基于全生命周期管理的產品異地協同研制模式探索與應用

趙振杰、閆月暉、王剛、王浩、王新泉 /北京航天長征飛行器研究所

航天產品是需要多專業、多部門協同配合、共同完成的大型復雜產品，產品研制從設計、生產、交付、運維至報廢涉及部門多、區域跨度大，傳統的“三維設計+ 二維工藝”研制模式下的MBD 模型在后續工藝設計中利用困難，且三維設計模型與二維工程圖并存會導致產品的技術狀態管理進一步復雜化，已遠遠無法滿足當今型號產品高密度發射形勢下的產品質量精細化管理需求。在型號產品推廣智能制造的大趨勢下，產品研制過程的科學化管理愈來愈引起科研單位的重視，產品全生命周期管理正是在這樣的背景下產生的，它是以企業的產品為中心、以提高企業的產品創新能力為目標、以信息技術和應用軟件為手段、以企業的知識型資產為重要資源而建立的一個運營體系，支持從概念、開發、生產到維護整個產品生命周期。

北京航天長征飛行器研究所作為從事航天飛行器設計研制、空間智能飛行和返回研究開發、機電一體化技術研究開發等集多專業、多學科于一體的綜合性高新技術研究所，多年來產品生產制造以外協為主，且外協制造單位不唯一、分布地域不同、數據管理模式不統一，導致設計數據只能靠人工、擺渡等方式進行傳遞，存在設計與工藝協同效率低、產品技術狀態控制困難、設計數據在工藝設計過程中利用率不高等問題。為滿足型號產品在現階段條件下的設計與工藝三維協同研制需求，提高設計與工藝異地協同的效率，筆者基于全生命周期管理平臺對產品異地協同研制模式進行探索，以實現產品設計、數據協同、工藝設計、生產制造等研制過程的全生命周期管理。

一、業務策劃

基于全生命周期管理的產品異地協同研制主要是針對目前產品設計與制造單位開展航天產品的異地協同研制現狀，提出了一種基于全生命周期管理平臺的異地協同研制解決方案，包括產品自頂向下設計、數據技術狀態管理、數據分發、PBOM重構、三維工藝、三維制造等功能，以實現設計單位航天產品三維數字化異地協同研制的目標，為研究所飛行器產品研制向“協同化、知識化、智能化”方向發展提供技術支撐，項目業務策劃如圖1 所示。

圖1 異地協同業務流程策劃

二、實施內容

1.基于自頂向下的協同設計

滿足型號產品自頂向下設計要求，以產品任務書設計要求為依據建立產品總體控制模型，包括整彈坐標系、象限標記、各個部段的位置接口等參考基準，總體控制模型在Teamcenter 平臺中受控并以郵件方式下發至各專業部段設計人員，部段設計人員進行詳細設計時作為設計輸入。

總體控制模型作為各專業部段產品詳細設計的基準，即采用WAVE 技術將參考特征（坐標、點、線、面等）鏈接到各個零（組）件中作為設計的參考基準進行詳細設計，使各個零（組）件始終與總體控制模型保持鏈接關系。當總體控制模型發生更改時，與其關聯的零（組）件自動發生變更，減少了部段設計人員由于頻繁更改模型帶來的重復性工作，大大提高了設計效率。

2.數據技術狀態管理

數據技術狀態管理主要包括首次檢入設計數據受控與更改設計數據受控2 種模式。當設計數據在NX 設計軟件中完成設計后，通過NX 與Teamcenter集成接口將設計數據檢入到Teamcenter 平臺中，首次檢入后的數據在系統中狀態為“正在工作”，所有者用戶可以將數據檢出以進行修改，當設計數據達到一定成熟度時，由所有者用戶對設計數據發起審簽流程，按“設計→校對→審核→工藝→會簽→標審→批準”的順序進行簽署，數據簽署完畢后，其狀態由“正在工作”變為“已受控”。同時，系統自動對審簽數據生成審簽快照，用于多版本技術狀態管理，受控后的設計數據只允許系統授權用戶對其進行查看，任何用戶（包括所有者用戶）都沒有權限對其進行修改。

當受控的設計數據需要發生更改時，由所有者用戶依據QJ1714.11B-2011 確定更改類別后啟動更改流程，并對欲更改的設計數據批量修訂出新版本。所有者用戶對新版本設計數據進行更改并生成更改單后，發起更改設計數據審簽流程，按“設計→校對→審核→工藝→會簽→標審→批準”的順序進行簽署，簽署完成后新版本變為受控狀態。更改的過程以電子流程的形式進行管理，更改的結果以結構化的形式進行管理，并提供更改過程的監控以及歷史版本查詢功能。

3.數據異地協同

由于設計與制造單位所處的地理區域不同，且屬于不同的集團公司，導致內部局域網絡不能直接互聯。鑒于實際應用的特殊性，考慮到協同數據的準確性等因素，采用離線的多站點數據協同模式，即設計數據在設計部門以多站點的方式進行打包后，采用離線方式將數據包發送至制造廠，并由數據管理人員將數據包導入到制造單位的Teamcenter 平臺開展后續應用，導入后的設計數據為原始設計數據的副本，除所有者權限保留在設計部門以外，副本與原始設計數據包含的信息完全一致，包括模型、屬性、狀態等。

數據異地協同可實現數據的雙向交互，既可以實現設計數據同步至制造單位，也可以實現工藝設計、質量等數據同步至設計單位，主要應用于設計數據工藝會簽、設計數據分發、工藝更改（偏離）單設計會簽、質疑單設計簽署等幾個方面。

4.三維工藝規劃

以BOM 為主線，開展PBOM構建、工藝分工、匯總統計等工作。首先，PBOM 構建基于設計部門分發的EBOM 在多結構管理器中進行，對EBOM結構進行調整或替換，體現工藝中的拆分件以及工藝過程對BOM 結構的調整，最終將形成的PBOM 與EBOM 以協同關聯的形成保存在Teamcenter 平臺中，便于EBOM 和PBOM 的關聯展現。PBOM 形成后，根據PBOM 進行工藝分工策劃，針對PBOM 中的自制件策劃自制件的主制工藝和輔制工藝，并分工下發到具體的工藝人員。其次，通過系統功能二次開發，對PBOM 的零件進行來源指派，區分自制件、外購/外協件、標準件、彈上設備、材料件、配套件、借用件。通過定制化程序開發，結合匯總表模板快速形成備料表、標準件匯總表、外購外協件匯總表等報表內容，提升產品負責人報表匯總的效率和報表的準確性。

5.三維結構化工藝設計

三維結構化工藝設計是產品異地協同研制的重要功能，主要包括基于模型的零件工藝設計和基于模型的裝配工藝設計?；赥eamcenter 平臺制造工藝規劃器的基本功能和制造單位工藝編制需求，定義特定的工藝類型和工藝屬性，以滿足工藝編制的需要。結合工藝分工信息，實現結構化工藝編制任務中工藝任務的創建、工序模型的構建、工藝資源的指派等功能。

基于模型的零件工藝可以實現真正意義上的協同設計與制造，直接利用設計分發的三維設計模型進行結構化工藝設計，關聯產品、資源、工廠數據。工藝文檔可以進行客戶化定制，緊密集成CAM，實現NC 程序、刀具、工裝、操作說明與工序/工步的關聯。零件工藝編制包括產品設計數據瀏覽、3PR 工藝結構建立、關聯刀具/量具等制造資源、生成工序/工步模型、填寫結構化工藝內容等步驟，其中基于NX軟件的WAVE 和同步建模功能實現關聯工序模型的創建，重復使用設計模型和設計的PMI三維標注信息，快速形成工藝設計過程中的工序模型，提升工藝人員構建工序模型的效率。

基于模型的裝配工藝由裝配工藝設計、裝配路徑優化與動態展現等部分組成，并實現各個環節的數據管理。編制裝配結構化工藝包括建立裝配工藝結構、分配消耗件、關聯工裝/工廠制造資源等步驟。針對協同平臺在裝配路徑優化與動態展現時需集成Tecnomatix 軟件才能實現，且具有成本高昂、操作復雜、工序/ 工步模型查看不便的弊端，結合產品裝配工藝設計實際需求，利用協同平臺的二次開發技術集成三維CAD 可視化應用軟件SView，實現工序/ 工步模型的靜態查看及裝配過程的動態路徑顯示，提高了裝配工藝的設計效率，增強了系統的易用性。

三維結構化工藝設計完成后，發起工藝審簽流程對編制的結構化工藝進行受控，然后通過Teamcenter 與MES 系統的集成接口開發，采用WebService 方式與MES 系統進行數據傳遞，將PBOM、結構化工藝設計等數據下發到MES 系統，并作為生產制造的依據。

6.三維制造

基于MES 系統中實現生產任務數據與工藝規程和技術通知單綁定，并通過系統信息進行領料和齊套操作，系統可以記錄領料時間、數量、完成時間、代料信息，自動計算未領料信息以方便查看，同時在領料和齊套完成后提供入庫申請功能。調度員依據下發的車間計劃進行生產任務派工，現場操作人員依據MES 系統接收到的生產任務和工藝文件數據開展產品的生產與制造。

7.質量管理

通過流程設計實現不合格品流程的電子化管理，記錄不合格品的詳細信息及處理意見，系統中可以方便快捷地查看流程狀態、當前節點及處理人，系統提供代辦功能，方便流程審簽人員快速進入流程進行審簽。

三、創新點

一是探索基于Teamcenter平臺的設計與工藝協同研制模式，實現研制模式創新。通過Teamcenter 平臺應用，實現了基于網絡的設計工藝并行協同、基于產品結構樹的三維數據受控、三維工藝設計與更改，打通了基于Teamcenter 平臺的設計制造模式鏈路，構建出統一、高效的協同環境，保證設計與設計間、設計與工藝間共同參與設計、更改、分發、工藝等全三維研制流程。

二是優化三維裝配工藝功能，增強裝配工藝易用性?；趨f同平臺提供的二次開發功能，以視圖模式集成具備三維模型瀏覽、輕量化裝配、動畫仿真、干涉檢查等功能于一體的第三方三維可視應用軟件，實現裝配工藝設計過程中工序/工步模型的顯示及零件裝配路徑、工裝/工具應用的動態展示，解決了原平臺解決方案中工序/工步模型只能以圖片或三維視圖查看的方式以及應用Tecnomatix 軟件進行路徑動畫演示的問題，極大地提高了三維裝配工藝的易用性及應用效率。

三是開展基于多站點的異地數據協同，確保工藝與設計數據源一致。將優化后的設計數據異地分發流程與Teamcenter 平臺的多站點功能相結合，開辟了適合設計與制造單位異地、斷網條件下的數據異地分發模式，保證了數據源的唯一性、數據分發準確性與高效性及接收數據反饋的及時性。

四、實踐效果

基于全生命周期管理的產品異地協同研制模式充分繼承和借鑒了以往三維型號在推進三維數字化協同研制過程中的經驗，在研制流程、協同模式和平臺功能等方面進一步創新，實現了基于Teamcenter 協同平臺的三維數字化異地協同設計、數據異地協同、三維工藝設計與制造等功能，通過在型號研制中開展應用，推動了廠所異地協同研制模式變革，提升了型號總體三維研制能力，已被中國航天科技集團有限公司作為航天產品生產流程精細化再造工作的成功案例進行推廣，具有極大的示范性效應。

一是異地協同高效化。設計與制造部門基于統一協同平臺開展基于模型的關聯設計、多專業在線并行設計和設計工藝協同，適應“要求多、變化快、進度急”的產品研制特點，避免由于數據集成轉換帶來的數據技術狀態改變的風險，協同效率比現有模式提高15%以上。

二是數據管理及權限控制統一化。產品在研制過程中產生的數據統一在Teamcenter 平臺中進行管理，設計與制造部門的產品研制數據在數據管理、權限控制等方面采用統一模式，數據管理規范性提升明顯，數據傳遞準確性基本達到100%，權限控制進一步加強，嚴格按角色權限、人員密級等條件查看和瀏覽產品研制數據。

三是工藝設計最優化。制造部門直接基于三維設計數據進行PBOM 重構、結構化工藝設計等三維工藝設計工作，三維設計數據在工藝規劃和工藝設計過程中得到全面應用，節約了工藝人員將三維模型轉換二維工程圖的時間，工藝編制效率提升近一倍。通過二次開發技術優化裝配工藝，節約了購買Tecnomatix 仿真動畫軟件的成本近百萬元，且易用性提升顯著。

四是廠所協同業務網絡化。廠所協同業務使設計數據傳遞、工藝會簽等協同業務基于網絡在廠所間實時開展，省去了大量的出差、打印曬圖等工作時間，每年可減少差旅費、會議費等支出數十萬元。圖紙、工藝、生產計劃的下發，工藝更改、不合格品審理、質量檢驗等業務可以部分或全部擺脫手工紙質方式，減少了資源消耗，每年可節約打印成本幾萬元。同時，采用并行協同設計模式，工藝人員提前介入設計，減少產品設計因制造工藝問題導致的設計更改，在提升設計質量的同時大幅提高產品的可制造性與一次成功率。

后續，研究所將在鞏固已有產品異地協同模式的基礎上深入開展協同平臺在型號產品研制中的應用，同時依據型號應用需求擴展協同平臺的業務功能。主要包括以下2 個方面的內容：一是擴展協同平臺與Creo 設計軟件的集成接口，實現Creo 格式的設計數據技術狀態管理及在結構化工藝、生產制造中的集成應用；二是開展基于協同平臺的產品驗收數據包自動生成與傳遞工作，確保產品研制過程中質量驗收數據能及時、準確地反饋到設計部門，以開展制造過程質量追溯。