面向數(shù)字化制造的工藝工作分析

孫 升、任 偉、林海波、楊曉明 /中國航天標準化與產(chǎn)品保證研究院

劉明全 /中國航天科技集團有限公司

為貫徹落實黨的十九大提出的制造強國和航天強國戰(zhàn)略部署，航天科技工業(yè)以智能制造為目標持續(xù)推進科研生產(chǎn)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。設(shè)計單位通過“長征”七號、空間站、重型運載發(fā)動機等型號研制，建立了基于數(shù)字樣機的集成項目團隊（Integrated Project Team，IPT）協(xié)同工作模式，實現(xiàn)了異地協(xié)同工作，初步實現(xiàn)了三維模型下廠；生產(chǎn)單位通過基于模型的設(shè)計（Model Based Design，MBD）技術(shù)的工業(yè)軟件，以及智能裝備、自動化生產(chǎn)線的建設(shè)應(yīng)用，貫通了全三維數(shù)字化制造鏈路，提升了基于三維模型的工藝設(shè)計及仿真驗證能力及生產(chǎn)管控智能化水平。

智能制造是基于信息化網(wǎng)絡(luò)、智能裝備、工業(yè)軟件的建設(shè)與應(yīng)用的一種新型生產(chǎn)方式，是需要從生命周期、系統(tǒng)層級、智能特征等3個維度協(xié)同推進的系統(tǒng)工程。當(dāng)前，航天科研生產(chǎn)在設(shè)計環(huán)節(jié)基本實現(xiàn)了型號產(chǎn)品的全三維設(shè)計及數(shù)字化定義，生產(chǎn)環(huán)節(jié)由于牽涉設(shè)計數(shù)據(jù)重用、工藝設(shè)計數(shù)據(jù)生成與傳遞、生產(chǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)控與處理等，不同體制的數(shù)據(jù)交換任務(wù)繁雜且技術(shù)難度大，尚未系統(tǒng)解決資源要素的數(shù)字化定義及制造信息的互聯(lián)互通問題，還處于智能制造的初級建設(shè)階段，即傳統(tǒng)制造邁向數(shù)字化制造的數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展階段。

數(shù)字化制造是目前航天智能制造首當(dāng)其沖的階段性發(fā)展目標，相關(guān)航天科研生產(chǎn)單位普遍成立了專門機構(gòu)研究推進數(shù)字化制造工作。鑒于工藝是連接設(shè)計與制造的橋梁與紐帶，在設(shè)計與制造中起到承上啟下的作用，本文聚焦工藝工作，分析總結(jié)了傳統(tǒng)制造向數(shù)字化制造轉(zhuǎn)型發(fā)展過程中工藝工作的變化及發(fā)展要求，以期為航天生產(chǎn)單位實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供指導(dǎo)。

一、工藝工作現(xiàn)狀

工藝工作是航天型號產(chǎn)品生命周期的重要組成部分，工作內(nèi)容跨越設(shè)計、生產(chǎn)兩個環(huán)節(jié)，具體包括設(shè)計文件的工藝性審查、工藝文件編制、工裝設(shè)計與驗證、生產(chǎn)現(xiàn)場工藝管理等。在設(shè)計與制造相分離的工作體制下，除設(shè)計文件的工藝性審查由設(shè)計單位組織實施、生產(chǎn)單位工藝人員參與外，其他工藝工作都是由生產(chǎn)單位負責(zé)完成，并應(yīng)用于生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)。

工藝文件是工藝工作的核心成果，是生產(chǎn)活動的技術(shù)依據(jù)和數(shù)據(jù)來源。傳統(tǒng)制造模式下，工藝人員依據(jù)設(shè)計文件編制工藝路線、工藝規(guī)程等紙質(zhì)工藝文件，傳遞給一線生產(chǎn)、檢驗人員用于指導(dǎo)生產(chǎn)。近年來，隨著信息化條件建設(shè)，計算機輔助工藝設(shè)計軟件（Computer Aided Process Planning ，CAPP）得到了推廣應(yīng)用，部分單位實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計、電子看板等，但現(xiàn)有的基于CAPP的工藝設(shè)計，不是建立在MBD技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)上的，尚還不屬于數(shù)字化制造的范疇。

數(shù)字化制造顛覆了傳統(tǒng)的基于紙質(zhì)文件的信息傳遞模式，開創(chuàng)了以三維模型及數(shù)據(jù)驅(qū)動為基本特征的工作流模式（見圖1）。面向數(shù)字化制造的工藝工作，以設(shè)備、單元、車間、企業(yè)乃至協(xié)同層面工藝工作的相關(guān)資源要素的數(shù)字化定義、工藝設(shè)計及管理信息互聯(lián)互通為基礎(chǔ)，在工作組織實施方式、方法等方面與傳統(tǒng)工藝工作有本質(zhì)區(qū)別。本文將結(jié)合數(shù)字化制造工藝工作的特點，從設(shè)計工藝協(xié)同、精益工藝設(shè)計、工藝標準化、工藝數(shù)據(jù)管理等4個方面進行詳細闡述。

圖1 數(shù)字化制造工作流模式

二、設(shè)計工藝協(xié)同

設(shè)計、生產(chǎn)分離的機制下，產(chǎn)品設(shè)計人員一般注重考慮產(chǎn)品的技術(shù)性能需求，對產(chǎn)品的設(shè)計工藝性，即產(chǎn)品可生產(chǎn)性的考慮一般較為欠缺，時常造成產(chǎn)品加工難度大、生產(chǎn)周期長、制造成本高的情況發(fā)生。此外，產(chǎn)品生產(chǎn)時工藝人員要等待設(shè)計圖樣完成后才能進行工藝技術(shù)準備，由于對設(shè)計意圖了解不夠，時常造成工藝技術(shù)準備滯后、周期長、工藝技術(shù)準備難以到位的被動局面。為解決設(shè)計、工藝分離所造成的矛盾，航天工藝管理部門在促進工藝與設(shè)計結(jié)合方面進行了許多有益的嘗試，歸納總結(jié)出“將設(shè)計與工藝納入一個統(tǒng)一的工程系統(tǒng)，在統(tǒng)一的領(lǐng)導(dǎo)和組織下，設(shè)計與工藝按系統(tǒng)分工并行工作”的方式，并將工藝參與設(shè)計方案論證、設(shè)計文件工藝性審查等工作作為開展設(shè)計工藝協(xié)同工作的重要手段，具體工作要求在《中國航天科技集團公司航天產(chǎn)品工藝工作程序》《航天產(chǎn)品設(shè)計方案工藝可行性分析要求》《航天產(chǎn)品設(shè)計文件工藝性審查》等航天科技集團制度和標準中進行明確約定。相關(guān)制度和標準主要實現(xiàn)了設(shè)計過程關(guān)鍵點的設(shè)計工藝協(xié)同，但尚缺乏有關(guān)設(shè)計過程中設(shè)計工藝協(xié)同的相關(guān)措施。

近年來，隨著航天型號產(chǎn)品數(shù)字化研制工作的持續(xù)推進，航天型號研制單位的數(shù)字化設(shè)計與制造能力顯著提升，基于相同設(shè)計平臺和互聯(lián)互通的信息化網(wǎng)絡(luò)使跨單位間的協(xié)同設(shè)計成為可能。設(shè)計單位開始大力推行面向制造和裝配的設(shè)計（Design for Manufacture and Assembly，DFMA），在型號數(shù)字化大綱中將組建包含工藝人員的IPT團隊、在設(shè)計階段將實施設(shè)計工藝協(xié)同等工作作為基本要求，并結(jié)合工作實踐，形成了型號數(shù)字化大綱、三維協(xié)同工藝工作要求等企業(yè)標準，在航天型號設(shè)計工作中加以推廣應(yīng)用。

當(dāng)前，生產(chǎn)單位應(yīng)積極配合設(shè)計單位，研究建立與設(shè)計文件分發(fā)機制相對應(yīng)的生產(chǎn)準備工作模式，并在單位信息化系統(tǒng)中進行部署。另外，生產(chǎn)單位應(yīng)積極配合設(shè)計單位，總結(jié)設(shè)計工藝性檢查方法和要求，推動型號產(chǎn)品三維設(shè)計模型的可制造性和可裝配性檢查工具的應(yīng)用及二次開發(fā)，實現(xiàn)對三維模型、幾何對象、裝配、文件結(jié)構(gòu)等開展計算機自動檢查。此外，生產(chǎn)單位應(yīng)持續(xù)推進設(shè)計工藝協(xié)同平臺研制工作，努力構(gòu)建單一數(shù)據(jù)源、能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計到工藝乃至全生命周期的數(shù)據(jù)管理和過程管理。

三、精益工藝設(shè)計

數(shù)字化制造模式下，全面采用基于MBD的三維數(shù)字化建模及仿真技術(shù)，工藝設(shè)計內(nèi)容擴展為輕量化模型設(shè)計、三維工藝過程建模、工藝文件結(jié)構(gòu)化設(shè)計、數(shù)字化工裝設(shè)計、仿真驗證等。工藝規(guī)程模板、結(jié)構(gòu)化工藝等數(shù)字化技術(shù)將工藝人員從重復(fù)性工作中解放出來，同時推動傳統(tǒng)的基于經(jīng)驗傳承的工藝設(shè)計向面向精益生產(chǎn)的精益工藝設(shè)計轉(zhuǎn)型。

工藝設(shè)計是GJB 2993《武器裝備研制項目管理》規(guī)定的武器裝備研制重點工作之一，貫穿于航天裝備研制的每一個階段及狀態(tài)。傳統(tǒng)的工藝設(shè)計基本依賴于工藝人員的個人經(jīng)驗，且重復(fù)性工作多，工藝過程優(yōu)化不足、工藝文件細化量化不足的現(xiàn)象較為明顯，一些關(guān)鍵、重要技術(shù)要求仍然需要通過實物驗證或者依靠一線操作工人的經(jīng)驗才能夠得以保證，嚴重弱化了工藝設(shè)計的“技術(shù)性”和“有效性”。

數(shù)字化制造模式下，全面采用基于MBD的三維數(shù)字化建模及仿真技術(shù)，工藝設(shè)計內(nèi)容擴展為輕量化模型設(shè)計、三維工藝過程建模、工藝文件結(jié)構(gòu)化設(shè)計、數(shù)字化工裝設(shè)計、仿真驗證等。工藝規(guī)程模板、結(jié)構(gòu)化工藝等數(shù)字化技術(shù)將工藝人員從重復(fù)性工作中解放出來，同時推動傳統(tǒng)的基于經(jīng)驗傳承的工藝設(shè)計向面向精益生產(chǎn)的精益工藝設(shè)計轉(zhuǎn)型。

精益工藝設(shè)計是對生產(chǎn)布局、工藝流程、工藝路線、工序、人機工程等的優(yōu)化設(shè)計，基本要求包括：輕量化模型設(shè)計應(yīng)在確保幾何特征、裝配關(guān)系、裝配位置與三維設(shè)計模型保持一致的基礎(chǔ)上，盡可能簡化產(chǎn)品特征，滿足生產(chǎn)單位的工程應(yīng)用；三維工藝過程建模應(yīng)準確建立中間工序模型并關(guān)聯(lián)工藝與資源信息；工藝文件結(jié)構(gòu)化設(shè)計應(yīng)基于物料清單（Bill of Material，BOM）的管理模式，針對每道工序，編制多維工藝文檔；數(shù)字化工裝設(shè)計、仿真驗證應(yīng)盡最大可能減少實物試制。精益工藝設(shè)計應(yīng)建立在工藝技術(shù)與工藝管理協(xié)調(diào)推進的基礎(chǔ)上，需要面向MBD技術(shù)，再造工藝設(shè)計流程。中國航天科技集團有限公司近年來制定發(fā)布了《航天產(chǎn)品數(shù)字化工藝設(shè)計通用要求》《航天產(chǎn)品數(shù)控加工工藝設(shè)計要求》《導(dǎo)彈和運載火箭數(shù)字樣機裝配仿真通用要求》等數(shù)字化工藝設(shè)計標準，為數(shù)字化條件下各領(lǐng)域的精益工藝設(shè)計提供了工作方法。

四、工藝標準化

工藝標準化工作主要任務(wù)包括建立和完善工藝標準體系、制定工藝標準，在航天產(chǎn)品研制和生產(chǎn)中組織實施各類標準和標準化要求，并對實施情況進行監(jiān)督和檢查。航天科技集團依據(jù)上級文件制定了《航天產(chǎn)品工藝標準化工作規(guī)定》，明確了產(chǎn)品研制、生產(chǎn)過程中各個階段工藝標準化工作的內(nèi)容及要求。傳統(tǒng)工藝標準化工作主要包括制定航天型號研制生產(chǎn)相關(guān)的工藝技術(shù)標準和工藝管理標準，而數(shù)字化制造則擴展了工藝標準化的工作范疇，突出了工藝信息化標準的制定需求。

數(shù)字（化）制造，標準先行。數(shù)字化制造的產(chǎn)品定義、信息傳遞和數(shù)據(jù)交換等都是建立在標準基礎(chǔ)上的。鑒于工藝工作在生產(chǎn)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)源作用，工藝信息化標準對生產(chǎn)企業(yè)資源要素的互聯(lián)互通起著牽一發(fā)動全身的作用，是兩化融合、智能制造的重要推手。當(dāng)前，生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)結(jié)合自身的工業(yè)軟件、產(chǎn)品特點等基本情況，以工藝標準化為抓手，重點解決工藝設(shè)計信息的貫通，系統(tǒng)推進與工藝工作相關(guān)的信息分類與編碼標準、數(shù)據(jù)元和元數(shù)據(jù)標準、信息模型標準、活動模型標準、軟件工程標準等信息化基礎(chǔ)技術(shù)標準的制定工作；全面建設(shè)三維工藝模型設(shè)計的業(yè)務(wù)流程標準、產(chǎn)品及特征的分類與編碼標準、數(shù)據(jù)文件命名標準、工序建模通用要求標準、標注規(guī)范、裝配規(guī)范、模型審批發(fā)放管理標準等；制定智能工藝裝備、數(shù)字化檢測設(shè)備相關(guān)的數(shù)據(jù)采集、處理標準。

目前，航天科技集團雖然制定了《航天專用工藝裝備分類與代碼》《航天專用工藝裝備數(shù)字化管理要求》等工藝信息化方面的通用技術(shù)標準，起到了一定的示范、牽引作用，但操作應(yīng)用層面的廠所級工藝信息化標準總體缺口還較大，尚不足以支撐工藝數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，急需生產(chǎn)單位加強專項建設(shè)。

五、工藝數(shù)據(jù)管理

工藝數(shù)據(jù)指工藝設(shè)計過程中使用和產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，包括支持工藝設(shè)計過程的加工材料數(shù)據(jù)、加工工藝數(shù)據(jù)、機床數(shù)據(jù)、工/夾/量具數(shù)據(jù)、工時定額數(shù)據(jù)、成組分類特征數(shù)據(jù)、典型工藝規(guī)程及工藝術(shù)語等靜態(tài)數(shù)據(jù)，以及工藝設(shè)計過程中產(chǎn)生的中間過程數(shù)據(jù)、零件圖形數(shù)據(jù)、工序圖數(shù)據(jù)、產(chǎn)品工藝規(guī)程，以及數(shù)字控制（Numerical Control，NC）代 碼等動態(tài)數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的工藝數(shù)據(jù)以工藝規(guī)程等工藝文件為載體，數(shù)據(jù)的重用性、集成性不足；CAPP的應(yīng)用則推動了結(jié)構(gòu)化工藝數(shù)據(jù)管理，主要生產(chǎn)單位結(jié)合工藝規(guī)程結(jié)構(gòu)化設(shè)計需求，開展了工藝知識庫、工藝資源庫建設(shè)，提升了工藝數(shù)據(jù)的重用性；數(shù)字化制造則進一步提出了基于單一數(shù)據(jù)源的全壽命周期工藝數(shù)據(jù)管理的要求，工藝數(shù)據(jù)要實現(xiàn)與上游產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)集成、與制造資源數(shù)據(jù)集成，以期為生產(chǎn)組織實施提供精準數(shù)據(jù)服務(wù)。

要實現(xiàn)基于單一數(shù)據(jù)源的全壽命周期工藝數(shù)據(jù)管理，生產(chǎn)單位首先應(yīng)針對設(shè)計數(shù)據(jù)協(xié)同、工藝路線規(guī)劃、三維工藝設(shè)計、工裝工具設(shè)計、材料定額編制、電子文件規(guī)程編制等重點工藝工作，解構(gòu)本單位的典型產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及對應(yīng)的工藝數(shù)據(jù)需求，進而明確產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)工藝信息在MBD模型中有效的組織和表達；生產(chǎn)單位還應(yīng)梳理本單位的工藝工作流程，結(jié)合三維數(shù)字化環(huán)境下接收的工程物料清單（Engineering Bill of Material，EBOM），劃分工藝分離面、添加工藝組件、設(shè)計工藝流程，劃分裝配工序，構(gòu)建工序模型等制造物料清單（Manufacturing Bill of Material，MBOM）重構(gòu)任務(wù)，明確EBOM/ MBOM的映射及關(guān)聯(lián)關(guān)系，建立基于BOM的工藝設(shè)計過程的工藝數(shù)據(jù)組織及驅(qū)動機制；建立基于網(wǎng)絡(luò)授權(quán)機制的工藝知識庫、工藝資源庫等數(shù)據(jù)庫建設(shè)與維護工作體制，確保工藝數(shù)據(jù)安全、有效存儲。

數(shù)字化制造模式下，工藝工作的地位和作用顯著提升，數(shù)字化制造的關(guān)鍵技術(shù)（如MBD工藝模型、單一數(shù)據(jù)源、工藝結(jié)構(gòu)化、BOM轉(zhuǎn)換等）也與工藝工作緊密相關(guān)，毫不夸張地說，工藝工作的數(shù)字化決定著數(shù)字化制造的成敗。當(dāng)前，航天科研生產(chǎn)單位應(yīng)集中力量，以工藝數(shù)字化為主攻方向，結(jié)合科研生產(chǎn)實際，壓緊壓實設(shè)計工藝協(xié)同、精益工藝設(shè)計、工藝標準化、工藝數(shù)據(jù)管理等方面的數(shù)字化工作，為實現(xiàn)航天科研生產(chǎn)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型奠定技術(shù)基礎(chǔ)。