浅议并行设计及柔性设计在大型部件及其工艺装备设计过程中的应用

苑峥 赵辉

【摘要】本文论述了并行工程CE(Concurrent Engineering)在某型相控阵雷达天线研制过程中起到的重要作用。产品中的大型结构件在设计阶段与其装配型架采用并行设计，且对装配型架采取柔性设计，缩短了该产品的研制周期，降低了生产成本，也为该产品后续改进型的研制提供了装备。

【关键字】并行工程、装配型架、柔性设计

并行工程(Concurrent Engineering)是对产品及其相关过程（包括制造过程和支持工程）进行并行、集成化处理的系统方法和综合技术。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。并行工程的产品开发模式在现代制造业中是一种很重要的模式，成为中国制造业和自动化领域的研究热点。该技术在我公司某大型相控阵雷达天线的设计和制造过程中发挥了重要的作用。

一、并行工程的产品开发模式克服了传统串行工程产品开发模式的弊端

在制造业中传统的串行工程的产品开发模式如下：产品需求分析 产品设计工艺设计 生产准备 加工装配质量检验 修改并完善设计批量生产 。这种将整个产品开发全过程细分为很多步骤，按照劳动分工的模式划分为各部门和个人都只做其中相对独立的一部分工作，它的缺陷是设计与制造的严重分离，设计师只负责按照功能要求把产品设计出来，至于如何加工生产，则是工艺师的事，这种形式的设计可以形象的称为“扔过墙”式的设计。

随着现代制造业的发展，这种设计方式的弊端越来越多的暴露出来：出于设计没考虑工艺性，设计出的产品制造成本高，没有竞争力；出于各环节串行，生产准备只能在设计完全结束后启动，延长了产品开发周期，丧失了占领市场的机会；更为严重的情形是，一些设计要求在制造时很难实现甚至根本无法实现，很多难题在进行工艺设计时才体现出来，由此导致的返工既浪费了人力，又延误了工期。产品的开发设计是串行的，工艺设计和工艺装备设计不能提前，延长了产品开发周期，由此导致的设计图纸更改频繁，如果再加上繁琐的设计图纸的审批流程，那么将严重影响产品的生命力。

现代制造业已开始广泛的应用并行工程，它研究的范围包括并行工程管理与过程控制技术、并行设计技术、快速制造技术。其中并行设计技术要求设计阶段并行地设计产品及其相关过程（包括制造过程）的系统方法。它的作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。

二、并行工程的产品开发模式在我公司研发技术方面发挥了良好的作用

我公司在研发某新型相控阵雷达系统过程中广泛采用了并行设计的技术。在设计层面，建立计算机网路，广泛采用虚拟制造，模型仿真，并让产品设计和工艺设计人员形成交流机制，广泛采取设计评审和工艺评审，提高了设计正确性，提高了产品质量，增加上下游阶段人员的信息交流，使下游人员获得足够的信息以开展他们的工作，以利于设计工作并行，及时发现设计缺陷，实现工艺装备与产品设计同时进行，实现工艺、工装、材料的并行准备，使制造系统与设计系统不形成大循环，缩短产品试样的生产周期。在管理层面，建立如“XX指挥部”机构，管理项目开发经费、进程和计划。采用这种模式该样机产品复杂程度虽然远大于以往产品，但是却提前9个月交付于最终的实战打靶检验。该产品的设计方案如下图：

该相控阵制导雷达站是大型电子产品，电子元器件高度集成化，其天线在不足5平方米的圆形阵面内安装了1万2千多个移相器组件，该阵面的框架结构件采用加工成为栅格的大型铝合金板用飞机装配工艺铆接而成，为了保证移相器组件的安装精度，满足作为天线的电气性能，散热需要，该部件具有相当高的尺寸要求及平面精度，以及结构轻便的特点（约280kg）。面对该部件如此高精度的要求，装配工作需要在装配型架上进行。以往的型架为减小装配过程中框架结构的变形，并保证零件间正确定位，型架设计成为刚性结构，而且一套型架只能用于一个装配对象，因此，该系列雷达天线生产准备过程中需要制造大量的装配型架，由于尺寸大，结构复杂，因此装配型架的制造周期长，成本高，而且占地面积大，传统的装配型架上要安装许多定位件，为保证定位精度，定位件的安裝往往需要专用安装仪器，如电子经纬仪、激光准直仪等，工作的分散性差，安装效率低，周期长。

与该部件设计同时开始的装配型架设计，为了节约成本，解决生产场地紧张问题，提高空间利用率，减少型架加工周期，在该框架结构件的装配型架设计过程中采用了柔性设计、零件模块化的方法，打破了以往“专用型架”的模式。对于型架的定位零件、夹紧等零件采用模块化、标准化模式设计。对与大型零件如横梁、底座等成熟设计则采取并行措施，设计同时进行材料准备。对于型架的立柱采取柔性设计，在立柱上加工坐标孔，使定位紧固元件可以准确地安装在多个位置，灵活调整，为了定位装配对象，将定位板加工成刻度板，并在刻度板上加工坐标孔，通过销钉将刻度板定位在立柱上，使型架“去专用化”。

该相控阵雷达天线的外框材料采用铝合金板及其成型零件，用氩弧焊焊接而成，焊接后的框架也具有较高的精度要求。其焊接夹具设计时采用柔性设计方法，在焊接夹具的基准板上设计了经纬格式的凹槽，对定位夹紧元件采用模块化设计。虽然单个焊接夹具的成本略有提高，但是该焊接夹具已成为该系列框架结构的通用工装，减少了后续投资，并节省了生产用地。同时，正是在设计阶段采取了并行的方法，为完善设计赢得了时间，在工艺装备设计上使用了柔性设计的方法，则为一项产品（例如我公司的大型武器系统）形成系列化，后续改进型产品不断推出，延长产品的生命周期提供了可能。

现代大型装备制造过程已经广泛采取了并行工程，但在该方法的具体运用上还存在不足，各分工的交叉并行的管理方面还存在执行力不足的情况，还需要工程技术人员和管理人员更加协同合作才能使并行工程的方法发挥最大效能。

参考文献：

[1] 秦现生 并行工程的理论与方法 西北工业大学出版社2008-5-1

[2] 马履中、周建忠 编著《柔性制造技术要求，柔性制造技术参数》化学工业出版设2010-9

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。