同时就进行生产。
并行工程不是指同时或交错地完成设计和生产任务，而是 指对产品及其下游过程进行并行设计，不能随意消除一个 完整工程过程中现存的、顺序的、向前传递信息的任一必 要阶段。
产品设计
工艺规划
加工装配
无法加工 装配困难
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串行开发模式的重大缺陷
• 忽视了不相邻活动之间的交流和协调，形成以部 门利益为重而不考虑全局最优化的“抛过墙式” 工作环境；
• 各部门对产品开发整体过程缺乏综合考虑，造成 局部最优而非全局最优；
• 上下游矛盾与冲突不能及时得到调解； • 开发时间加长，成本提高。
工艺设计的主要内容： 1.选择机床 2.选择刀具 3.确定定位装夹方案 4.确定工序步骤 5.确定切削参数 6.生成工艺文件 7.数控编程准备
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DFX：design for X 面向X的设计
DFM：design for Manufacturing DFA：design for Assembly DFC：design for Cost DFQ：design for Quality DFE：design for Environment