淺談基于成熟規則的工藝性自動化審查系統

周子榮 劉 云 張 杰

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519000）

引言

工藝，是連接產品設計到生產制造的橋梁。而工藝性審查，是在產品設計階段，對產品及其零部件工藝性進行全面審查并提出意見和建議的過程。工藝性審查可以有效的彌補產品產品設計員對生產工藝知識的空白（如生產線體情況、零件加工及整機裝配環境等要求），更好的保證產品的結構設計面向制造。

傳統的工藝性審查以經驗、點檢，試錯方式進行，是目前采用一般性方法，其具體方式如下：

1）經驗法：審查員基于前期對產品生產情況、工藝零件加工、產線裝配等知識的經驗總結，來開展新產品審查。

2）點檢法：經驗法對個人經驗水平要求較高，但由于人員經驗水平差異，容易造成疏漏，尤其是新員工。為此，通常在經驗法的基礎上，開展集體經驗地整合，形成標準化的產品審查要點點檢表。在后續新產品開發過程，審查員基于產品點檢表，對新產品進行逐項點檢審查。

3）試錯法：在新產品所有零件生產出來后，審查員進行實物裝配驗證，識別影響新產品大批量生產的問題，并反饋設計員進行修改。

但是，隨著企業的高速發展，產品類別的極速擴展，經驗的不斷沉淀，工藝標準愈來愈多，產品開發過程更加難以全面考量。傳統工藝性審查方式，由于其信息化程度低，導致審查工作量和壓力愈來愈繁重，不僅影響產品開發速度，而且不能滿足產品迭代日益快速的市場環境。為此，以實現全面信息化、自動化、智能化為主，人工審查為輔，建立設計工藝并行、協同、一體化的產品工藝性自動化審查系統被提上議程。設計及工藝部門展開對自動化審查技術的調研和探索實施，如黃堅等實現了裝配模型外觀間隙的自動化檢查[1]。

本文立足企業工藝性自動化審查系統順利實施并取得階段性成果的基礎上，介紹系統結構及實施過程要點，希望給行業提供啟發和借鑒。

1 自動化審查系統的結構

PTC Creo是家電行業產品三維模型通用化設計軟件之一，其提供Pro/Toolkit、JLINK、Weblink、VB等豐富二次開發工具，其中以Pro/Toolkit工具為主[2]。企業可以根據自身需求利用二次開發工具進行定制化開發，并以插件形式嵌入到Creo三維設計環境中，實現設計、審查過程的實時動態化檢查。

本文介紹的工藝性自動化審查系統基于Creo Pro/Toolkit工具開發[3]，是一款面向家電行業、集成信息化、自動化、智能化功能的工藝性自動化審查系統。該系統結構如圖1所示。

圖1 系統體系結構圖

2 自動化審查的實現

首先，以某產品接管螺母的裝配工藝性的案例來對比展現傳統工藝審查方式和自動化審查方式的異同。

在外機生產過程中，需要使用套筒工具將接管螺母卸下以安裝截止閥。接管螺母卸載過程所涉及的零件及工具如圖2所示。

圖2 接管螺母卸載過程所涉及的零件及工具

假設生產現場及倉庫存在三種22 mm套筒工具，如圖3所示，其可插入深度的情況不同（從左到右插入深度依次降低）；若在應該使用右一的套筒工具（淺）時，錯誤使用左一套筒工具（深），則可能造成閥門支架被劃傷，如圖4所示。因此，工藝員在審查時必須對所有適用的套筒型號進行審查，以識別同型號可用/不可用的情況，提前制定限制措施，避免生產過程使用錯誤的套筒工具。

圖3 三種不同可插入深度的22 mm套筒工具(從左到右可插入深度依次降低)

圖4 套筒可插入深度影響生產的對比圖示

2.1 傳統審查方式

對于上述案例的審查，傳統審查方式一般以經驗法、三維模擬裝配法為主，其過程如下。

2.1.1 經驗法

如圖5所示，經驗法使用Creo自帶的測量工具直接測量接管螺母零件與閥門支架曲面的最小間隙、接管螺母中心到閥門支架的投影距離，然后與經驗間隙判斷是否存在劃傷風險，如表1所示。

圖5 經驗法審查方式

表1 外機接管螺母套筒選配表

按經驗整理22 mm套筒工具對應的間隙要求適用情況表，如表1所示。

2.1.2 三維模擬裝配法

如圖2所示，在三維裝配環境下，將不同型號的套筒三維模型通過裝配工具，安裝在整機三維模型上，然后切換視角觀察是否存在干涉問題。

2.2 自動化審查方式

自動化審查在人工經驗法基礎上對測量目標的選取方式通過程序再現，整體分兩步進行。

第一步：按經驗測量方法，明確檢查目標即具體到測量所選擇的面、線或其他特征等信息，如間隙審查將所涉及的內容轉化為具體零件與零件、面與面、面與零件等的參照關系，以便程序開發人員能夠直接讀取并轉化為程序。

第二步：以具體程序實現時，開發人員首先通過Pro/Toolkit工具，將第一步中的審查目標信息從三維模型中提取，然后進行比對判斷。其具體實現過程多樣，以運行效率為先，如本文中套筒工具工藝性審查案例，在實際程序自動化實現過程中存在如下兩種常見方式：

1）零件干涉法：將各類套筒工具模型以接管螺母為坐標參考進行自動化裝配，然后檢查套筒工具模型與閥門支架的干涉情況，直接判斷該套筒是否符合標準。

2）間隙檢測法：此種方式已成功實現并運用于日常審查中[1]，其不依賴套筒工具模型，而是通過讀取接管螺母特征，識別目標幾何特征，然后與閥門支架進行間隙檢查并判斷是否符合標準，一般過程如圖6所示。

圖6 接管螺母工具使用工藝性間隙法實現方式流程圖

2.3 自動化審查實現過程關鍵技術

通過以上案例對比可以發現，實現工藝性自動化審查的兩個關鍵內容：模型特征識別技術、規則標準化管理。

2.3.1 模型特征識別技術

模型特征識別技術是系統實現的技術基礎，具體的技術實現方式多種多樣，但根本是服務于系統的實用性和使用舒適性。因此，作為需求方重點應關注如下三個方面：

1）特征識別技術基本原理的掌握：通過調研及前期項目開過程中發現，作為需求方優勢是清晰的知曉每一個需求的具體內容，劣勢是不懂需求程序化實現的方式。這一問題，經常導致開發出來的系統與設想的存在較大偏差，影響使用。因此，有組織、有計劃的對特征識別技術原理的學習及形成相關培訓教材，可以使用戶能夠清晰的知道需求是否可以加入到系統中，并初步判斷實現的邏輯，以便與系統開發員更好進行討論系統規劃、發掘和優化識別算法，提高軟件代碼重用率和執行準確性，以期完美的實現既定需求。

2）自主開發與批量維護的規劃：凡是基于成熟規則的自動化審查系統，其滯后性是不可避免的。新的規則不能立即形成自動化審查系統程序，勢必影響軟件使用效果。因此，為便于后續系統使用和維護的時效性，掌握簡單需求的自主開發能力是非常必要的。同時，對于經判斷無法自主開發的，以每半年組織規則遴選的頻率進行更新。

3）技術的選擇：隨著模型特征識別技術的發展，需求的實現方式多種多樣。但是，若能根據企業實際情況選擇更貼近需求的技術，不僅能夠更好的適應產品差異，提高系統識別率，還能減少需求重復客制化等問題。比如，運用模型相似性識別技術可以在海量的PDM模型庫中快速地找出目標模型，提高模型的重用率[4]；運用相似性特征識別技術，可以直接根據預定義的一組工藝特征結構，在模型中找到相似特征，并進行數據提取和計算，不但減少了需求方和開發方的工作量，同時提高了系統的可配置度，使用性、實用性都得到了極大的提升[5]。

2.3.2 規則標準化管理

規則的標準化管理是系統結構設計、開發效率的保證，是系統實施后能否有效地發揮其作用，能否便捷的開展自主維護和迭代更新的基礎。

工藝性審查內容需程序化并以插件等形式嵌入到Creo設計環境中，才能實現設計過程的自動化審查。為此，必須將當前描述性為主的具體審查內容，參考特征識別技術原理進行優化，并制定清晰、完整、一致的規則轉化要求，形成規則數據標準化管理的規范。本系統規則數據從產品類別出發，以裝配級、零件級形成對規則的結構化、信息化管理，其數據結構樹如圖7所示，管理系統界面如圖8所示。

圖7 產品規則結構化管理示意圖

圖8 規則庫管理系統界面

將各項以描述性為主的具體工藝內容轉化為規則，其目標是實現較高的程序化效率。因此規則描述必須從開發邏輯出發，如對螺釘孔的工藝要求為“螺釘孔需符合標準要求”，該描述性表示不能直接被開發人員識別，需要重復溝通確認，效率低；根據實際情況對該工藝要求進行規則化轉化，可寫作“螺釘孔需符合標準要求——面板上的螺釘孔，內徑必須為3.1 mm?！保渚唧w規則提煉結果如圖9所示。

圖9 規則錄入界面

3 應用案例

通過以上關鍵技術的落實，開展并實現了工藝性自動化審查系統設計和開發，且同步優化了產品開發流程，如圖10所示。該系統能實現在裝配、零件的設計過程進行工藝性并行自動化審查，極大的提高了審查效率和設計質量，圖11為該工藝性自動化審查系統軟件界面。

圖10 新產品開發業務流程圖

圖11 工藝性自動化審查系統界面

結構設計員在零件和裝配模型的設計過程中必須使用系統進行模型工藝符合性審查，并生成審查報告交由工藝審查員進行進一步審查。

對于不符合硬性工藝標準要求的，設計員按系統提示進行更改。對于部分全新機型，設計目標與工藝要求沖突的，可在審查結果中標記并加入到審查報告中，通過后續協商解決。同時，每一次使用審查系統進行審查的情況都會被記錄，并與審查報告一同上傳至PDM系統。其目的在于后續對設計過程的回顧性綜合分析，并形成分析報告，以不斷規范設計員的設計規范。

4 總結

本文介紹了基于Creo Pro/Toolkit二次開發的產品工藝性自動化審查系統，并從工藝審查傳統方式與自動化方式對比入手，介紹系統實現過程中特征識別技術和規則庫的關鍵作用。目前，該系統已應用于家用及部分商用空調類新產品在設計階段對三維模型設計工藝性的自動化檢查，小家電、洗衣機、冰箱等其他產品將基于此系統架構按計劃逐步完善。該系統在空調新產品審查方面的順利實施，極大的降低了審查人員的工作壓力，提高了產品設計質量，縮短了產品開發周期。