裝配制造企業智慧研發工具設計探索與實踐

蘇 雷 ，和 帥

（1.東南大學，江蘇 南京 210096；2.常州博瑞電力自動化設備有限公司，江蘇 常州213025）

1 背景

如今嚴峻的市場競爭環境、多樣化和個性化的客戶需求以及經濟與環境效益的均衡等問題[1]，給裝配制造業帶來了新的挑戰，迫使企業尋求一種更加智能化、柔性化和綠色的發展模式。德國在“Hannover Messe 2011”上首次提出了工業4.0戰略，美國智能制造聯盟于2011年發表了“實現21世紀智能制造”的報告，首次提出智能制造的概念，我國于2015年發布了中國制造2025報告，這些戰略的發布從政策上為智能制造、智慧工廠與數字化車間建設、以及前后端配套環節轉型升級發展指明了方向[2-3]。

企業各個環節都在爭相采用信息化與設備技術手段來“武裝”自己，達到降本增效、提升質量滿足不斷變化的需求。

生產環節精益生產模式構建、機器人/機械手取代人工、數字化產線建設、生產管理信息化系統（如：MES）升級改造等；倉儲運輸環節采用立體料庫、AGV自動引導運輸車等提升倉儲配送能力等[4]。

細分到產品研發方向，目前很多企業已經采用全三維（CAD）設計建模，配合多種事前仿真模擬（CAE）驗證，設計、驗證手段逐步豐富，質量也在飛速提升。但是設計工具操作便捷性差，規則要求復雜，設計階段必須進行很多重復性低價值勞動等問題普遍存在。相比生產環節很多低價值勞動被機器設備取代，研發環節尤其是按單定制的產品研發卻很難被工具取代。如本文主要描述的電力裝備制造行業，多數以客戶需求為主，多品種小批量按單生產模式。與傳統制造業大批量精益化生產模式不同，按單生產需要快速響應需求，在時間、成本、質量上都有更高的要求。在目前激烈的市場競爭模式下，電力設備制造行業很多公司都在尋求在產品研發環節更多的管理思路以及工具選擇，來應對研發時間不斷壓縮，數字化樣機質量要求逐步升級的需求。

2 企業智慧研發工具應需而生

設計工具不同于管理工具，管理工具因為需要按照企業實際的管理需求模式定制很多實際業務場景，所以多數軟件企業采用提供工具和提供開發服務的企業合作，或者部分企業可以同時提供工具售賣與軟件開發定制服務的模式。這類管理軟件企業往往及時掌握著客戶以及所在行業的需求特點以及最新需求變化。但是設計工具因為其功能很多為共性，只要提供基礎軟件以及必要的培訓就可以基本上完成設計工作，所以軟件企業與客戶面對面，深度挖掘企業實際使用需求的機會較少。隨著企業對工具的應用逐步深入，管理工具的定制開發模式逐步增多，企業逐步開始萌生了針對設計工具使用體驗不佳，與企業工作思路與模式不符的點進行定制開發的思路。

近幾年國內以華為為首的很多大型企業都在探索通過設計工具進一步改造的方式來提升設計效率，如：格力、海爾、美的、布勒、森源電器、海康威視等公司先后啟動智慧設計項目，以需求為主導，由軟件工作人員按照企業需求進行主流設計工具功能定制的模式正在悄然崛起。在離散型按單定制的電力設備制造型企業，因其多品種小批量設計變更頻繁的工作特點，對設計工具的改造需求十分迫切。

3 企業智慧研發工具應用實踐

3.1 智慧研發知識庫構建

知識庫是智慧研發工具的基礎，是推動企業邁入智慧時代的必然手段。指的是將每一位員工多年以來積累的經驗、設計方法等認知、規劃有效管理起來，并實現共享。企業廣義的知識庫可以包含標準、設計規范、經驗教訓庫、專利與軟件著作權等知識產權等。智慧研發知識庫特指從上述內容中提取出可以被軟件讀取或者“學習”的設計經驗及規范。構建企業級智慧研發知識庫的目標為切實的將每個個體的知識轉化為集體知識，并不斷的擴大覆蓋范圍，迭代累積。借助信息化工具，讓知識庫程序化、信息化、流程化，讓傳統的只能靠人腦完成的設計過程，部分通過軟件工具自動設計完成，提升設計的質量與效率，降低了企業新人培養成本，讓高端人才從繁雜的低水平重復性工作中解脫出來，有更多的時間與熱情去做前瞻性、創造性的設計工作。

智慧研發知識庫構建思路，首先，可以從企業的快速設計需求出發，統計哪些重復性工作具備可被提取明確設計規則的條件，并且這些規則具備可以被軟件編譯的可能性。其次，將提取的設計規則分類，通過實踐開發驗證規則的準確性，逐步優化。最后，在現有的設計規則基礎上，不斷迭代發現功能在企業其他產品上或者有共性的結構上擴展的可能性，類比其他工作通過工具自動處理的可能性，以此不斷鼓勵員工發現與拓展新的設計規則，迭代新的工具功能。“問渠那得清如許，為有源頭活水來”，只有不斷的迭代更新的機制，才能更好的與行業、企業最新的發展訴求相適應，才能更好的服務于企業。

圖1為企業智慧研發知識庫實踐基本架構示意。

圖1 智慧研發知識庫實踐基本架構

3.2 智慧研發工具定制開發實踐

筆者所在企業主要在以下幾個典型方向進行了探索，并且實踐驗證取得了良好的效果。

首先，銅排快速設計。銅排為電力設備產品間及產品內部常見的載流零部件，因為其受到元器件布局影響，模型尺寸、折彎等很難做到標準化，導致模型種類繁雜、變形設計多、重用度幾乎為零、設計及調整耗時長等一系列問題。本工具插件旨在助力銅排快速設計與改型設計，解決銅排自動查重借用等問題。提出解決方案流程圖詳見圖2。

圖2 銅排設計流程圖

通過上述開發思路，定制插件，將傳統建模設計規范固化，設計過程簡化，操作便捷化，實現快速建模、快速調整。顛覆原有標準化設計思路，由軟件系統通過模型幾何特征與參數信息自動對比，完成自動查重借用過程。見圖3。

圖3 銅排快速設計界面

其次，柜式產品快速設計。因電力裝備制造行業定制化柜式產品逐步增加，更新迭代速度快，建模細節較多，建模周期長等特點，建模周期與質量挑戰逐步增加、建模質量要求逐步提升等問題越來越凸顯。本工具旨在總結存在人腦中的柜體設計經驗、設計規則，降低人為重復計算建模過程耗時。提出解決方案為：1）從產品研發實際需求出發，梳理具備快速生成約束關系的系列化柜體結構；2）柜體結構參數化聯動規則，并將參數聯動關系寫入軟件后臺；3）將全自動生成與選裝選配零組件分類，定制快速生成規則；4）設定參數查重規則，約定柜體規則選擇前，可以軟件自動調取、重用歷史產品零組件。通過上述一系列功能開發，將人腦設計過程全部搬遷至軟件后臺處理，極大的節約的設計人力投入，設計周期與質量明顯提升。見圖4。

圖4 柜體參數化快速建模界面

再次，元器件快速布局。本工具旨在實現元器件柜體內部快速布局過程，通過坐標系裝配快速約束關系，解放傳統裝配速度慢、定位調整復雜等問題。提出解決方案為：1）提取產品布局基本規則，并將元器件大類與對應的位置關系定制進系統；2）開發“點裝”功能，鼠標在面上點到哪里，即元器件定位到哪里；3）開發快速面對面調整功能，可以快速定位目標面之間的距離，并快速調整等。通過上述一系列功能，顛覆傳統定位布局耗時長，調整操作步驟復雜等問題，實現改型設計快速響應。

最后，鈑金件自動出圖。本工具旨在實現簡單鈑金件快速標注，自動出二維工程圖。提出解決方案為：梳理企業制圖習慣約束規則、標準，定制軟件自動實現規則。并且通過自動出圖的契機，反過來約束員工統一制圖習慣，約定哪些制圖方法與模式為企業推薦采用的模式等，綜合提升企業制圖效率與質量。

上述主要功能，通過信息化、智能化與傳統研發設計過程的融合，切實地解決了企業產品研發過程效率、質量、標準化重用等諸多問題。

4 智慧研發工具功能拓展設想

在大數據、人工智能與傳統行業加速融合的大背景下，配套的生產加工手段以及軟件算法、解決方案逐步豐富，傳統電力裝備制造行業產品研發過程或許有更多的可能性。

針對產品多品種小批量定制型企業，如銅排產品設計，可以構建產品模型設計大數據平臺，累積工程師銅排設計路徑規劃、載流量計算等一系列過程數據，引入基于Apriori的數據挖掘法等數據挖掘算法，細致分析學習需求趨勢、設計習慣等歷史數據[5-7]。當平臺數據足夠豐富時，軟件自動分析、設計銅排產品。以此類推，從簡單產品入手，逐步拓展到復雜產品。這對于傳統制造業產品研發過程，將是一次顛覆式的革命，當然，這目前還只是功能設想，能否在企業實踐應用，還需要有需求的制造企業與軟件公司的開發手段強強聯合，創造大數據與人工智能與傳統制造業融合的又一個壯舉。