[原创]波音767-X并行设计工程
摘要
本文着重分析了波音767-X并行设计工程，通过波音公司的背景分析，引出了并行工程的相关概念和技术，并且提出了并行工程的关键支持技术。通过对波音公司并行设计与传统开发方式的比较，得出实施并行工程的重要性，然后分析了波音公司并行工程的技术实施特点，最后进行了效益分析，得出实施并行工程的必要性。
随着商业飞机的不断发展，波音公司在原有模式下的产品成本不断增加，并且积压的飞机越来越多。在激烈的市场竞争当中，波音公司是如何用较少的费用设计制造高性能的飞机？资料分析表明，产品设计制造过程中存在着巨大的发展潜力，节约开资的有效途径是减少更改、错误和返工所带来的消耗。一个零件从设计完成后，要经过工艺计划、工装设计制造、制造和装配等过程，在这一过程内，设计约占15％的费用，制造占85％的费用，任何在零件图纸交付前的设计更改都能节约其后85％的生产费用。
过去的飞机开发大都延用传统的设计方法，按专业部门划分设计小组，采用串行的开发流程。大型客机从设计到原型制造多则十几年，少则七到八年。波音公司在767－X的开发过程中采用了全新的“并行产品定义”的概念，通过优化设计过程集合了最新管理方案，改善设计，提高飞机生产质量，降低成本，改进计划，实现了三年内从设计到一次试飞成功的目标。
二、并行工程相关概念与技术
1、并行工程思想介绍
传统的产品开发模式为功能部门制，信息共享存在障碍；串行的流程，设计早期不能全面考虑产品生命周期中的各种因素；基于图纸的手工设计为主，设计表达存在二义性缺少先进的计算机平台，不足以支持协同化产品开发。全球化大市场的形成，要求企业必须改变经营策略：提高产品开发能力、增强市场开拓能力，但传统的产品开发模式已不能满足激烈的市场竞争要求，因而提出了并行工程的思想。并行工程是一种企业组织、管理和运行的先进设计、制造模式；是采用多学科团队和并行过程的集成化产品开发模式。它把传统的制造技术与计算机技术、系统工程技术和自动化技术相结合，在产品开发的早期阶段全面考虑产品生命周期中的各种因素，力争使产品开发能够一次获得成功。从而缩短产品开发周期、提高产品质量、降低产品成本。因此利用并行工程将对提高我国企业新产品开发能力、增强其竞争力具有深远的意义。
2、并行工程相关概念与技术
美国防御分析研究所在R-338报告中提出并行工程的定义：“并行工程是对产品及其相关的各种过程（包括制造过程和支持过程）进行并行、集成化设计的一种系统方法。这种方法要求产品开发人员在设计一开始就考虑产品整个生命周期中从概念形成到产品报废处理的所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户要求。”并行工程是一种工程方法论。它站在产品设计、制造全过程的高度，打破传统的组织结构带来的部门分割封闭的观念，强调参与者集团群协同工作的效应，重构产品开发过程并运用先进的设计方法学，在产品设计的早期阶段就考虑到其后期发展的所有因素，以提高产品设计、制造的一次成功率，从而大大缩短产品开发周期、降低成本，增强企业的竞争能力。并行工程是集成地并行地设计产品及相关过程的系统化方法，它要求产品开发人员从设计一开始即考虑产品生命周期中的各种因素。它通过组成多学科产品开发队伍、改进产品开发流程、利用各种计算机辅助工具等手段, 使产品开发的早期阶段能及早考虑下游的各种因素, 达到缩短产品开发周期、提高产品质量、降低产品成本，从而增强企业竞争能力的目标。
(1)并行工程已从理论向实用化方向发展，越来越多的国际知名企业－涉及航空、航天、汽车、电子、机械等－通过实施并行工程取得了显著的效益。我国制造业在市场经济的大环境下要想获得进入世界竞争的机会，必须增强自身的产品开发能力。并行工程是一个非常重要的选择。
(2)并行工程的核心问题是产品开发过程中的管理与技术的集成，即集成产品开发团队以改进的流程为核心，通过应用数字化产品模型定义、DFA、DFM、QFD、产品数据管理等，在产品开发早期综合考虑产品生命周期中的各种因素，力争从设计到制造的一次成功。
(3) 并行工程成功实施的最关键因素是企业领导的高度重视，积极参与。包括授权给集成产品开发团队对所设计对象负责，在人财物上予以支持，投资建立协同工作环境及必要的支持工具等。
3、并行工程的关键支持技术
“并行工程是集成地并行地设计产品及相关过程的系统化方法，它要求产品开发人员从设计一开始即考虑产品生命周期中的各种因素”。其关键技术包括：
（1）并行产品开发过程建模、仿真与优化。并行工程与传统生产方式的本质区别在于它把产品开发的各个活动作为一个集成的、并行的产品开发过程，强调下游过程在产品开发早期参与设计过程；对产品开发过程进行管理和控制，不断改善产品开发过程。
（2）并行工程的集成产品开发团队。产品开发由传统的部门制或专业组变成以产品(型号)为主线的多功能集成产品开发团队(IPT－Integrated Product Team)。
（3）并行工程协同工作环境。在并行工程产品开发模式下，产品开发是由分布在异地的采用异种计算机软件工作的多学科小组完成的。多学科小组之间及多学科小组内部各组成人员之间存在着大量相互依赖的关系，并行工程协同工作环境支持IPT的异地协同工作。协调系统用于各类设计人员协调和修改设计，传递设计信息，以便作出有效的群体决策，解决各小组间的矛盾。PDM系统构造的IPT产品数据共享平台，在正确的时间将正确的信息以正确的方式传递给正确的人；基于Client/Server结构的计算机系统和广域的网络环境，使异地分布的产品开发队伍能够通过PDM和群组协同工作系统进行并行协作产品开发。
（4）数字化产品建模与CAx/DFx使能工具。基于一定的数据标准，建立产品生命周期中的数字化产品模型，特别是基于STEP标准的特征模型。产品设计主模型是产品开发过程中唯一的数据源，用于定义覆盖产品开发各个环节的信息模型，各环节的信息接口采用标准数据交换接口进行信息交换。数字化工具定义是指广义的计算机辅助工具集。最典型的有CAD、 CAE、CAPP、CAM、CAFD(计算机辅助工装系统设计)、DFA(面向装配的设计)、DFM(面向制造的设计)、MPS(加工过程仿真)等。它们被广泛用于CE产品开发的各个环节, 在STEP标准的支持下，实现集成的、并行的产品开发。
三、波音公司并行设计与传统开发方式的比较
波音公司在新型767－X飞机的开发中，全面应用CAD/CAM系统作为基本设计工具，使得设计人员能够在计算机上设计出所有的零件三维图形，并进行数字化预装配，获得早期的设计反馈，便于及时了解设计的完整性、可靠性、可维修性、可生产性和可操作性。同时，数字化设计文件可以被后续设计部门共享，从而在制造前获得反馈，减少设计更改。
（1）100％数字化产品设计
所有零件设计都只形成唯一的数据集，提供给下游用户。针对用户的特殊要求，只对数据集修改，不对图纸修改。每个零件数据集包括一个3D模型和2D图，数控过程可用到3D模型的线架和曲面表示。
（2）3D实体数字化整机预装配
数字化整机预装配是在计算机上进行建模和模拟装配的过程，用于检查干涉配合问题，这个过程以设计共享为基础。数字化整机预装配将协调零件设计、系统设计（包括管线、线路布置），检查零件的安装和拆卸情况。数字化整机预装配的应用将有效地减少因设计错误或返工而引起的工程更改。
随着新一代数字化整机预装配软件工具的不断出现，其功能将包括干涉配合检查，选择最佳精度。数字化整机预装配可以在发图前辅助设计员消除干涉现象。设计员能搜索并进入其他相关设计系统中检查设计协调情况。其他设计小组如工程分析、材料、计划、工装、用户保障等也陆续介入设计范围，并在发图前向设计员提供反馈信息。
（3）并行产品设计（CPD）
并行产品设计是对集成、并行设计及其相关过程的研究（包括设计、制造、保障等）。并行设计要求设计者考虑有关产品的所有因素，包括质量、成本、计划、用户要求等。要充分发挥并行设计的效能，还需以下因素的支持：
①多方面培养设计人员，合理配置设计制造团队、集成产品设计、制造及保障过程。
②利用CAD/CAE/CAM保障集成设计、协同产品设计、共享产品模型、共享数据库。
③利用多种分析工具优化产品设计、制造、保障过程。
表8－1 波音767－X开发方式与传统方式的比较
| 767－X方式 | 传统方式 |
工程设计员 | 在CATIA上设计和发图 利用数字化预装配设计管路、线路、舱 利用数字化整机预装配确保满足要求 利用数字化整机预装配检查、解决干涉 利用CATIA进行产品插图 | 在硫酸纸上设计发图 在硫酸纸上设计 利用样机 在生产制造过程处理 利用样件手工绘制 |
工程分析员 | 用CATIA进行分析 发图前完成设计载荷分析 | 用图纸分析 鉴定期完成 |
制造计划员 | 与设计员并行工作 在CATIA上设计工程零件树 用CATIA建立插图计划 检查重要特征，辅助软件改型管理 | 常规顺序 设计－900零件 建立mfg.工程图 无 |
工装设计员 | 与设计员并行工作 用CATIA设计工装并发图 用CATIA允安装检查、解决干涉问题 零件－工装允装配，确保满足要求 | 常规顺序 用硫酸纸设计 在生产工装时处理 在生产工装时处理 |
NC程序员 | 与设计员并行工作 用CATIA生成和检查NC过程 | 常规顺序 用其他系统 |
用户服务组 | 与设计员并行工作 用CATIA设计所有地面保障设备并发图 技术出版利用工程数据出版资料 零件与地面保障设备预装配，确保满足要求 | 常规顺序 用硫酸纸设计 手工插图 生成零件/工装 |
协调人员 | 设计制造团队 | 各种机构 |
四、波音公司并行工程技术实施特点
1、集成产品开发团队
波音公司在商业飞机制造领域积累了75年的开发经验，成功地推出了707~777等不同型号的飞机。在这些型号开发中，产品开发的组织模式在很大程度上决定了产品开发周期。下图表示了这些型号开发的组织模式演变过程。
777的产品开发队伍是按功能划分的IPT，如电子IPT、机械IPT、结构IPT等。
IPT作为一种新的产品开发组织模式，与企业的文化背景和社会环境密切相关。这里我们对国外的IPT组织结构和管理模式进行了总结，作为国内企业实施并行工程时建立IPT的参考。
①IPT是按产品结构的纵向线划分的，根据产品的零部件组成方式，IPT是递阶层次关系。
②IPT的成员来自各功能部门，他们代表产品生命周期的各个环节在开发过程中作出决策，集体对IPT所开发的产品负全部责任。与过去的工作方式相比，最大的区别在于IPT成员从IPT组长获得日常工作指令，并且鼓励跨学科的信息共享和实时交换，取消常用的递阶式审签制度。
③IPT组长从总任务出发，定义产品开发计划、活动、角色、资源等。相对独立的任务仍旧由功能部门单独执行。
④功能部门负责根据IPT负责人定义的任务角色指派相应的人员承担，并且为承担任务的人员配置必要的工作环境。一个角色可以由多个人作为小组承担，一个人也可以承担多个角色。
⑤IPT组长和功能部门的负责人分别从任务执行情况和日常工作表现确定IPT成员的业绩。由于功能部门提供了人员和工作条件，他们必须得到IPT的管理部门的经费支持。
⑥IPT本身和IPT中的角色具有生命周期，产品开发任务完成以后，他们仍回到功能部门中去。实现IPT的工作模式需要计算机和网络环境的支持。
IPT包括各个专业的技术人员，他们在产品设计中起协调作用，制造过程IPT成员的尽早参与，最大程度的减少更改、错误和返工。
2、改进产品开发过程
为什么波音公司在过去的十多年中也采用了CAD/CAM系统却没有明显地加快进度、降低费用和提高质量呢？原因是其开发过程和管理还停留在原来的水平上，CAD/CAM系统的应用能有效地减少更改和设计返工的次数，设计进程也大大加快，由此而带来的效益远比减少更改和返工所带来的直接效益大。波音767－X采用全数字化的产品设计，在设计发图前，设计出767－X所有零件的三维模型，并在发图前完成所有零件、工装和部件的数字化整机预装配。同时，采用其它的计算机辅助系统，如用于管理零件数据集与发图的IDM系统，用于线路图设计的WIRS系统，集成化工艺设计系统，以及所有下游的发图和材料清单数据管理系统。由于采用了一些先进的计算机辅助手段，波音公司在767－X开发时改进了相应的产品开发过程，如在发图前进行系统设计分析，在CATIA上建立三维零件模型，进行数字化预装配，检查干涉配合情况，增加设计过程的反馈次数，减少设计制造之间的大返工。
下面对几个主要的设计过程进行描述。
（1）工程设计研制过程
设计研制过程起始于3D模型的建立，它是一个反复循环过程。设计人员用数字化预装配检查3D模型，完善设计，直到所有的零件配合满足要求为止。最后，建立零件图、部装图、总装图模型，2D图形完成并发图。设计研制过程需要设计制造团队来协调。
（2）数字化整机预装配过程
数字化预装配利用CAD/CAM系统进行有关3D飞机零部件模型的装配仿真与干涉检查，确定零件的空间位置，根据需要建立临时装配图。作为对数字化预装配过程的补充，设计员接受工程分析、测试、制造的反馈信息。数字化预装配模型的数据管理是一项庞大、繁重的工作，它需要一个专门的数字化预装配管理小组来完成，确保所有用户能方便进入并在发图前作最后的检查。
（3）数字化样件设计过程
767－X利用CAD/CAM系统进行数字化预装配，数字化样件设计过程负责每个零件设计和样件安装检查。
（4）区域设计（AM）
区域设计是飞机区域零件的一个综合设计过程，它利用数字化预装配过程设计飞机区域的各类模型。区域设计不仅零件干涉检查，而且包括间隙、零件兼容、包装、系统布置美学、支座、重要特性、设计协调情况等。区域设计由每个设计组或设计制造团队成员负责，各工程师、设计员、计划员、工装设计员都应参与区域设计。区域设计是设计小组或设计制造团队每个成员的任务，它的完成需要设计组、结构室、设计制造团队的通力协作。
（5）设计制造过程
设计制造团队由各个专业的技术人员组成，在产品设计中起协调作用，最大程度的减少更改、错误和返工。
（6）综合设计检查过程
综合设计检查过程用于检查所有设计部件的分析、部件树、工装、数控曲面的正确性。综合设计检查过程涉及到设计制造团队和有关质量控制、材料、用户服务和子承包商，一般在发图阶段进行。有关人员定期检查情况，对不合理的地方提出更改建议。综合设计检查是设计制造团队任务的一部分。
（7）集成化计划管理过程
集成化计划管理是一个提高联络速度、制定制造工艺计划、测试及飞机交付计划的过程。集成化计划管理过程不但制定一些专用过程计划，而且对整个开发过程的各种计划进行综合。集成化计划的管理，将提高总体方案的能见度。
3、采用DPA等数字化方法与工具在设计早期尽快发现下游的各种问题
数字化整机预装配（DPA）是一个计算机模拟装配过程，它根据设计员、分析员、计划员、工装设计员要求，利用各个层次中的零件模型进行预装配。零件是以3D实体形式进行干涉、配合及设计协调情况检查。利用整机预装配过程，全机所有的干涉能被查出，并得到合理解决。波音757的1600～1720站位之间的46段，约1000个零件，它们需要容纳于12个CATIA模型中进行数字化预装配。
利用数字化预装配过程，工程设计要验证所有设计干涉自由、所有配合良好，这就使过程极少更改。数据集在没有经过最后的审批不能发图，这个最后的检查降低了风险，保障了发图后无零件干涉。
数字化整机预装配是在计算机上进行建模和模拟装配的过程，用于检查干涉配合问题，这个过程以设计共享为基础。数字化整机预装配的应用将有效地减少因设计错误或返工而引起的工程更改。随着新一代数字化整机预装配软件工具的不断出现，其功能将包括干涉配合检查，选择最佳精度。数字化整机预装配可以在发图前辅助设计员消除干涉现象。设计员能搜索并进入其他相关设计系统中检查设计协调情况。其他设计小组如工程分析、材料、计划、工装、用户保障等也陆续介入设计范围，并在发图前向设计员提供反馈信息。数字化整机预装配将协调零件设计、系统设计（包括管线、线路布置），检查零件的安装和拆卸情况。
4、大量应用CAD/CAM/CAE技术，做到无图纸生产
（1）采用100％数字化技术设计飞机零部件
飞机零件数字化设计采用CATIA设计零件3D图形。采用该系统，飞机零件可方便地被设计为3D实体模型，并很容易在计算机上进行装配，检查干涉与配合情况，也可利用计算机精确计算重量、平衡、应力等特性。直观的零件图有助于外观设计，并能帮助了解装配后的情况。另外，可以很容易地从实体中得到剖面图；利用数字化设计数据驱动数控机床加工零件；产品插图也能更加容易、精确地建立；用户服务组可利用CAD数据编排技术出版用户资料。767－X中的所有零部件都采用数字化技术进行设计，所有零件设计都只形成唯一的数据集，提供给下游用户。
（2）建立了飞机设计的零件库与标准件库
尽量减少新的零件设计能极大地节约费用。基于这一认识，767－X开发中建立了大量的零件库，包括接线柱、角材、支架等。零件库存储于CATIA系统中，并与标准件库相协调，设计人员可以方便地查找零件库。充分利用现有的零件库资源能有效减少零件设计、工艺计划、工装设计、NC加工程序等带来的费用。标准件库包括紧固件、垫圈、连接件、垫片、轴承、管道接头、压板等，这些标准件存储于CATIA标准图库中。设计人员可直接从标准件库中选择所需的零件。
（3）采用CAE工具进行工程特性分析
应力分析：技术人员直接利用3D数字化零件模型进行设计应力计算、载荷数据分析和元件安全系统计算等。
重量分析：分析人员利用3D数字化零件模型进行重量分析，可获得精确的零件重量、重心、体积和惯性矩等。当进行全机数字化模型总装时，分析人员能跟踪各部件重量、重心的装配情况。
可维修性分析：设计人员在设计时还应考虑飞机维修时对飞机的结构、系统的空间要求，设计相应的维修口盖，保障维修顺利进行。这一步在数字化设计时完成。
噪音控制工程：利用飞机外形详图进行飞机外形鉴定和噪音数据分析，所得结果传送给有关的设计人员。这一过程利用计算机工具Apollo工作站上完成。
（4）计算机辅助制造工程与NC编程
计算机辅助制造过程通过提供可生产性输入和增加附加信息到数据库以改进工程设计，从而满足部装和总装要求。在工程发图前，NC程序员利用CATIA工具进行零件线架和表面的数控编程，必要时在计算机上模拟数控加工的过程，从而减少了设计更改、报废和返工，并缩短了开发流程。
（5）计算机辅助工装设计
工装设计人员利用设计人员提供的3D零件模型设计工装的3D实体模型或2D标准工装，保证零件基准，计算机系统将存储有关工装定位数据。同时建立工装的数字化预装配系统，利用3D数字化数据集模拟检查零件－工装、工装－工装之间的干涉与配合情况。工装数据集提供给下游的用户，如工装计划用于工装分类和制造计划、NC工装程序提供给NC数据集，用于NC研证或给车间进行生产。
5、利用巨型机支持的产品数据管理系统辅助并行设计
要充分发挥并行设计的效能，支持设计制造团队进行集成化产品设计，还需要一个覆盖整个功能部门的产品数据管理系统的支持，以保证产品设计过程的协同进行，共享产品模型和数据库。
767－X采用一个大型的综合数据库管理系统，用于存储和提供配置控制，控制多种类型的有关工程、制造和工装数据，以及图形数据、绘图信息、资料属性、产品关系以及电子检字等，同时对所接收的数据进行综合控制。
管理控制包括产品研制、设计、计划、零件制造、部装、总装、测试和发送等过程。它保证将正确的产品图形数据和说明内容发送给使用者。通过产品数据管理系统进行数字化资料共享，实现数据的专用、共享、发图和控制。
传统的发图方法将包括许多图纸和材料清单的零件图从工程设计部门传递给制造部门，每份图纸包含一个或多个零件，并具有唯一的图号，图纸中的每个零件也有相应的图号。采用数字化产品设计的每个模型都有一个完整的零件号，以便图形在发放时进行跟踪检查。
4）对应用案例进行评价：其应用特点，找出其有利情况和不利情况等；
波音公司并行设计技术的有效运用带来了以下几方面的效益：
①提高设计质量，极大地减少了早期生产中的设计更改；
②缩短产品研制周期，和常规的产品设计相比，并行设计明显地加快了设计进程；
③降低了制造成本；
④优化了设计过程，减少了报废和返工率
六、评价及建议
1、CAD/CAM/CAE的集成化程度很高
767－X中的所有零部件设计都只形成唯一的数据集，提供给下游用户。零件都采用3D实体模型，因而带来以下好处：
l 可进行预装配，检查干涉与配合情况
l 精确计算重量、平衡、应力等特性
l 直观的零件图有助于外观设计，并能帮助了解装配后的情况
l 易得到剖面图
l 利用数字化设计数据驱动数控机床加工零件
l 产品插图也能更加容易、精确地建立
l 用户服务组可利用CAD数据编排技术出版用户资料
2、DFA应用水平较高
其功能将包括干涉配合检查，选择最佳精度。
设计员能搜索并进入其他相关设计系统中检查设计协调情况。其他设计小组如工程分析、材料、计划、工装、用户保障等也陆续介入设计范围，并在发图前向设计员提供反馈信息。数字化整机预装配将协调零件设计、系统设计（包括管线、线路布置），检查零件的安装和拆卸情况。
3、复杂而庞大的项目中的管理技术为我们提供了有益借鉴
集成产品开发团队的结构、人员考核等，以及集成化计划管理模式，为复杂而庞大的项目的人力资源管理方式以及项目的运作管理（计划管理、质量管理、任务管理等）都提供了有益的经验。
4、高成本的新技术对于中小型公司而言，难以采用
诸如PDM、DFX、数字化装配、CAM等此类技术，一般来说，其应用难度和成本在目前来说，都是中小型企业难以承受的。因而这些软件产品的商品化程度和企业自身的素质以及整个社会大环境的都还有待提高。
5、客户及供应商的参与程度不够
在开发团队中客户的及早参与及其参与程度影响了产品需求分析的准确性及最终产品功能对客户的满足程度。而供应商的及早参与可以提高外购、外协零部件的质量和供应及时性，以及减少零部件不能或难以供应的风险。
六、总结
并行工程是计算机集成制造系统的重要发展阶段,其主要思想是集成地、并行地设计产品及其过程的系统化方法。通过对波音767-X并行设计工程的描述和分析，现归纳并行工程的主要思想如下：
v 强调设计的“可制造性”、“可装配性”和“可检测性”等
v 强调 “可生产性”
v 强调产品的“可使用性”、“可维修性”和“可报废性”
v 强调设计过程的并行性
v 强调设计过程的系统性
v 强调设计过程的快速反馈
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发布者 bennybai
2008-7-21 12:17:27