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基于并行工程的DFX

2009-07-15 09:21:48

  1 引言

  面向“X"设计(Design For " X",DFX)是一种设计哲理,隐于产品及其工艺的设计过程中。这里的"X”可以是制造、装配、检测性、可靠性、服务、再利用性等,则DFX即是面向制造的设计、面向装配的设计等等,表达了设计是为了“X”制造、装配、检测性、可靠性、服务、再利用性等)的意图。DFX的哲理表现了在产品的设计阶段就尽量的考虑与产品相关的“X”的因素的约束。在设计初期即做到针对性的优化,从而使产品的开发周期缩短、成本下降。

  在各种DFX技术中,面向装配的设计是最为广泛使用,且已取得最好成效的技术。香港大学的G.Q.Huang与K.LMak对此作了广泛的研究。

  并行工程(Concurrent Engineering  CE)被视为一种支持技术,是一种动态优化处理问题的系统工程方法。它使与产品相关的因素从一开始即被考虑,使多个工作过程可并行进行。利用并行上程的哲理,可使设计周期缩短。将并行工程与面向“X"设计的结合是本文要探讨的主题。

  2  DFX技术简介

  DFX代表了当代的一种产品开发技术,它能有效的运用于产品开发去实现产品质量的提高、成本的下降和缩短设计周期。DFX具体包含有面向装配的设计、面向制造的设计、面向服务的设计、面向可靠性的设计和面向检测的设计。

  DFA:面向装配的设计。目的是对在设计时通过对零部件的控制来降低装配时的复杂性。也就是通过消除或合并零部件的方式实现,使制造商达到减少装配时间和装配成本。对每一个零部件都考虑是否有必要单独设计或是与其余零部件融合在一起以减少装配数,以此指导下产生了产品设计的系统化的简化。

  DFM:面向制造的设计。是注重制造过程中每一零部件的成本估算,成本受制造的繁简、工艺要求、工序多少影响。需要设计师在过程和装配成本以及零部件优化设计中做出平衡决策。同时,也要求设计师在资源库中编辑出合适的上装、机床及材料的使用分配。另外,要在一定的约束下考虑,如精度要求,能源限制。

  DFS:面向服务的设计。为产品高效的维护和维修而提供的一种产品设计方法,它为具体的每一款服务建立了一套操作顺序。区分出维护时哪一部分零部件是需废弃或是可替代,其根据是对具体部分的维护方式的难易评价而定,并且考虑维护、维修操作中的拆卸顺序的规范和时间消耗,以及拆卸后的再装配顺序和时间消耗。

  使用DFX技术,可利用一些成品的DFX工具软件,如Boothrogd - Dewhurst出品的DFA、DFM软件,Lucas的DFA工具软件,本文是要强调在利用一些DFX软件支持下进行产品开发的模式研究。

  3  DFX的CE环境

  3.1  CE下DFX的模式

  并行工程环境是DFX技术得以发挥的重要技术支持环境。面向“X"的设计在设计初,即注重不仅是其最终结果产品输出,同时注意“X”的约束,故而CE对DFX的影响是深刻的。图1所示的是并行工程模式下的DFX基本模式。在并行工程环境下,对设计要求是同时进行上游的产品设计和下游的过程设计。

图1   CE下的DFX基本模式

  图1   CE下的DFX基本模式

  3.2  CE环境分析

  对于产品开发设计流程可引入并行工程的理念。引入并行上程有两个方面的转变。

  (1)分布时的组织结构,将组织机构从层次式转变为平面式

  在并行工程下的基本组织结构是产品开发组。开发组内有市场部、销售部、产品开发项目组、工程设计部、生产部、采购部、品质管理部和后勤部等。各工作组的管理模式不再是传统的多层次递阶管理模式,原有模式中信息的传递是层层递进的。信息流通速度慢,反馈信息滞后,新模式是适应并行工程的分布式管理模式。分布平行的组织结构有助于产品开发中各职能部门、组、人员的相互合作与共享信息,尽早考虑设计中与“X”相关的所有因素。

  (2)集成化的产品设计、制造、经销过程

  注重企业内部的机构集成同时重视企业与外部供应商、用户、经销商等的集成,并行工程下工作的原则是在进行上游环节工作的同时,尽可能早的考虑下游环节的工作。集成和并行的进行产品及其有关过程的设计,特别是注意产品概念设计阶段的并行协调,注意持续的、尽早的交换,协调和完善关于产品制造和支持等各种过程的约定和定义。

  4  DFX的流程

  典型的DFX设计流程,其产品的开发以产品需求分析为第一步,以此顺序展开,再到概念设计及初步设计方案,到方案评价,到详细设计,到优化设计及评价,直至最终设计成果输出。其主要的设计流程依然是个顺序设计过程。笔者在结合并行工程对产品设计过程进行适当重组,另外在此基础上加入了智能设计的成果,即方案评价与优化设计这两步,提出如图2所示的设计流程模型。

  传统设计流程顺序型的,即是串型的。其越是在设计末期发现的缺陷(如优化设计时发现的缺陷),其修改周期比概念设计时发现的缺陷的修改周期要长。因为其反馈的修改结果依然是依原来的执行路线顺序执行下来。所以最终造成的修改成本、总设计成本升高。重要的是直接影响产品开发周期,推迟上市时间。而笔者提出DFX设计流程模型充分体现了并行工程的哲理,更大的缩短设计周期以及更为全过程的考虑“X”的约束。

图2  DFX流程模型

  图2  DFX流程模型

  在图2的DFX模型中,一方面以并行工程的哲理对DFX的设计流程进行的重组,另一方而,DFX的实施须建立在一个设计知识库的支持基础上的,而这个设计知识库可利用现有的DFX上具软件实现。其他的概念设计、详细设计都须在DFX设计知识库的支持下进行。这样,才能保证整个开发设计过程是在“X"的约束下操作,全面的考虑“X”的因素,实现全局优化。避免传统设计方面中,对设计过程以外的其他过程因素考虑较少的缺点。

  图2中提到了DFX设计技术知识库。DFX设计技术知识库应包含如主要部分:

  (1)产品分析组件。这部分的功能是为获取产品数据,评价设计方案,分析产品关键特性提供支持。

  (2)工艺分析组件。DFX涉及一特定业务流程及产品生命周期路线(从市场调研到方案提供、确定,再到设计、制造直至产品的废弃后处理为止为产品生命周期),工艺分析组件正是用来为设计师提供对此流程去捕获相关数据和分析作用的。

  (3)产品零部件与工艺特性的并行考虑、评析组件。DFX流程在并行工程的环境下操作,故不可避免的将产品零部件设计与上艺设计结合考虑。提供这方面的支持是必不可少的。

  (4)设计知识库。为整个设计流程提供系统的设计支持。

  5  CE下的DFX设计注意点

  在并行上程环境下设计,应注意如下几点:

  (1)以产品和过程为中心

  要以产品和过程为研究重点,以产品为总体出发点进行设计,目的使产品的结构合理、制造简单、装配性好,以过程为重点是因为从开发过程中可以提取出反复出现的活动并与产品结构的某些部分相对应的子过程,通过准备以及使用这些集成的模块,可使产品开发过程的规划与实施得到简化。

  (2)以集成为纽带

  DFX系统的运行,应遵循集成的指导方针,重要且基础的一点是信息的集成,面向CE的DFX是以产品设计开发过程中各种信息交换共享为条件,以满足“X"(制造、装配、检测性、可靠性、服务、再利用性)的约束,同时实现产品的功能、用户要求为目的。另外应建立DFX专有知识库和产品数据库(PDM)。

  (3)并行工程的要求

  同时进行产品设计和下游的过程设计,而不是同时和交义进行设计和制造,并行工程强调在产品正式生产开始以前就完成所有的设计工作。并行的概念是宏观上的,在微观上仍有串行的。如设计和工艺几乎是同时开始和结束的,但是具体到一个细节时,仍然是顺序作业的,先考虑产品功能后再考虑工艺要求。

  6 总结

  本文对并行工程下的DFX技术进行了一番探讨,目的是为了能提出一种新的更实用设计流程模型。DFX是一种新的设计方法,是可根据设计要求和产品结构特点进行产品开发设计的同时,充分考虑“X”的约束,实现设计目的。应用并行工程的哲理,对DFX流程进行重组,是为了能有效的缩短产品设计开发周期、实现设计目的,最终是服务于企业。本文的思想已运用于国家863/华翔CIMS示范工程。

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