淺析離散型制造企業(yè)結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)方法

鄭奇 李鳳岐 鄒彥純 朱洪明 吳美萱

摘要：為了保持工藝數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊恢滦裕瑢﹄x散型制造業(yè)企業(yè)的結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究，通過基于產(chǎn)品訂單的需求分析，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程以產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹設(shè)計(jì)為基準(zhǔn)，再通過結(jié)構(gòu)化的工藝設(shè)計(jì)，完成從圖紙到實(shí)體的實(shí)現(xiàn)過程，從而將復(fù)雜的工藝進(jìn)行結(jié)構(gòu)化改進(jìn)和優(yōu)化，并結(jié)合產(chǎn)品工藝信息進(jìn)行數(shù)據(jù)優(yōu)化，以解決離散型制造業(yè)企業(yè)工藝信息處理和管理中面臨的信息管理問題。

關(guān)鍵詞：工藝結(jié)構(gòu);結(jié)構(gòu)化工藝;工藝流程;工序;工步。

1引言

隨著制造業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展，市場對產(chǎn)品的要求日益提升，企業(yè)對新技術(shù)、新工藝的迭代速度也不斷加快，產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)出實(shí)物的過程也變得尤為重要，需要持續(xù)不斷與客戶的需求進(jìn)行對標(biāo)，保證產(chǎn)品的一致性、可靠性及高精密度。工藝是產(chǎn)品到實(shí)物的轉(zhuǎn)化過程，在該過程中，工藝路線起著至關(guān)重要的作用，指引了產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到實(shí)物的整個變化過程。如何將工藝進(jìn)行結(jié)構(gòu)化管理和設(shè)計(jì)，是通過工藝實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品與設(shè)計(jì)一致性的關(guān)鍵。因此，本文以產(chǎn)品設(shè)計(jì)為出發(fā)點(diǎn)，對標(biāo)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)，旨在通過研究一套結(jié)構(gòu)化工藝模型，搭建以工序、工步、工裝夾具等為核心的橋梁，使工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行有序流通，繼承產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息的有效信息，保證工藝數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊恢滦浴?/p>

本文通過對某離散型制造企業(yè)渦輪增壓產(chǎn)品的工藝路線進(jìn)行研究，將工藝信息進(jìn)行結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)及標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)一，為企業(yè)實(shí)施智能制造打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

本文以結(jié)構(gòu)化工藝為核心，分析了其對離散型制造業(yè)企業(yè)發(fā)展的重要性。首先，本文以某渦輪增壓器企業(yè)的工藝信息為切入點(diǎn)進(jìn)行研究分析，發(fā)現(xiàn)了該類企業(yè)在工藝信息管理上的結(jié)構(gòu)化需求。其次，本文對標(biāo)該企業(yè)的工藝管理現(xiàn)狀和問題，深入研究了其工藝信息和工藝流程，提出了基于渦輪增壓器產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)，同時(shí)，提出了本設(shè)計(jì)的重要意義。

2 研究與方法

2.1 國內(nèi)外結(jié)構(gòu)化工藝研究現(xiàn)狀、存在問題及研究的重要性

2.1.1國內(nèi)外結(jié)構(gòu)化工藝研究現(xiàn)狀及研究的重要性

工藝作為設(shè)計(jì)和制造的核心樞紐，起著上傳下達(dá)的作用，而結(jié)構(gòu)化工藝則是實(shí)現(xiàn)工藝數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化管理的重要手段，是基于傳統(tǒng)工藝信息的升級和迭代。隨著國內(nèi)外離散型制造業(yè)的快速發(fā)展，企業(yè)規(guī)模和產(chǎn)品類型也在不斷擴(kuò)大尤其是裝備制造業(yè)企業(yè)已將工藝研究作為研究的重點(diǎn)方向，以期通過工藝信息的結(jié)構(gòu)化和數(shù)據(jù)化，從而更好的對研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造等過程進(jìn)行約束和協(xié)同，以提升產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

結(jié)構(gòu)化工藝作為一種高效的工藝數(shù)據(jù)管理方式，在一些發(fā)達(dá)國家和一些國內(nèi)的外企，已經(jīng)開始應(yīng)用，但受限于數(shù)據(jù)模型的復(fù)雜性，其使用的覆蓋范圍不太廣泛。

在我國的離散型制造企業(yè)中，也只有少量企業(yè)開始引入結(jié)構(gòu)化工藝的模型進(jìn)行管理，仍沒有達(dá)到普及。截至目前，我國多數(shù)離散型制造業(yè)在工藝設(shè)計(jì)和現(xiàn)場實(shí)施中，仍繼續(xù)延用工藝卡片等方式進(jìn)行過程管理。隨著企業(yè)新產(chǎn)品數(shù)量和新產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖紙數(shù)量的持續(xù)增加，越來越多的企業(yè)對工藝過程的數(shù)據(jù)及過程管理提出了強(qiáng)大的需求，也對工藝過程的管理效率提出了更高的要求。

2.1.2存在問題

離散制造業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)過程往往需要多個車間、生產(chǎn)線來完成，且每一項(xiàng)生產(chǎn)任務(wù)均需要多個生產(chǎn)部門、工段、小組共同完成，加工和裝配的工序也較為復(fù)雜。從產(chǎn)品設(shè)計(jì)的視角來看，由于產(chǎn)品種類和型號復(fù)雜，圖紙類型和數(shù)量較多，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息管理與工藝信息管理上存在一定的信息損耗，缺少數(shù)據(jù)傳遞的銜接性;從工藝管理的視角來看，不同產(chǎn)品的工藝信息不同，隨著產(chǎn)品類型的增加，工藝信息查閱和檢索的難度日益增加;從生產(chǎn)執(zhí)行的視角來看，不同工序的生產(chǎn)節(jié)拍不一致，檢驗(yàn)檢測難度不同，導(dǎo)致工藝管理難度加大。

2.1.3重要性

結(jié)構(gòu)化工藝是順應(yīng)企業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展的變革的重要基礎(chǔ)，在承接設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的過程中，將工藝信息進(jìn)行結(jié)構(gòu)化、數(shù)據(jù)化，通過工藝信息的結(jié)構(gòu)化關(guān)聯(lián)，確保在設(shè)計(jì)端圖紙更新和結(jié)構(gòu)更新的情況下，生產(chǎn)端的各項(xiàng)相關(guān)信息能同步實(shí)現(xiàn)更新，從而實(shí)現(xiàn)從工藝到生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)閉環(huán)，提升生產(chǎn)效率、降低運(yùn)行成本，同時(shí)幫助企業(yè)在資源配置、生產(chǎn)過程管理及產(chǎn)品質(zhì)量控制等方面實(shí)現(xiàn)價(jià)值提升。

2.2 從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)（設(shè)計(jì)）-中間形態(tài)轉(zhuǎn)換（制造）-實(shí)物建立工藝結(jié)構(gòu)樹模型

從離散制造業(yè)企業(yè)的客戶需求出發(fā)，對產(chǎn)品需求進(jìn)行分解，并對產(chǎn)品的技術(shù)可行性進(jìn)行分析，編制《產(chǎn)品初步策劃方案》，在成本與收益可滿足的情況下，確定銷售訂單和產(chǎn)品報(bào)價(jià)。依托產(chǎn)品訂單和功能需求展開產(chǎn)品設(shè)計(jì)，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、參數(shù)設(shè)計(jì)和功能設(shè)計(jì)等方面，其中，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括搭建產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹模型、編制產(chǎn)品物料清單、構(gòu)建產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息編碼并輸出產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖文檔。

依托產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息和產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖文檔，制定生產(chǎn)制造的工藝路線，規(guī)范從毛坯件、零部件到機(jī)械加工、組裝等全過程的操作路徑，并結(jié)合工藝路線制定工序、工步、工位及工裝夾具的具體流程和要求，明確相關(guān)產(chǎn)品和工藝、工序及相關(guān)制造資源的結(jié)構(gòu)化邏輯關(guān)系，將各類工藝信息進(jìn)行對象化管理和結(jié)構(gòu)化存儲，構(gòu)建工藝結(jié)構(gòu)樹模型。

3 結(jié)構(gòu)化工藝管理應(yīng)用案例

下圖為某離散型制造企業(yè)渦輪增壓器從圖紙到產(chǎn)品的實(shí)物轉(zhuǎn)化過程。物料從訂單下達(dá)開始，由設(shè)計(jì)研發(fā)端構(gòu)建了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹，輸出了產(chǎn)品圖紙等信息，再通過工藝信息轉(zhuǎn)化到生產(chǎn)過程，指導(dǎo)產(chǎn)品的生產(chǎn)執(zhí)行的全過程，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品從圖紙到實(shí)體的有效轉(zhuǎn)化。

結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹的體現(xiàn)，每一個產(chǎn)品都分為大類、中類、小類和細(xì)類，其中，大類是產(chǎn)品的系列名稱，中類是結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的大分類，如上圖，包含增壓器零部件、精鑄兩輪和其他部件，小類則包含一系列構(gòu)成中類的組件、軸系件、鑄件等標(biāo)的，細(xì)類則是在小類的基礎(chǔ)上繼續(xù)進(jìn)行劃分，包括渦輪轉(zhuǎn)軸、壓氣機(jī)葉輪等更小的單元體零部件。其中，每一個部件、組件、零件都有一套專屬的工藝規(guī)程，其中在每一套專屬的工藝規(guī)程中也都包含了工序、工步、工裝及設(shè)備等信息，所有的零部件的工藝規(guī)程組成了產(chǎn)品的工藝規(guī)程，產(chǎn)品中每一個零部件與它的工藝也都是一一對應(yīng)，最終使得圖紙編號和物料實(shí)體編號一一對應(yīng)，如下圖：

接下來，以其中的葉輪加工工藝為例，先對其工藝進(jìn)行結(jié)構(gòu)化，再結(jié)合工藝信息和步驟對結(jié)構(gòu)化工藝的模型進(jìn)行詳細(xì)說明，如下圖所示：

（1）葉輪加工工藝：對于該離散制造業(yè)企業(yè)來說，葉輪從設(shè)計(jì)圖紙轉(zhuǎn)化為實(shí)物的全部工序構(gòu)成該工藝的順序工序集合，可表示為Process={Process1，Process2，...，ProcessNP}，式中，表示該渦輪增壓器葉輪的工藝所包含的工序數(shù)目。

（2）葉輪加工工序：針對該離散制造業(yè)企業(yè)葉輪加工工藝的特點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)在一臺加工中心上通過一次安裝，連續(xù)完成的全部加工程序有序集合稱為一道渦輪增壓器葉輪的生產(chǎn)工序。在葉輪生產(chǎn)工序內(nèi)往往需要采用不同的刀具、切削用量等其他工具，對不同的表面進(jìn)行加工，在工序內(nèi)又細(xì)分為工步。因此，一道葉輪工序中就會包含多個工步，可以說，葉輪工序的全部工步構(gòu)成了葉輪工序的順序工步集合，可以表示為

Processi={Step1，Step2，...，StepN}，式中，N表示工序Processi所包含的工步數(shù)目。

（3）葉輪加工工步：葉輪加工過程中，使用一把刀具連續(xù)完成的切削加工過程，被命名為一個葉輪加工工步。在一個工步中，同時(shí)會順序切削多個加工元，則工步可表示為：

Step={T，Element1，Element2，...Elementn}，式中，T、n分別表示該工步所使用的刀具、該工步所包含的加工元總數(shù)目。

通過將復(fù)雜的工藝信息進(jìn)行結(jié)構(gòu)化之后，可以很清晰的看出產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與每一部分零部件的工藝規(guī)程之間的關(guān)系，通過對工藝信息進(jìn)行分類之后，在圖紙變更后可以及時(shí)的對工藝信息進(jìn)行變更，保證產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和及時(shí)交付。

同時(shí)，結(jié)構(gòu)化工藝并非簡單的工藝結(jié)構(gòu)化，而是需要和企業(yè)的ERP、MES、PDM等系統(tǒng)進(jìn)行緊密結(jié)合來應(yīng)用，它的核心是在工藝信息的基礎(chǔ)上，通過數(shù)據(jù)管理和信息編碼等方式，建立工藝數(shù)據(jù)管理中心，搭建工藝數(shù)據(jù)支撐平臺，在產(chǎn)品不斷優(yōu)化迭代的過程中，能及時(shí)為生產(chǎn)加工制造提供最新的工藝信息，如下圖：

結(jié)構(gòu)化工藝伴隨著信息化系統(tǒng)的實(shí)施，將會對企業(yè)的數(shù)據(jù)管理、知識管理等方面起到強(qiáng)大的支撐作用，在結(jié)構(gòu)化工藝實(shí)施過程中，也應(yīng)結(jié)合企業(yè)信息化系統(tǒng)實(shí)際情況，遵循整體規(guī)劃、分步實(shí)施的原則，助力企業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展。

4 結(jié)語

隨著新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合，市場對新產(chǎn)品的研制周期、新產(chǎn)品的質(zhì)量等方面都提出了更高的要求，本文通過對離散型制造企業(yè)結(jié)構(gòu)化工藝的設(shè)計(jì)研究，為離散型制造業(yè)智能化轉(zhuǎn)型提出了一種新的思路，以核心的工藝管理為突破口，構(gòu)建結(jié)構(gòu)化工藝模型，再通過與信息化系統(tǒng)進(jìn)行有效融合，可大量減少工藝流程中的數(shù)據(jù)冗余，解決企業(yè)在工藝管理中所出現(xiàn)的諸多問題，助力企業(yè)提質(zhì)、降本、增效。

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作者簡介：鄭奇（1979.09-），男，滿，研究生，研究方向：人工智能。