2022年并行工程的研究概况综述.doc

并行工程的研究概况综述留意：本文已经在1999年3月的机械制造(1999,3:911)杂志发表使用者请注明文章内容出处陈晓川 张暴暴 刘晓冰 冯辛安（大连理工大学CIMS中心）内容提要：先进制造技术越来越遭到人们的注重，其中比拟成熟的并行工程哲理已经在国外推行应用，国内也有些初步的成果。本文结合国内外的研究实践，对并行工程的概况进展了较为详细的介绍，并分析了国内外的差距所在，希望为并行工程的研究提供些有益的协助。主题词：并行工程，虚拟制造，CAD一、并行工程的定义1988年美国国家防备分析研究所（IDAInstitute of Defense Analyze）完好地提出了并行工程（CEConcurrent Engineering）的概念，即“并行工程是集成地、并行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场就考虑产品整个生命周期中从概念构成到产品报废的所有要素，包括质量、本钱、进度计划和用户要求。”【1】如图1所示。并行工程的目的为提高质量、降低本钱、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的中，主要通过以下方法【7】：· 设计质量改良使早期消费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本钱降低3040。 图1 并行工程示意图二、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，这主要表达在两个方面：1. 并行工程是在CAD、CAM、CAPP等技术支持下，将原来分别进展的工作在时间和空间上穿插、重迭，充分利用了原有技术，并吸收了当前迅速开展的计算机技术、信息技术的优秀成果，使其成为先进制造技术中的根底。 2. 在并行工程中为了到达并行的目的，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；为了到达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、部分仿确实应用等都包含在虚拟制造技术中，能够说并行工程的开展为虚拟制造技术的诞生制造了条件，虚拟制造技术将是以并行工程为根底的，并行工程的进一步开展方向是虚拟制造（VM?/FONT>Virtual Manufacturing）。所谓虚拟制造又叫拟实制造，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、信息及制造过程进展全面的仿真，以发觉制造中可能出现的咨询题，在产品实际消费前就采取预防措施，从而到达产品一次性制造成功，来到达降低本钱、缩短产品开发周期，加强产品竞争力的目的【19】。 三、并行工程的应用概况介绍并行工程在美国、德国、日本等一些国家中已得到广泛应用，其领域包括汽车、飞机、计算机、机械、电子等行业。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计算机结合开发公司在开发40-MHz Intel i860微处理芯片时，运用并行工程方法，使产品从开场设计到被消费者检验合格由原来125天减少到90天；美国HP公司采纳并行工程方法设计制造的54600型100-MHz波段示波器，在功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【6】。美国波音公司在1994年向全世界宣布，波音777飞机采纳并行工程的方法，大量使用CAD/CAM技术，实现了无纸化消费，试飞一次成功，同时比按传统方法消费节约时间近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，采纳了并行工程的方法，获得了明显的效果，在仿真阶段共提出320份报告，发觉并纠正了许多错误【17】。如表1所示，其他一些公司应用并行工程后也产生了宏大的经济效益。案例本钱库存消费周期开发周期劳动消费率HP公司降低4降低7降低9缩短3上升30ATT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在国内，并行工程作为CIMS开展的一个新阶段，得到了一些企业的广为关注，其研究已于1992年底被列为国家863计划自动化领域的重点研究内容。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个单位人员组成了“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构造件为应用背景，开展并行工程关键技术的研究与应用。通过近两年的攻关，终于获得了严重进展。该工程在应用上有特色，在某些关键技术上已经到达国际先进水平，目前，该工程已经通过鉴定【17】。尽管并行工程在实际应用中产生了如此宏大的效果，但是也还存在一些不易处理的咨询题，如：在设计中考虑后续工作增加了当前工作的难度，支持并行工程的主模型还未统一，工程数据库还没有完全成熟等。为此人们进展了大量的研究工作，本文的介绍只能是挂一漏万的。四、并行工程的研究热点通过查阅国内外文献，理解到目前并行工程的研究热点主要包括：1、并行工程根底理论的研究：主要包括概念设计模型、并行设计理论、鲁棒设计及支持产品开发全过程的模型研究。尤其是并行设计的建模技术，所谓建模确实是指建立产品模型，而产品模型包括产品生命周期各阶段的信息及访咨询、操作这些信息的算法。在计算机环境下，进展并行设计要求信息模型能够获取和表达产品信息、制造信息和资源信息；能够方便地获得有关产品可制造性、可装配性、可维护性、平安性等方面的信息；能够使小组成员共享信息。要满足这些要求，必须建立一个能够表达和处理有关产品生命周期各阶段所有信息的统一产品模型。统一模型的建立能够在特征建模根底上进展，但是特征建模只是强调设计和制造信息的集成，在多学科人员协同工作环境下，当产品开发某环节数据被改动后，它不具备自动更新相关数据的才能，即不支持所谓全相关性。国际标准化组织(ISO)提出的产品数据模型STEP标准是建立模型的工具，但由于产品数据复杂、多变此标准仍在试用阶段。从支持并行设计建模技术研究现状来看，目前的模型对详细设计阶段以及下游诸环节支持得较为充分，但在产品概念设计阶段其信息描绘才能较弱，这是需要深化研究的课题【9】。2、制造环境建模：在并行工程中产品的设计阶段就考虑制造要素，使得产品设计和工艺设计同时进展，因而，不管在产品的初期方案设计或详细设计阶段都要及时地进展产品可加工性及可装配性的评价并生成适宜的工艺，这就必定涉及到从现实制造资源角度评价所涉及产品的制造工艺功能，同时还要工厂、车间、工段的消费才能、设备规划及负荷情况等，如此制造环境的数据和知识模型确实是到达并行必不可少的部分。文献【12】运用二叉树及特征建模描绘了制造环境建模情况。3、面向并行工程的CAPP：传统的CAPP不具备与产品设计并行交互的才能，不能对产品或零件进展可制造性评价并反应结果，为实现计算机辅助并行工程，面向并行工程的CAPP是关键。为了到达这一目的，零件信息模型应是一个动态的数据构造，设计者能够在设计中的任何阶段将设计结果移交工艺评价模块，并依照评价结果修正模型或接着设计；该模型应将零件功能与零件特征间建立一种映射关系；此模型还应便于多知识源的协同处理，一般可采纳“黑板构造”，即一组负责相应功能的知识源系统在“治理者”的协调操纵下，对领域黑板上的当前零件信息模型进展操作。文献【11】给出了面向并行工程的CAPP体系构造及零件建模、环境建模等模块的构造。文献【13】以轴类零件为例，采纳了链表作为数据构造表示零件的形状特征等，但间隔有用还有一定的差距。4、DFX：在这一领域中，主要集中于DFM和DFA这两个方向上。面向制造的设计(DFM)是并行工程中最重要的研究内容之一，它是指在产品设计阶段尽早地考虑与制造有关的约束（如可制造性），全面评价产品设计和工艺设计，并提出改良的反应信息，及时改良设计。在DFM中包含着设计与制造两个方面，传统上制造都是考虑设计要求的，但是设计考虑制造上的要求不够充分，在DFM中必须充分考虑制造要求，一般通过可制造性评价来实现【14】【15】。面向装配的设计（DFA）与DFM类似，它是将可装配性在设计时加以考虑,设计与装配在计算机的支持下统一于一个通用的产品模型，来到达易于装配，节约装配时间、降低装配本钱的目的【16】。5. 并行工程集成框架：所谓集成框架确实是使企业内的各类应用实现信息集成、功能集成和过程集成的软件系统。主要包括基于思想模型的辅助决策系统、支持多功能小组的多媒体会议系统、计算机辅助冲突处理的协调系统等。一般能够采纳多媒体技术、客户效劳器模型进展开发，但在知识共享、多领域数据信息转换、设计意图表达等方面还没有找到实在可行的方法，建立一个包括信息集成、工具集成和人员集成的理想网络环境仍是一个长期的努力过程。 6、冲突消解及知识处理、协同：在并行工程中产品的早期涉及阶段能够得到的信息大多是模糊和不确定的，仅仅运用经典数学的准确方法来处理往往不能真实地反映客观世界的现实，具有非常大的局限性，由美国自动操纵专家L.A.Zadeh创立的模糊集理论在处理定性和模糊的知识方面显示了强大的生命力，因而将模糊集理论应用于并行工程中的知识协同处理获得了良好的效果【10】。文献【18】提出的一种新的设计知识的表示方法棗资源模型，对资源和资源间的运算关系进展了定义，对多功能小组、任务并行执行、质量治理、知识重用等进展了描绘。7、面向并行工程企业的体系构造和组织机制：主要包括人的集成（客户、设计者、制造者和治理者）、企业各部门功能集成、信息集成及设计、制造工具集成的组织机制。8、并行工程中产品开发过程的治理。9、仿真技术在企业各部门及产品开发过程中的应用。10、质量工程的研究：主要包括田口(Taguchi)方法、全面质量治理(TQC)及质量功能配置(QFD)。我国的研究工作主要集中在高校中，据不完全统计如下表所示：单位名称主要研究方向清华大学面向CE的CAD/CAPP/CAM的集成研究、DFM等华中理工大学并行设计的零件信息模型、面向CE的设备环境建模等上海交通大学面向CE的集成化设计信息模型及决策信息模型、DFA等北京航空航天大学CE中过程建模、过程治理及通讯技术研究等西安交通大学CE的过程模型与并行质量评价等西北工业大学并行工程中的模糊知识（信息）协同方法、QFD等北京理工大学面向CE的协同工作环境等天津大学智能工程知识处理及并行设计支持环境等五、完毕语通过比照国内与国外的研究情况，我们发觉目前我国并行工程的研究工作主要存在以下一些咨询题：(1)研究的广度和深度不够：尽管并行工程的研究工作已经广泛开展，但是不管从研究的内容上看，依然从研究的水平上说都明显存在差距。如：并行工程在本钱和质量上的应用才刚刚起步，与供给商的集成咨询题还没有提上日程。(2)与并行工程有关的技术有用化不够：在有用技术研究方面，目前还没有商品化软件诞生，而国外公司（如：PTC的Pro?/FONT>Engineering、CV的CADDS5）已经推出商品化软件。(3)并行工程的施行队伍不够：由于科研力量薄弱，在研究上还不能全面开花，并行工程的施行就更是难上加难了。而且，当前国内机械行业在剧烈的市场竞争中经济效益不好，CAD/CAM技术还有待普及，全面施行并行工程还缺乏根本的物质根底。综上所述，并行工程的施行将从根本上改变现行的制造形式，在国外已经获得了大量的成功应用，对此我们必须引起高度注重，跟踪世界先进水平开展合适我国国情的研究工作，为并行工程在我国的广泛应用打下坚实的根底。主要参考文献1. 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Concurrent Engineering(CE) which is one of the ATM has been used in abroad and there are some fruits in China. In this paper, we give the general research situation of CE. Then we analyzed the differences between China and the developed countries in CEs research. And we hope our work is benefit on persons who research CE.Keywords: Concurrent Engineering , Virtual Manufacturing ,CAD