數字化工裝設計管理平臺研究與應用

撰文/北京科思誠科技有限公司 龐艷

數字化工裝設計管理平臺研究與應用

撰文/北京科思誠科技有限公司 龐艷

本文立足數字化設計與制造的理念，基于模塊化和知識重用思想，提出了數字化工裝設計管理平臺。該平臺構建設計與管理二元一體協同工作環境，實現工裝從任務書到維護的實時報表統計和閉環全流程監控，具有工裝設計、制造和集成管理的智能輔助功能，極大地提高工裝設計效率和質量，并降低成本。

一、目的和意義

新興的工業4.0浪潮對傳統制造業提出了更高的要求。航空航天行業產品具有高難度，高復雜性，高集成度的特點，對產品設計制造的有效性和準確率要求嚴格。其中，工藝裝備在航天航空等復雜產品研制中有舉足輕重的地位，也是瓶頸環節。航空航天工藝裝備制造企業與國外同行業存在的差距具體表現在：（1）設計方法落后，開發周期長；（2）工作過程缺乏有效管理，信息“孤島”多；（3）廠際合作增多，協同聯動少；（4）歷史經驗豐富，綜合利用少。

面對上述問題，借助現代設計工具，遵循系統/邏輯的設計方法，本文深入研究設計、工藝、管理一體化的集成模式，目的就是利用數字化技術，結合模塊化、多元化和智能化工裝設計手段，建立一個數字化的工裝設計管理集成平臺。主要探索兩個方面的創新可行性：（1）模塊化設計和知識重用一體化；（2）設計與管理一體化。

二、設計思路

目前，工業設計制造行業趨向智能一體化發展，將先進的設計制造技術與互聯網信息技術有效融合，提出了數字化設計與制造理念。

針對工裝產品，數字化設計與制造的基本思想和方法主要在于標準化和模塊化設計思想以及知識重用思想。

1.標準化和模塊化設計思想

標準化就是做到設計規范化，要素通用化和產品系列化。在歸納與分檔的基礎上，總結規范性文件和典型結構，按照一定規律管理產品要素，最終派生出變型的系列工藝裝備。

模塊化的原則是高內聚，低耦合。每個模塊功能和結構具有獨立性、完整性、可調性和互換性。模塊間接口便于拆分和組裝。

2.知識重用思想

研究證明，約75%的新設計是基于以往的設計實例，經過優化和修改得到的。提高工裝產品的整體水平，須有規范的工裝設計管理方法，將積累的數據、模型、設計手冊、圖表與設計方案等統一存放管理，實現工裝資源及時、準確且無歧義性地共享。

本文運用模塊化和知識重用思想，打通知識循環底層通道，營造智能設計制造“生態環境”，構筑數字化工裝設計管理平臺。

三、解決方案

數字化工裝設計管理平臺包含：前臺，在NX環境下開發的設計向導可實現模塊和產品級設計建模；后臺，在PDM軟件中借助工裝資源庫，結合數據管理方法實現設計到制造工藝周期的全流程管理。

平臺包含工裝設計系統和工裝管理系統兩部分?；赑DM與CAD雙向集成技術，與工藝流程集成，在協同環境下實現工裝全周期管理。系統架構如圖1所示。其中，NX Manager模塊提供NX與PDM之間通信，實現模型簽入簽出。

圖1　 數字化工裝設計管理系統軟件架構

1.工裝設計系統

工裝設計系統實現工裝選取、查詢、重命名、參數修改和一鍵式出圖。

主要包含（專用、通用）工裝模塊化設計和一套地面設備設計向導。工裝設計系統架構如圖2所示。實施流程分兩步。

圖2　工裝設計系統架構

第一步，按照使用功能梳理出典型工裝模塊，以及每種模塊的主要設計參數（也稱驅動參數）表單。結合NX特征建模和表達式功能，創建工裝三維模型和工程圖樣。兩者的屬性必須同步。

第二步，采用VC++語言，結合NX OPEN/API、UI Style技術，設計用戶交互界面，建立程序中回調函數和三維模型中驅動參數的邏輯關聯關系。最終實現程序驅動模型變形。以孔用塞規為例，設計界面如圖3所示。

圖3　孔用塞規程序界面

工裝設計系統不僅實現了工裝模塊化、標準化設計，還衍生出豐富的工裝資源庫，如材料庫、結構庫、標準件庫和模板庫等，使得以往經驗得以積累并升華。

工裝設計系統克服了傳統的工裝設計制造方法中設計周期長、工藝性差和返工率高等缺點，充分利用歷史經驗，優化了設計方法，提高了效率，為產品創新提供了堅實的基礎。

2.工裝管理系統

工裝管理系統主要功能分為：基礎性管理、工藝集成管理和個性化管理。

（1）基礎性管理，針對如人員組織、權限、文檔、版本、可視化、變更審批、知識庫和資源庫管理等。

工裝管理系統在Windows平臺、Oracle10數據庫環境下，采用C/S與B/S結合的四層結構部署配置而成。由數據庫和Teamcenter管理子系統組成。其中，基礎數據庫包含工裝材料庫、標準件庫、常用件庫、模板庫和知識庫，基本囊括了工裝設計中大部分設計要素。Teamcenter提供人員、權限、數據、流程、變更和BOM（Bill of Material）等相關管理。

以標準件庫為例，管理界面如圖4所示。此界面能快捷查看標準件三維模型、簡圖和屬性列表，可大大提高設計效率。

圖4　 TC標準件庫管理界面

（2）工藝集成管理，搭建工藝BOM；基線管理；工裝成熟度管理。

在工裝管理系統中，基于設計部門提供的設計BOM，依照特定映射規則自動生成工藝BOM，進而制造部門開始工藝規劃。同時，在Teamcenter中采用打基線的方式，在每個模型（報告）完成時，添加標識，增強項目文件可識別度。

引入產品成熟度來衡量并監管工裝設計制造流程，結合更改和審批流程，可實現對工裝有效管控。這里將產品成熟度劃分為5個一級等級（XH01-XH05），每個一級等級又分4個二級等級（如XH011-XH015），每個等級均配備設計和審批人員。成熟度模型增強了設計團隊對工裝在產品全周期中所處的階段和方案（模型等）完備程度的全局性認識。

（3）個性化管理，采用JAVA開發的工裝數據查詢和數據管理功能。

工裝管理系統能夠根據工裝的分類、庫存以及工裝申請計劃，自動生成各類工裝報表。工裝管理人員根據統計出來的情況進行后續生產的相關準備。

工裝管理系統實時生成工裝入庫統計、出庫下發統計、周檢信息統計、工裝狀態統計，費用統計等各種庫存報表，能夠在系統中實時查詢到工裝數量、當前具體關聯信息及工裝周檢預警等，便于管理者及時掌握工裝歷史數據和當前使用情況。

JAVA技術開發的二級資源庫管理界面如圖5所示。

圖5　工裝任務書申請界面

四、結語

數字化工裝設計管理平臺基于先進的數字化設計制造技術，實現了設計、工藝、管理有機結合。

規范工裝設計管理方法，簡化設計制造工作，將工裝設計經驗歸納共享，大大提高了工裝產品自主創新能力。下一步，可以研究多站點異地協同環境下，大裝配產品模塊化設計工作。