计算机辅助工程CAX技术-上海开放大学课件.ppt

1、 并行工程 CEConcurrent Engineering 并行工程的提出并行工程的提出传统的机械产品设计一般要传统的机械产品设计一般要经过产品设计和工艺设计经过产品设计和工艺设计2个个顺次执行的设计流程，在产顺次执行的设计流程，在产品设计完成后，开始工艺过品设计完成后，开始工艺过程的设计。这种设计方法往程的设计。这种设计方法往往由于设计人员的知识范围往由于设计人员的知识范围所限，一般在工艺设计过程所限，一般在工艺设计过程中，要对产品设计中工艺无中，要对产品设计中工艺无法保证的部件进行重新设计，法保证的部件进行重新设计，在产品试制后，对发现的问在产品试制后，对发现的问题，产品设计要更改，所以

2、，题，产品设计要更改，所以，工艺又需要重新设计。该设工艺又需要重新设计。该设计的流程图如图计的流程图如图1所示。传统所示。传统设计的这种顺序工程的大循设计的这种顺序工程的大循环，导致设计成功率和效率环，导致设计成功率和效率均偏低，产品成型时间长。均偏低，产品成型时间长。传统设计传统设计现代设计现代设计现代产品更新换代周期短。要求新产品开发的周期短，因此，迫切需现代产品更新换代周期短。要求新产品开发的周期短，因此，迫切需要一种新的开发模式，能够使产品设计和工艺设计时间短，同时，在要一种新的开发模式，能够使产品设计和工艺设计时间短，同时，在设计过程中，要改变这种设计的大循环，变成各个不断设计的小循

3、环。设计过程中，要改变这种设计的大循环，变成各个不断设计的小循环。新产品开发方式需要从顺序工程新产品开发方式需要从顺序工程(Sequential Engineering)向并行工向并行工程程(Concurrent Engineering，CE)转变，并行工程可以并行处理各转变，并行工程可以并行处理各阶段的工作，根据项目中不同任务之间关联性的不同，各部分子任务阶段的工作，根据项目中不同任务之间关联性的不同，各部分子任务的工作过程可以部分重叠或完全重叠，根据这些原则，制定一个合理、的工作过程可以部分重叠或完全重叠，根据这些原则，制定一个合理、优化的工作计划，并在其中必要位置设置考核点，由项目工作组

4、具体优化的工作计划，并在其中必要位置设置考核点，由项目工作组具体落实，使各子任务并行、有序地向前推进，以保证整个项目的顺利实落实，使各子任务并行、有序地向前推进，以保证整个项目的顺利实施。该设计方法，能够快速地制造出市场需求的产品，因此面向并行施。该设计方法，能够快速地制造出市场需求的产品，因此面向并行工程的产品设计方法成为研究热点。工程的产品设计方法成为研究热点。并行工程的定义并行工程的定义1988年美国国家防御分析研究所（IDAInstitute of Defense Analyze）完整地提出了并行工程（CEConcurrent Engineering）的概念，即“并行工程是集成地、并行

5、地设计产品及其相关过程（包括制造过程和支持过程）的系统方法。这种方法要求产品开发人员在一开始就考虑产品整个生命周期中从概念形成到产品报废的所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户要求。国际上被广泛接受的并行工程定义是：“并行工程CE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(包括制造过程和支持过程)，这种方法可以使产品开发人员从一开始就能考虑到产品从概念设计到消亡的整个生命周期里的所有因素，包括质量、成本、进度及用户需求。”从此可以看出，并行工程力图使产品开发人员一开始就考虑到产品开发生命周期(从产品概念设计到产品报废)，它把产品开发的各个活动看成是一个整体、集成的过程，从全

6、局优化的角度出发，在设计阶段综合考虑产品生命周期中制造、装配和测试等环节，及时全面评价产品的设计，反馈改进意见和改进产品设计，使设计时间明显缩短，设计成功的几率增加，以期达到降低产品设计成本，提高产品质量和缩短开发周期的目的。并行工程的目标：并行工程的目标：为提高质量、降低成本、缩短产品开发周期和产品上市时间。并行工程在实现上述目标中，主要通过以下方法：设计质量改进使早期生产中工程变更次数减少50以上； 产品设计及其相关过程并行使产品开发周期缩短4060； 产品设计及其制造过程一体化使制造成本降低3040。 并行工程的历史并行工程的历史 80年代前，并行工程在我国计划经济时代就已经有了很多成功

7、范例，如找石油，原子弹，航天工程等等，并被成为社会主义优越性的表现之一，只不过当时没有起名叫并行工程罢了。并行工程自20世纪80年代提出以来，美国、欧共体和日本等发达国家均给予了高度重视，成立研究中心，并实施了一系列以并行工程为核心的政府支持计划。很多大公司，如麦道公司、波音公司、西门子、IBM等也开始了并行工程实践的尝试，并取得了良好效果。 进入90年代，并行工程引起我国学术界的高度重视，成为我国制造业和自动化领域的研究热点，一些研究院、所和高等院校均开始进行一些有针对性的研究工作。1995年“并行工程”正式作为关键技术列入863/CIMS研究计划，有关工业部门设立小型项目资助并行工程技术的

8、预研工作。国内部分企业也开始运用并行工程的思想和方法来缩短产品开发周期、增强竞争能力。但是，无论从技术研究还是企业实践上，我国都落后于国际先进水平十年左右，许多工作仍处在探索阶段。国外并行工程的发展国外并行工程的发展 1988 年，美国防御分析研究所以武器生产为背景，对传统的生产模式进行了分析，首次提出了并行工程的概念。特别是美国国防部高级房屋研究项目局与 1988 年 7 月在西弗吉尼亚大学投资 45 亿美元组建 CERC ，致力于设计、开发和推广 CE 使能技术，以提高产品的开发能力。1986 年 -1992 年，是并行工程的研究与初步尝试阶段。美国国防部支持的 DARPA/DICE 计划

9、，欧洲的 ESPRIT II&III 计划，日本的 IMS 计划等都进行了并行工程的研究。1995 年至今是新的发展阶段。从理论向实用化方向发展并取得了明显的成效。并行工程的研究范围并行工程的研究范围一般包括：一般包括：并行工程管理与过程控制技术，并行设计技术，快速制造技术。并行工程的特征并行工程的特征1.并行交叉并行交叉它强调产品设计与工艺过程设计、生产技术准备、采购、生产等种种活动并行交叉进行。并行交叉有两种形式：一是按部件并行交叉，即将一个产品分成若干个部件，使各部件能并行交叉进行设计开发；二是对每单个部件，可以使其设计、工艺过程设计、生产技术准备、采购、生产等各种活动尽最大可能并行交叉

10、进行。需要注意的是，并行工程强调各种活动并行交叉，并不是也不可能违反产品开发过程必要的逻辑顺序和规律，不能取消或越过任何一个必经的阶段，而是在充分细分各种活动的基础上，找出各子活动之间的逻辑关系，将可以并行交叉的尽量并行交叉进行。2.尽早开始工作尽早开始工作 正因为强调各活动之间的并行交叉，以及并行工程为了争取时间，所以它强调人们要学会在信息不完备情况下就开始工作。因为根据传统观点，人们认为只有等到所有产品设计图纸全部完成以后才能进行工艺设计工作，所有工艺设计图完成后才能进行生产技术准备和采购，生产技术准备和采购完成后才能进行生产。正因为并行工程强调将各有关活动细化后进行并行交叉，因此很多工作

11、要在我们传统上认为信息不完备的情况下进行。并行工程具有以下特点：并行工程具有以下特点：强调团队工作（Team work ）精神和工作方式；强调设计过程的并行性；强调设计过程的系统性；强调设计过程的快速“短”反馈；并行工程本质特点：并行工程本质特点：1.并行工程强调面向过程（并行工程强调面向过程（process-oriented）和面向对象）和面向对象（object-oriented）2.并行工程强调系统集成与整体优化并行工程强调系统集成与整体优化并行工程采用的技术支撑并行工程采用的技术支撑(1)计算机辅助工程计算机辅助工程(CAX)技术技术随着计算机技术的发展，形成了一批先进的CAX技术，例如

12、，计算机辅助设计CAD、计算机辅助分析CAE、计算机辅助制造CAM、计算机辅助工艺分析CAPP及CADCAECAMCAPP集成技市，成为顺利实施并行工程非常重要的工具。并行工程中CAX之间的交互是动态的、随机的、双向的，这种集成式的互动要比单一的CAX应用更频繁、更复杂。它需要大型的具有公共接口和无缝集成的数据库作为地层的支撑结构。另外，在产品设计阶段，产品的各种信息是不完全确定的，因此，需要有能够实时动态改变的模型，所有的CADCAECAMCAPP分析都在此模型上完成，在该模型上，能够对各种不同的参数进行修正，即可以进行产品的优化设计，从而设计出符合功能需求的，能够符合工程中制造要求的，成本

13、较低的产品。在CAX的集成过程中，最重要是数据接口设计，这个数据接口，需要能够连接不同的软件，让所有CAX都能够共用。同时，对数据的理解要相同，现在，大部分CAX软件都已经有了一些公共的产品数据接口能够与其它软件进行数据交换。CAX软件这种共用接口的特性，能够为PDM中与多个应用程序进行数字通讯提供了实现的基础。(2)DFX技术技术并行工程要求在设计过程中及早考虑后续过程对设计施加的约束，使设计结果便于后续过程的实施，要尽早发现问题而避免返工。这类技术称为面向产品生命周期(DFX)的设计技术。是设计方法论和设计支持技术的重要研究内容之一，是产品开发的有效方法和技术，DFX是一种设计方法论，它是

14、面向制造设计(DFM)，面向装配设计(DFZ)，面向测试设计(DFT)，面向成本设计(DFC)和面向质量设计(DFQ)等技术的统称。DFX本身不直接产生设计方案，而是设计评价分析方法总集，它为设计提供了设计依据和设计目标。其主要内涵是要求在设计过程中尽早考虑后续阶段，如加工、装配、测试、性能和造价等方面对设计施加的设计约束，使设计的产品易加工、易装配、性能好、造价低。以往的传统设计，当产品设计完毕再进行过程设计，这样，往往设计周期长，且设计的产品都不会达到设计的最优，而采用DFX方法强调产品设计和过程设计同时进行，因此，可以明显缩短设计周期，而且有可能达到设计的最优。(3)PDM技术技术产品数

15、据管理(PDM)技术是产品数据共享与过程管理技术，是并行工程的基础平台。PDM技术的核心思想是数据共享、人员协同、过程优化和功能集成。 PDM的目的是对并行工程中的共享数据进行统一的规范管理，保证全局数据的一致性，提供统一的数据库和友好界面，使多个功能小组能在一个统一的设计环境下工作，而不必关心应用程序在什么平台上以及数据的物理位置。由于在不同的应用系统中数据的表现形式各异，作为信息集成平台，PDM将所有与产品有关的信息和过程(从产品的概念设计阶段、产品设计阶段、工艺流程设计、制造阶段、维修直至产品报废的整个生命周期相关的数据)集成于一体，在PDM集成平台下，各个单元系统不再直接进行数据信息交

16、换，各个不同软件间数据交换是通过在PDM平台上完成的与其他软件的数据交换是在PDM系统的屏蔽之下，由PDM系统来完成的。 丰田汽车公司的并行工程系统规划车型设计产品设计生产准备生产财务财务 . 会计会计Finance /Accounting开发期开发期Length of Development Time规划Planning 车形 设计 Styling design Engineering 产品设计DesignPrototypeFabrication & Testing 试制评价 Productionengineering 生产准备生产 Production零部件厂家零部件厂家Parts sup

17、pliers Production engineeringProduction规划规划 Planning车形设计车形设计Styling design产品设计产品设计Engineering Design试制试制 . 评价评价PrototypeFabrication& Testing生产准备生产准备 生产生产 试制评价在开发和设计的工作中，正确的文档应该在正确的时候送到正确的地方l需求需求功能图功能图计算资料计算资料产品目录产品目录标准标准图纸图纸零件表零件表准则准则规格说明书规格说明书材料表材料表工具单工具单DINISO 重要工作重要工作查找通知检查归档分类设计计算绘图建立零件表修改利用PDM可

18、以大大简化开发和设计工作图纸管理图纸管理文档管理文档管理零件分类零件分类产品结构管理产品结构管理BOM生成生成2D / 3D - CADFEMDTP文档保存文档保存基于基于PDM的系统解决方案的系统解决方案零件管理零件管理产品数据管理（PDM）的原理M-CADE-CADCAPPFEMDTPPDMClientPDMClientPDMClientMetadaten文件系统文件系统文档文档PDMServerDBServer数据库数据库利用 PDM实现异地设计PDMServerInternet / LAN / WANClientLocalFilesFilesDBFilesDBFilesDBPDM系统中

19、工作流管理概念设计校对部件校对部件设计项目负责人校对零件设计零件设计修改意见文档流信息流(4)并行工程系统建模并行工程系统建模在并行工程的设计中，要不断对产品的各个阶段进行评价，不断提供反馈信息，一般的评价(见图2)可以从2个方面来评价产品的可制造性。一个是从技术的角度来评价，它体现了制造功能的约束(如能否在本厂的设备上制造，在本国内能否外协加工等)；另一个是从经济的角度来评价，这个设计的目标是为了使产品更好地适应市场需求。这两方面的评价标准、技术标准由可加工性与可装配性两方面组成，而经济性标准由时间与成本两方面组成。在并行工程中产品的设计阶段就考虑制造因素，使产品设计和工艺设计同时进行，无论

20、在产品的初规方案设计或详细设计阶段都要及时地进行产品可加工性及可装配性的评价并生成合适的工艺。 除了上述关键技术之外，还有并行工程集成框架并行工程集成框架和并行工并行工程中程中冲突消解及知识处理、协同技术冲突消解及知识处理、协同技术以及质量工程研究质量工程研究等各种分析手段。 对于一个复杂产品设计系统，各个支撑环境相互配合工作，有项目组长协调以及成员的配合，才能最终保证并行工程的总目标实现。基于并行工程的开发模式基于并行工程的开发模式并行工程在先进制造技术中的地位与作用并行工程在先进制造技术中的地位与作用并行工程在先进制造技术中具有承上启下的作用，这主要体现在两个方面：1.并行工程是在CAD、

21、CAM、CAPP等技术支持下，将原来分别进行的工作在时间和空间上交叉、重迭，充分利用了原有技术，并吸收了当前迅速发展的计算机技术、信息技术的优秀成果，使其成为先进制造技术中的基础。 2.在并行工程中为了达到并行的目的，必须建立高度集成的主模型，通过它来实现不同部门人员的协同工作；为了达到产品的一次设计成功，减少反复，它在许多部分应用了仿真技术；主模型的建立、局部仿真的应用等都包含在虚拟制造技术中，可以说并行工程的发展为虚拟制造技术的诞生创造了条件，虚拟制造技术将是以并行工程为基础的，并行工程的进一步发展方向是虚拟制造（VM?/FONTVirtual Manufacturing）。所谓虚拟制造又

22、叫拟实制造，它利用信息技术、仿真技术、计算机技术对现实制造活动中的人、物、信息及制造过程进行全面的仿真，以发现制造中可能出现的问题，在产品实际生产前就采取预防措施，从而达到产品一次性制造成功，来达到降低成本、缩短产品开发周期，增强产品竞争力的目的。国内、外并行工程的应用概况国内、外并行工程的应用概况国外：国外：例如： 美国佛杰尼亚大学并行工程研究中心应用并行工程开发新型飞机，使机翼的开发周期缩短了60（由以往的18个月减至7个月）； 美国Mercury计算机联合开发公司在开发40-MHz Intel i860微处理芯片时，运用并行工程方法，使产品从开始设计到被消费者检验合格由原来125天减少到

23、90天； 美国HP公司采用并行工程方法设计制造的54600型100-MHz波段示波器，在性能及价格上都优于亚洲最好的产品，研制周期却缩短了1/3； 美国的爱国者防空导弹系统也是80年代后期运用并行工程方法迅速研制成功的。 美国波音公司在1994年向全世界宣布，波音777飞机采用并行工程的方法，大量使用CAD/CAM技术，实现了无纸化生产，试飞一次成功，并且比按传统方法生产节约时间近50。 德国西门子公司下属的公共通讯网络集团（Simens AG,Public Communication Network Group）在开发复杂电子系统的核心子系统过程中，采用了并行工程的方法，取得了显著的效果，在

24、仿真阶段共提出320份报告，发现并纠正了许多错误。案例案例1：如美国洛克希德 (Lockheed) 导弹与空间公司 (LMSC) 于 1992 年 10 月接受了美国国防部 (DOD) 用于“战区高空领域防御” (Thaad) 的新型号导弹开发，该公司的导弹开发一般需要 5 年时间，而采用并行工程的方法，最终将产品开发周期缩短 60% 。具体的实行如下：改进产品开发流程。在项目工作的前期， LMSC 花费了大量的精力对 Thaad 开发中的各个过程进行分析，并优化这些过程和开发过程支持系统。采用集成化的并行设计方法。实现信息集成与共享。在设计和实验阶段，一些设计、工程变更、试验和实验等数据，所

25、有相关的数据都要进入数据库。并各应用系统之间必须达到有效的信息集成与共享。利用产品数据管理系统辅助并行设计。 LMSC 采用了一个成熟的工程数据管理系统辅助并行化产品开发。通过支持设计和工程信息及其使用的 7 个基本过程 ( 数据获取、存储、查询、分配、检查和标记、工作流管理及产品配置管理 ) ，来有效地管理它的工程数据。CE 带来的效益：导弹开发周期由过去的 5 年缩短到 24 个月，产品开发周期缩短 60% 。大大缩短了设计评审与检查的时间 ( 一般情况下仅需 3h) ，并且提高了检查和设计的质量。案例案例2：另外，像 Siemens 重型雷达设备也采用并行工程来改进产品质量及缩短开发周期

26、。其实施有 6 个方面的要求：建立“一次开发成功”团队和技术中心 ;开发一种新的设计过程控制工具来跟踪循环中的时间延迟，消除无效的等待时间 ;引入 IDEF 建模系统，使工程师在建模过程中质疑并改进 ;过程控制工具。其软件包含获得每个通过设计中心的设计文件的历史资料以及记录 DCI 的根本原因 ;采用 1 个在线系统要求对取消 DCI 负责的工程管理员写出详细原因 ;将产品设计小组和产品测试小组合并为数字小组，并在以后负责开发测试，测试考虑则将成为设计过程的一部分。案例案例3：ABB( 瑞士 ) 火车运输系统建立了支持 CE 的计算机系统、可互操作的网络系统和一致的产品数据模型，组织了设计和制

27、造过程的团队，并应用仿真技术。应用并行工程后大大缩短了产品开发的周期。过去从合同签订到交货需 34 年，现在仅用 318 个月，对于东南亚的顾客，可在 12 个月内交货。整个产品开发周期缩短 25%33% ，其中从用户需求到测试平台需 6 个月，缩短了 50% 。如表所示，其他一些公司应用并行工程后也产生了巨大的经济效益。案例成本库存生产周期开发周期劳动生产率HP公司降低4降低7降低9缩短3上升30AT&T降低6缩短8上升23麦道公司缩短2迪尔公司降低30降低6070缩短6我国并行工程的发展与应用我国并行工程的发展与应用CE 在中国的研究与应用分为以下几个阶段：在中国的研究与应用分为以下几个阶

28、段：1992 年前是并行工程的预研阶段， 863/CIMS 年度计划和国家自然科学基金资助了一些并行工程相关技术的研究课题，如面向产品设计的智能 DFM ，并行设计方法研究，产品开发过程建模与仿真技术研究等。1993 年， 863/CIMS 主题组织清华大学、北航、上海交大、华工和航天 204 所等单位，组成 CE 可行性论证小组，提出在 CIMS 实验工程的基础上开展 CE 的攻关研究。1995 年 5 月， 863/CIMS 主题重大关键技术攻关项目“并行工程”正式立项，投入大量资金开展 CE 方法、关键技术和应用实施的研究。1995 年 5 月 -1997 年 12 月，进行了“并行工程

29、”项目的攻关研究。1998 年至今，“并行工程”已有攻关成果并进一步深入研究，应用于航天等领域。国内：国内：在国家科技部和863/CIMS主题专家组的领导下，1995年7月由清华大学、华中理工大学、北京航空航天大学、上海交通大学和航天工业总公司二院5个单位人员组成“863/CIMS关键技术攻关棗并行工程”的技术攻关队伍，以航天总公司二院的复杂结构件为应用背景，开展并行工程关键技术的研究与应用。经过近两年的攻关，终于取得了重大进展。该项目在应用上有特色，在某些关键技术上已经达到国际先进水平，目前，该项目已经通过鉴定。范例范例1：西安飞机工业 ( 集团 ) 有限公司 在已有软件系统的基础上，开发支

30、持飞机内装饰并行工程的系统工具，包括：适用于飞机内装饰的 CAID 系统、 DEA 系统和模具的 CAD/CAE/CAM 系统。如 Y7-200A 内装饰设计制造并行工程。通过了过程建模与 PDM 实施，工业设计， DFA ，并行工程环境下的模具 CAD/CAM ，飞机客舱内装饰数字化定义等技术手段。 Y7-700A 飞机内装饰工程中，研制周期从 1.5 年缩短到 1 年，减少设计更改 60% 以上，降低产品研制成本 20% 以上。范例范例2：以波音 737-700 垂直尾翼转包生产为例，研制周期缩短 3 个月 ; 节约工装引进费用 370 万美元 ; 减少样板 1165 块，合计人民币 50

31、 万元 ; 减少标工、二类工装 23 项，合计人民币 125 万元 ; 减少过渡模 136 项，合计人民币 68 万元 ; 提高数控编程速度 46 倍，减少数控零件试切时间 40%; 工艺设计效率提高 1.5 倍等。范例范例3：齐齐哈尔铁路车辆并行工程中改进后的棚车开发流程。其改进的措施包括：在产品开发的早期阶段，就能够充分考虑冲压件、铸钢件等零件的可制造性问题和铁路货车的结构强度、刚度及动力学品质等产品性能问题，从而能够尽量减少设计错误，提高设计质量 ; 同时增加 DFX ，使得在产品设计阶段即可考虑产品加工、装配和工艺等问题，提高一次设计成功的可能性。实现工艺和工装的并行开发，精简设计过程

32、 ; 制造系统与产品开发过程不构成大循环，从而缩短产品开发周期，提高产品质量与水平。我国并行工程存在的问题我国并行工程存在的问题目前还存在以下一些问题： (1)研究的广度和深度不够：虽然并行工程的研究工作已经广泛开展，但是无论从研究的内容上看，还是从研究的水平上说都明显存在差距。如：并行工程在成本和质量上的应用才刚刚起步，与供应商的集成问题还没有提上日程。 (2)与并行工程有关的技术实用化不够：在实用技术研究方面，目前还没有商品化软件诞生，而国外公司已经推出商品化软件（如：PTC的Pro-Engineering、CV的CADDS5）。 (3)并行工程的实施队伍不够：由于科研力量薄弱，在研究上还不能全面开花，并行工程的实施就更是难上加难了。而且，当前国内机械行业在激烈的市场竞争中经济效益不好，CAD/CAM技术还有待普及，全面实施并行工程还缺乏基本的物质基础。