并行产数字化定义技术.doc

1、并行产品数字化定义技术摘要：结合飞机制造业数字化工程项目, 本文首先从分析产品数字化定义的基本内涵出发, 建立了产品数字化定义的基本概念, 提出了产品数字化定义的特点，并详细介绍了有关飞机产品数字化定义的一些核心技术。其次，本文提出了在飞机研制过程中应用并行工程的实施原则, 分析了技术基础体系的主要内容, 对关键技术解决措施进行初步逐一探讨, 最后以某型机研制中应用并行产品数字化定义取得的初步成效为例, 希望对在飞机研制过程中实施并行产品数字化定义有所借鉴。关键词: 产品数字化定义 并行工程 实施原则 关键技术 引言：飞机研制是一项涉及众多学科和专业, 耗资、耗时而且复杂的系统工程。在传统模式

2、下, 飞机设计和制造各专业串行分立地完成各自的工作, 由于设计知识和经验所限, 不能在设计初期就考虑产品的可制造性、可装配性以及质量保证等因素, 导致在后期的产品制造中暴露出许多问题, 造成设计周期长、返工多、质量不易保证等弊端, 对飞机研制周期和质量造成显著的影响, 也增加了研制成本。随着数字化技术的发展和应用, 新产品开发方式已经从顺序工程( Sequential Engineering ) 向并行工程( ConcurrentEng ineering , CE) 转变, 面向并行工程的产品设计方法成为研究热点。因此在现代飞行器研制过程中开展并行产品数字化定义研究, 使设计制造各有关专业可以

3、组成协同工作团队, 并行地进行产品数字化定义工作就显得尤为重要。1 数字化定义的内容 1.1 产品数字化定义的基本概念产品数字化定义面向从设计、分析、制造、装配到维护、销售、服务等产品全生命周期的各个环节, 用于描述和定义产品全生命周期的数字化过程中所应包含的信息以及这些信息之间的相互关联关系, 并使其成为计算机中可实现、可管理和可使用的信息。DPD 的概念具有以下特点:( 1) DPD 描述和定义的信息应该满足产品全生命周期的数字化信息需求;( 2) DPD 不仅需要对产品全生命周期中的信息进行合理有效的描述, 更重要的是描述和定义这些数字化信息之间的相互关系。因为产品信息之间的关系描述直接

4、影响信息的存储、检索查询和使用效率;( 3) DPD 描述和定义的信息及信息关联关系必须可以在计算机中存储、管理和使用。1.2 飞机数字化产品开发的核心技术飞机数字化产品开发技术的研究与应用涉及并行工程、虚拟制造、知识工程和计算机仿真等领域知识,它的核心技术包括面向产品寿命周期信息多视图融合与集成的PPR 模型技术、支持飞机产品三维表达、分析与优化的数字样机(Digital Mockup ,DMU) 技术,支持设计检验与工艺优化的虚拟装配(Virtual Assembly ,VA) 技术和数字化产品开发过程保障技术等。1.2.1产品- 过程- 资源模型PPR 模型是DPD 技术的核心和关键,它

5、体现了产品研制周期信息的多视图融合和集成。下面从PPR模型建模对象、PPR 模型建模业务流程和PPR 模型多活动视图分析与支持3 个方面进行分析。(1) PPR 模型建模对象。PPR 模型建模对象指存在于异构数据源的,能够通过多活动视图进行访问的,功能、逻辑或物理相关的产品- 过程- 资源数据。PPR 模型建模的过程就是建立通用的产品- 过程- 资源语义描述,定义数据关联性管理及更改、发放,建立数据的多视图表示。(2) PPR 模型建模业务流程。PPR 模型建模业务流程包括业务流程对象描述、业务流程重组规则及业务流程描述与集成支持平台等。业务流程对象描述指根据产品寿命周期设计、工艺、制造等流程

6、,对PPR 模型建模对象进行业务重组的综合过程;业务流程重组规则指针对某一特定PPR业务流程进行行为描述的规范和约束;业务流程描述与集成支持平台提供中性的语言和编程环境,封装上述PPR 业务流程,并提供对流程的访问。(3) PPR 模型多活动视图分析与支持。PPR 模型多活动视图分析与支持基于产品寿命周期管理( Product Lifecycle Management , PLM) 服务平台,通过对机构建模、分析、样机系统、制造、设备、项目、更改、工作流、文档等视图进行建模和仿真,实现PPR 的多活动视图分析,支持产品寿命周期信息的集成与共享。1.2.2 数字样机数字样机技术通过建立飞机产品的

7、三维计算机表示,支持产品的分析与优化。DMU 的核心技术是多体系统运动学与动力学建模理论。它通过建立系统的三维实体模型和力学模型,分析和评估系统的性能,从而为物理样机的设计和制造提供参数依据,实现产品设计的优化,最大限度地降低研制成本。数字样机技术在飞机产品概念设计阶段对整个系统进行完整的分析,观察并试验各组成部件的相互运动情况。使用系统仿真软件在各种虚拟环境中真实地模拟系统的运动,修改设计缺陷,试验不同的设计方案,对整个系统不断改进,直至获得最优设计方案以后,再做出物理样机。1.2.3 虚拟装配虚拟装配技术为设计、工艺和制造人员提供一种切实可行的虚拟装配仿真与分析环境;采用计算机仿真与交互式

8、三维可视化模型,实现产品的设计、装配工艺规划、性能分析、质量检验等产品装配和工艺设计的本质过程;模拟和预估产品功能、性能及可装配性等各方面可能存在的问题。虚拟装配目的是提高装配效率,减少装配时间,降低装配成本,保证产品的可装配性。1.2.4 数字化产品开发过程保障技术DPD 过程保障技术包括两个层面。首先是约束产品开发过程的数字化研制过程标准规范,其次是支持DPD 的管理服务。以中航一集团第一飞机设计研究院的飞机全机规模电子样机为代表的技术应用探索在这方面是先行者,这里不再赘述,仅就相关技术做一简要说明。(1) DPD 标准规范。建立数字化产品开发模式下飞机产品三维建模规范、虚拟装配规范、数字

9、化工艺设计和工装设计制造规范以及PDM 的实施规范等。(2) 支持DPD 的管理服务。提供用户管理、资源管理、项目管理和工作流管理等服务支持。通过并行工作管理规范和工作流程管理规范来实现信息、过程的集成和资源共享。2 并行工程应用原则及其关键技术2.1 并行工程及其应用原则2.1.1 并行工程的定义目前较为公认的定义是在1988 年12 月美国防务研究所( IDA ) 的研究报告“武器系统采办中并行工程的作用”中所述:“并行工程是一种集成、并行设计产品及其相关过程(包括制造过程和保障过程) 的系统方法。它使研制者从一开始就考虑从概念形成到处置的整个产品寿命周期中的全部因素, 包括质量、成本、进

10、度和用户要求。”2.1.2 并行工程的应用原则在并行工程中，时间是重要的考虑因素，许多因素依赖于决策和发现问题的时间。将近80%的产品生命周期开发成本由项日最初的20%时间内作出的决策和努力来决定3。CE的实施建立在8项基本原则之上：(1)及早发现问题：在产品开发过程的早期阶段发现的问题比开发过程后期发现的问题更容易解决。(2)及早进行决策：在设计早期阶段的决策比后期阶段的决策影响范围更广,成功的机会也更大。(3)工作结构化：事实上,人不可能同时做多项工作,并行计算机也是如此。人们擅长于系统地组织工作环境,以便使每项任务由人、机器或计算机单独进行。(4)团队亲和力：人们相对独立工作可以产生局部

11、的优化设计,将这些局部优化的设计组合起来,并不一定保证整个系统优化。集体智慧大于个体智慧的简单求和,通过多学科多部门的协同工作,可以产生全局优化设计。(5)知识均衡：产品设计涉及的领域通常是很广泛的,不可能建立满足所有目标、自动化或基于所有知识的系统,解决复杂问题的最佳方法是人类知识与工具的有机结合。(6)共同理解：如果团队成员知道其它成员在做什么,团队的工作将做得更好。(7)一致的目标：大多数部门都有一种使本部门看起来比其它部门好的倾向，如果每个成员朝着共同的目标努力工作,而不考虑他们所属的部门,整个企业将运行得更好。这需要改变传统的思维方式,以全局利益为重,尽自己最大的努力,实现企业共同的

12、目标。2.2 并行工程的关键技术2.2.1 集成团队技术团队是共享工作活动,并对特定的产品负责的个体的组合。团队成员的工作相互依赖,即：他们需要其他成员的工作而实现共同的目标。团队的定义扩展为：(1)相互依赖。在团队中每个成员贡献自己的力量,其他成员依赖这些奉献,并与他人共享这些信息，成员相互接纳,相互影响。(2)共同承担责任。全体成员共同对团队的目的和目标负责,每一个成员都能理解其职责。(3)对团队产品负责。所有成员共同对团队的产品负责,它确定团队活动的中心,当然包括服务和产品。通过跨部门、跨学科的人员的协同工作,充分发挥集体的智慧,从而发挥巨大的潜能,及时为用户提供满意的产品或服务。2.2

13、.2 经营过程重组多年来,传统的串行开发过程一直占主导地位,由于串行过程自身存在的缺陷,致使产品开发周期较长,质量也不稳定。随着用户需求的不断变化与市场竞争的日益激烈,企业为在较短的时间内开发出满足客户要求的产品,必须改变其设计、制造的模式,以便赢得市场。自80年代中后期开始, 经营过程重组(Business Process Reengineer, BPR) 技术已成为开发高质量产品和提供优质服务的先导技术之一, BPR作为一种新的管理哲理正迅速发展。BPR的主要目标是过程的有效性和柔性,主要考虑过程是否增值、过程的时间是否缩短、并发活动是否替代顺序活动等因素,实现对市场快速多变的响应。2.2

14、.3 质量功能部署质量功能配置(Quality Function Deployment, QFD )是一种系统化的产品质量规划方法。它采用质量屋的形式，通过定义“做什么”和“如何做”将顾客需求逐步展开，分层转换成为产品工程特性、零件特性、工艺计划和生产控制等，形成从用户需求到产品上市的连续转换和“实施流”以确保用户需求就是开发目标，加强了产品开发各阶段中项目组成员对用户需求及为满足用户需求所采取的措施的理解，从而提高产品设计质量。它的特点是将注意力集中于规划和问题的预防上，而不是仅仅集中于问题的解决上，是实现产品质量保证的重要手段和工具。2.2.4 面向全生命周期的设计面向产品全生命周期(DF

15、X)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，本身不直接产生设计方案，而是设计评价分析方法，为设计提供依据。其主要内涵是要求在设计过程中尽早考虑后续阶段，如装配加工、测试、性能方面对设计施加的约束，以期做到产品生产一次成功。DFX方法不仅用于改进产品本身，而且用于改进产品的相关过程，强调产品设计和过程设计的同时进行。2.2.5 计算机支持协同工作并行工程团队的成员来自不同的部门,不同的专业领域,按产品进行组织,队伍庞大且地域分散。为了适应多专业的协同工作,必须建立一个协同工作环境,即建立一个内部可以交互操作的支持环境,一方面使正

16、确的信息,在正确的时刻,以正确的方式,送给正确的人做出决策；另一方面建立各种数据库及方法库,积累在设计和管理中的经验,重复使用以前所获得的成果,辅助决策。并行工程环境是由通讯组织的多任务协作。作为一个多任务的集体队伍,在产品开发的长时期中,所有的人在一起工作,每一个成员拥有产品数据的一部分,每个成员依靠和调用其他成员建立的信息。2.2.6 产品数据管理产品数据管理(Product Data Management,PDM )是一个系统,管理、存取和控制与企业产品相关的所有数据,并管理产品的整个生命周期。PDM是面向对象的数据库,它不仅可以管理大量繁杂的数据信息,同时可以管理产品开发的全过程,如工

17、程图纸信息,设计、审核、批准的过程,产品的零部件结构和材料标准等等。在PDM中通过对象技术对上述信息进行管理。PDM的结构和特点使用户能够采用并行工程方法,在计算机集成制造系统中开发出高质量、低成本的产品。3 并行产品数字化定义在*机研制中的应用*型号飞机研制技术难度大、设计及工艺准备工作量大、研制周期紧, 为了保证研制工作的顺利进行, 在飞机设计阶段就全面实施并行产品数字化定义模式, 在产品设计的同时同步开展工艺设计、工装设计和制造数据集设计工作, 取得初步成效, 其工作集成图如下图所示。并行数字化定义集成关系图3.1 组建IPT 团队开展并行产品数字化定义工作在项目研制之初的设计工作过程中

18、, 制定了厂所职责及组织管理规范, 按照并行工程的理念组建了不同层次的IPT 协同工作组开展并行设计工作。由于采取了并行产品数字化定义的方法, 工艺、工装等专业技术人员提前介入飞机设计工作, 在协同工作环境下, 各专业技术人员可以实现有效的沟通, 既可以及时发现和纠正设计错误, 使产品具有良好的工艺性,又可以提前进行原材料备料、工艺规程编制、工装设计等工艺准备及生产准备工作, 缩短新机研制周期。3.2 采用数字化协调方法改变传统的飞机制造协调在*机研制中, 工艺协调原则采用数字量传递为主的方法, 除选用必要的标准量规进行主要结合交点的协调外, 不制造标准样件。以数字化定义的工程数据集为协调依据

19、, 进行零件、工装及飞机装配的协调, 大幅减少了工装数量。3.3 编制部分技术及管理文件并在型号研制中应用编制并运用了IPT 职责及组织管理规范、模型成熟度约定、IWS 编写规定、数字化容差分配原则、数模工艺审查要求、装配定位基准要求等文件, 指导和规范并行协同设计工作, 初步形成并行产品数字化定义工作的技术文件体系。随着*设计工作的开展, 还将陆续编制或完善部分文件, 为最终建立并行产品数字化定义体系打下了良好的基础。参考文献：1 卢鹄, 范玉青. 飞机结构产品的数字化定义J . 北京航空航天大学学报, 2006, 32( 15)2 潘新. 并行产品数字化定义的实施与应用. 机械工程与自动化，2010 年10 月3 徐庆仁. 并行工程及其应用.航空标准化与质量.1999(1)4 姚福生. 先进制造技术进展J. 北京航空航天大学学报. 2004 ,30 (4)5 范玉青. 现代飞机制造技术M . 北京:北京航空航天大学出版社,2001