基于成熟度的设计制造并行协同方法探究

  引言： 

  随着先进制造技术和理念的不断发展以及市场竞争的日益激烈，有效地缩短产品研制周期，降低产品设计风险和成本，已成为企业发展的重要途径。传统的产品生产过程中，产品设计、工艺/工装设计、产品制造以串行方式开展，研制周期长，并且上游设计不能兼顾下游相关专业的需求，从而造成可制造性差及产品质量问题多等诸多隐患。因此研究如何有效地开展设计制造之间的协同工作，对于提高产品研制效率、降低制造风险有重要意义。

  一、设计制造并行原力（The Force）

  劳动生产力上最大的增进，以及运用劳动时所表现的更大的熟练、技巧和判断力，似乎都是分工的结果。——亚当·斯密《国富论》  

  基于分工理论，产生出将产品研制全过程细分成很多步骤，每个部门和个人都只做其中的一部分工作，而且相对独立进行，工作做完以后把结果交给下一部门的串行工程（Sequential Engineering-SE）模型。如下图所示：

  串行工程的研制模式对制造业的发展起到了巨大的推动作用，但是伴随着现代社会的高速发展，制造企业生产效率的快速提升，串行工程也逐渐显现出诸多弊端：  

  · 忽视了不相邻活动之间的交流和协调，形成以部门利益为重而不考虑全局最优化的“抛砖过墙式”工作环境；  

  · 各部门对产品开发整体过程缺乏综合考虑，造成局部最优而非全局最优（设计早期不能综合考虑产品的可制造性、可装配性和质量可靠性等各种因素）；  

  · 上下游矛盾与冲突不能及时得到调解，下游开发部门所具有的知识难以加入早期设计（可制造性、可装配性冲突难以及时解决）； 

  · 产品开发过程形成多重大循环，造成设计改动影响大，开发周期加长，成本提高。

  因此，在1988年由美国国家防御分析研究所以武器生产为背景，对传统的生产模式进行了分析，提出了新的与串行工程相对的并行工程（Concurrent Engineering）理论，并行工程是对产品及其相关过程（包括制造过程和支持过程）进行并行、集成化处理的系统方法和综合技术。该理论认为对于产品开发人员，需要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废的所有因素，包括质量、成本、进度和用户需求，从而达到提高质量、降低成品、缩短产品开发周期和上市时间的目标。

  二、如何开展设计制造并行

  国外并行工程已从理论向实用化方向发展，越来越多的涉及航空、航天、汽车、电子、机械等领域的国际知名企业，通过实施并行工程取得了显着效益。国内经过多年的研究发展，也已在航空、航天、轨道交通等领域进行了试点应用，并已取得一定的经济、社会效益。  

  如何在产品设计过程中改变现有串行的研发流程，通过工艺的提前介入，与设计协同开展并行工作，从而提高产品研制质量、缩短研制周期？国睿信维在研究了大量国外并行工程实践以及结合国内航空、航天、国防电子、轨道交通领域产品研制实际过程，总结出了一套完整的基于成熟度的设计制造并行协同方法，并在不同行业中推广应用。

  1. 引用成熟度的目的  

  成熟度（Maturity）：是对产品数字模型完成情况和详细程度的描述，直观表达产品研制的进度。并且将达到一定技术状态的数字模型（包括产品结构信息、几何信息、工艺信息、分析结果、技术说明和检测结果等）提前传递给下游用户，以便于下一步流程工作的顺利开展。从而实现设计与制造的并行协同。 

  使用成熟度的主要目的是：  

  · 从总体上把握复杂产品的数字模型完成的情况，为控制基线的制定提供依据； 

  · 建立成熟度管理和控制规则，确保相关人员能够在指定状态下获得数字模型的完整技术描述。

  2. 成熟度模型下的设计制造并行业务定义  

  大型复杂产品的研制是一项复杂的系统工程，通常分为以下几个阶段：可行性论证阶段、方案论证阶段、技术设计阶段、工程设计和试制阶段、设计定型阶段。基于成熟度的设计制造协同，需要结合研制流程对设计制造业务进行分析及定义，围绕成熟度的升降，提前开展工艺活动。如空客在基于成熟度的设计制造并行业务中，按照不同的研制视角对模型成熟度制定了A、B、C等级，并且规定了不同成熟度等级下开展的工艺活动：

  3. 系统承载业务活动  

  通过成熟度定义的设计制造并行协同业务模型以及在信息化系统的技术支撑下，需要通过系统承载以下业务活动：

  1) 成熟度定义  

  产品成熟度定义在PDM平台上实现，每个模型或文件都具有自身的成熟度属性。在PDM平台中，产品数据的属性中包括“成熟度等级”属性，标识该数据所处的成熟度状态。通过成熟度等级可以进行产品数据的成熟度管理，可以达到对产品数据某一部段或模块的成熟度状态进行检查和总结。  

  2) 成熟度升级  

  当产品数据成熟度达到提升阶段时，系统可支持基于流程的成熟度提升过程管理，通过系统预设的成熟度业务模型校验机制，系统自动检测是否达到成熟度提升条件，同时对成熟度提升的相关影响范围进行自动评估。并经过审批后自动将数据对象的成熟度属性提升至更高一级，便于在另外成熟度阶段开展并行工作。 

  3) 成熟度降级  

  与成熟度升级相对应的是成熟度降级业务，在系统中可支持基于流程的成熟度降级业务。通过成熟度降级申请，并经过联合工作团队审批认可后，系统自动将数据成熟度降级。

  三、业务实践

  在国内航空航天、国防电子领域已经基于成熟度的设计制造并行协同方面开展了大量的研究以及相关应用，比如：

  1. 某航空企业 

  某航空企业是我国实施国家大型飞机重大专项中大型客机项目的主体。在飞机研制过程中，按设计和制造工作需求，以模块为单位进行成熟度管理，分为ML0到ML6七个阶段（Maturity Level），并且对各个阶段的设计状态进行了明确的定义，同时为确保相应制造工艺技术状态的有效衔接和控制，以及工艺数据的完整和准确，结合工程设计数据成熟度的规则，制定制造工艺在工程数据成熟度相关各等级状态的工作任务。并且通过协同研制平台得以固化实施。

  2. 中国电子科技集团公司XX研究所  

  中国电子科技集团公司XX研究所是中国雷达工业的发源地，国家诸多新型、高端雷达装备的始创者，以及具有国际竞争能力的综合型电子信息工程研究所。历经多年的型号研制经验积累，设计制造并行协同已经完全融合在型号研制过程中，采用以研制阶段为成熟度依托，转阶段作为成熟度提升标识，制定了不同研制阶段内详细的设计工艺协同流程，并通过精益设计平台承载。如下示意：

  四、总结

  通过有效实施基于成熟度的设计制造并行协同，设计与制造的协同工作流程和管理制度将得到进一步的优化改善，产品研发和制造两个业务域的融合程度将进一步得到提高。设计单位将高度关注产品的可实现性、可制造性，生产单位将通过提前介入设计方案确定过程，尽早开展系统性的工艺研究，从而避免新材料、新技术、新工艺工程化应用的真空状态，不断提高企业产品的正向研发能力。