PDM在并行工程中的应用实例

目前支持并行工程的较为适用的集成框架产品为PDM系统。利用PDM技术,首先,可以实现广义产品数据的分布式管理,为用户的查询与共享提供了极大的方便;其次,可以在计算机环境中

并行工程简介
        并行工程技术的发展
        长期以来,产品开发一直沿用传统的串行设计方法,遵行“需求分析-概念设计-详细设计-工艺设计-加工制造-售后服务”的基本流程。尽管在大批量生产模式中,这一方法曾经起过重要的作用,但是,随着工业社会向信息社会与后工业社会的发展,市场竞争日趋激烈,新产品开发风险越来越大,串行设计方法就暴露了越来越多的缺点。
 
        据统计,产品设计的早期阶段(如概念设计,方案验证等)对产品总成本的影响起决定性作用,其中产品总成本的70%~80%已在该阶段确定,而该阶段花费的支出费用仅占产品开发总支出费用的7%左右。因此,如何加大产品设计的早期投人。提高产品早期设计的质量成为越来越关注的焦点,也被越来越多的事实证明是降低产品全生命周期成本的重要而有效的途径和方法。
 
        但是,在串行设计中,由于职能部门之间缺乏足够的信息交流,首先是设计部门对市场需求及客户要求了解不够,其次是在设计中不能全面地考虑下游的可制造性、可装配性、质量保证、环境危害等多种因素,致使所制造的产品有可能存在许多不可预料的缺陷,这就必然要求对设计进行频繁修改,构成了加工制造到概念设计的设计修改大循环,甚至可能在不同阶段或不同环节里多次重复这一过程,造成设计改动址大、产品开发周期长、成本高,无法满足激烈的市场竞争的需要。
 
        而并行设计这以产品设计(尤其是产品设计的早期阶段)为中心,并面向每个产品生命周期的设计方法,正是在为赢得市场竞争这一背景下应运而生的。这种把产品设计与制造过程和市场需求一起考虑的方法以现代信息技术为基础,通过组成多学科产品开发队伍,改进产品开发流程,利用各种DFx(面向某一领域的设计)工具等手段.使产品开发的早期阶段能及早考虑下游的各种因素,减少返工,达到缩短产品开发周期、提高产品质量、降低产品成本的目标,从而在全球市场竞争中获得成功。
 
2.并行工程的内涵
        并行工程的概念.按1986年美国国防分析研究所在其“R-338研究报告”中提出的,其定义如下:
       “并行工程是对产品及其相关过程(包括制造和支持过程)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们从一开始就考虑到产品全生命周期(从概念设计到产品报废)中的所有因素,包括质童、成本、进度和用户需求。”
 
       根据上述定义及近年来人们对并行工程的实践与体会.可归纳出并行工程有以下特点:
       (1)并行工程是一种面向产品生命周期的设计,尤其关注设计早期阶段。并行设计将新产品的开发与生产捆绑在一起,两项任务不再是顺序进行、分别考虑。而是在产品设计时就要考虑生产制造的要求。这种做法通常称为面向产品生命周期的设计,即设计新产品时不仅考虑顾客需求,也要考虑生产和分销商的要求,甚至要考虑回收后的废品处理和重用问题。另一方面,由于产品的旱期设计对产品的质量和成本起决定性作用,并行工程对其给予特别的关注,这种关注不仅体现在设计方法上,同时落实到具体手段和计算机支持工具上。
 
       (2)从串行过程到并行过程
       如图6-5(a)所示,传统的产品开发过程可以归纳为五个基本环节:概念设计、详细设计、工艺设计、加工制造、售后服务。各个环节的活动是依次进行的一个阶段的工作完成后,下一阶段的工作才开始。由于设计部门处于相对独立的位置,隶属于设计部门的设计人员只对自己所在的设计部门和自己设计的产品负责,与其他部门缺乏足够的信息交流与意见反馈,也不容易接受有损设计部门利益的意见,很难使产品设计一次成功完成,导致修改频繁,延长产品开发周期,提高开发成本,质量得不到保证等。
 
       而并行设计则首先打破人员对部门的隶属关系,以产品为核心组织由多个职能部门的多学科人员组成的集成产品开发团队协同工作,改变传统的串行工作模式。如图6-5(b)所示。产品设计的不同阶段其有时间的重叠性,即前一阶段还未完成,后一阶段已经开始上作,同时前后阶段做到及时信息反馈与意见交流。从图6-5的串并行模式的比较可以看出,由于不同设计阶段实现并行性,不仅可以提高产品质量,同时可以节省设计时间,并大大降低开发成本。
 

串并行产品开发流程比较 
图6-5 串并行产品开发流程比较

 
       (3)从信息集成走向过程集成
       信息集成是并行工程的基础,也是计算机集成制造系统的核心所在,这种信息集成是以解决设计、制造与管理中各种白动化信息孤岛的集成为目标,这一集成需要解决底层数据库的相互访问以及不同应用软件之间的接口。
 
       仅有信息集成还不能满足并行工程的需要,还需要功能集成与过程集成的支持。所谓功能集成,是指在集成框架的支持下,实现应用系统的“即插即用”和应用功能的互操作。而过程集成则强调在信息集成与功能集成的基础上,以过程为核心,注重知识、协作和人的有效参与,从过去单纯的信息集成向人-管理-技术并行的集成,最终实现产品开发全生命周期的过程管理与控制。
 
        3.支持并行工程的集成框架——PDM
       并行工程的核心内容包括四个方面:第一是产品开发过程重组.把传统的串行产品开发过程转变成集成的、并行的产品开发过程;第二是产品开发队伍重构,即将传统的部门制或专业组变成以产品为中心的多功能集成产品开发团队;第三是数字化产品定义和CAx/DFx工具的应用:第四是协同工作环境,用于支持集成产品开发团队协同工作的网络与多媒体通信环境等。集成框架是实现上述四方面集成的重要支撑环境,是支持并行工程快速实施的重要保证。
 
        目前支持并行工程的较为适用的集成框架产品为PDM系统。利用PDM技术,首先,可以实现广义产品数据的分布式管理,为用户的查询与共享提供了极大的方便;其次,可以在计算机环境中组织集成产品开发团队,规定其任务和权限;再次,能够方便地实现对应用工具的封装,并能进一步实现接口集成与紧密集成。最后。可以提供过程的管理与监控,为并行工程中的协同工作与过程集成提供必要的支持。图6-6说明了PDM作为集成框架的作用。

PDM作为并行工程中的集成框架 
图6-6  PDM作为并行工程中的集成框架
 

某大型工业集团实施并行工程的背景分析
        1.产品设计与制造的现状与特点
        (1)设计现状与特点
        ①多学科的系统设计,自行设计为主。
        ②多方案分析评估。
        ③结构复杂,零件种类多。
        ④分析、优化介入设计。
        ⑤系统装配难度大。
        ⑥产品数量大,管理工作难。
        ⑦理论计算与实验模型相结合。
        ⑧精度要求高、互换性好、可靠性强,且便于维护。
   
        (2)产品特点
        ①产品结构变化多,结构复杂,要满足的功能要求多。
        ②零件种类多,精度要求高。
        ③产品具有创新性,技术新,难度大,且涉及的专业领域广,包括电子、微波、结构、热学、制造加工工艺等方面的技术。
        ④产品应具有高可靠性、安全性及质量。
 
        (3)结构件制造工艺现状与特点
        ①投入设备与工装品种多,生产准备周期长。
        ②数控加工与常规加工及手工作业并存,相互联系协调制造要求特别突出。
        ③专业多,分工细,零件制造工艺路线长,加工工序多,同时采用较多的新工艺,特种工艺。
        ④较多采用高精度数控加工设备.但同时也采用普通机床和专用工装进行加工。由于工序多,装夹找正次数多,不仅费时费力,而且加工精度难以保证,超差率高,关键工序的加工合格率不到70%。
        ⑤采用单向开环的传统方法进行工艺过程设计和控制。
        ⑥采用多种加工工艺方法实现产品制造。
 
        (4)生产现状与特点
        ①新产品研制批次多,技术攻关项目多,类型多,周期短,任务重,要求采用的技术新,有较强的应变能力。
        ②一个新产品从立项研制到定型需要经过模样、初样、试样和正样四个阶段,经过多个不同状态的测试,生产组织呈现交叉,研制与小批量生产并行的局面。
        ③现有资源处于单机运行状态,工序分散,在线工装数量多。
        ④新产品对加工过程及质量管理有严格的要求。
        ⑤结构件品种多,加工工艺呈多样化。
 
        2.产品设计、制造的瓶颈问题分析
        经调查与分析,其存在的瓶颈问题主要有如下几点:
        ①采用串行产品开发过程,信息流动是单向的,设计、制造过程中缺乏必要与及时的信息反馈。各环节配合不够紧密,产品开发过程有关人员逐渐介入,尤其是工艺、制造人员介入较晚,没有及早地全面考虑产品的可装配性和可制造性、制造过程中质量控制等问题,造成产品开发的后期才发现设计问题,致使返工较为频繁。
 
        ②产品数据管理(如版本管理、工程更改的管理等)完全处于手工管理的状态,未能有效地组织起来,致使产品数据的查询、传递和修改均要通过开发人员之间的互相交流而实现,费时费力,效率低下。由于人差错,常常难以保证设计及制造数据的准确性、一致性和安全性,因而在实际设计和制造过程中会导致一些不该出现的问题。
 
        ③产品开发人员采用传统管理方式按专业设置课题组进行管理,没有完全按并行工程的团队(teamwork)工作设置原则及多学科(专业)组成产品开发队伍,造成产品后期阶段协调会多、返工多、成本高、产品开发周期长。
 
        ④虽然设计和制造部门均建立了各自的计算机应用系统,但各系统之间缺乏必要的通信手段,使得部分软件按“孤岛”方式工作,信息沟通仍然存在很大障碍,缺少有效的集成手段。
 
集成产品开发团队的组织
        针对两类复杂结构件,根据其参加设计、制造的人员关系,组建了集成产品开发团队,成员包括设计、工艺、制造、市场、财务、客户服务、协作单位等,这是一种动态的组织形式,其组织结构图如图6-7所示。其中每一个空心圆都代表集成产品开发团队里的一个角色,表示需要指定人员从事某种具体工作。一个角色可以由多个人员承担一个人员也可以承担多个角色,具体的安排需要根据实际情况而定。开发人员来自原有的各职能部门,同时还需要接受团队领导的管理。

人员的组织结构矩阵图 
图6-7 人员的组织结构矩阵图

 
支撑环境的建立
        以PDM系统作为并行工程的集成框架,为并行化产品设计与过程管理提供了必要的跨平台的软件支撑环境。基于PDM系统的并行工程体系结构如图6-8所示。这一体系结构以PDM系统为核心,共分六层,即异构计算机与操作系统层、网络与通信协议层、数据库层、PDM集成框架层、应用系统层、群组工作层。

 并行工程的支撑环境
图6-8并行工程的支撑环境

 
        (1)异构计算机与操作系统层包括SUN/Solaris,DEC/OSF,SGI/IRIX,PC/Windows等硬件平台与相应的操作系统,由它们支持应用、开发与网络通信。
 
        (2)网络与通信协议层通过广域网使参与单位进行各种信息的交换,如图像、声音、图形、文本、报表等。在各个单位的研究、开发与测试、应用环境中,使用局域网(Ethernet, TCP/IP协议)。
 
        (3)数据库层使用关系数据库(()racle7.2 )作为数据存储的媒体,一方面作为框架的底层支持库,另一方面用于支持某些应用系统的局域信息集成。
 
        (4) PDM集成框架层选用美国SDRC公司的Metaphase 2.2支持应用系统的应用集成、信息集成、集成产品开发团队及产品开发活动的集成。
 
        (5)群组工作集成框架层为集成产品开发团队提供一种通信手段,采用IBM公司的Lotus Notes,用于建立非实时的协作环境,SUN公司的SHOWME用于建立实时的多媒体会议系统。
 
        以上五层构成并行工程的支持环境子系统,下面为三个应用分系统:
        ①理与质量分系统:旨在改造并行工程应用企业的传统开发模式,将客户需求转换成工程设计中的可控质量指标,并通过项目协调板管理产品开发活动。
 
        
工程设计分系统:是整个并行工程的核心,它承担着集成化与并行化产品设计与工艺设计的任务,主要包括CAD、面向装配的设汁(design for assembly,DFA)和面向制造的设计(design for manufacturing,DFM),计算机辅助工程(computer aided engineering,CAE)和加工过程仿真(manufac turing process simulation,MPS),还有计算机辅助工艺设计(computer aided Process planning CAPP)、计算机辅助装夹设计(computer aided fixture design. CAFD)和计算机辅助制造(computer aided manufacturing, CAM)。
 
        ③制造分系统:主要涉及原型制造,包括生产计划与调度、资源建模与管理、单件生产等,并将制造分系统的状态信息反馈给工程设计分系统。
 
分布式协同工作环境的定义与配置
        并行工程不仪要组建集成产品开发团队,更重要是对团队成员进行有效管理。基于PDM的分布式环境要做到这一点,既要对团队成员的角色有明确的分工和权限分析,同时要求在PDM中定义用户、用户组和角色,配置个人工作环境与数据共享环境,确定数据操作权限,以便保证在分布式共享环境中协作成员能及时、准确、有效地得到他想要的数据。
 
        根据上节中新产品开发的团队的人员组织结构图,将相关人员分成一九个组.每个组可以有多名成员.每个成员也可以属于不同的组,每个组对应一个角色,并对应一个数据存储的工作路径,即在电子仓库中的存储位置,如表6-6所示。
 

表6-6 人员分组、角色与存储工作路径对照表
 人员分组、角色与存储工作路径对照表

        最终实现的并行化产品开发环境配置实例如图6-9所示。

各组承担的角色及数据在PDM中的存放位置和共享方式 
图6-9 各组承担的角色及数据在PDM中的存放位置和共享方式

 
        图6-9中带箭头的线表示数据的转换关系及相应操作权限,检入、检出、拷贝、移动、移交所有权、提交、冻结等。不同的用户或用户组对同一个电子仓库中的数据,操作权限相差很大,完全根据需要来定义。
 
        从图6-9可以看出,九个组相关人员产生的数据分三个层次进行管理,即私有数据、组内共享数据、全局共享数据,分别对应个人工作区、局域电子仓库及全局共享电子仓库,数据的状态分工作状态、预发布状态与发布状态等。个人工作区中的信息为个人所有,局域电子仓库中的数据为同组共享,不同组之间不能共享。
 
        电子仓库间的共享情况或存取权限如表6-7所示,本组成员对数据的操作权限最高,但是在同一组中,也可以再进行细分,组长的权限最高,其他成员次之。其他组成员对局域电子仓库中的数据具有查询权力。要共享数据,一般通过与之相关的全局共享电子仓库,而共享电子仓库之间的数据过渡由并行工程负责组去完成。
 

表6-7 电子仓库共享权限表
电子仓库共享权限表

产品结构管理
        在Metaphase中,产品结构通过Part(零部件父类),Assembly(部件类)和Component(零件类)三类对象及其之间的关系表示,其中Assembly和Component均是Part的子类。但这三个产品结构类直接提供给用户的属性只包括零部件名称、ID号、生产/外购选项、版本号等,而在实施并行工程时,需要描述和组织产品设计与制造的全过程信息,因此为满足设计、装配与制造的要求,必须增加更多的零部件属性,即对产品结构构件类的属性进行扩展。
 
        具体的实现方法是通过Metaphase提供的应用开发接口,修改原有三个产品结构类的信息模型,增加所需要定制的属性并修改相关的用户界面。图6-10即为根据实际项目要求定制后的部件属性对话框,其中Item Spec, Lead Time, Lead Time Unit和Draw Number等均为新增加的属性。
 
        在完成产品结构类信息模型的扩展后即可根据产品设计文件建立产品结构树,如图6-11所示。然后利用分类文档的功能,分别为每个零部件生成所需要的分类文档。在此基础上,建立零部件、分类文档和零部件的各种设计数据之间的联系,如图6-12所示。通过这样组织产品数据,使得用户可以方便直观地找到自己所需要的数据并对其进行权限许可范围内的操作。

扩展后的部件城性 
图6-10 扩展后的部件城性

 
并行工程中的应用工具集成
        1.各工具产生的数据分析
        在并行工程项目中,与设计相关的应用工具主要有产品设计组使用的CAD工具,模装组使用的DFA工具,工程分析组使用的CAE工具,铸造组使用的ZCAE工具,制造工艺组使用的DFM/CAPP工具,装夹组使用的CAFD工具,加工组使用的CAM工具,加工仿真组使用的MPS工具等。这些工作组及其工具均从其他组输入数据,经过工作后生成输出数据供其他工具使用,其具体的输入和输出数据流如表6-8、表6-9、表6-10所示(篇幅所限,仅列出CAD, DFA, CAPP三个工具的数据):

表6-8  CAD输入输出数据表
 AD输入输出数据表
表6-9 DFA输入输出数据表
 DFA输入输出数据表
表6-10  CAPP输入输出数据表
CAPP输入输出数据表

 展开的产品结构树
图6-11 展开的产品结构树
产品结构与文档管理 
图6-12 产品结构与文档管理

 
        2.应用工具集成的实现过程
        在Metaphase中应用工具集成的实现过程如图6-13所示。
        首先要做的工作是定义应用工具及其相关的数据文件的类信息模型。图6-14(a)是需要集成的应用工具的类信息模型,其中Tool类是Metaphase原有类体系结构中的一个抽象类,而其他类则定义了所需要集成的应用工具,它们都是Tool的实例化子类。图6-14(b)表示的则是在集成CAD工具Pro/E时所需要定义的数据文件信息模型,其中NoEdTxt类也是Metaphase原有类体系结构中的一个抽象类,ProEFile则是为了方便对Pro/E所产生的数据文件进行管理而新定义的一个抽象类,其他类则分别对应于需要管理的几种Pro/E数据文件,如.asm文件、. prt文件、. drw文件等,它们都是ProEFile的实例化子类。

应用集成的实现过程 
图6-13 应用集成的实现过程
 应用工具集成的信息模型
图6-14 应用工具集成的信息模型


 
        在完成对应用工具及其数据文件的信息模型定义后,还需要对应用工具的行为进行建模。图6-15是一个采用场景图对启动Pro/E工具这一过程进行描述的实例。它表明了从用户选择启动Pro/E菜单后在Metaphase内所定义的各个对象之间的消息传递及对应的处理方法。
 
        完成对所有的应用工具及其相应数据文件建模后,可利用Metaphase提供的MODeL对象建模语言将它们表示出来(信息模型和行为模型分别在*. met和*. mth文件中定义,菜单界面也在*. met文件中定义),然后通过Metaphase提供的MODeL语言编译器对其进行编译,产生全局对象字典及应用方法服务器,此时应用工具集成工作便告完成。

启动应用工其的场景图 
图6-15 启动应用工其的场景图

 
并行化产品开发过程的管理与控制
        产品设计与制造过程的改进
        为解决6.2.2节中所述的瓶颈问题.采用并行工程思想,首先要做的工作就是分析原有的产品开发流程。针对复杂结构件,其传统产品开发过程如图6-16所示。存在的问题已在前面章节有所介绍,主要是使用串行设计方式,缺乏早期发现问题的方法与手段,设计错误往往在设计后期,甚至在制造阶段才被发现。
 
        针对原有设计、制造流程,按照并行工程的思想和方法,提出面向并行工程的设计、制造流程,如图6-17所示。从图6-17中可以看出,原有产品开发的大循环被分解为若干个小循环,在方案设计阶段增加了QFD, DFA工具,使得从用户需求到方案的确定都有更好的保证,同时增加了到工艺设计的产品信息预发布。在详细设计阶段增加厂DFA,DFM,ZCAE,CAE等工具。在工艺设计阶段增加了LAPP, CAFD, MPS等工具,使得相关学科的产品与工艺设计人员及早参与设计,及早发现设计错误。

 复杂结构件串行开发过程
图6-16 复杂结构件串行开发过程
并行化产品开发流程 
图6-17 并行化产品开发流程

 
        2.工作流程管理与控制
        前面给出的产品开发过程改进结果还不具有可操作性,必须结合不同产品对象(包括零件、部件等)的不同特点,并在进一步细化的基础上,围绕选定的设计对象,分层定义其工作流程,包括产品级并行化设计过程工作流程、结构件设计过程工作流程、零件设计过程工作流程以及数据审批/发放工作流程等。图6-18给出了一个部件级设计过程工作流程的实例。

 部件级并行设计过程工作流程
图6-18 部件级并行设计过程工作流程

 
        在实际执行该流程时,如果忽略各个活动在时间上的并行而单纯从产品信息逐步完善的角度考虑,则又可以将该流程表示为图6-19。其中每个活动都指派产品开发团队成员及其所完成的任务。有关活动的具体构成要素信息见表6-11。

实际执行的活动 
图6-19 实际执行的活动

 

表6-11 活动的构成要素
活动的构成要素
活动的构成要素
活动的构成要素 

    在Metaphase中,执行一个工作流程的实例如图6-20所示。

设计过程运行实例
图6-20 设计过程运行实例

 
        图6-20所示的浏览窗口中颜色较深的绿色节点表示已经完成的任务,淡黄色的节点表示正在执行的任务。团队的管理人员可以随时通过如上所示的浏览窗口观察流程的执行状况。如果团队管理人员发现有的任务超过了规定的时间,或是任务执行人员报告由于一些事先未预料到的原因导致无法按时完成任务,则他可以采取相应措施,如将该任务重新指派给其他团队成员,或增加资源,或召集相关人员进行协商解决。
 

他们选择了我们
    1. 中车PLM:实现企业一体化设计、一体化采购主数据平台

    2. 金龙PLM案例:全车系产品配制管理,快速生成产品BOM与成本。

    3. 三一PLM案例:实现企业技术保累,协助企业研发过程。

    4. 一拖PLM:从源头达成零件管理

    5. 中石化PLM :全项目控制管理查看更多

    1. 正泰PLM:电器、结构、电子多专业协作平台

    2. 上柴动力PLM:产品模块化设计应用。

    3. 朝阳轮胎PLM:流程制造业PLM方案,配方与工艺管理。

    4. 皇明PLM:设计工艺制造一体化方案。

    5. 喜临门PLM:集团化应用,参数化产品BOM运算应用。

了解更多
    1. 中兴汽车PLM :整车行业配制化产品管理方案。

    2. 铁科院PLM:企业研发业务,数据一元化管理

    3. 伊利PLM应用:食品行业配方与工艺管理PLM应用

    4. 中国航天二院:以PLM为中心的多系统集成应用。

    5. 徐工集团:复杂BOM的产品简化产品管理

    1. 创新精神2_2:创新是我们发展的源泉

    2. 创新精神:创新是我们发展的源泉

    3. 创新精神:创新是我们发展的源泉

    4. 创新精神:创新是我们发展的源泉

    5. 创新精神:创新是我们发展的源泉

了解更多
    1. 京城重工PLM:设计工工艺制造一体化方案

    2. 中集华骏PLM:从客户需求参数化直接转化成产品BOM管理

    3. 聚光科技PLM:电子行业IPD管理模式PLM应用

    4. 舟山电力局PLM:大数据汇总管理,数据的快速转化与查询

    5. 东方电气PLM:汽轮机行业,一体化管理。

    1. 创新精神3_2:创新是我们发展的源泉

    2. 创新精神4:创新是我们发展的源泉

    3. 创新精神5:创新是我们发展的源泉

    4. 创新精神6:创新是我们发展的源泉

    5. 创新精神7:创新是我们发展的源泉

了解更多
联系我们