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工业工程案例 并行工程

时间:2011-03-23


2010-2011 学年第一学期

工业工程案例

郑州航空工业管理学院

工业工程案例结课论文
2007 级 工业工程 专业 0705073 班级

课程名称 论文题目 姓 名

工业工程案例 并行工程及应用案例 张贞 学号 高广章 070507347

指导教师

二О一О年十月二十六日

目录

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工业工程案例

一、并行工程技术背景................................................................... 2 并行工程技术背景
1、并行工程的起源 ............................................................................................................3 2、并行工程的基本概念 .................................................................................................3

二、并行工程技术在工业工程专业的应用 .................................. 4 并行工程技术在工业工程专业的应用 三、波音 777 并行设计工程实例分析 .......................................... 6
1.背景介绍 .................................................................................................................................6 2.波音公司并行工程技术实施特点 .........................................................................6 3.效益分析 .................................................................................................................................9

四、并行工程技术发展趋势 .......................................................... 9
1.并行工程的关键技术有一下几个方面 ..............................................................9 2.并行工程的发展趋势 ................................................................................................... 10

一、并行工程技术背景 并行工程技术背景 并行工程产生之前,产品的功能设计、生产工艺设计、生产准备等步骤以串 行生产方式进行。这样的生产方式的缺陷在于:后面的工序是在前一道工序结束 后才参与到生产链中来,它对前一道工序的反馈信息具有滞后性。一旦发现前面 的工作中含有较大的失误, 就需要对设计进行重新修改、 对半成品进行重新加工,
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于是会延长产品的生产周期、增加产品的生产成本、造成不必要的浪费。产品的 质量也不可避免地受到影响。为解决以上问题,人们认为应进一步强调产品开发 早起阶段的工作对产品 TQCS 的影响,因而引入了并行工程的概念。 需求 需求 结构设计 工艺设计 制造 (b)并行过程 图 1 产品开发的两种方式 1、并行工程的起源 、并行工程的起源 1986 年,美国国防工程系统首次提出了“并行工程”的概念,初衷是为了改进 国防武器和军用产品的生产,缩短生产周期,降低成本。由于该方法的有效性, 不久,各国的企业界和学术界都纷纷研究它,并行工程方法也从军用品生产领域 扩展到民用品生产领域。 并行工程自 20 世纪 80 年代提出以来,美国、欧共体和日本等发达国家均给 予了高度重视,成立研究中心,并实施了一系列以并行工程为核心的政府支持计 划。很多大公司,如麦道公司、波音公司、西门子、IBM 等也开始了并行工程实 践的尝试,并取得了良好效果。 进入 90 年代,并行工程引起我国学术界的高度重视,成为我国制造业和自 动化领域的研究热点,一些研究院、所和高等院校均开始进行一些有针对性的研 究工作。1995 年“并行工程”正式作为关键技术列入 863/CIMS 研究计划,有关工 业部门设立小型项目资助并行工程技术的预研工作。国内部分企业也开始运用并 行工程的思想和方法来缩短产品开发周期、增强竞争能力。但是,无论从技术研 究还是企业实践上,我国都落后于国际先进水平十年左右,许多工作仍处在探索 阶段。 结构设计 工艺设计 (a)串行过程 制造

2、并行工程的基本概念 、并行工程的基本概念 1988 年美国国家防御分析研究所 (IDA—Institute of Defense Analyze) 完整地 提出了并行工程(CE—Concurrent Engineering)的概念,即“并行工程是集成地、 并行地设计产品及其相关过程(包括制造过程和支持过程)的系统方法。这种方 法要求产品开发人员在一开始就考虑产品整个生命周期中从概念形成到产品报

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废的所有因素,包括质量、成本、进度计划和用户要求。并行工程的目标为提高 质量、降低成本、缩短产品开发周期和产品上市时间。并行工程的具体做法是: 在产品开发初期,组织多种职能协同工作的项目组,使有关人员从一开始就获得 对新产品需求的要求和信息,积极研究涉及本部门的工作业务,并将所需要求提 供给设计人员,使许多问题在开发早期就得到解决,从而保证了设计的质量,避 免了大量的返工浪费。 简要地来讲,并行工程即 Concurrent Engineering,CE,是集成地、并行地设 计产品及其零部件和相关各种过程 (包括制造过程和相关过程) 的一种系统方法。 换句话说,就是融合公司的一切资源,在设计新产品时,就前瞻性地考虑和设计 与产品的全生命周期有关的过程。在设计阶段就预见到产品的制造、装配、质量 检测、可靠性、成本等各种因素。 并行工程的产品设计方法是一种强调各阶段领域专家共同参加的系统化产 品设计方法,其目的在于产品的设计和产品的可制造性、可维护性、质量控制等 问题同时加以考虑,以减少产品设计阶段的不合理因素而对产品生产周期后续阶 段造成不良影响,缩短研制周期。

功能

可 制 造 并行工程 可 装 配

环境保护

可靠性

质量保证

顾客满意

图 2 并行工程设计时考虑的因素

二、并行工程技术在工业工程专业的应用 并行工程技术在工业工程专业的应用 技术在工业工程专业 工业工程的目标是使生产系统投入的要素得到有效地利用,降低成本,保证产 品质量与安全,提高生产率,获得最佳收益。这与并行工程的体系结构是相符的。 并行工程通常是有过程管理与控制,工程设计,质量管理与控制,生产制造,支 持环境等分系统组成。并行工程的核心是产品并行设计,这样的设计过程就是为

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了提高产品质量、降低生产成本、消除浪费。 (1).缩短产品投放市场的时间 顾客正要求越来越短的交货期。在产品供不应求的时代,顾客主要考虑产品 的功能,要求功能的完善程度和实用性,其它的要求则放在次要的位置。随着制 造技术的发展,商品充足,顾客看重产品的价格。当制造商通过诸如精益生产等 方式尽力降低成本,把价格降到一定程度后,顾客又注重产品质量。市场的发展 态势表明,缩短交货期将会成为下一阶段的主要特征。并行工程技术的主要作用 就是可以大大缩短产品开发和生产准备时间。 据报道,由于实施了并行工程的虚拟产品开发策略,福特公司和克莱斯勒公司将 他们新型汽车的开发周期由 36 个月缩短至 24 个月。设计和试制周期仅为原来的 50%。 (2).降低成本 并行工程可在三个方面降低成本:首先,它可以将错误限制在设计阶段。据 有关资料介绍,在产品生命周期中,错误发现的越晚,造成的损失就越大。 其 次,并行工程不同于传统的“反复试制样机”、“反复做直到满意”的作法,强调“一 次达到目的”。这种“一次达到目的”的要求是靠软件仿真和快速样件生成实现的, 省去了昂贵的样机试制;其三,由于在设计时考虑到加工、装配、检验、维修等 因素,强调了产品的整体成本优化,因此,产品的全生命周期成本就降低了,既 有利于顾客,也有利于制造者。 (3).提高质量 采用并行工程技术,尽可能将所有质量问题消灭在设计阶段,使所设计的产 品便于制造,易于维护。这就为质量的“零缺陷”提供了基础,使得制造出来的产 品甚至用不着检验就可上市。事实上,根据现代质量控制理论,质量首先是设计 出来的,其次才是制造出来的,并不是检验出来的。检验只能去除废品,而不能 提高质量。并行工程技术主要是从根本上保证了质量的提高。 例如福特(Ford)公司和克莱斯勒(Chrysler)公司与 IBM 合作开发的虚拟 制造环境用于其新型车的研制。在样车生产之前,发现其定位系统的控制及其他 许多设计缺陷,避免了公司以后的损失。 (4).增强功能的实用性 由于并行工程在设计过程中,同时有销售人员参加,有时甚至还包括顾客, 这样的设计方法紧贴市场趋势,反映了用户的需求,从而保证去除顾客不需要的 冗余功能,降低设备的复杂性,提高产品的可靠性和实用性。另外并行工程增强 了企业的市场竞争能力。由于并行工程可以较快地推出适销对路的产品并投放市 场,而且设计模型合理使生产制造成本降低,同时保证产品质量,因而,企业的 市场竞争能力将会得到加强。

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并行设计工程实例分析 三、波音 777 并行设计工程实例分析 1.背景介绍 背景介绍 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。 美国波音公司在 777 大型民用客机的开发研制过程中, 运用 CIMS (计算机集 成制造系统)和 CE 技术,在企业南北地理分布 50 千米的区域内,由 200 个研制 小组形成了群组协同工作,产品全部进行数字定义,采用电子预装配检查飞机零 件干涉有 2500 多处,减少了工程更改 50%以上,建立了电子样机,除起落架舱 外成为世界上第一架无原型样机而一次成功飞上蓝天的喷气客机,也是世界航空 发展史上最高水平的“无图纸”研制的飞机。它与波音 767 的研制周期相比,缩 短了 13 个月,实现了从设计到试飞的一次成功。 2.波音公司并行工程技术实施特点 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。

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市场

产 品 开

工程

制造

销售服务

设计开发组

电子
集成产品开发团队(IPT)

机械

结构

动力

机 翼

机身

动力

高性能的开发组织 (过程管理)

图 3 波音公司民用飞机开发组织结构的演变过 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。 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 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 777 采用全数字化的产品设计,在设计发图前,设计出 777 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 777 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, CATIA 上建立三维零件模型, 在 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。 3)下面对几个主要的设计过程进行描述。 下面对几个主要的设计过程进行描述。 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
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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 777 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 专业功能组 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

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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。 4. 大量应用 CAD/CAM/CAE 技术,做到无图纸生产 技术, 采用 100%数字化技术设计飞机零部件;建立了飞机设计的零件库与标准件 库;采用 CAE 工具进行工程特性分析;计算机辅助制造工程与 NC 编程;计算机 辅助工装设计。 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。 777 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。 3.效益分析 效益分析 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。 四、并行工程技术发展趋势 并行工程技术发展趋势 技术发展 1.并行工程的关键技术有一下几个方面 并行工程的关键技术有一下几个方面 并行工程的关键技术有 团队(Team & Teamwork)技术; 经营过程重组(Business Process Reengineer,BPR)技术; 质量功能部署(Quality Function Deployment,QFD)技术; 面向全生命周期的设计(Design for X—ability,DFX)技术; 计算机协同工作(Computer Support Coperative Work,CSCW)技术; 产品数据管理(Product Data Management,PDM)技术。 在国内,并行工程作为 CIMS 发展的一个新阶段,得到了一些企业的广为关 注,其研究已于 1992 年底被列为国家 863 计划自动化领域的重点研究内容。在 国家科技部和 863/CIMS 主题专家组的领导下,1995 年 7 月由清华大学、华中理 工大学、北京航空航天大学、上海交通大学和航天工业总公司二院 5 个单位人员 以航天总公司二院 组成了“863/CIMS 关键技术攻关棗并行工程”的技术攻关队伍,

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的复杂结构件为应用背景,开展并行工程关键技术的研究与应用。经过近两年的 攻关,终于取得了重大进展。该项目在应用上有特色,在某些关键技术上已经达 到国际先进水平,目前,该项目已经通过鉴定。 我国的研究工作主要集中在高校中,据不完全统计如下表所示:
单位名称 清华大学 华中理工大学 上海交通大学 北京航空航天大学 西安交通大学 西北工业大学 北京理工大学 天津大学 主要研究方向 面向 CE 的 CAD/CAPP/CAM 的集成研究、DFM 等 并行设计的零件信息模型、面向 CE 的设备环境建模等 面向 CE 的集成化设计信息模型及决策信息模型、DFA 等 CE 中过程建模、过程管理及通讯技术研究等 CE 的过程模型与并行品质评价等 并行工程中的模糊知识(信息)协同方法、QFD 等 面向 CE 的协同工作环境等 智能工程知识处理及并行设计支持环境等

2.并行工程的发展趋势 并行工程的发展趋势 经过 10 余年的研究与工程实施,并行工程技术思想、方法、工具取得了飞速 的进展,从理论研究走向工程实用化,为企业获得市场竞争优势提供了有效地手 段。随着需求的进一步深入,可以预计,在今后的一段时间内,并行工程的发展 主要集中在以下几个方面: (1) 并行工程的方法体系结构更加完备 ) 并行工程已经从传统的产品与过程设计的并行发展到产品、过程、设备的开 发与组织管理的并行集成优化,集成范围更加广泛,而在此基础上,并行工程的 方法体系也将更加完备。 (2) 团队与支持团队协同工作环境支持全球化动态企业联盟 ) 团队技术发展十分迅猛,各种类型的团队和组织管理模式在发展中逐步统一 和规范化。随着计算机网络技术的进展,项目管理软件功能的增加,集成框架、 CAX/DFX、PDM/ERP、INTERNET/INTRANET,以及协同工作环境与工具的 飞速发展和应用领域的不断扩大,以集成产品团队为核心的组织管理模式日益 成熟。IPT 从企业内部走出,进一步发展为与客户和供应商共同工作,并在特 定情况下与竞争对手合作。可以说:IPT(或其他团队形式)正在逐步发展为 跨企业、地域,乃至遍布全球的规模。IPT 的组织管理方式也发生了根本变化, 散步性和动态性更加明显。 团队、 CSCW 技术将有力支持全球化动态企业联盟。 (3) 过程重组技术逐渐成熟、应用范围和规模不断扩大 ) 随着信息技术的广泛使用(共享数据库、专家系统、决策支持工具、通讯、 过程建模仿真、internet 等) ,团队等并行并行工程技术的发展,企业组织结构由 金字塔变为扁平化,人员素质的提高,BPR 技术将逐渐成熟,应用范围和领域也

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不断扩大,经营过程重组也随之从单一企业的重组逐步走向世界范围内跨国经营 过程重组的需求。值得注意的是,跨地域、企业的国际化合作因其多面性和深层 次结构增加了经营过程的复杂性,也对重新设计经营过程的选择产生巨大的影 响。经营过程重组必须考虑其内容、活动结构、国际化和复杂性的巨大变化。 (4) 产品数字化定义技术、工具和支撑平台将日趋完善 ) 研究人员的工作重点进一步完善 CAX/DFX 理论, 开发商正致力于实现数字化 产品定义工具的实用化与通用化。产品全局十字花模型将更加完备,基于标准和 特征技术实现集成化也将成为人们关注的中心。产品数据管理(PDM)系统和支 持并行工程的框架技术的功能将不断加强,跨平台的 PDM 系统和框架已问世, 基于 Web 技术的系统成为其发展新方向。 (5) 实施模式与评价方法的系统化、规范化 ) 随着并行工程技术的推广,实施模式与评价方法的研究也将逐渐加深,企业 对实施模式与评价体系的系统化、规范化的要求日益强烈。有关并行工程实施的 通用方法、评价体系方面的研究都取得了很大的进展,系统化、规范化工作将进 一步完善。
参考文献: 参考文献: [1]蒋志强,施进发,王金凤.先进制造系统导论.郑州:科学技术出版社.2006.5 [2]易树平,郭伏.基础工业工程.北京:机械工业出版社.2007.3 [3]陈荣秋,马士华.生产与运作管理.上海:高等教育出版社.2005.7

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