軍用電子產品數字化協同設計平臺研究與應用*

張光文

（四川九洲電器集團有限責任公司，四川綿陽 621000）

引 言

以雷達為代表的復雜軍事電子裝備產品的研發面臨著多品種、少批量、技術狀態變更頻繁、多學科耦合等特點，其需求管理、項目管理、產品設計、制造管理等復雜度都很高[1]。九洲電器作為國內二次雷達設備科研生產的大型骨干企業，在快速發展過程中，也面臨著諸多問題和挑戰，主要體現在仍然采用以二維為主三維為輔、物理樣機迭代驗證為主的傳統產品研制模式，設計、工藝、制造和檢驗之間存在大量頻繁的數據轉換，多專業領域之間協同難度大，工程變更頻繁，物料清單（Bill of Material, BOM）準確率難以保證，機電專業領域之間協同不夠，難以有力支撐產品快速研發和及時交付。

隨著數字化和智能化技術的不斷發展和應用，眾多單位都在復雜機電產品數字化研制模式變革方面開展工作，包括采用基于模型定義（Model Based Definition, MBD）技術實現設計制造一體化[2-4]、數字化虛擬樣機驅動研制過程[5-6]、協同平臺的關鍵技術研究[7]、一體化BOM數據鏈構建[8-9]、協同研發體系建立[10]等，通過將數字化技術應用到復雜裝備的研發中，幫助企業提高研發效率、節約成本、提升創新能力。

面向數字化轉型，九洲電器確定“數據驅動”戰略，樹立“數據就是增量”的新數據觀，全面推進科研生產核心業務的數字化，通過信息化能力建設強化基礎支撐，助力交付能力打造提升，支撐公司高質量發展。數字化協同設計平臺的建設，是數字轉型的重要抓手，旨在建立基于MBD的數字化產品規劃、仿真、管理協同平臺，以一體化BOM數據為核心，實現產品研制過程中管理信息、產品信息、資源信息、制造信息、成本信息、質量信息等有效整合和管控，從而提升企業的研發能力、制造能力、管理能力和協同能力。

1 協同平臺功能框架及關鍵技術

1.1 功能框架

數字化協同設計平臺以軍事電子產品研制業務需求為核心，借助西門子產品生命周期管理（Product Lifecycle Management, PLM）平臺，從產品數字化協同設計、機加工藝設計及仿真、裝配工藝規劃及仿真、印刷電路板（Printed Circuit Board, PCB）工藝及驗證、導航式研發、企業知識、技術狀態管理、系統集成等方面進行總體規劃和設計，重點實現基于MBD的三維產品設計及仿真、三維工藝規劃及仿真和全三維協同環境構建。平臺功能框架包括六大部分，見圖1。

圖1 數字化協同設計平臺功能框架圖

1）建立符合MBD設計要求的企業級標準規范，實現對三維模型進行數字化定義，能夠基于設計規范進行模型檢查，通過產品制造信息（Product Manufacturing Information, PMI）標注實現對設計信息和制造信息的三維表達。

2）實現基于MBD的全三維設計和工藝一體化的產品協同研發，以三維模型為載體，支持機、電、軟跨專業協同設計，實現數字化工藝規劃及仿真驗證和三維可視化制造。

3）構建貫穿整個研制過程的機電一體化BOM，實現覆蓋設計和工藝所有環節的技術狀態精準管控，保證數據的完整性、一致性和準確性。

4）統一企業級基礎資源庫，覆蓋設計資源和工藝資源，實現資源庫分類體系定義，支持資源（元器件、標準件、設備、工裝等）建模，為全三維數字化樣機的形成提供基礎支撐。

5）構建單一數據庫軟硬件環境，支持數字化協同設計平臺內部集中、集成和安全的數據傳遞。

6）采用統一和標準的外部集成接口，實現協同設計平臺與上下游相關業務系統的緊密集成，實現順暢的數據交換。

1.2 關鍵技術

1.2.1 在線機電協同設計

雷達設計涵蓋結構設計、電路設計、軟件設計等多學科專業，九洲電器在傳統的研發過程中，各專業管理人員和技術人員隸屬于不同的研發部門，分布于不同的辦公環境，采用不同的設計軟件，各環節之間主要以文件方式進行協調和評審，研發流程以及數據之間的關聯和集成度較低，協同設計效率不高，技術狀態變更比較頻繁。

通過采用MBD技術，以三維模型作為協同研發的數字化信息載體，建立基于模型的自頂向下的雷達設計控制結構，梳理固化機電一體化協同設計流程，完成設計模式從二維為主、三維為輔到全三維的轉變。

1）采用關聯設計技術，梳理分析雷達產品從總體設計、分系統設計到零部件設計的參數化控制結構，建立自頂向下的參數分解和控制模式，形成了產品級的數字化協同研制新機制。雷達自頂向下設計控制結構見圖2。

圖2 雷達自頂向下設計控制結構圖

構建控制結構樹，由上到下傳遞設計約束關系。總體設計人員確定總體控制參數，將控制參數分解傳遞到各分系統，約束各分系統的設計。分系統設計人員接收總體控制參數，進一步分解傳遞給機電專業設計人員，約束具體的零部件設計。

詳細設計階段建立產品結構樹，基于MBD的全三維設計模式（結構和線路）的所有零部件（自制結構件、PCB板、元器件、標準件、電纜、線束等）均建立三維模型，支撐全三維數字化樣機的形成。

在控制結構樹與產品結構樹之間建立相關性，當控制結構發生更改時，自動觸發相關專業的詳細設計變更。

2）構建機電協同設計流程，將結構設計、原理圖設計和PCB設計三者按照業務邏輯進行有機串聯和銜接，通過流程中權限的精確控制，使結構設計與線路設計在統一流程規范下協同工作。各專業設計師統一進行在線設計，減少本地數據管理，有效控制研發數據版本。機電協同設計過程見圖3。圖中PDM為產品數據管理（Product Data Management），NX為軟件名稱。

圖3 機電協同設計過程圖

在協同平臺中，以型號項目為中心，統一定義研發項目團隊，建立統一的協同工作區，從而實現對項目人員和數據的統一管控。打破職能部門劃分，將各業務范圍和各專業的管理人員和技術人員統一在一個項目團隊中進行管理，按照專業和業務范圍等靈活配置權限。按照研制階段、產品類型、專業門類等對各專業數據進行合理分類、組織和共享。

機電設計采用全三維設計理念，通過基線及增量文件的在線互傳實現結構數據與線路數據的相互繼承、迭代和協同，通過溝通在線化和載體可視化使得多專業之間的協同設計更加直觀高效，減少反復更改的次數。

1.2.2 一體化BOM管理

針對九洲電器傳統研制過程中各環節BOM獨立管理、準確率較低的問題，結合上下游業務對BOM管理的切實需求，制訂“規范BOM管理、提高BOM準確率、從源頭上保障科研生產高效精準運行、支撐交付能力提升”的目標，明確設計工程物料清單（Engineering Bill of Material, EBOM）、工藝物料清單（Process Bill of Material, PBOM）、制造物料清單（Manufacturing Bill of Material, MBOM）的業務范圍、關聯關系和變更控制機制，實現一體化BOM技術狀態的精準管控。

1）清晰定義EBOM、PBOM和MBOM的數據結構、屬性信息等，明確BOM之間的關聯關系，見圖4。

圖4 EBOM、PBOM和MBOM數據結構圖

EBOM面向產品設計環節，包含產品模型、圖紙、參數、技術要求等數據。PBOM面向工藝設計環節，包含工藝路線、工序、工步、消耗件、毛坯件、拆分件、工裝設備資源、原材料、輔料等工藝數據。MBOM面向生產環節，包含生產批次、產線、設備、質量等數據，指導車間生產執行。以EBOM為數據源頭，依次派生PBOM和MBOM。

2）通過PLM平臺與機電設計工具的無縫集成，實現源頭EBOM自動生成，見圖5。圖中NX, Cadence,Aside, Teamcenter為軟件名稱。

圖5 設計EBOM自動生成圖

結構設計師在NX中保存裝配結構、原理圖設計師在Cadence中保存原理圖、軟件設計師在Aside中發布軟件時，接口自動提取結構數據、線路數據和軟件數據至PLM平臺中，實現機電軟一體化EBOM的同步自動生成，取代人工搭建，實現EBOM數據的完整性、準確性和一致性。

3）采用BOM 多視圖的組織管理方式，貫通EBOM→PBOM→MBOM傳遞鏈路，見圖6。

圖6 機電軟一體化BOM演變圖

構建多BOM 管理容器，在EBOM、PBOM 和MBOM之間建立關聯，設定數據傳播路徑，可以快速完成各級BOM初始化。依據各環節業務需求對相應BOM進行調整后，提供不同BOM之間的差異性比對，保證數據一致性。

4）圍繞一體化BOM開展技術狀態的精準管控，實現BOM數據源頭統一、變更協調、閉環受控，見圖7。

圖7 BOM技術狀態管控圖

采取基于模型的定義來建立單一產品數據源，以產品模型為核心，將產品論證、方案、軟硬件設計、工藝、制造、試驗等相關數據集中管理，形成以BOM為核心的產品數據，對所有數據的形成、審批、更改等技術狀態進行統一記錄和管控。

1.2.3 三維工藝可視化

九洲電器原有的工藝業務模式是以二維計算機輔助工藝設計（Computer Aided Process Planning,CAPP）編制二維工藝卡片為主，與設計和制造環節之間存在大量的數據轉換，同時也存在過度依靠工藝人員經驗、工藝知識缺乏積累和重用機制、工藝文件編制工作費時費力、工藝文件更改不及時不統一、工藝統計匯總工作量大等一系列問題。

數字化協同設計平臺通過構建基于模型的三維數字化工藝設計及仿真環境，實現了以基于模型的工藝數據定義為主的三維結構化工藝設計，完成了工藝業務模式的轉變，真正成為連接設計與制造環節的樞紐。

1）通過在平臺中查看JT輕量化設計模型，工藝人員可以直觀、快速地理解設計意圖，進行可視化的工藝性審查分析，在線批注和反饋審查意見，提高產品可制造性。

2）通過NX的WAVE同步建模技術，基于三維設計模型快速構建三維工序模型，開展三維工藝規劃設計，形成結構化工藝清單（Bill of Process, BOP）數據模型，全面表達產品工藝設計信息，見圖8。

圖8 結構化BOP圖

3）通過PLM平臺與Tecnomatix軟件的集成實現三維裝配工藝仿真，通過NX與Vericut軟件的集成實現三維零件工藝仿真，建立起基于模型的虛擬工藝仿真驗證環境，推動從物理樣機驗證向數字樣機驗證過渡。

4）平臺與下游制造執行系統（Manufacturing Execution System, MES）集成應用，為生產環節提供可視化、交互式三維電子工藝作業指導書，在生產現場電子看板上實時查看工藝模型及三維標注、工序卡片、3D快照、操作過程仿真動畫等，更直觀地指導工人開展基于模型的無紙化生產和檢驗，見圖9。

圖9 可視化電子作業指導書

1.2.4 企業級基礎資源庫

九洲電器原有的基礎資源數據主要是條目信息，設計人員習慣在本地線下管理相關資源數據，沒有建立統一的基礎資源管理模式，無法支撐開展基于全三維的設計。

數字化協同設計平臺通過資源數據梳理、建模和驗證，搭建了企業級的元器件符號、封裝、三維模型等設計資源庫以及工裝、設備、材料、輔料等工藝資源庫，為全三維數字化樣機形成及基于模型的仿真、工藝、制造和檢驗奠定基礎。

1）基礎資源庫包括設計資源庫和工藝資源庫，見圖10。

圖10 企業級基礎資源庫

通過與主數據管理系統、企業資源規劃（Enterprise Resource Planning, ERP）系統、結構和線路設計工具等實現緊密集成，保持基礎物料信息同步，自動關聯產品結構，有效支持機電協同設計。

2）面向“個性化”和“共性化”資源需求，實現標準化和定制化資源庫相結合，一方面針對特定需求進行量身打造，另一方面規范標準器件選型和共享。

3）統一數據規范，制訂嚴格的質量保障措施，保證基礎資源庫的統一性和規范性，維護、新增和修改都按照規范完成，實現基礎資源數據屬性完整、準確、可用。

2 協同平臺實施應用

2.1 實施保障

數字化協同設計平臺引入全三維一體化產品研制新理念、新方法和新模式，是貫穿設計、工藝、制造、檢驗等各個環節的體系工程，其實施涉及專業多，技術難度大，影響范圍廣，不單純是上線一套信息化系統，更是對企業技術和管理能力的雙重考驗。平臺實施需要企業高層領導高度重視以及業務部門與信息化部門的緊密配合，并在標準規范和流程優化方面提供關鍵支撐。

2.1.1 標準規范

新模式的全面應用離不開標準規范的支撐，企業必須梳理和優化MBD模式下的產品研制流程和標準規范，制定發布基于MBD的相關標準規范文件，包括產品BOM數據管理、三維模型建庫指南、三維零件建模規范、三維裝配建模規范、三維標注規范等，對全三維新模式下的相關職能職責、業務流程、操作規范等進行規定明確，體系化地指導各環節開展協同研制。在協同平臺中，對相關的標準規范進行固化實現，保證落地執行。

2.1.2 流程優化

圍繞全三維研制模式，開展主干業務流程梳理、分析和討論，建立面向制造的快速設計流程、基于MBD的機電協同流程、基于成熟度的設計工藝協同流程、工藝與工裝協同流程等，重點優化新增元器件申請流程、科研臨時用料清單上線流程、臨時數據發布流程等。在流程優化的基礎上，開展協同平臺相關功能開發，支撐并約束優化流程的落地運行。

2.1.3 應用成果

數字化協同設計平臺上線后，通過持續有力的問題解決、閉環歸零和強化保障措施，不斷優化提升系統使用效能和應用成熟度，基本實現協同在線化、樣機數字化和研制一體化，達到預期目標。

1）多個新研重點型號產品完全基于數字化協同設計平臺開展研制，多專業在線協同和全三維一體化的產品研制新模式落地，基于模型的設計、工藝、制造、檢驗全程貫通。

2）產品技術狀態精準管控能力大幅提升，核心BOM自動生成并向制造端透明傳遞，源頭數據可用性顯著提高，設計部門EBOM平均準確率有較大提升。

3）協同平臺成為新的協同研發中心和產品數據中心，新研產品數據量不斷增長，歷史產品數據的遷移穩步推進。

3 結束語

數字化轉型已經是企業的必由之路，九洲電器數字化協同設計平臺的建設和應用，是圍繞變革研制模式、提升交付能力的發展需求，將MBD技術與軍事電子產品研制業務相融合，推進科研生產核心業務數字化的關鍵舉措，已經取得初步成效。在此基礎上，繼續向縱深推進全面系統的機電協同設計、多專業仿真工具的集成應用、基于工作流驅動的在線協同以及標準規范和基礎數據的進一步優化完善，是未來的努力方向。