以定制生產(chǎn)模式為導(dǎo)向的數(shù)字化技術(shù)探究★

李 昕，馬志凱，張 藝，孔德剛

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，河北 保定 071001）

引言

隨著新時代生產(chǎn)力的高度發(fā)展和大眾生活水平的提高，傳統(tǒng)大批量生產(chǎn)方式不能適應(yīng)多樣化和多變的市場，在這樣的形勢下，要求企業(yè)設(shè)計、生產(chǎn)人員能夠迎合消費者需求，且做到快速響應(yīng)。隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、生產(chǎn)管理技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)方式的革新，傳統(tǒng)的固定不變的流水線作業(yè)方式被取代，以數(shù)字化為基礎(chǔ)的設(shè)計與生產(chǎn)方式悄然而生，并逐步擴展到生產(chǎn)企業(yè)的各個領(lǐng)域。

1 數(shù)字化技術(shù)

當(dāng)今工業(yè)社會正處于工業(yè)信息化發(fā)展時代，自1946 年，第一臺電子計算機誕生，隨后數(shù)字化設(shè)計與制造便逐步發(fā)展起來了。數(shù)字化是將復(fù)雜多變的設(shè)計與生產(chǎn)信息轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)代碼，建立一套適當(dāng)?shù)挠行У漠a(chǎn)品數(shù)字化控制模型，由計算機對生產(chǎn)過程中采用數(shù)字化存儲和管理，充分利用計算機大存儲量、高速運算、快速檢索性能，以及互聯(lián)網(wǎng)的傳輸與共享性能，具有穩(wěn)定、高效、可靠的特點。數(shù)字化設(shè)計與制造主要包含了CAD、CAPP、CAM等主要單項技術(shù)。

1.1 CAD

CAD 即計算機輔助設(shè)計，是在以計算機硬件為基礎(chǔ)，各類工程軟件支撐作用下，完成三維建模、工程分析、模擬仿真、工程繪圖等工作。其中，建模技術(shù)是產(chǎn)品數(shù)字化信息化建設(shè)的基礎(chǔ)和前提，為企業(yè)進行工藝案例分析、工藝優(yōu)化設(shè)計、數(shù)控編程等提供決策依據(jù)。網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)為消費者和企業(yè)建立了良好的溝通橋梁。面對消費者小批量、多樣化的需求，需要采用模塊化單元、參數(shù)化建模等技術(shù)進行快速整合設(shè)計，從而避免產(chǎn)品開發(fā)過程中重新建立設(shè)計方案模型，節(jié)省開發(fā)時間，方便與生產(chǎn)相對接。

1.2 CAPP

零件的工藝過程設(shè)計是企業(yè)生產(chǎn)運行過程中十分重要的加工準(zhǔn)備工作，其作用是將設(shè)計信息轉(zhuǎn)換為制造信息，是承上啟下的過度環(huán)節(jié)。工藝設(shè)計的目標(biāo)是編制工藝技術(shù)文件，基于零件的設(shè)計信息決策出加工制造方法、加工工藝裝備、加工技術(shù)路線及加工參數(shù)，是企業(yè)組織車間生產(chǎn)的指導(dǎo)性文件[1]。編制工藝文件過程中要依據(jù)設(shè)計信息和制造信息，設(shè)計信息包含零件形狀信息、尺寸數(shù)據(jù)、公差信息、粗糙度、材料、熱處理、生產(chǎn)批量等，制造信息主要涉及加工工藝參數(shù)的計算和選擇，還要熟悉車間的設(shè)備和生產(chǎn)條件。

傳統(tǒng)的工藝設(shè)計由手工方式進行查閱、制表、繪圖、計算等工作，工序繁多，工作量大，時間長。而當(dāng)今市場具有復(fù)雜、多變的特點，傳統(tǒng)的工藝設(shè)計方式不能對當(dāng)今市場做出快速響應(yīng)，并且對工藝人員的專業(yè)知識和經(jīng)驗要求高，工藝規(guī)程設(shè)計的質(zhì)量不穩(wěn)定。當(dāng)今，市場由大批量，少品種轉(zhuǎn)向少批量，多樣化的需求形勢，產(chǎn)品更新?lián)Q代日益頻繁，在以客戶為中心的理念下，傳統(tǒng)的工藝設(shè)計方式不能滿足市場需求。而計算機此時已運用到生產(chǎn)和設(shè)計環(huán)節(jié)，CAPP（計算機輔助工藝過程設(shè)計）就這樣產(chǎn)生了。工作時將零件的設(shè)計信息和制造要求傳達給CAPP 系統(tǒng)，系統(tǒng)通過檢索、編輯、決策編制出工藝規(guī)程，以人機交互的形式傳達給操作者。CAPP 工作過程如圖1 中所示。

1.3 CAM

CAM即計算機輔助制造，為加工零件編制數(shù)控程序。以工藝規(guī)程為依據(jù)，輸入加工參數(shù)，選擇加工路徑，通過前置處理生成刀位文件，借助加工仿真驗證工藝設(shè)計的合理性，再進行后置處理，轉(zhuǎn)換成面向特定數(shù)控加工設(shè)備的NC 代碼。傳統(tǒng)手工編程的方法，需要手工計算節(jié)點坐標(biāo)，人工書寫和檢查程序，工作量大，容易出錯，零件的編程時間遠大于加工時間。圖形化自動編程系統(tǒng)比如MasterCAM、UG 等在制造企業(yè)中應(yīng)用廣泛，整個編程過程是交互進行的，方便、直觀、速度快，檢查和修改方便，借助于加工仿真，可以在軟件上對毛坯進行虛擬加工檢驗，以避免人力和物力的損失。

數(shù)字化設(shè)計與制造系統(tǒng)借助工程數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化格式的數(shù)據(jù)接口，將CAD、CAPP、CAM等單項技術(shù)集成，能夠在各模塊之間進行信息傳遞。

2 數(shù)字化技術(shù)在定制生產(chǎn)系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 參數(shù)化設(shè)計

參數(shù)化設(shè)計環(huán)境中，模型的形態(tài)、結(jié)構(gòu)特征、幾何要素的拓?fù)潢P(guān)系不變，產(chǎn)品模型的尺寸由一組可變尺寸參數(shù)決定，設(shè)計時賦予不同的尺寸參數(shù)即可生成新的產(chǎn)品規(guī)格。參數(shù)化設(shè)計為產(chǎn)品零部件設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化提供了高效率的方法[2]。

特征建模技術(shù)歸納了有限的具有工程語義的造型要素，包含了形狀信息和功能、材料、熱處理、公差、粗糙度、尺寸、裝配等工藝、管理信息，是面向設(shè)計和制造的造型方法，也是數(shù)字化設(shè)計和制造系統(tǒng)的一項重要技術(shù)。基于特征的參數(shù)化建模技術(shù)是尺寸參數(shù)驅(qū)動下的基礎(chǔ)特征和輔助特征的有序組合，包含了特征模型尺寸參數(shù)和位置參數(shù)。參數(shù)序列與特征尺寸序列應(yīng)具有對應(yīng)關(guān)系，對參數(shù)的定義不能出現(xiàn)干涉和過約束。除了常量參數(shù)之外，可變參數(shù)按照其是否具有獨立性分為兩類，一類參數(shù)的賦值不受其他參數(shù)影響，稱之為關(guān)鍵尺寸或自變量參數(shù)；另外一類參數(shù)，可以由自變量參數(shù)的函數(shù)式表達。零件的尺寸規(guī)格是由關(guān)鍵參數(shù)決定的，只要改變關(guān)鍵參數(shù)，其他參數(shù)會隨之改變，從而引起模型的重構(gòu)。將零件按照其連接關(guān)系逐層組合形成裝配體。

實際應(yīng)用中的模型復(fù)雜、多樣，不能建立適合于所有產(chǎn)品的通用化的數(shù)學(xué)模型，因此，不能用于通用系統(tǒng)的設(shè)計，僅能應(yīng)用于特定環(huán)境下專用系統(tǒng)的設(shè)計。一些企業(yè)根據(jù)具體對象開發(fā)了圖形化的基于特征的參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)，最初設(shè)置默認(rèn)尺寸，建立系列化自變量取值表，用戶可以根據(jù)取值范圍修改，實時顯示模型。

2.2 模塊化設(shè)計

模塊化設(shè)計是在滿足單個產(chǎn)品功能特性的前提下，將產(chǎn)品分解為相對獨立的標(biāo)準(zhǔn)化的功能模塊，通過對模塊進行選擇和重構(gòu)，組合搭建為全新的設(shè)計。以模塊為單位的產(chǎn)品設(shè)計方式的特點是結(jié)構(gòu)單元標(biāo)準(zhǔn)化、通用化，以單元為核心的加工方式將變化的設(shè)計方案轉(zhuǎn)變?yōu)椴蛔兊纳a(chǎn)規(guī)程，以不變應(yīng)萬變，大大縮短了生產(chǎn)加工的時間和成本，并且便于產(chǎn)品維修和更換[3]。

根據(jù)市場需求調(diào)查，分析用戶對產(chǎn)品性能要求，確定性能設(shè)計的功能目標(biāo)，將分解后的功能劃分層次，按照功能與模塊的映射關(guān)系，選擇模塊。在詳細(xì)設(shè)計階段，將模塊單元具體化，依據(jù)主要參數(shù)限定范圍選擇合理參數(shù)，并確定模塊規(guī)格和接口類型。最后進行可視化組裝與測試。圖2 所示為產(chǎn)品模塊化設(shè)計工作流程。

為了便于設(shè)計和生產(chǎn)，模塊具有生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化和可互換性的特點，通用接口將不同模塊單元進行連接。對模塊的生產(chǎn)和管理也是以模塊為單位，從而將多品種、小批量生產(chǎn)，甚至單件生產(chǎn)還原為大批量生產(chǎn)，便于科學(xué)組織專業(yè)化生產(chǎn)，提高集約化生產(chǎn)效率。

在汽車行業(yè)，采用模塊化定制，客戶能夠根據(jù)自身需求打造專屬車型，通過定制平臺，用戶可以對汽車外觀子模塊和內(nèi)飾部件等進行選擇配置，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)，用戶可以在定制系統(tǒng)中實時看到數(shù)字化模型，并進行交互編輯。汽車模塊化定制組合模式如圖3 所示。模塊化定制方式充分體現(xiàn)了客戶為中心，讓用戶體驗到新的消費方式，并且成為了企業(yè)和用戶溝通的重要載體[4]。

2.3 柔性生產(chǎn)技術(shù)

柔性生產(chǎn)技術(shù)與傳統(tǒng)的剛性生產(chǎn)線相比，能夠在較大范圍內(nèi)適應(yīng)加工對象的變化。工藝規(guī)程設(shè)計是制造過程中的重要階段。對于傳統(tǒng)的工藝設(shè)計，已有零件的工藝規(guī)程不能再次利用，對于新零件必須重新制定新的工藝文件。CAPP 誕生后，派生式CAPP 被廣泛應(yīng)用于零件工藝規(guī)程的編制。成組技術(shù)理論為CAPP的產(chǎn)生奠定了理論基礎(chǔ)和前提條件。利用零件在形狀、材料和結(jié)構(gòu)方面的相似特征，零件被分類成組，形成獨立的零件組，也稱零件族，比如盤類零件、軸類零件、箱體類零件等。同族中的零件在加工過程和方法上也具有相似性。每個零件組都制定了典型樣件的工藝規(guī)程文件。零件族中所有零件的工藝特征都涵蓋于典型樣件的工藝規(guī)程之中[5-6]。主樣件可以是真實存在的，也可以是人為設(shè)計的虛擬零件。

對于新零件的工藝規(guī)程設(shè)計，需要借助于零件分類編碼系統(tǒng)，按照規(guī)則對零件進行編碼，常見的有德國阿亨大學(xué)Opitz 教授提出的Opitz 編碼系統(tǒng)，我國機械工業(yè)部為推行成組技術(shù)而開發(fā)的JLBM-1 系統(tǒng)等，來描述零件的設(shè)計屬性和制造屬性，形成GT 碼。將零件的特征編碼與零件組的特征矩陣進行比對，如果零件特征碼位的代碼位于特征矩陣區(qū)域內(nèi)，則該零件隸屬于該零件族。根據(jù)新零件與典型樣件的特征差別，對典型工藝文件進行編輯、修改，從而得到新零件的工藝規(guī)程[7-8]。

采用成組加工柔性制造單元，對加工設(shè)備進行調(diào)整，將長期閑置不用的機床設(shè)備充分利用，加工設(shè)備規(guī)劃在特定區(qū)域，方便管理和運輸。柔性制造生產(chǎn)線依照成組工藝建立，包含了多臺數(shù)控加工設(shè)備，根據(jù)零件的生產(chǎn)工藝過程進行組織，工序節(jié)拍基本一致。傳統(tǒng)流水線加工的是單一零件，而柔性制造生產(chǎn)線加工的是零件族中的相似零件，加工生產(chǎn)線可變。采用柔性制造系統(tǒng)能夠以不變的布局應(yīng)對千變?nèi)f化的零件，有利于生產(chǎn)過程中的自動化控制和管理，增強應(yīng)對市場的能力。

3 結(jié)語

借助于數(shù)字化設(shè)計與制造系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)高效定制生產(chǎn)，順應(yīng)消費者多變的個性化要求，讓企業(yè)獲得最大效益。以定制為目標(biāo)的數(shù)字化設(shè)計和生產(chǎn)系統(tǒng)是集控制、管理、運儲、檢測為一體的多層次系統(tǒng)，要從計算機集成制造系統(tǒng)的高度統(tǒng)籌規(guī)劃和運營，根據(jù)企業(yè)內(nèi)部與外部環(huán)境變化而不斷調(diào)整，逐步完善企業(yè)數(shù)字化生產(chǎn)模式，推動企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新，提高市場綜合競爭力。