7.1 并行工程（教案）《现代制造技术基础》同步精品课堂（苏教版·凤凰职教）

《现代制造技术基础》教案 课 题 模块7 其他先进制造技术 单元1 并行工程 课 型 课 时 2 授课班级 授课时间 90 授课教师 教材分析 所选教材《现代制造技术基础》是职业学校机械专业新方案新课标创新实验教材，是江苏凤凰职业教育图书有限公司在江苏省教育科学研究院指导下，依据江苏省职业学校“学标、贯标、用标”的需要开发的。教材内容结合职业院校机械类学生应掌握的现代制造技术基本知识，紧扣新时代脉搏，充分挖掘思政元素，将立德树人根本任务贯穿于教材通篇，并与江苏省中职加工制造类专业技能教学标准及学业水平考试技能考纲相关联，突出知识传授与技能培养，将现代先进制造技术的基本知识与职业素养有机融入设置教学模块和单元，具体包含现代制造技术的发展、超高速加工技术、多轴加工技术、特种加工技术、增材制造技术、智能制造系统、其他先进制造技术、现代制造装备安全生产与电气基础认知8个模块。教学模块与教学单元根据学生认知规律和职业成长规律、现代制造技术的发展与分类进行设置，从而使教学内容合理序化，非常适合职业学校机械类专业使用。 学情分析 本课程主要面向中等职业教育，以培养技术技能人才为主要目标。而中等职业学校的学生普遍具有学习基础较为薄弱、缺乏学习自信心以及自控能力、自学能力较差，但动手能力较强等特点，一定程度上增加了课程教学的难度，应根据学情，以学生感兴趣的内容为切入点，选择合适的教学方法，激发学生的学习兴趣，提高学生的学习积极性。 学习目标 知识目标：了解并行工程体系结构、运行特征与国内外并行工程的实际应用，理解并行工程的定义和特点。 能力目标：能够对比分析串行工程与并行工程的差异，具备运用并行工程的基本思想，分析具体行业产品开发过程中可优化环节的能力。 情感目标：通过并行工程相关概念的学习，培养学生分析问题的整体性意识。 学习重难点 重点：并行工程的定义和特点。 难点：并行工程体系结构。 教学方法 讲授法、启发式教学法、合作探究教学法、案例分析法等。 课前准备 教师准备：了解学情、创设情境，明确学习任务。 学生准备：确定分组、思考讨论，完成课前预习任务。 教学媒体 纸质版教学媒体：教材、配套习题 数字化教学媒体：多媒体，中国大学MOOC（慕课）等教学网站 教学过程 教学环节 教师活动设计 学生活动设计 设计意图 活动一： 创设情境 生成问题 观看视频： 根据视频内容，分组讨论什么是并行工程，并行工程有何特点。 观看视频，结合视频内容设置讨论任务 1.学生分组讨论，完成任务 2.小组代表发言（抢答形式，小组积分） 1.组织学生分组讨论学习，培养学生团队合作意识和沟通交流习惯。 2.积分制激发学生对本章内容学习的兴趣，调动学生的积极性。 活动二： 调动思维 探究新知 一、并行工程概述 1.并行工程产生的背景 并行工程产生之前，产品功能设计、生产工艺设计、生产准备等以串行生产方式进行(图7-1-1)。这种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，它对前一道工序反馈的信息具有滞后性，一旦发现前面的工作中有较大的失误，就需要对设计进行重新修改、对半成品进行重新加工，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。 串行模式开发的缺陷： (1)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“抛过墙式”工作环境； (2)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； (3)上下游矛盾与冲突不能及时得到调解； (4)开发时间加长，成本提高。 2.并行工程的定义 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过程)进行并行、集成化处理的系统方法和综合技术。它要求产品开发人员从设计开始就考虑产品寿命周期的全过程，不仅要考虑产品的各项性能，如质量、成本和用户要求，还应考虑与产品有关的各工艺过程的质量及服务的质量。它通过提高设计质量来缩短设计周期，通过优化生产过程来提高生产效率，通过降低产品整个寿命周期的消耗(如产品生产过程中原材料消耗和工时消耗等)来降低生产成本。 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，并将需求提供给设计人员，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。 在产品的设计开发期间，将概念设计、结构设计、工艺设计、最终需求等结合起来，保证以最快的速度按要求的质量完成。各项工作由与此相关的项目小组完成。进程中小组成员各自安排自身的工作，但可以定期或随时反馈信息并对出现的问题协调解决。 3.并行工程的特点 (1)并行交叉。它强调产品设计与工艺过程设计、生产技术准备、采购、生产等种种活动并行交叉进行。并行交叉有两种形式：一是按部件并行交叉，即将一个产品分成若干个部件，使各部件能并行交叉进行设计开发；二是对每单个部件，可以使其设计、工艺过程设计、生产技术准备、采购、生产等各种活动尽最大可能交叉进行。需要注意的是，并行工程强调各种活动并行交叉，但不能违反产品开发过程必要的逻辑顺序和规律，不能取消或越过任何一个必经的阶段，而是在充分细分各种活动的基础上，找出各子活动之间的逻辑关系，将可以并行交叉的尽量交叉进行。 (2)尽早开始工作。正因为强调各活动之间的并行交叉，所以它强调人们要学会在信息不完备情况下就开始工作。因为根据传统观点，人们认为只有等到所有产品设计图纸全部完成以后才能进行工艺设计工作，所有工艺设计图完成后才能进行生产技术准备和采购，生产技术准备和采购完成后才能进行生产。正因为并行工程强调将各有关活动细化后进行并行交叉，因此很多工作要在我们传统上认为信息不完备的情况下进行。 概括起来并行工程具有以下五个方面的特点： ①基于集成制造的并行性； ②并行有序； ③群组协同； ④面向工程的设计； ⑤计算机仿真技术。 二、并行工程的体系结构和运行特征 1.并行工程的体系结构 并行工程通常由过程管理、工程设计、质量管理、生产制造、支持环境五个分系统组成，见图7-1-3。 2.并行工程的运行特征 并行工程是把时间上有先后的作业活动转变为同时考虑和尽可能同时处理和并行处理的活动(图7-1-4)。 (1)总体特征。设计、制造、管理等过程不再是一个个相互独立的单元，而要将它们纳入一个整体的系统来考虑，设计过程不仅产出图纸和其他设计资料，还要进行质量控制、成本核算以及规划进度等。这种工作方式是对传统管理机构的一种挑战。模块厂，其他先进制造技术 (2)协同特性。将产品寿命循环各个方面的专家，组成专门的工作小组，随时对设计出的产品和零件从各个方面进行审查，集中各方面专家的智慧设计出产品，力求使设计出的产品便于加工、装配、维修、运送，外观美、成本低、便于使用。 1.了解学习目标和任务 2.教师提出问题，在老师的引导下，打开思路进行思考讨论 3.学生代表或个人表达观点（小组或个人积分） 1、组织学生回答问题，提高学生课堂参与度，使同学们通过思考加深印象。 2.讲解教学目标，让学生明确本节课的学习任务，让学习更有针对性和目标。 3.小组或个人积分形式，更能激发学生作为学习主体，参与学习的动机和团队合作意识的树立。 活动三： 调动思维 探究新知 三、并行工程的工业应用 并行工程已从理论向实用化方向发展，越来越多涉及航空、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著效益。 1.中国并行工程的发展与应用 中国制造业要想进入世界行列，必须增强自身的产品开发能力，并行工程是一个非常重要的选择。其在中国的研究与应用分为以下两个阶段： (1)1992年前是并行工程的预研阶段，863/CIMS年度计划和国家自然科学基金资助了一些并行工程相关技术的研究课题，如面向产品设计的智能DFM、并行设计方法研究、产品开发过程建模与仿真技术研究等。 1993年，863/CIMS主题组织清华大学、北航、上海交大、华工和航天204所等单位，组成CE可行性论证小组，提出在CIMS实验工程的基础上开展并行工程的攻关研究。 1995年5月，863/CIMS主题重大关键技术攻关项目“并行工程”正式立项，投入大量资金开展并行工程方法、关键技术和应用实施的研究。 1995年5月—1997年12月，进行了“并行工程”项目的攻关研究。 (2)1998年至今，“并行工程”已有攻关成果并进一步深入研究，应用于航天等领域。 国内对并行工程的研究也已发展到了一定的高度，以下是几个成功应用并行工程的典型案例。 西安飞机工业(集团)有限公司在已有软件系统的基础上，开发支持飞机内装饰并行工程的系统工具，包括适用于飞机内装饰的CAID 系统、DEA 系统和模具的 CAD/CAE/CAM系统，如Y7-200A内装饰设计制造并行工程。通过过程建模与PDM实施，工业设计，DFA，并行工程环境下的模具CAD/CAM，飞机客舱内装饰数字化定义等技术手段。Y7-700A飞机内装饰工程中，研制周期从1.5年缩短到1年，减少设计更改60%以上，降低产品研制成本20%以上。 以波音737-700垂直尾翼转包生产为例，研制周期缩短3个月；节约工装引进费用370万美元；减少样板1165块，合计人民币约50万元；减少标工、二类工装23项，合计人民币约125万元；减少过渡模136项，合计人民币约68万元；提高数控编程速度4~6倍，减少数控零件试切时间40%；工艺设计效率提高1.5倍等。 齐齐哈尔铁路车辆并行工程中改进后的棚车开发流程。其改进的措施包括：在产品开发的早期阶段，就充分考虑冲压件、铸钢件等零件的可制造性问题和铁路货车的结构强度、刚度及动力学品质等产品性能问题，从而尽量减少设计错误，提高设计质量；同时增加DFX，在产品设计阶段即可考虑产品加工、装配和工艺等问题，提高一次设计成功的可能性。实现工艺和工装的并行开发，精简设计过程；制造系统与产品开发过程不构成大循环，从而缩短产品开发周期，提高产品质量。 【知识拓展】新舟60飞机 新舟60飞机，是中国航空工业集团公司下属西安飞机工业(集团)有限责任公司在运-7短/中程运输机的基础上研制、生产的50~60座级双涡轮螺旋桨发动机支线客机。 新舟60飞机是按照中国民航规章CCAR25部进行设计、生产和验证的，具有中国自主知识产权的双发涡桨支线客机，是在国内外航线上唯一批量投入商业运行的国产涡桨支线客机，是我国民用飞机产业的探路者。 2017年3月9日，由中国航空工业与中国科学院共同研制的新舟60遥感飞机在西安阎良机场成功首飞。 2.并行工程在汽车工业中的应用模块厂其他先进制造技术 汽车工业是一个技术与资金高度密集的成熟产业，是当今许多高新技术的载体，产品开发是汽车工业技术的核心，其本身也是一项重要的技术。 汽车开发是一项复杂的系统工程。它的开发流程包括创意、造型、设计、工程分析、样车实验、工装设计及加工、调试、生产、装配等工作。如果不能很好地协调各环节，汽车开发必然是费时费力的浩大工程。尤其是这几年国内汽车业迅猛发展，各汽车厂竞争空前激烈，汽车开发的周期、质量、成本显得尤为重要。由于对产品研究开发的投入力度不够，新产品开发全过程的实践还不够，中国与国外高水平的汽车开发技术相比还有很大差距。 一般来讲，汽车产品开发期共有四个阶段，即策划阶段、设计阶段、样品试制阶段、小批量试制阶段，汽车企业应在这四个阶段实施产品开发并行工程。 (1)策划阶段。在策划阶段，汽车企业决策层首先应该考虑开发的产品是否能为企业带来经济效益；开发的产品是否具有先进性、可行性、经济性、环保性等优点；开发的产品是否具有潜在市场；竞争对手是否也在开发同类型产品，他们的水平如何；开发产品是否符合国内外法律法规和专利要求等方面的可行性。 如果通过论证认为可行，则立即组建产品开发并行工程项目小组。企业应从与产品开发相关的部门，选定有一定技术专长和管理能力的产品设计、产品工艺、质量管理、现场施工、生产管理等方面的人员(如有必要还可邀请产品的使用客户代表参加)，组成并行工程项目小组，同时明确小组成员的工作职责。 (2)设计阶段。并行工程要求产品开发人员在制订产品设计的总体方案时，就考案产品生命周期中的所有因素，解决好产品的T、Q、C、S难题，即以最快的上市速度、最好的质量、最低的成本及最优的服务来满足顾客的不同需求和社会可持续性发展的需求。总体方案的设计与论证作为以后详细设计的依据，必须从总体上保证最优，包括优化设计、降低成本、缩短研制周期。 设计目标是并行工程项目小组的行动纲领，这些目标都是在充分研究国内外经济形势、顾客合理要求、市场总体需求、国家法律法规要求和企业内部客观条件前提下，并在全面收集竞争对手有关资料的基础上确定的。设计目标确定后，要采用既合理又简便的方法，根据用户要求，找出关键目标，并将设计目标分解为若干个分类目标，自上而下地把设计目标层层展开，企业各部门并行地开展工作。 (3)样品试制阶段。并行工程在样品试制阶段的工作重点是实现产品各方面的优化。并行工程项目小组应建立典型产品的设计模型。企业进行典型产品设计、可靠性设计和可靠性试验的目的，就是为了建立典型产品的设计数据库，并通过现代计算机的应用技术，将设计数据实现信息收集、编制、分配、评价和延伸管理，确立典型产品设计模型。通过对确立的典型产品设计模型的研究，利用信息反馈系统进行产品寿命估算，找出其产品设计和产品改进的共性要求，实现产品的最优化设计。要使开发的产品设计最优化，还必须了解同类产品的失效规律及失效类型，尤其是在对安全性、可靠性、耐久性有重要影响的产品设计上，要认真分析数据库内同类产品的失效规律及失效类型作用，采取成熟产品的积累数据，通过增加安全系数、降低承受负荷、强化试验等方法，来进行产品优化。 (4)小批量试制阶段。并行工程在小批量试制阶段的工作重点是实现生产能力的优化，应按产品质量要求对生产能力进行合理配置。生产过程的人员、设备、物料、资金、信息等诸要素的优化组合，是实现用最少投入得到最大产出的基础，尤其是在产品和技术的更新速度不断加快、社会化大生产程度日益提高的今天，要实现产品快速投放市场，就更需要对工艺流程、工序成本、设备能力、检测能力及试验能力进行优化分析，实现生产能力的合理配置。同时对生产出的产品，站在用户的立场上，从加工完毕、检验合格的产品中抽取一定数量，评价其质量特性是否符合产品图纸、技术标准、法律法规等评价标准，并以质量缺陷多少为依据，评价产品的相应质量水平，并督促有关部门立即制定改进措施，对投入试用的产品还应把用户反馈回来的信息进行分析，对用户提出的合理和可行的建议也应拿出改进措施，实现客户满意。 3.并行工程在汽车图纸设计中的应用 (1)图纸评价的意义及基础。 在轿车上其他零部件都要以白车身为基准进行装配，白车身的尺寸误差会直接影响到整车的顾客满意程度，如风噪声、关门力、外观缝隙及平顺性等。通过对整车尺寸误差和装配质量进行分析发现由车身设计图纸因素所造成的误差约占误差总量的50%。 而按照并行工程的要求，在整车结构设计阶段就要对装配工艺性进行评审，提出问题并与相关部门协作解决问题，这样能够在研制期内将问题解决。 图纸评价应满足条件： ①有共享的整车数据库资源； ②安全保密的交流信息的计算机网络； ③界面友好的开发设计软件。 (2)对设计图纸评价的项目。 ①对装配基准的审查。审查设计图纸定位基准及对应装配件上的定位基准，将装配件和车体的安装点结合在一起考虑，检查零部件装配到车体上，按照6点定位原理来分析其定位情况是否完全约束零件的6个自由度，是否存在定位不足与过定位现象，如图7-1-9。 ②图纸公差要求。审查图纸公差要求，所标注的公差是否合理，相对基准的最大偏差由设备和夹具能否保证。 ③装配所用设备和夹具的可行性评价。对于装配生产线而言，多数汽车厂都采用共线生产，即同一装配生产线生产多种车型。于是在开发新车型时就应先考虑能否混线生产，能否利用已有的专用设备及工装夹具。在此前提下，考虑需要重新设计的工装夹具。 ④零部件评价。主要针对涉及零部件装配的诸多问题进行评价与讨论，如： A.零部件是否容易区分。如左右件和装于不同车型的同类部件，应有明显的区分标志，以方便人工装配。 B.应有防误装结构。零件结构设计上应保证装配方向和位置的唯一性，以免装错件和装错方向。 C.零部件的尺寸、质量及连接对装配工作的要求及分装线设计。 当零部件的质量和尺寸过大时，则应考虑增加输送链、升降车、机械手等安装设备，而多个零件应事先进行预装配以分总成的形式供应装配主线，以提高工作效率。如：发动机分装线、仪表板分装线等。 D.零件装入和拧紧力是否合适，防松能力的结构保证等。 E.零件装配是否防水、防腐、防振动，是否干涉别的零件。 ⑤装配工艺性评价。 A.是否便于维修保养。产品结构和零部件所处的空间位置要求能便于拆卸。 B.零件装配是否容易定位。零件的结构要便于安装，除了要有合适的基准面和基准孔外，还应设计易于定位的结构和增设对正标识。 C.零部件能否同时装配。零部件装配时，常常与其他件有配合关系，且其装配顺序有严格要求，若顺序颠倒，则无法装配。因此零部件的结构设计最好能保证与其他件的配套关系合理，为灵活安排工位创造条件，以减少不必要的重复劳动。 总之，运用并行工程思想，通过总装对设计图纸的审查与评价，明确零部件装配基准与定位的概念，并对涉及的具体零部件装配中的定位、基准进行改进，就可将问题提前解决，为新车批量生产装配打下基础。 1.教师布置任务并引导学生分组探究。 2.结合课本知识思考并回答问题。（根据情况选择小组模式或个人模式，并进行小组或个人积分） 1.组织学生以个人或小组形式回答问题，提高学生课堂参与度，使同学们通过思考加深印象。 2. 个人或小组积分形式，激发学生的学习积极性和主动性。 活动四： 巩固练习 素质提升 根据分组情况，明确并分配任务： 1.以小组为单位进行知识抢答闯关 选择： (1)并行工程的特征不包括( )。 A.并行特征 B.系统特征 C.全寿命周期特征 D.协同特征 (2)并行工程的目的是使产品设计既能满足顾客需求又能与( )相匹配。 A.制造能力 B.原材料价格 C.生产成本 D.销售渠道 判断： (3)并行工程的主要目标是缩短产品的开发周期，降低产品的质量，提高产品的成本，从而增强企业的竞争力。 (4)并行工程的本质之一是强调产品设计的可制造性、可装配性和可检测性。 (5)并行工程的核心是并行设计。 (6)并行工程的主要目标是改善产品质量。 (7)并行工程所设计的典型成果一般都是难以制造的产品。 (8)精益生产方式中，产品开发采取的是并行工程方法。 思考： (9)并行工程在汽车图纸设计的评价中，为何要重点审查装配基准和防误装结构？这体现了并行工程的哪些核心思想？ (10)实施并行工程要考虑哪些方面？ 2.老师记分并点评，评出优胜小组 1.学生分组完成任务 2.以抢答形式进行知识闯关，小组积分 1.组织学生分组抢答，提高学生课堂参与度，强化知识应用，培养团队合作及集体意识。 2.积分制激发学生的学习积极性。 课堂小结 作业布置 1.课堂小结：本节课学习了并行工程，主要包括并行工程产生的背景，并行工程的定义与特点，并行工程的体系结构、运行特征及工业应用；通过学习应了解并行工程体系结构、运行特征与国内外并行工程的实际应用，理解并行工程的定义和特点；能够对比分析串行工程与并行工程的差异，具备运用并行工程的基本思想，分析具体行业产品开发过程中可优化环节的能力。 2.课后作业： 结合西安飞机工业集团的应用案例，说明并行工程在缩短产品研制周期、降低成本方面的核心技术手段有哪些？这些手段如何发挥作用？ 板书设计 7.1 并行工程 一、并行工程的定义 对产品及其相关过程进行并行、集成化处理的系统方法和综合技术。 二、并行工程的特点 基于集成制造的并行性，并行有序，群组协同，面向工程的设计，计算机仿真技术 三、并行工程的体系结构 过程管理、工程设计、质量管理、生产制造、支持环境 四、并行工程的运行特征 将设计、制造、管理等过程纳入一个整体的系统来考虑 五、并行工程的工业应用 航空、航天、汽车、电子、机械等领域。 教学反思 通过本节知识的学习，学生应了解并行工程体系结构、运行特征与国内外并行工程的实际应用，理解并行工程的定义和特点；能够对比分析串行工程与并行工程的差异，具备运用并行工程的基本思想，分析具体行业产品开发过程中可优化环节的能力。通过学习培养学生分析问题的整体性意识，激发学生的学习兴趣和积极性。教学过程中，应针对学生特点，选择合适的教学方法，突出学生的主体地位，让学生全程参与整个教学过程，摆脱填鸭式灌输，引导学生主动思考，并多措并举激发学生学习的主动性和积极性，为后续知识的学习打下基础，帮助学生树立职业理想。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学科网（北京）股份有限公司 $