大数据并行计算框架 并行工程实施的整体框架——技术方面



目前国内外从技术的角度研究并行工程的较多,从总的情况来看,大概可以总结成以下几个方面。

1.DFX技术

并行工程强调的重要问题之一是要在产品设计中尽早考虑其下游的制造、装配、检测、维修等各个方面,为此形成了下面一系列的技术。

(1)考虑制造的设计 DFM(design for manufacturing)

该技术是在设计过程中考虑如何适应企业现有的制造条件和限制。目前已有研究者在计算机上开发这方面的软件系统,它能根据存储在计算机中有关企业车间制造加工条件的数据库,自动对初步的产品设计进行可制造性检验,把检验结果反馈给设计人员,从而使他们能够不断调整和修改设计,使其满足制造条件的要求。

(2)考虑装配的设计 DFA(design for assembly)

与DFM类似,DFA主要考虑的是设计出来的各种零部件能否在现有技术设备条件下进行装配。现在也有研究人员开发出了相应的软件系统,能自动检测各个零部件之间是否能够装配和易于装配。

(3)考虑检测的设计 DFT(design for testing)

产品制造、装配完了以后,对其性能进行各项检测是十分必要的。如电视机下生产线之前,必须采用各种测试方法和装备,对其收视图像的清晰度、音色等进行测试;燃气热水器生产出来以后,也必须对其燃烧效率和CO排放量进行严格测试后才能出厂。DFT就是指采用一系列的方法和技术来评价该设计能否在现有的设备条件下进行检测。

(4)可维修性设计

该技术是为了满足用户在使用中的要求,在产品设计中就要考虑产品是否便于维修。

(5)可操作性设计

该技术主要是人机工程技术,它指产品不仅要满足其主要性能要求,还要便于人的操作方便,做到可靠、舒适、经济、安全。

2.CAX技术

 并行工程实施的整体框架——技术方面

CAX技术主要是指一系列的计算机辅助技术,包括CAD(computer aided design:计算机辅助设计)、CAM(computer aided manufacturing:计算机辅助制造)、CAPP(computer aided process planning:计算机辅助工艺规划编程)、CAE(computer aided engineering:计算机辅助工程)等。需要指出的是,这些技术最初并不是专门为并行工程而开发的。这些技术随着计算机的出现,在很多专业领域(如机械、电子、热能、化工……)都开发出相应的软件,特别是在当今计算机集成制造系统(CIMS)大力发展时,形成了一批CAX的软硬件系统,它们是并行工程实施中非常重要的工具。

(1)CAD技术

CAD技术领域很广,用得最为广泛的是二、三维的几何形体建模、绘图,各种机械零部件的设计、电路设计、建筑结构设计、力学分析等等,它是CAX技术中最为基础和普遍的技术之一,因为它是采用计算机进行各种产品设计的第一步。

(2)CAM技术

CAM技术是利用计算机系统将已设计好的零件,形成相应加工方法程序代码,如把某一已设计好的轴类零件自动形成在数控机床上的加工代码,并模拟显示其走刀轨迹。通过这种技术,设计人员也可以检验自己设计产品的可制造性,并适当调整方案,使加工易于进行;而且产品设计后由机器编制加工代码,因此加工起来非常迅速。现在兴起的激光快速成形技术(rapid prototype manufacturing:RPM)发展很快,成为并行工程中非常有用的支持工具。

(3)CAPP技术

CAPP可以用来对机械零部件进行辅助工艺编程。它与CAM不同,CAPP关心的是对零件的整个加工工艺过程进行规划,如铸造毛坯出来后,从划线、装卡、车、铣、刨、磨、钻、焊、拉等各种加工方法,一直到热处理,它能辅助设计人员编出一整套的加工过程方法,并形成一系列的加工规范、详细步骤和加工量参数。有了这种工具也可以使得设计人员对自己设计的后续过程有充分的了解和评估。

(4)CAE技术

CAE主要是指一系列的对产品设计进行各种模拟、仿真、分析和优化的技术。如对传统的铸造产品,先是由设计人员设计出图纸,然后工艺人员做工艺方案,最终由车间负责生产。但是铸造产品的设计如果不合适,就会在最终产品上留下缩孔甚至裂纹等缺陷,最后不得不修改产品设计,反复试制,直到试制中不出现这些缺陷为止,这就是传统的串行法或试错法(trial and error)。设计人员在设计中只能凭借自己的经验来判断自己的设计最终能否成功。而现在发展起来的铸造CAE技术,能够根据产品的设计参数、工艺参数以及材料热物理和力学性能参数,采用有限元分析方法计算出整个铸件凝固过程中的温度场变化和应力场变化,根据这些变化可以确定产品是否最终存在缩孔或裂纹等缺陷。如果有,设计者就重新修改设计或制造工艺方案,再在计算机上反复进行模拟“试浇”,直到计算出满意的工艺方案为止。可见,这种软件使得设计人员不仅要考虑工艺,还要考虑整个制造过程。目前这类软件正在研究开发中。除此之外,各种机械振动模拟分析软件、对设备在各种不同条件下的使用模拟分析软件、电路系统的模拟分析软件、建筑结构在模拟地零条件下的电脑试验等,都是CAE的重要组成部分。可以说,对不同的专业学科以及对不同的产品,就有不同的CAE系统,它们是由专业人员开发的。

3.统一的产品数据交换标准、设计标准化和产品全生命周期数据库技术

(1)统一的产品数据交换标准

并行工程要求所有成员的设计必须用准确、明了、统一的语言(即数据标准)来表达,这样才能使得全体小组成员能够共享。目前,美国国防部通过计算机辅助采购和后勤支持(computer aided logistics and support:CALS)计划正在参与制定这种表达方法,并促进其实施。该计划的目标是开发产品数据交换规范PDES/STEP(PDES指product data exchange standard)。这些标准可提供产品生命周期中所涉及到的多种计算机系统之间的数据交换能力。

(2)设计标准化/模块化

设计标准化使设计人员在公司内更有效地分享设计信息。利用设计标准化,设计人员可以重复地使用现有的设计方案,同样的零件无需再进行重新设计,遇到相似的零件只需作少量修改即可。即使现有的设计不完全符合某种产品的设计要求,设计标准化也有助于设计人员确定相似的设计方案,从而大大减少设计工作量。设计标准化也可以称作设计模块化,即把一些通用的大量使用零部件设计存储在计算机中,设计人员在进行某特定产品设计时可以方便地调用。这种方法在德国也称为合理化工程。国外产品之所以开发这么快(如以色列飞机等),这与他们建立了一整套标准化的模块有关。在设计某一个新产品时,他们只需要在具有创新性的关键部件上花更多的力气即可。这样可以避免很多在重复劳动,回忆新产品的开发速度。但是这样才能便于调用以往图形,进行设计修改,最终形成新的设计。波音777飞机就是完全使用计算机进行无纸化设计出来的。所以传统的用手工设计绘图的作法是需要改变的。

(3)产品全生命周期数据库

除此之外,建立一个包括产品生命周期全过程的数据库是十分重要的,这些数据库包括:企业加工设备、加工能力范围的数据库,企业车间装配设备能力数据库,企业的工艺装备数据库、企业的检测设备能力数据库、企业维修人员建立的有关维修记录的数据库,以及市场部门从用户中得来的关于对以往产品性能评价和需求的数据库、企业加工设备和人员能力数据库。这些数据库能使得设计小组成员得到有关产品全生命周期中的有关信息,更利于考虑制造、加工、装配以及用户需求等各种因素。当然这些数据库中还包括前面提到的标准零部件产品数据库。需要指出的是,这些数据库必须是开放式的,可以修改和动态的。譬如说,某一产品设计中考虑在今后要用到某种加工设备,那么他就要查询加工能力数据库。我们假设此时加工能力足够,那么他就预订,数据库中数据就变了。另外当还有其他设计小组时也预订、修改,车间生产临时变化时都会影响到该数据库的变化。当然各方的要求有冲突时是要通过协商来解决的,也许各方的权重不一样,可以面对面协商,也可以通过计算机来协商,这样就要建立计算机辅助协调系统。

当然,以上进行统一产品数据交换标准,设计标准化/模块化,以及产品全生命周期中数据库的建立是十分重要的,但也需要做十分艰苦的基础工作,这是一个较为漫长的过程,但对企业建立有利于并行工程的环境是十分重要的。

4.全面质量管理技术方法和工具

全面质量管理工具用于收集用户需求,将这些需求转变成具体的时间、成本和性能值,并监控整个系统建立的过程,以便最大限度地满足用户(包括内部用户和外部用户)需求。这些工具包括:

(1)田口(Taguchi)方法

所有产品都应反映出用户要求或期望达到的性能。产品质量可以根据这些特征进行检验。质量在产品生命周期中给公司带来的损耗密切相关。Taguchi方法考虑了用户对产品的一贯要求及生产厂家生产低成本零件的要求。Taguchi方法把产品和过程设计分为三个阶段,即系统设计、参数设计可以选择参数的最优级。而公差设计是制定制造公差,以最低费用改善质量。Taguchi方法被认为是质量方法学上的一大贡献,但目前如何选择统计方法进行实验和分析实验结果的问题仍未得到解决。

(2)质量功能部署(QFD)方法

质量功能部署(quality function deployment)是一种将用户需求转换成各设计阶段和各生产阶段对产品要求的方法。它包括市场销售、计划、产品设计、原型产品评价、生产过程设计和生产的各项技术要求。将用户的需求转换成了产品生命周期各阶段的具体要求后就可以明确责任,在各阶段加以控制,从而最终保证产品质量。

(3)统计过程控制(SPC)

统计过程控制(statistical process control)主要是指通过对产品过程中质量的统计分析,找出规律性和问题所在,从而利于在制造过程中控制产品质量。

(4)成本分析(cost estimation)

成本分析能使设计人员对自己的设计方案进行成本估算,根据情况及时进行调整,达到并行工程要求,使开发人员能够全面考虑产品开发过程的成本。

(5)价值工程工具(value engineering)

价值工程能以最低成本开发出满足功能要求的产品和服务。价值工程是面向功能的,所以,它在提高产品的价值的同时降低了产品的生产成本。价值工程是集成公司内设计资源、工程资源和制造资源的极好工具。

5.设计开发过程网络计划技术

并行工程强调各个设计活动、各个阶段之间的并行交叉,强调以最快的时间将产品开发出来,那么怎样才能做到这一点呢?实施并行工程,必须制订综合全面系统的产品开发过程的网络计划,可以采用的有关键路径法(critical path method:CPM)或PERT方法。CPM是美国杜邦公司和兰德公司于1957年联合研究提出的,而PERT则是在1958年由美国海军特种计划局和洛克希德航空公司在规划和研究在核潜艇上发射“北极星”导弹的计划中首先提出的。这两种方法在初期发展阶段的主要区别是:CPM假设每项活动的作业时间是确定值,而PERT中作业时间是不确定的,是用概率方法进行估计的估算值;CPM不仅考虑时间,还考虑费用,重点在于费用和成本的控制,而PERT主要用于含大量不确定因素的大规模开发研究项目,重点在于时间控制。到后来两者有发展一致的趋势,常常被结合使用,以求得时间和费用的最佳控制。

采用网络计划规划优化产品开发过程,首先必须明确在一个产品开发过程中活动的分解、分解的程度以及各个分解活动之间的逻辑关系,如某活动是否必须有另一个活动的结果、哪些是可以并行的、哪些必须串行、哪些可以提前、哪些任务是关键、哪些设备是瓶颈,只有这样才能使用以上的网络计划技术,使产品开发过程得到时间上的优化。采用这种方法形成的网络计划图不仅能得到各个活动完成的时间点,而且还能得到每个分小组和开发人员在网络上对应的点,他(她)应该与谁在什么时候进行哪些信息沟通和讨论,相应的责任、义务等等。有了这个图,小组成员就更加明确自己在整个开发项目中的作用、地位和责任。

6.网络及各种通信工具

各种计算机和通信网络能将所有设计人员联系在一起,使他们不仅能共享数据库中的信息,而且能相互询问和传达所需要的信息。各种电子数据交换工具,各种通信方式(电话、传真、E-mail,Internet),融声、光、电等于一体的计算机多媒体技术,计算机屏幕会议系统,多媒体电视会议系统等等,大大提高了成员互享信息、沟通和协商的能力,使并行工程的实施能在更广的范围(从同一办公室扩大到全球范围)内进行。充分利用Internet网上的信息资源进行新产品开发,这是十分重要的。美国等西方国家随着信息高速公路的建设,这方面的研究发展很快。我国随着信息高速公路等基础设施的建设,也将会有较大的进步。

7.计算机协调管理系统

当一个虚拟小组(virtual team)都坐在自己的计算机旁进行同一产品设计时,不同的人员之间对同一问题可能有不同的看法,如设计人员的某一设计要求生产部门提供另一套工艺装备,但生产部门人员认为这样工期太长,不太想做工装调整,希望设计人员修改设计,维持现有工装,这显然就会产生矛盾和冲突。这时在计算机协调管理系统中,已经给定了在产品生命周期中各方面的约束和限制条件,对不同的方面和人员也有不同的授权,设计人员必须根据这些条件来解决彼此的冲突问题。如果协调不了的,就要通过计算机协商或开会,大家一起在计算机上发表意见,并进行表决。这种计算机协调管理机制,对虚拟小组的运作是十分重要的。

  

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