1、第五講：并行設(shè)計(jì),北京理工大學(xué)宇航學(xué)院 宋曉東,一、并行設(shè)計(jì)的基本概念,（問(wèn)：千斤頂設(shè)計(jì)時(shí)，考慮過(guò)加工工藝嗎？考慮過(guò)用什么機(jī)床嗎？考慮過(guò)怎樣定位、采用哪些夾具嗎？） 美國(guó)國(guó)防分析研究院于1988年給出了并行工程的定義：集成地、并行地設(shè)計(jì)產(chǎn)品及其相關(guān)過(guò)程，包括制造過(guò)程和支持過(guò)程的系統(tǒng)化方法，這種方法可以使產(chǎn)品開(kāi)發(fā)人員從一開(kāi)始就能考慮到產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)到消亡的整個(gè)生命周期里的所有因素，包括質(zhì)量、成本、進(jìn)度及用戶需求。 。,在現(xiàn)代社會(huì)，隨著社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，高新技術(shù)的發(fā)展，不允許企業(yè)再按部就班地、孤立地開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品，它要求將不同的專業(yè)人士（包括設(shè)計(jì)、工藝、制造、銷售、市場(chǎng)、維修等）組成并行開(kāi)發(fā)小組，以協(xié)同

2、工作方式進(jìn)行開(kāi)放的和交互式的聯(lián)系，以便縮短從概念設(shè)計(jì)至開(kāi)始生產(chǎn)的生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，消除各種不必要的返工，使產(chǎn)品一次開(kāi)發(fā)成功，增強(qiáng)“全局成本意識(shí)”，獲得優(yōu)良的性能價(jià)格比。,二、并行設(shè)計(jì)的基本過(guò)程和特點(diǎn),1，串行設(shè)計(jì)過(guò)程 與并行設(shè)計(jì)相比，首先給出傳統(tǒng)串行設(shè)計(jì)的一般過(guò)程。 傳統(tǒng)的串行設(shè)計(jì)，在信息集成的階段，串行開(kāi)發(fā)模式、組織模式通常是遞階結(jié)構(gòu)，各階段的工作是按順序方式進(jìn)行的，一個(gè)階段的工作完成后，下一階段的工作才開(kāi)始。各個(gè)階段依次排列都有自己的輸入和輸出，如圖所示。,北京理工大學(xué)宇航學(xué)院,北京理工大學(xué)宇航學(xué)院,在串行設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè) 計(jì)部門(mén)一直是獨(dú)立于生產(chǎn)過(guò) 程，例如汽車設(shè)計(jì)院只負(fù)責(zé) 設(shè)計(jì)，不考慮加工工藝

3、，與 生產(chǎn)環(huán)節(jié)脫節(jié)，導(dǎo)致開(kāi)發(fā)的 產(chǎn)品很少能一次投入批量生產(chǎn)(需要試制一些)，往往是加工完產(chǎn)品，才能發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，就需要返回去重新設(shè)計(jì)。無(wú)形之中使產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期延長(zhǎng)，制造成本上升，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力差。,串聯(lián)方法的設(shè)計(jì)生命周期總時(shí)間可表示為： SE =T需求分析+T產(chǎn)品設(shè)計(jì)+T產(chǎn)品制造+T售后服務(wù)R返工系數(shù) 式中： SE 為串行設(shè)計(jì)所需用的時(shí)間； T 為完成各個(gè)階段所用的時(shí)間； R 為返工系數(shù)。,引起返工的主要因素有： 設(shè)計(jì)不合理，加工生產(chǎn)困難； 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，需要增添新的生產(chǎn)設(shè)備； 過(guò)高的精度要求，加工難以完成； 裝配干涉，導(dǎo)致無(wú)法裝配等。,以上因素嚴(yán)重影響了所開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品的上市時(shí)間，串行設(shè)計(jì)的返工系數(shù)值常超

4、過(guò)2。 R返工系數(shù) 總之，串行設(shè)計(jì)以順序開(kāi)發(fā)為前提，整個(gè)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的不同階段采用不同的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)或工具，數(shù)據(jù)共享不能實(shí)現(xiàn)和完成；頻繁的設(shè)計(jì)修改，導(dǎo)致產(chǎn)品設(shè)計(jì)成本上升；設(shè)計(jì)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，沒(méi)有迅捷的市場(chǎng)應(yīng)變能力，從而對(duì)市場(chǎng)需求的反應(yīng)遲鈍。,2并行設(shè)計(jì)過(guò)程,并行設(shè)計(jì)是對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)及其相關(guān)過(guò)程進(jìn)行一體化、系統(tǒng)化的工作模式，如圖所示。并行設(shè)計(jì)將產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期分解成許多階段，每個(gè)階段有自己的獨(dú)立時(shí)間段，組成全過(guò)程。 不同的設(shè)計(jì)時(shí)段之間有一部分重疊，代表了不同設(shè)計(jì)階段之間可以同時(shí)進(jìn)行，一般兩個(gè)相鄰階段重疊，需要時(shí)，可以有三個(gè)或更多的階段相重疊齊頭并進(jìn)。,北京理工大學(xué)宇航學(xué)院,北京理工大學(xué)宇航學(xué)院,2.產(chǎn)品并行設(shè)計(jì)體系框

5、架,每一設(shè)計(jì)活動(dòng)在前一環(huán)節(jié)完成之前就開(kāi)始進(jìn)行。 將上、下游的設(shè)計(jì)要求作為本設(shè)計(jì)工作的約束條件，進(jìn)行目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)和相應(yīng)評(píng)價(jià)。 引入反饋流，各設(shè)計(jì)結(jié)果及時(shí)反饋給上游進(jìn)行設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)和修改。 應(yīng)用過(guò)程管理軟件對(duì)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程進(jìn)行信息化管理。,在設(shè)計(jì)工作過(guò)程中，當(dāng)上一組有輸出時(shí)，相關(guān)聯(lián)的設(shè)計(jì)階段馬上進(jìn)行相應(yīng)的完善設(shè)計(jì)工作，直至所有工作階段無(wú)輸出時(shí)，整個(gè)設(shè)計(jì)便宣告完成。顯然，并行設(shè)計(jì)完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于串行工程所用的時(shí)間。并行設(shè)計(jì)的返工系數(shù)一般在0.250.75之間： R返工系數(shù) 0.5,為保證順利實(shí)施并行設(shè)計(jì)，主要的關(guān)鍵技術(shù)如下： (1)產(chǎn)品的信息建模和開(kāi)發(fā)過(guò)程的集成。 (2)實(shí)現(xiàn)從目標(biāo)管理到過(guò)程管理

6、轉(zhuǎn)變。 (3)在產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)管理支持環(huán)境下，建立產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程建模軟件工具、過(guò)程監(jiān)控和管理工具以及協(xié)調(diào)沖突仲裁工具等。 (4)團(tuán)隊(duì)工作方式和協(xié)同的工作環(huán)境。,1） 并行性：產(chǎn)品和設(shè)計(jì)過(guò)程，在同一時(shí)間框架內(nèi)進(jìn)行。 2） 約束性：過(guò)程約束性被認(rèn)為是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一部分，從而保證設(shè)計(jì)出的零件易于制作、搬運(yùn)和裝配，并便于采用簡(jiǎn)單成本核算的工藝、工裝和物料貯運(yùn)方法。 3） 協(xié)調(diào)性：產(chǎn)品和過(guò)程密切協(xié)調(diào)以獲得有效成本、質(zhì)量和交貨期的最佳匹配。 4） 一致性：產(chǎn)品和過(guò)程的重大決策要征求全組人員的意見(jiàn)并取得一致。,并行設(shè)計(jì)具有四個(gè)方面的特性（四c特性）,北京理工大學(xué)宇航學(xué)院,并行設(shè)計(jì)的工作方式群組式,產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程的并行

7、化要求與產(chǎn)品開(kāi)發(fā)有關(guān)各部門(mén)同時(shí)工作、共同工作，由各有關(guān)部門(mén)工程技術(shù)人員組成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作群（必要時(shí)還可分成若干小組）。 在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中，有關(guān)人員同時(shí)在線，有關(guān)信息同時(shí)在線，工作步驟交叉平行，此即工作群組工作方式,北京理工大學(xué)宇航學(xué)院,產(chǎn)品信息模型統(tǒng)一化,并行設(shè)計(jì)的產(chǎn)品信息模型應(yīng)能將來(lái)自不同部門(mén)、不同內(nèi)容、不同表述形式、不同抽象程度、不同關(guān)系、不同結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品信息包容在一個(gè)統(tǒng)一的信息模型之中。 模型信息不僅包含完備的幾何形狀、尺寸信息，而且包含精度信息、加工工藝信息、裝配工藝信息、成本信息等。,北京理工大學(xué)宇航學(xué)院,分布式軟硬件環(huán)境,并行設(shè)計(jì)意味著在同一時(shí)間內(nèi)多機(jī)、多程序?qū)ν辉O(shè)計(jì)總是并行協(xié)同求解

8、，因此，網(wǎng)絡(luò)化、分布式的信息系統(tǒng)是其必要條件、并行設(shè)計(jì)面向?qū)ο蟮能浖到y(tǒng)，分布式的知識(shí)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)，能夠根據(jù)產(chǎn)呂設(shè)計(jì)的要求動(dòng)態(tài)編聯(lián)成相互獨(dú)立的模塊在多臺(tái)終端上同時(shí)運(yùn)行，并利用網(wǎng)絡(luò)的機(jī)間通信功能實(shí)現(xiàn)相互之間的同步協(xié)調(diào)。,北京理工大學(xué)宇航學(xué)院,日本NEC公司某產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程的并行重組,北京理工大學(xué)宇航學(xué)院,并行工程的應(yīng)用效果,現(xiàn)代科技發(fā)展迅速，新產(chǎn)品層出不窮，產(chǎn)品的市場(chǎng)壽命大大縮短，為順應(yīng)客戶需求的變化并做出實(shí)時(shí)反應(yīng)，已經(jīng)成為壓倒一切的競(jìng)爭(zhēng)因素。 圖示為美國(guó)制造業(yè)的經(jīng)營(yíng)戰(zhàn)略的變遷過(guò)程：20世紀(jì)50年代、60年代祟尚“規(guī)模效益第一”；70年代追求“價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)第一”；80年代關(guān)注“產(chǎn)品質(zhì)量第一”；到了90年

9、代則考慮“市場(chǎng)響應(yīng)第一”成為企業(yè)獲益和生存的首要條件。 “市場(chǎng)響應(yīng)第一”是目前并行設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展的主要原動(dòng)力。,三、并行設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢(shì),并行設(shè)計(jì)有以下幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì)： (1)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的虛擬化和集成化虛擬產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。 (2)產(chǎn)品的網(wǎng)絡(luò)化、敏捷化基于虛擬企業(yè)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。 (3)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的個(gè)性化、人性化大規(guī)模定制。,北京理工大學(xué)宇航學(xué)院,3.宇航火箭發(fā)動(dòng)機(jī)自頂向下的并行設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)內(nèi)容： 為某航天運(yùn)載器的小型推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī) 設(shè)計(jì)方法： 使用PTC公司的Pro/ENGINEER 2001、Pro/INTRALINK軟件，采用自頂向下的并行設(shè)計(jì),北京理工大學(xué)宇航學(xué)院,火箭發(fā)動(dòng)機(jī)原理,北京理工大學(xué)宇航學(xué)院,3.1設(shè)

10、計(jì)方法及步驟,確定設(shè)計(jì)師系統(tǒng)及產(chǎn)品邏輯結(jié)構(gòu)層次 總體設(shè)計(jì)師確定產(chǎn)品組成、布局和關(guān)鍵尺寸 總體設(shè)計(jì)師創(chuàng)建發(fā)動(dòng)機(jī)的骨架結(jié)構(gòu) 骨架結(jié)構(gòu)的分發(fā) 分系統(tǒng)設(shè)計(jì)師開(kāi)展自己的設(shè)計(jì)工作 產(chǎn)品的裝配 生成工程圖,北京理工大學(xué)宇航學(xué)院,3.1.1確定設(shè)計(jì)師系統(tǒng)及產(chǎn)品邏輯結(jié)構(gòu)層次,根據(jù)設(shè)計(jì)目的確定產(chǎn)品的邏輯結(jié)構(gòu)層次，形成產(chǎn)品樹(shù)。并按照設(shè)計(jì)師系統(tǒng)分別設(shè)定設(shè)計(jì)師的權(quán)限。,北京理工大學(xué)宇航學(xué)院,3.1.2總體設(shè)計(jì)師確定總體設(shè)計(jì)方案,形成總體設(shè)計(jì)方案，確定發(fā)動(dòng)機(jī)的組成結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵尺寸以及各分系統(tǒng)接口尺寸； 給定設(shè)計(jì)約束條件、設(shè)計(jì)參數(shù)、產(chǎn)品的裝配關(guān)系等； 建立表示部件設(shè)計(jì)的參數(shù)表，表中包括注釋、全局參數(shù)、全局位置信息，以及組件、

11、約束條件、需求以及說(shuō)明,北京理工大學(xué)宇航學(xué)院,3.1.3總體設(shè)計(jì)師創(chuàng)建發(fā)動(dòng)機(jī)的骨架結(jié)構(gòu),發(fā)動(dòng)機(jī)總體設(shè)計(jì)師抽象發(fā)動(dòng)機(jī)的真實(shí)結(jié)構(gòu)，用線、曲面、基準(zhǔn)平面構(gòu)筑發(fā)動(dòng)機(jī)的包絡(luò)體、接口結(jié)構(gòu)和空間裝配位置，并增加尺寸關(guān)系，以通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)布局控制實(shí)體的關(guān)鍵尺寸、接口結(jié)構(gòu)以及空間結(jié)構(gòu)。,北京理工大學(xué)宇航學(xué)院,3.1.4骨架結(jié)構(gòu)的分發(fā),自上而下地分解設(shè)計(jì)目標(biāo)，將設(shè)計(jì)信息傳遞給各分系統(tǒng)具體實(shí)施設(shè)計(jì)； 分系統(tǒng)從上級(jí)系統(tǒng)獲得某些關(guān)鍵尺寸和定位基準(zhǔn)，并在上級(jí)系統(tǒng)確定的邊界內(nèi)展開(kāi)產(chǎn)品的整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程，最終完成總體性能最優(yōu)的設(shè)計(jì)。 總體設(shè)計(jì)人員、各分系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可同時(shí)開(kāi)展設(shè)計(jì)，并可互相參考設(shè)計(jì)； 首先由發(fā)動(dòng)機(jī)總體設(shè)計(jì)師將骨架零件檢入到公用區(qū)中，此時(shí)分系統(tǒng)設(shè)計(jì)師便可從公用區(qū)中將骨架零件檢出到自己的工作區(qū)中，完成骨架零件的分發(fā)，以便下一步開(kāi)展設(shè)計(jì)時(shí)使用；在公用區(qū)中，各設(shè)計(jì)人員均可隨時(shí)得到最新的設(shè)計(jì)資料。,北京理工大學(xué)宇航學(xué)院,3.1.5分系統(tǒng)設(shè)計(jì)師開(kāi)展自己的設(shè)計(jì)工作,系統(tǒng)設(shè)計(jì)師根據(jù)上一級(jí)設(shè)計(jì)師給出的骨架文件在本地具體化后開(kāi)始設(shè)計(jì)工作。,北京理工大學(xué)宇航學(xué)院,3.1.6產(chǎn)品的裝配,北京理工大學(xué)宇航學(xué)院,3.1.7各級(jí)設(shè)計(jì)師分別按照標(biāo)準(zhǔn)要求完成工程圖,北京理工大學(xué)宇航學(xué)院,3.2并行設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì),總體設(shè)計(jì)師/各分系統(tǒng)工程師可同時(shí)并行工作，每個(gè)人進(jìn)行的設(shè)計(jì)均可及時(shí)反饋給其他設(shè)計(jì)師，設(shè)計(jì)信息可完全的及時(shí)共享。保證了共用設(shè)計(jì)