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1、第?卷第?期计算机集成制造系统?年?月?文章编号?收稿日期?修订日期?作者简介?陈彦海?男?黑龙江绥化人?沈阳航空工业学院副教授?博士?主要从事制造业信息化?并行工程?工作流等的研究?产品设计与工艺设计过程三维空间模型研究陈彦海?王共冬?邱福生?刘文剑?沈阳航空工业学院 机电工程学院?辽宁?沈阳?沈阳航空工业学院 航空宇航工程学院?辽宁?沈阳?哈尔滨工业大学?研究所?黑龙江?哈尔滨?摘?要?为有效管理?规划?协调和控制产品设计与工艺设计过程?通过分析产品设计与工艺设计过程特点?确定产品设计与工艺设计过程的?基本要素?建立了基于?基本要素的三维空间模型?该模型可对过程进行动态跟踪管理?具有三维可
2、视化?易理解?方便的特点?通过三维空间模型的截面和投影面?明确给出模型各基本要素间的关系?从任务?组织?过程三方面跟踪并监控产品设计与工艺设计过程?支持过程的规划?分析?改进和管理?为实施并行设计打下基础?关键词?产品设计?工艺设计?并行设计?三维空间模型?过程管理中图分类号?文献标识码?引言产品设计与工艺设计过程是一个非常复杂的大系统?国内外企业的分析表明?改进产品设计与工艺设计过程比改进产品的生产过程获得的效益更为显著?它是企业从应用技术中获得更大潜在效益的重要因素?鉴于质量和成本在产品生命周期中的决定性作用?以 及 新 的 管 理 理 念?如 全 面 质 量 管 理?业务过程重组?和组织
3、理念?如集成产品团队?对产品设计与工艺设计过程的强烈影响?许多企业己经在以往产品设计与工艺设计过程的基础上进行了第?期陈彦海 等?产品设计与工艺设计过程三维空间模型研究重构和更优化的组合?而开展过程优化的一个重要前提是企业对影响产品设计与工艺设计过程的诸多因素能够很好地理解?对产品设计与工艺设计过程建立合理的模型?本文提炼了产品设计与工艺设计过程的基本要素?建立了产品设计与工艺设计过程三维空间模型?分析了这些基本要素对产品设计与工艺设计过程的跟踪与管理?产品设计与工艺设计过程基本要素提炼商品化的产品数据管理?软件的主要功能之一?是对原有过程进行重构和优化?对产品设计与工艺设计过程而言?开展过程
4、优化的一个重要前提是建立该过程合理的模型?对过程基本要素的提炼是进行过程描述?分析?管理和建立过程模型的基础?过程的基本要素既不能缺少也不是越多越好?而要把握好要素间的层次包含关系?如何做到模型描述上完备而又不冗余?一直是学术追求的目标?在已有商品化的?软件中?学者们提出的描述产品设计与工艺设计过程的基本要素有美国西弗吉尼亚大学并行工程研究中心提出的?文献?提出的?文献?提出的制造物?活动?操作者及资源?文献?提出的对象?信息?活动?流程?方法和阶段?文献?提出的资源?设施?策略?活动?流程及流程中的运行对象?文献?提出的功能?行为?组织和信息?文献?提出的主体?活动和信息?文献?提出的数据?
5、信息?活动?人员?组织?工具和流程?文献?提出的过程?活动?信息?产品?资源和人员?文献?提出的产品视图?功能视图?工作流程视图?组织视图?约束视图和资源视图?文献?提出的谁?在什么时候?用什么?如何?完成什么事?对于上面给出的众多过程要素?涵盖了产品设计与工艺设计过程的方方面面?但笔者认为过程要素的给出有以下几点需要注意?避免层次不清?活动与过程?或流程?阶段?人员与组织是包含关系或上下层之间关系?把它们同时作为过程基本要素是不合适的?避免概念界限模糊?资源模型是个广义的概念?组织资源是资源类型之一?有的过程模型既包含组织模型又包含资源模型?造成了模型的描述不清晰?因此必须加以限定?将实体类
6、型与其他类型分开?任务?组织?过程是实体类型?它们具有独立性?可作为基本元素?而策略?信息?数据?约束等是附属于实体信息或描述基本元素间关系?不能作为基本元素?结合企业产品设计与工艺设计过程实例?笔者认为?任务?包括部件任务?组件任务?零件任务?具有任务需求?任务内容?任务要求等属性?是过程的首要问题?因为过程缺乏任务?其他要素的存在没有意义?考虑任务中包含时间限制以及任务的目的?将?问题归于任务模型?资源是完成任务的基础?对于资源要素?因产品设计与工艺设计过程主要涉及组织资源?不涉及设备等其他资源?因此确定?组织?包括设计人员?工艺人员?为过程的基本要素?要完成任务还需要一定的步骤安排?这在
7、产品设计与工艺设计过程体现为一系列活动?如原理设计活动?初步设计活动?详细设计活动?工艺规划活动等?综合起来就是过程?要素的问题?因此本文确定?要素?即做什么?任务?谁来做?组织?怎么做?过程?作为描述产品设计与工艺设计过程的基本要素?基于?要素的产品设计与工艺设计过程三维空间模型?三维空间模型任务?组织?过程是产品设计与工艺设计过程的三要素?它们之间是相互影响?相互依存的关系?任务需要组织经过一定的过程来完成?组织没有任务只能是空设?有了任务而没有合适的处理过程也不能实现效益最大化?过程需要服务于实际的任务?需要组织的参与实施?产品设计与工艺设计过程中任务?组织?过程的状态变化及三者间的关系
8、可用图?所示的产品设计与工艺设计过程三维空间模型来表达?它是为过程管理人员建立的过程管理模型?该模型以三维空间可视化的形式表达产品设计与工艺设计过程所需经历的步骤?以及需要考虑的任务?组织?过程等关键因素?加强团队成员对过程的理解和团队协作?支持产品设计与工艺设计过程的实施?监控和管理?为过程管理人员规划?分析和改进过程提供了强有力的手段?为实施并行设计提供支持?空间模型的三个坐标轴即为任务?组织?过程?三维空间模型所形成的立体空间?表示产品设计与?计算机集成制造系统第?卷工艺设计过程所处的企业计算机环境?按任务分解结构?称零件级任务为?任务项?任务项在空间模型的节点上流动?三维空间模型中每一
9、节点称为?活动项?活动项由任务?组织和过程三元素组成?表示某过程阶段某人所分配的任务项?它由某人在该阶段的活动?即一系列动作?来完成?某时刻任务项所在的节点标以颜色?如图?以区别其他节点?通过当前节点的任务?组织和过程属性?反映了其对应任务项的当前状态?通过多个节点的统计?即可得到过程的总体运行状态?圆形节点表示的任务项代表自制件?方形节点表示的任务项代表外协件?菱形节点表示的任务项代表标准件?外购件?下面描述产品设计与工艺设计过程中任务?组织和过程的状态变化及三者间的关系?其中?表示任务项?和?分别表示设计人员和工艺人员?表示设计和工艺结果提交?任务?过程视图任务?过程视图从成员截面和成员投
10、影面两方面反映产品设计与工艺设计过程?某成员截面?反映某成员参与哪些任务项及哪些过程阶段?作用是考察人员工作量和工作时间?如图?所示?设计人员?的截面表明他参与原理方案设计阶段?的初步设计阶段?的详细设计阶段?设计人员?的截面表明他参与?的详细设计阶段?某成员投影面?对整个产品设计与工艺设计过程从任务和过程阶段角度进行描述?如图?所示?横向?某任务项在该成员投影?表示任务项要经历哪些过程阶段?任务项要经过所有过程阶段?但在工艺设计之后要产生工艺分工?并确定零部件制造类别?以节点形状表示?纵向?某过程阶段在该成员投影?表示某过程阶段有哪些任务项?工艺设计之后的零部件类型有自制?外协?外购三种?它
11、们对应不同的任务项?分别以不同的节点形状表示?动态特性描述?黑色节点表示当前活动节点?图?表示?正在对?进行初步设计?图?可以看出?现处于初步设计阶段?现处于工艺设计阶段?组织?过程视图组织?过程视图从任务项截面和任务项投影面两方面反映产品设计与工艺设计过程?某任务项截面?反映某任务项由哪些成员参与?经历哪些过程阶段?其作用是考察任务项?团队?实施协同设计等?如图?所示?任务项?的截面说明该任务项参与人员有?任务项要经历全部的过程阶段?如图?所示?任务项?的截面说明该任务项参与人员有?任务项要经历全部的过程阶段?第?期陈彦海 等?产品设计与工艺设计过程三维空间模型研究设计协同?特别地?某任务项
12、截面表示某任务项在某过程阶段组织协同?协同处理该任务项在该阶段的问题?如任务项?在详细设计阶段出现问题?需要协商解决?则由该阶段人员?提出申请?召集设计团队?协同解决此阶段零部件设计问题?任务维方向投影?对整个产品设计与工艺设计过程从人员和过程阶段角度进行描述?如图?横向?某成员在任务维方向的投影?考察某成员参与哪些过程阶段?纵向?某过程阶段在任务维方向的投影?反映某过程阶段有哪些成员参与?动态特性描述?黑色节点表示当前活动节点?由图?和图?可知?正在由?进行初步设计?正在由?进行工艺设计?图?表示?正在进行某初步设计任务?正在进行某工艺设计任务?任务?组织视图任务?组织视图从过程阶段截面和过
13、程阶段投影面反映产品设计与工艺设计过程?某过程阶段截面?反映某过程阶段由哪些成员参与及包含哪些任务项?作用是某阶段人员占用情况考察等?详细设计阶段的截面?如图?所示?等设计人员参与?工艺设计阶段截面?如图?所示?表示有?等工艺人员参与?所有任务项无论设计难易均要经过各过程阶段?这里只画出其中几项?在过程维方向上的投影?反映过程参与人员和任务项的对应关系?如图?所示?横向?某任务项在某过程阶段投影?表示某任务项有哪些成员参与?如图?所示?由?等参与完成?由?等参与完成?为外协件?参与人员有?等人?过程维不是时间维?不代表时间的先后?即后一投影不一定比前一投影后进行?因为设计活动项在时间顺序上有先
14、后?设计与工艺活动项可以是并行的?某些零部件的工艺会在一些零部件详细设计之前开始?而是过程的先后?先设计?后工艺?再提交结果这样一个过程?因此投影的另一个意义是反映设计活动项之间的 耦 合?即 设 计 结 构 矩 阵?所解决的问题?主要体现在详细设计阶段?纵向?某成员在某过程阶段投影?表示某成员参与哪些任务项?如图?所示?参与所有任务项?只参与任务项?参与任务项?参与任务项?动态特性描述?黑色节点表示当前活动节点?图?可以看出工艺设计阶段?正在对?进行操作?图?表示?正在对?进行操作?正在对?进行操作?产品设计与工艺设计过程管理实例?过程管理人员任务信息察看本节界面对应?节产品设计与工艺设计过
15、程三维空间模型?组织?过程维?中某任务截面的查看?即查看该任务项由哪些成员参与?该任务项经历哪些过程阶段?如图?所示?首先展开左侧任务分解树?查看代号为?的任务项?从右上部窗口可以看出?该任务项参与人员有?等?经历原理设计?初步设计?详细设计?工艺设计?结果提交等 过 程 阶 段?用?表 示?图 中 黑 颜 色 标 记?计算机集成制造系统第?卷?表示代号为?的设计人员正在对该任务项进行初步设计?右下部分窗口表示该任务项的详细信息?点击左侧窗口某活动项?可以在右下部分窗口得到对应活动项的活动项代号?执行人员代号?活动项状态等详细信息?如图?所示?过程管理人员组织查看本节界面对应?节产品设计与工艺
16、设计过程三维空间模型?任务?过程维?中某成员截面的查看?即查看该成员参与哪些任务项及哪些过程阶段?作用是进行人员工作量考察?工作时间考察等?如图?所示?首先展开右侧型号分解树?对组织维进一步展开?考察?团队的组成?可以看到组织维分解为设计部门?工艺部门?生产部门?每个部门由若干专业组组成?每个专业组包含若干专业人员?点击工艺组中每个成员的代号?从右侧窗口可以看出?该成员的详细信息及该成员参与哪些任务项及哪些过程阶段?现查看工艺组?中的成员?从右上部窗口可以看出该成员参与的任务项?的原理设计?工艺设计两个过程阶段?参与任务项?的原理设计阶段?图中标记?表示该成员正在对任务项?进行工艺设计?右下部
17、分窗口表示该成员的详细信息?点击右上部窗口某任务项?可以在右下部分窗口得到对应任务项的详细信息?如图?所示?过程管理人员过程查看本节界面对应?节产品设计与工艺设计过程三维空间模型?任务?组织维?中某过程截面的查看?即查看某过程阶段由哪些成员参与及包含哪些任务项?以考察某阶段人员占用情况等?如图?所示?首先展开右侧过程维分解树?可看到产品设计与工艺设计过程所包含的原理设计?初?第?期陈彦海 等?产品设计与工艺设计过程三维空间模型研究步设计?详细设计?工艺设计?结果提交等过程阶段?点击右侧窗口中某过程阶段项?在右侧窗口显示该过程阶段由哪些成员参与及包含哪些任务项?现查看工艺设计过程?点击右侧窗口中
18、工艺设计过程项?从右上部窗口可以看出?该过程阶段所包含的任务项?因为所有任务项均要经过工艺设计阶段?故此窗口会按顺序列出所有任务项?第二列给出负责该任务项的工艺部门成员?图中第二行显示的信息?表示?正在对任务项?进行工艺设计?右下部分窗口表示该过程的详细信息?点击右上部窗口某活动项?可以在右下部分窗口得到对应活动项的详细信息?如图?所示?结束语本文建立了产品设计与工艺设计过程三维空间模型?实际应用表明?所建立的模型清晰?能够对产品设计与工艺设计过程进行合理?完整的描述?满足对产品设计与工艺设计过程进行有效的管理?规划?协调?控制的要求?相比已有?软件和方法?本文所提出的方法重在过程要素的提炼?以及过程的三维可视化表达?并为将来实施并行设计打下基础?参考文献?薛善良?叶文华?廖文和?产品并行开发过程建模研究?机械科学与技术?吴柞宝?吴?澄?基于产品数据管理的产品和开发过程集成方法?清华大学学报?自然科学版?范文慧?熊光楞?王计斌?等?以过程为中心的并行产品开发支持环境?组合机床与自动化加工技术?