中車戚墅堰機(jī)車有限公司信息管理部 謝利

隨著數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)與制造技術(shù)的推廣應(yīng)用，企業(yè)在產(chǎn)品研發(fā)中大多實(shí)現(xiàn)了三維設(shè)計(jì)，大幅度提高了企業(yè)的設(shè)計(jì)效率、研發(fā)及創(chuàng)新能力，越來越多的制造企業(yè)逐步從二維設(shè)計(jì)模式過渡到全三維設(shè)計(jì)模式。但是，大多數(shù)企業(yè)的工藝仍然是基于二維圖紙，三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)意圖無法有效傳遞和充分利用，工藝人員無法享受三維設(shè)計(jì)帶來的便利性，數(shù)據(jù)缺乏關(guān)聯(lián)，由此造成設(shè)計(jì)與工藝脫節(jié)，還需進(jìn)行三維向二維的轉(zhuǎn)換，并以二維圖紙作為交付物，已經(jīng)成為產(chǎn)品三維協(xié)同研制的短板和瓶頸。

實(shí)施三維結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)，建立適應(yīng)三維結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，基于企業(yè)PDM系統(tǒng)開發(fā)三維結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)工具和管理系統(tǒng)，繼承設(shè)計(jì)的信息（EBOM和帶三維標(biāo)注MBD模型等），開展EBOM/PBOM/MBOM調(diào)整、三維結(jié)構(gòu)化工藝編制，并在PDM系統(tǒng)中進(jìn)行工藝業(yè)務(wù)過程和工藝數(shù)據(jù)的管理，推進(jìn)設(shè)計(jì)、工藝協(xié)同工作，提高工藝工作效率和工作質(zhì)量。

一、三維結(jié)構(gòu)化工藝數(shù)據(jù)組織

設(shè)計(jì)部門在PDM系統(tǒng)中以產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹（EBOM）為核心進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)組織和管理的模式得到企業(yè)的廣泛認(rèn)可和深入應(yīng)用。工藝部門從工藝設(shè)計(jì)和管理角度出發(fā)，圍繞企業(yè)工藝設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造的主線——產(chǎn)品制造樹（MBOM）進(jìn)行工藝數(shù)據(jù)組織和管理。

1.基于PDM系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工藝一體化

工藝要繼承設(shè)計(jì)信息，共享設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，進(jìn)行基于MBD的結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)，企業(yè)應(yīng)建立基于PDM系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工藝一體化平臺(tái)，使得設(shè)計(jì)、工藝在同一平臺(tái)上工作，實(shí)現(xiàn)一體化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)，一體化的變更。

企業(yè)在成功應(yīng)用PDM系統(tǒng)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)管理的基礎(chǔ)上，基于PDM系統(tǒng)開發(fā)MBOM編輯器和結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基于MBD模型的三維結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、工藝數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理，系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 基于PDM的三維結(jié)構(gòu)化工藝管理框架

2.基于MBOM的三維結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)與管理

以MBOM為核心進(jìn)行工藝數(shù)據(jù)管理，即通過建立MBOM零部件與相應(yīng)工藝數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)各類工藝數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)化管理及其變更歷史記錄。各類工藝數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖2所示。

圖2 各類工藝數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系

3.EBOM/PBOM/MBOM轉(zhuǎn)換

工藝人員在設(shè)計(jì)發(fā)布的EBOM基礎(chǔ)上，結(jié)合工藝路線及制造單位的加工水平維護(hù)形成的、用于指導(dǎo)生產(chǎn)的制造結(jié)構(gòu)。MBOM構(gòu)建分兩個(gè)階段。

◎ 生產(chǎn)技術(shù)準(zhǔn)備人員在PDM系統(tǒng)中基于EBOM，應(yīng)用BOM編輯器進(jìn)行PBOM初始化、PBOM設(shè)計(jì)和PBOM簽審，通過簽審后發(fā)布公司級(jí)工藝路線，系統(tǒng)將根據(jù)行程分工自動(dòng)進(jìn)行MBOM設(shè)計(jì)任務(wù)和工藝設(shè)計(jì)任務(wù)的派發(fā)。

◎ 各專業(yè)工藝師接收到MBOM設(shè)計(jì)任務(wù)后，基于發(fā)布的PBOM協(xié)同進(jìn)行MBOM設(shè)計(jì)（裝配工藝師按實(shí)際裝配過程或工位調(diào)整結(jié)構(gòu)，機(jī)加工藝師完善材料信息，鑄造和鍛造工藝師分別維護(hù)各專業(yè)毛坯件的原材料及定額信息）、MBOM簽審，簽審?fù)ㄟ^后，進(jìn)行MBOM發(fā)布，并傳遞給ERP系統(tǒng)。

通過在系統(tǒng)中構(gòu)建完整的MBOM，將物料信息、制造結(jié)構(gòu)信息和工藝路線等數(shù)據(jù)集成發(fā)布給ERP系統(tǒng)，一方面有利于實(shí)現(xiàn)物料按工位投放的精益制造管理模式，另一方面確?；趩我粩?shù)據(jù)源實(shí)現(xiàn)向ERP發(fā)布數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、一致性。

二、工藝模型設(shè)計(jì)

不同于產(chǎn)品設(shè)計(jì)，工藝設(shè)計(jì)中的零部件三維模型是一種多態(tài)模型的演變過程，從毛坯到零件，從零件到裝配，形成一系列中間狀態(tài)模型，有以下特點(diǎn)。

◎ 模型繼承關(guān)系：工藝模型繼承設(shè)計(jì)模型，下一工序的工序模型繼承前道工序的工序模型，并直接編輯從設(shè)計(jì)模型繼承的三維標(biāo)注信息。

◎ 工序模型拓?fù)渥兓赫蛟O(shè)計(jì)（毛坯-工序1-工序2…零件）模擬實(shí)際加工逐步去除材料，待去除材料由去材特征表示；逆向設(shè)計(jì)（零件-工序n-工序n-1…毛坯）工序模型從零件開始通過添加去除特征對應(yīng)的實(shí)體逐步變?yōu)槊?，通過特征抑制還原去材特征的實(shí)體是最方便的方法。

◎ 三維模型可編輯性和多樣化展現(xiàn)：三維工序模型和工藝文件的可編輯性、與可編輯模型關(guān)聯(lián)的輕量化模型，以及PDF文件的表示。

1.機(jī)加工三維工藝模型設(shè)計(jì)

從毛坯到零件的切削過程，反映了3D多態(tài)模型的演變和對應(yīng)的工藝信息關(guān)聯(lián)，涉及3D模型本身的幾何形狀改變。無需針對每一加工工序建立工藝模型，應(yīng)在工藝編輯器中關(guān)聯(lián)對應(yīng)的工序和工步模型。機(jī)加工工序模型設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 機(jī)加工工序模型設(shè)計(jì)

工序模型的變化有參數(shù)變化和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化兩種情況。參數(shù)變化反映了加工余量的變化，對應(yīng)工序的粗加工-半精加工-精加工，可使用Creo族表功能。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化反映零部件加工部位發(fā)生變化，對應(yīng)加工方法改變，可對工序模型使用Creo柔性建模功能進(jìn)行設(shè)計(jì)。

工序變化可能使多態(tài)模型鏈中工序模型自動(dòng)更新失敗，需重新建立相關(guān)的模型間引用復(fù)制關(guān)系以及重新構(gòu)建去材特征。

對于不涉及當(dāng)前工序加工（即不進(jìn)行三維標(biāo)注）的幾何對象，可以對當(dāng)前工序模型采用特征抑制、模型修剪和剖切等方法進(jìn)行簡化。

在3D情況下，任何修改必須在3D模型上進(jìn)行，需建立三維工藝模型設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，選擇一種效率、數(shù)據(jù)有效性和審批兼顧的規(guī)范化方法。

數(shù)控加工三維工藝模型最好使用中差建模，可不進(jìn)行三維標(biāo)注。研究開發(fā)三維模型檢查工具，對三維模型質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，同時(shí)提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員工藝知識(shí)，使設(shè)計(jì)模型可直接重用。

2.成形（鑄造、鍛造和鈑金等）三維工藝模型設(shè)計(jì)

成形工藝主要以模具作為零件成形的工裝，包括鑄造、鍛造和冷沖等，其中多次成形存在零件的多態(tài)模型和對應(yīng)的多套模具模型。

3.裝配三維工藝模型設(shè)計(jì)

不涉及零件模型本身的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變而僅僅是零組件方位發(fā)生變化，對于大裝配三維模型一般需要進(jìn)行輕量化處理。無需關(guān)注零件模型細(xì)節(jié)，可直接采用輕量化模型進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)和拆裝仿真。

三、基于MBOM的三維結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)

由“所見即所得”的卡片式編制方式轉(zhuǎn)變?yōu)橐訫BOM為核心的“結(jié)構(gòu)化”工藝編制方式，支撐基于MBD的三維工藝規(guī)程設(shè)計(jì)、基于二維圖樣的二維工藝規(guī)程設(shè)計(jì)模式整合，同時(shí)實(shí)現(xiàn)所有工藝數(shù)據(jù)的一體化和關(guān)聯(lián)化管理，結(jié)構(gòu)化工藝文件的組織形式如圖4所示。

為適應(yīng)國內(nèi)制造企業(yè)工藝設(shè)計(jì)和管理的需要，基于PDM系統(tǒng)Windchill的工藝模塊MPMLink，開發(fā)三維結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)，支持離散性制造企業(yè)所有工藝類型的三維結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)，包括組裝類工藝設(shè)計(jì)、機(jī)加類工藝設(shè)計(jì)、焊接類工藝設(shè)計(jì)、鑄造類工藝設(shè)計(jì)、鍛造類工藝設(shè)計(jì)、熱處理類工藝設(shè)計(jì)、探傷類工藝規(guī)設(shè)計(jì)和通用類工藝設(shè)計(jì)等。

圖4 結(jié)構(gòu)化工藝文件的組織形式

1.開發(fā)三維結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)

由于不同企業(yè)工藝方法和工藝水平個(gè)性差異較大，通用的三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)難以滿足不同制造企業(yè)的需求，基于PDM系統(tǒng)設(shè)計(jì)工藝一體化平臺(tái)，結(jié)合企業(yè)特點(diǎn)，開發(fā)三維結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)。基于MBOM根據(jù)工藝任務(wù)開展三維結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)，建立產(chǎn)品工藝結(jié)構(gòu)樹，每個(gè)自制零部件對應(yīng)一個(gè)結(jié)構(gòu)化工藝（如機(jī)加工工藝、組裝工藝、熱工工藝等）。根據(jù)加工或裝配工藝要求在工藝下建立工序，并與所需的資源（如工序模型、設(shè)備、工裝、作業(yè)指導(dǎo)書和檢驗(yàn)指導(dǎo)書等）建立關(guān)聯(lián)，使三維數(shù)據(jù)貫穿設(shè)計(jì)、工藝和制造全過程。結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 結(jié)構(gòu)化工藝示例(機(jī)加工)

建立結(jié)構(gòu)化工藝，精細(xì)到工序、工步的版本和權(quán)限控制，自動(dòng)提取工藝路線和工位物料傳遞給ERP系統(tǒng)和MES系統(tǒng)；工藝人員與設(shè)計(jì)人員在統(tǒng)一的平臺(tái)，統(tǒng)一的界面、統(tǒng)一的庫中并行作業(yè)，有利于提高數(shù)據(jù)重用率和工藝設(shè)計(jì)效率。

2.三維結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)

當(dāng)工藝師在基于PDM系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工藝一體化平臺(tái)接收到工藝設(shè)計(jì)任務(wù)后，啟動(dòng)三維結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)，基于MBOM創(chuàng)建結(jié)構(gòu)化工藝規(guī)程，創(chuàng)建工序和工步，選擇設(shè)備、工裝及工具（工裝、刀具、檢具、量具、工藝器具）、工藝輔料等工藝資源關(guān)聯(lián)至工序、工步，根據(jù)需要從PDM系統(tǒng)或本地選擇相應(yīng)的工藝簡圖（支持工藝模型、二維圖、圖片和三維仿真動(dòng)畫等）和工藝附件關(guān)聯(lián)至工序、工步，如圖5所示。

在裝配三維結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)中，工藝設(shè)計(jì)編輯器支持基于MBOM節(jié)點(diǎn)的三維可視化模型以復(fù)制/粘貼的方式為工序、工步進(jìn)行“消耗式零部件分配”，如圖6所示。對已經(jīng)分配過的零部件，通過顏色和提醒機(jī)制進(jìn)行提醒，避免零部件重復(fù)分配和漏分配等問題。

圖6 裝配三為結(jié)構(gòu)化工藝零部件消耗式分配過程示意

在裝配三維結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)中，將制作的裝配仿真動(dòng)畫集成檢入至工藝編輯器，系統(tǒng)自動(dòng)將裝配仿真動(dòng)畫與工序/工步關(guān)聯(lián)，如圖7所示。

圖7 結(jié)構(gòu)化工藝示例(裝配)

3.三維結(jié)構(gòu)化工藝文件發(fā)布

當(dāng)結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)完成后，調(diào)用三維結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)編輯器中定義各種工藝類型的模板進(jìn)行預(yù)覽，輸出基于WEB（網(wǎng)頁）形式的交互式工藝規(guī)程，如圖8所示，用于現(xiàn)場無紙化終端應(yīng)用，可方便的進(jìn)行模型旋轉(zhuǎn)、剖切和測量，查看三維標(biāo)注，播放工藝仿真動(dòng)畫。

圖8 WEB形式的交互式工藝規(guī)程頁面示意

針對三維結(jié)構(gòu)化工藝規(guī)程，同時(shí)可以將三維模型固定在某一視圖、工藝仿真固定在某一畫面，輸出生產(chǎn)制造要求的二維工藝規(guī)程，采用PDF格式，如圖9所示，并可打印下發(fā)。

圖9 PDF形式的二維工藝規(guī)程頁面示意

4.無紙化終端瀏覽三維結(jié)構(gòu)化工藝

開發(fā)應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場的無紙化終端系統(tǒng)，基于零部件編號(hào)、工藝規(guī)程編號(hào)、工藝規(guī)程編號(hào)+工序號(hào)方式檢索，查找存放在PDM系統(tǒng)中的零部件模型、三維結(jié)構(gòu)化工藝規(guī)程等，并通過內(nèi)嵌流程進(jìn)行瀏覽。

四、制定三維結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)與管理標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

企業(yè)現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范都是針對二維圖、“所見即所得”的卡片式工藝設(shè)計(jì)的，缺乏工藝模型和結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和約束。因此，企業(yè)需要針對產(chǎn)品特點(diǎn)，結(jié)合所應(yīng)用的CAD工具、三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)（基于PDM系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工藝一體化平臺(tái)），區(qū)分不同工藝類型，研究三維結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，統(tǒng)一企業(yè)三維結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)環(huán)境，高效率地接收設(shè)計(jì)的三維模型，規(guī)范工藝模型設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)化工藝編制，為企業(yè)全三維工程化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。筆者所在企業(yè)在三維結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)和管理中建立了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，如表1所示。

表1 三維結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)和管理相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

五、結(jié)語

三維結(jié)構(gòu)化工藝是一種全新的技術(shù)，更是一種全新的管理模式，必然會(huì)受到傳統(tǒng)二維工藝思維和工藝習(xí)慣的阻礙，更是企業(yè)產(chǎn)品研制模式的變革。要從二維思維中跳出來，逐步向三維思維轉(zhuǎn)變，建立基于三維的、結(jié)構(gòu)化的工藝標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范是關(guān)鍵，同時(shí)還需要從決策和管理層進(jìn)行推進(jìn)。

基于PDM系統(tǒng)進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)與管理，工藝直接接收和重用三維設(shè)計(jì)模型，MBD模型貫穿企業(yè)設(shè)計(jì)、工藝和制造等產(chǎn)品生命周期的過程，實(shí)現(xiàn)企業(yè)一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)，保證設(shè)計(jì)工藝制造一體化管理，保證設(shè)計(jì)工藝數(shù)據(jù)的一致性和關(guān)聯(lián)性，顯著提升企業(yè)產(chǎn)品研制水平和工作效率。