基于模型的工藝與設(shè)計(jì)協(xié)同體系構(gòu)建與管理技術(shù)探索

【摘要】面對(duì)日益激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，制造型企業(yè)的科研項(xiàng)目數(shù)與日俱增，產(chǎn)品的生產(chǎn)模式由少品種大批量向多品種變批量轉(zhuǎn)變，傳統(tǒng)的串行生產(chǎn)組織模式已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)需要，必須向并行協(xié)同的模式轉(zhuǎn)變。隨著“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略的實(shí)施，越來(lái)越多的制造型企業(yè)正在加快發(fā)展數(shù)字化協(xié)同研發(fā)制造一體化模式。

【關(guān)鍵詞】工藝|設(shè)計(jì)|協(xié)同|MBD|數(shù)字化

在傳統(tǒng)的生產(chǎn)組織模式下，產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、生產(chǎn)制造等環(huán)節(jié)以串行方式進(jìn)行，但隨著時(shí)代的進(jìn)步與科技的發(fā)展，面對(duì)日益激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，制造型企業(yè)的科研項(xiàng)目數(shù)與日俱增，產(chǎn)品的生產(chǎn)模式由少品種大批量向多品種變批量轉(zhuǎn)變，生產(chǎn)任務(wù)日益復(fù)雜，項(xiàng)目進(jìn)度要求越來(lái)越緊迫，原有的生產(chǎn)模式已不能適應(yīng)生產(chǎn)要求，必須向并行協(xié)同的研制模式轉(zhuǎn)變[1]。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中，數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)得到了廣泛推廣和應(yīng)用，很多企業(yè)引進(jìn)CIMS、FMS、MES、CAD/CAPP/CAM、PDM等系統(tǒng)建設(shè)數(shù)字化管理平臺(tái)，構(gòu)建基于模型的工藝與設(shè)計(jì)協(xié)同體系，對(duì)整個(gè)產(chǎn)品的研發(fā)與生產(chǎn)進(jìn)行數(shù)字化管理。

一、存在問(wèn)題及分析

1.目前公司科研項(xiàng)目在研發(fā)初始階段，工藝和設(shè)計(jì)協(xié)同工作的有效銜接還不夠深入，工藝與設(shè)計(jì)協(xié)同工作還不夠完善，在項(xiàng)目研發(fā)論證和方案階段耗時(shí)較長(zhǎng)，特別在工藝性審查之前缺乏有效的溝通。研發(fā)初始階段的信息交互全靠個(gè)人行為進(jìn)行，不能保證所有項(xiàng)目的工藝師系統(tǒng)提前參與，導(dǎo)致在產(chǎn)品研發(fā)初期階段產(chǎn)品的工藝性審查不足，其制造的可行性、難易程度、經(jīng)濟(jì)型、維修性等都未有效評(píng)估，產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖紙會(huì)反復(fù)出現(xiàn)回退修改的情況，進(jìn)而延長(zhǎng)了研制周期，影響項(xiàng)目研發(fā)進(jìn)度。

2.公司在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃和生產(chǎn)制造方面通過(guò)配置TC、NX、MES、CAD/CAPP/CAM、數(shù)字化工藝平臺(tái)等必要的平臺(tái)與工具，已經(jīng)初步形成了以二維工程圖為主、產(chǎn)品三維模型為輔的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)模式。但目前仍面臨產(chǎn)品設(shè)計(jì)與工藝規(guī)劃的技術(shù)標(biāo)注、三維模型分離，三維模型不承載任何技術(shù)條件和技術(shù)要求，僅具有仿真驗(yàn)證意義，不具備工程應(yīng)用的能力，且設(shè)計(jì)與工藝無(wú)統(tǒng)一的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)師系統(tǒng)傳遞的數(shù)字化信息需要工藝師系統(tǒng)進(jìn)行多次確認(rèn)與轉(zhuǎn)化，難以直接指導(dǎo)生產(chǎn)制造。這些問(wèn)題對(duì)于產(chǎn)品三維數(shù)字樣機(jī)和三維裝配作業(yè)指導(dǎo)書的大面積推廣和應(yīng)用形成了很大的障礙。

二、基于模型的工藝與設(shè)計(jì)協(xié)同體系構(gòu)建

解決上述問(wèn)題的關(guān)鍵是建立完整的設(shè)計(jì)工藝制造一體化架構(gòu)，通過(guò)產(chǎn)品數(shù)字化價(jià)值鏈實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品實(shí)物價(jià)值鏈中物理對(duì)象的虛擬化，提升研發(fā)效率和降低制造成本[2]。協(xié)同設(shè)計(jì)體系能讓工藝設(shè)計(jì)更早地參與到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程中，在進(jìn)行產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)時(shí)，就能通過(guò)數(shù)字化平臺(tái)讓工藝設(shè)計(jì)人員參與進(jìn)來(lái)，了解設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)理念，讓工藝設(shè)計(jì)人員參與整個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程，這樣能及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，進(jìn)行工藝性研究，提出好的建議，提高設(shè)計(jì)方案的可行性和可靠性，最終提高產(chǎn)品的研發(fā)能力，縮短研發(fā)周期[3]。

（一）制定研制過(guò)程工藝與設(shè)計(jì)協(xié)同管理辦法

為規(guī)范和加強(qiáng)產(chǎn)品研制過(guò)程的工藝與設(shè)計(jì)協(xié)同，縮短研制周期，形成設(shè)計(jì)與工藝的對(duì)接流程，促進(jìn)傳統(tǒng)研發(fā)模式向數(shù)字化工藝協(xié)同研發(fā)模式轉(zhuǎn)變，制定公司產(chǎn)品研制過(guò)程工藝與設(shè)計(jì)協(xié)同管理辦法，明確協(xié)同工作基本原則和基本要求，梳理研制各階段協(xié)同工作的內(nèi)容。

1.確定協(xié)同工作的基本原則

（1）主動(dòng)原則。從產(chǎn)品論證到方案階段，工藝師系統(tǒng)與設(shè)計(jì)師系統(tǒng)應(yīng)做到互相主動(dòng)溝通、主動(dòng)反饋，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)后延與工藝前置。

（2）同步原則。從產(chǎn)品研制的論證階段起，直到方案階段完全結(jié)束，工藝應(yīng)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)同步進(jìn)行，完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)的迭代。

（3）系統(tǒng)性原則。從設(shè)計(jì)和工藝角度，統(tǒng)籌考慮制造的安全性、經(jīng)濟(jì)性、合理性和先進(jìn)性，提出設(shè)計(jì)的工藝性要求，形成系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)。

（4）融合原則。在產(chǎn)品研制過(guò)程中將工藝、設(shè)計(jì)和信息化等工作內(nèi)容有效融合，利用信息化研制協(xié)同手段，改變工藝與設(shè)計(jì)協(xié)同的傳統(tǒng)串行模式，提升協(xié)同工作效率。

2.確定協(xié)同工作的基本要求

（1）制定工藝與設(shè)計(jì)協(xié)同的管理制度與工作流程，建立設(shè)計(jì)、工藝文檔的生成、審核程序，確保設(shè)計(jì)工藝性特征在設(shè)計(jì)文件中實(shí)現(xiàn)。

（2）應(yīng)積極采用數(shù)字化的建模方法和工具，進(jìn)行產(chǎn)品研制信息的交互傳遞，構(gòu)建協(xié)同工作環(huán)境。

（3）項(xiàng)目行政指揮系統(tǒng)會(huì)同項(xiàng)目總設(shè)計(jì)師和總工藝師提出協(xié)同工作要求，將工藝與設(shè)計(jì)協(xié)同工作納入項(xiàng)目各階段研制工作及管理流程中。

（4）工藝師系統(tǒng)與設(shè)計(jì)師系統(tǒng)應(yīng)加強(qiáng)交流，建立日常聯(lián)絡(luò)及信息交換機(jī)制，設(shè)計(jì)師系統(tǒng)應(yīng)及時(shí)向工藝師系統(tǒng)通報(bào)項(xiàng)目研制方案、工作計(jì)劃等信息，工藝師應(yīng)參與并制定工作計(jì)劃。

3.組建項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)

科研管理部門負(fù)責(zé)組織開展項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的組建，定期進(jìn)行項(xiàng)目行政指揮、設(shè)計(jì)師、工藝師、質(zhì)量師、標(biāo)準(zhǔn)化師、檢驗(yàn)師等系統(tǒng)人員的任命工作，并按要求上報(bào)。項(xiàng)目設(shè)計(jì)師、工藝師、質(zhì)量師等“五師”系統(tǒng)人員由各業(yè)務(wù)部門負(fù)責(zé)建立；行政指揮系統(tǒng)人員由科研管理部門組織確定。

4.建立工藝與設(shè)計(jì)協(xié)同工作流程

以往工藝師系統(tǒng)參與項(xiàng)目研發(fā)一般是從樣機(jī)試制開始，研發(fā)初期信息知之甚少。但產(chǎn)品工藝工作應(yīng)從新產(chǎn)品技術(shù)開發(fā)階段的工藝調(diào)研開始到產(chǎn)品包裝入庫(kù)結(jié)束。因此從產(chǎn)品論證階段開始，設(shè)計(jì)師應(yīng)及時(shí)將調(diào)研報(bào)告、論證方案、模型數(shù)據(jù)等信息傳遞給工藝師，工藝師從制造需求的角度提出制造目標(biāo)要求和建議，對(duì)接產(chǎn)品設(shè)計(jì)，開展工藝審查并將反饋意見進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。通過(guò)研發(fā)初始階段的信息交互，預(yù)計(jì)可減少產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖紙反復(fù)回退修改的情況，減少工藝性審查過(guò)程中流程流轉(zhuǎn)的時(shí)間，進(jìn)而縮短項(xiàng)目研發(fā)周期，為后續(xù)樣機(jī)制造搶出時(shí)間。

（二）逐步建設(shè)數(shù)字化協(xié)同平臺(tái)

隨著“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略的實(shí)施，越來(lái)越多的制造型企業(yè)加快了數(shù)字化協(xié)同制造模式的發(fā)展[4]。

1.在數(shù)字化平臺(tái)中定制開發(fā)適用于信息交互的業(yè)務(wù)流程

對(duì)公司目前使用的TC、CAPP等數(shù)字化平臺(tái)進(jìn)行評(píng)估，與裝備研發(fā)中心、工藝技術(shù)中心、信息管理中心相關(guān)人員進(jìn)行分析和研討，確定適用于新工藝和新設(shè)備需求、帶有工藝標(biāo)注的關(guān)鍵零件、關(guān)鍵工序三維模型等交互信息的數(shù)字化工藝平臺(tái)CAPP系統(tǒng)（圖1），配合信息管理中心做好數(shù)字化工藝平臺(tái)CAPP系統(tǒng)上的工藝設(shè)計(jì)總結(jié)和工藝總方案審簽流程和模板的定制開發(fā)（圖2），使交互信息能準(zhǔn)確地體現(xiàn)在數(shù)字化平臺(tái)上。

2.基于模型的產(chǎn)品設(shè)計(jì)工藝制造一體化關(guān)鍵技術(shù)研究

MBD（Model Based Definition基于模型的定義）[5-7]技術(shù)的發(fā)展為數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用提供了工具，也為產(chǎn)品工藝和設(shè)計(jì)并行協(xié)同建立了條件。針對(duì)公司光電產(chǎn)品研制全過(guò)程的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)開展基于模型的產(chǎn)品一體化研制技術(shù)研究工作，逐步構(gòu)建MBD平臺(tái)，推動(dòng)MBD技術(shù)在公司產(chǎn)品研制中的全面應(yīng)用。MBD模型快速標(biāo)注工具如圖3所示。

（1）基于模型的產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)，主要研究?jī)?nèi)容包括：機(jī)械/光學(xué)零件的三維標(biāo)注與技術(shù)要求標(biāo)注規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品總體與部件裝配的三維標(biāo)注與技術(shù)要求標(biāo)注規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，光學(xué)設(shè)計(jì)特殊符號(hào)定制開發(fā)技術(shù)，基于模型的零部件信息嵌入技術(shù)等。

（2）基于模型的設(shè)計(jì)與工藝協(xié)同技術(shù)，主要研究?jī)?nèi)容包括：光電產(chǎn)品設(shè)計(jì)工藝協(xié)同成熟度定義，基于模型的設(shè)計(jì)工藝協(xié)同規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，基于TC與CAPP系統(tǒng)集成的研發(fā)工藝數(shù)據(jù)協(xié)同技術(shù)等。研發(fā)與工藝數(shù)據(jù)協(xié)同如圖4所示。

（3）基于模型的加工藝設(shè)計(jì)技術(shù)，主要研究?jī)?nèi)容包括：機(jī)械＼光學(xué)零件加工工序模型的三維標(biāo)注與加工面、加工順序標(biāo)注規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，基于模型的零件信息與工序號(hào)、工序名稱信息嵌入技術(shù)、數(shù)控加工刀具軌跡模型的三維標(biāo)注與加工基準(zhǔn)等。加工工藝設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

（4）基于模型的裝配工藝設(shè)計(jì)技術(shù)，主要研究?jī)?nèi)容包括：基于模型的裝配工藝三維標(biāo)注規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，基于模型的部件信息與工序號(hào)、工序名稱信息嵌入技術(shù)。

（5）基于模型的三坐標(biāo)檢測(cè)編程技術(shù)，主要研究?jī)?nèi)容包括：基于模型的三坐標(biāo)檢測(cè)編程三維標(biāo)注規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，基于模型的零件部件信息與工序號(hào)、工序名稱信息嵌入技術(shù)等。

（6）基于模型的工藝制造協(xié)同技術(shù)，主要研究?jī)?nèi)容包括：基于模型的工藝制造協(xié)同規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，基于模型的三維工藝在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)客戶端調(diào)用查詢規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，基于CAPP與MBOM/MES系統(tǒng)集成的工藝數(shù)據(jù)發(fā)放技術(shù)路線等。

三、后續(xù)工作思路

通過(guò)基于MBD的主模型和單一數(shù)據(jù)源技術(shù)解決了傳統(tǒng)二維環(huán)境下產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息重用和一致性管理問(wèn)題，通過(guò)基于TC、CAPP、MBOM/MES系統(tǒng)搭建的設(shè)計(jì)工藝制造一體化協(xié)同平臺(tái)解決了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)、工藝非統(tǒng)一平臺(tái)下的數(shù)據(jù)管理難、信息共享難、流程貫通難、業(yè)務(wù)協(xié)同難的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了以設(shè)計(jì)、工藝、制造一體化平臺(tái)為基礎(chǔ)支撐，以MBD主模型為數(shù)據(jù)核心，以統(tǒng)一集中為管理要求，以單一數(shù)據(jù)源為共享前提，以貫通設(shè)計(jì)、工藝研發(fā)流程為業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)，以并行協(xié)同為工作方式的設(shè)計(jì)工藝制造一體化研發(fā)模式[8]。中國(guó)軍轉(zhuǎn)民

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（作者簡(jiǎn)介：梁穎，西安北方光電科技防務(wù)有限公司工程師，大學(xué)本科，研究方向?yàn)榭蒲许?xiàng)目管理和工藝技術(shù)管理等；鄭玲、景輝，西安北方光電科技防務(wù)有限公司；慕天懷，中國(guó)人民解放軍93170部隊(duì)）