李大勇，孫 波

(1.北京北方車輛集團(tuán)有限公司，北京 100072；2.中國(guó)兵器工業(yè)新技術(shù)推廣研究所，北京 100089)

1 傳統(tǒng)研發(fā)模式帶來(lái)的問(wèn)題

企業(yè)研發(fā)逐步實(shí)現(xiàn)了型號(hào)產(chǎn)品的數(shù)字化三維設(shè)計(jì)，基于PDM(產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理)系統(tǒng)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理，工藝依然停留在傳統(tǒng)的CAPP(計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì))二維環(huán)境下的工藝卡片設(shè)計(jì)、工藝圖繪制階段，產(chǎn)品三維數(shù)模和工藝二維卡片的數(shù)據(jù)異構(gòu)，PDM與CAPP的系統(tǒng)異構(gòu)，產(chǎn)生了設(shè)計(jì)與工藝的信息孤島與業(yè)務(wù)隔閡，導(dǎo)致了型號(hào)產(chǎn)品研發(fā)長(zhǎng)期停留在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、人工傳遞、工藝準(zhǔn)備的串行、相互獨(dú)立的模式，主要帶來(lái)了如下問(wèn)題。

1)串行的工作模式，工藝只能被動(dòng)等待設(shè)計(jì)輸入，無(wú)法在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段有效介入，提前進(jìn)行產(chǎn)品工藝性審查、工藝方案前期策劃等工作，以達(dá)到縮短工藝準(zhǔn)備周期的目的；同樣，設(shè)計(jì)問(wèn)題也無(wú)法在方案設(shè)計(jì)或者工程設(shè)計(jì)階段提前暴露，導(dǎo)致大量設(shè)計(jì)問(wèn)題往往在工藝制造后期才發(fā)現(xiàn)，增加了更改的成本。

2)產(chǎn)品三維數(shù)模、BOM結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)無(wú)法直接被工藝重用于制造過(guò)程規(guī)劃與驗(yàn)證工作，往往需要設(shè)計(jì)進(jìn)行大量的二維數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，且在不同工藝專業(yè)或制造過(guò)程的規(guī)劃與驗(yàn)證工作中，由于產(chǎn)品信息關(guān)注點(diǎn)與工藝信息展示點(diǎn)不同，往往會(huì)對(duì)產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行多次重構(gòu)，勢(shì)必造成不必要時(shí)間與精力的浪費(fèi)，帶來(lái)了數(shù)據(jù)丟失、錯(cuò)誤和不一致的風(fēng)險(xiǎn)，增加了信息獲取與數(shù)據(jù)正確性維護(hù)的成本。

3)理論上型號(hào)產(chǎn)品研發(fā)應(yīng)該是工作流程連續(xù)，信息實(shí)時(shí)交互的設(shè)計(jì)與工藝有機(jī)融合，但實(shí)際上卻被一堵無(wú)形的高墻分割為設(shè)計(jì)、工藝獨(dú)立部分，導(dǎo)致了流程中斷、信息阻隔、環(huán)節(jié)脫節(jié)的設(shè)計(jì)與工藝業(yè)務(wù)孤島，只能采用人工“拋磚過(guò)墻”這種高成本、低效率的信息傳遞方式，導(dǎo)致了設(shè)計(jì)與工藝之間信息交互困難與滯后，進(jìn)一步造成了業(yè)務(wù)間的隔閡，大量無(wú)效與重復(fù)工作產(chǎn)生。

4)工藝編制仍采用基于二維卡片的傳統(tǒng)模式，缺乏與設(shè)計(jì)的關(guān)聯(lián)性及直觀的三維表現(xiàn)形式，影響了工藝設(shè)計(jì)效率、質(zhì)量，也降低了工藝的可操作、可指導(dǎo)性；同時(shí)，缺少基于數(shù)字化樣機(jī)的虛擬工藝仿真驗(yàn)證環(huán)境，仍然沿襲傳統(tǒng)的實(shí)物驗(yàn)證模式，無(wú)法在制造前充分驗(yàn)證工藝正確性，將錯(cuò)誤和風(fēng)險(xiǎn)留給了制造環(huán)節(jié)。

解決這些問(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[1]。

2 設(shè)計(jì)工藝一體化面臨的挑戰(zhàn)

北京北方車輛集團(tuán)有限公司打破傳統(tǒng)串行模式，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)工藝一體化，需要解決導(dǎo)致舊模式的問(wèn)題，并突破向新模式發(fā)展的障礙，這勢(shì)必面臨諸多的挑戰(zhàn)。只有先針對(duì)性地解決一系列技術(shù)難點(diǎn)，才算是向著目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)邁出了一大步。主要會(huì)面臨的三大挑戰(zhàn)如下。

1)產(chǎn)品數(shù)模重用與一致性管理的挑戰(zhàn)。

第一個(gè)挑戰(zhàn)就是如何將產(chǎn)品數(shù)模確定為研發(fā)過(guò)程中產(chǎn)品和工藝、制造信息唯一的載體，去掉中間數(shù)模的降維轉(zhuǎn)化和數(shù)據(jù)重構(gòu)的環(huán)節(jié)，直接應(yīng)用于多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)、多學(xué)科仿真分析、制造過(guò)程規(guī)劃、工藝設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證過(guò)程；同時(shí)，如何有效保證各專業(yè)和各過(guò)程使用數(shù)模數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)一致性和更改同步性的問(wèn)題。

2)設(shè)計(jì)、工藝一體化平臺(tái)搭建的挑戰(zhàn)。

如何統(tǒng)一由于產(chǎn)品開發(fā)和過(guò)程規(guī)劃業(yè)務(wù)差異而導(dǎo)致的長(zhǎng)期獨(dú)立的PDM和CAPP系統(tǒng)，調(diào)和業(yè)務(wù)場(chǎng)景的差異，建立統(tǒng)一的工作環(huán)境，打通業(yè)務(wù)流程，提供全業(yè)務(wù)所需的應(yīng)用，集中管理全業(yè)務(wù)產(chǎn)生數(shù)據(jù)，搭建能夠支撐設(shè)計(jì)、工藝一體化研發(fā)模式的系統(tǒng)平臺(tái)。

3)數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)。

首先，要從根本上解決產(chǎn)品數(shù)模的降維轉(zhuǎn)化問(wèn)題，必須顛覆傳統(tǒng)的基于卡片的二維工藝，直接重用產(chǎn)品數(shù)模進(jìn)行數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)；其次，匹配產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)化表達(dá)，工藝信息也應(yīng)該實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化，細(xì)化工藝信息管理顆粒度和便于共享與重用；最后，支撐實(shí)現(xiàn)基于數(shù)模的虛擬工藝仿真驗(yàn)證，采用信息代替被浪費(fèi)的資源。

3 設(shè)計(jì)工藝一體化實(shí)現(xiàn)技術(shù)探索

3.1 應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)的關(guān)鍵技術(shù)途徑

3.1.1 基于Teamcenter的設(shè)計(jì)、工藝一體化平臺(tái)

西門子PLM系統(tǒng)Teamcenter是全球領(lǐng)先的產(chǎn)品全生命周期管理系統(tǒng)。Teamcenter采用模塊化的體系架構(gòu)，符合先進(jìn)的軟件開發(fā)思想，統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)模式，提供產(chǎn)品全生命周期管理的完整功能，包括企業(yè)關(guān)注的產(chǎn)品數(shù)據(jù)與制造過(guò)程管理(見(jiàn)圖1)。

圖1 Teamcenter應(yīng)用功能模塊

1)基于Teamcenter的設(shè)計(jì)工藝一體化平臺(tái)架構(gòu)。采用Teamcenter作為基礎(chǔ)平臺(tái)[2-3]，提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理、無(wú)縫的業(yè)務(wù)銜接、實(shí)時(shí)的信息交互能力；統(tǒng)一的系統(tǒng)操作界面，整合了設(shè)計(jì)、工藝業(yè)務(wù)場(chǎng)景；配置產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理和制造過(guò)程管理相關(guān)功能，滿足設(shè)計(jì)與工藝業(yè)務(wù)管理需求；通過(guò)集成接口，實(shí)現(xiàn)與專業(yè)工具和外圍系統(tǒng)的交互，提供全業(yè)務(wù)所需應(yīng)用服務(wù)，架構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于Teamcenter的設(shè)計(jì)、工藝一體化系統(tǒng)架構(gòu)

2)多CAD工具支持(見(jiàn)圖3)。Teamcenter支持多CAD集成和協(xié)同設(shè)計(jì)，例如CATIA、Pro/E、NX、Solid Edge、Cadence和AutoCAD等。各種CAD軟件設(shè)計(jì)的產(chǎn)品及零部件都可以統(tǒng)一在Teamcenter中進(jìn)行實(shí)時(shí)管理，實(shí)現(xiàn)多CAD的協(xié)同設(shè)計(jì)。

圖3 Teamcenter對(duì)多CAD支持

3)多學(xué)科協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境(見(jiàn)圖4)。Teamcenter涵蓋了數(shù)字化設(shè)計(jì)、計(jì)算、仿真以及數(shù)字化產(chǎn)品研制管理環(huán)境，各學(xué)科設(shè)計(jì)及仿真工具通過(guò)集成接口與Teamcenter平臺(tái)相整合，為研發(fā)人員提供一個(gè)虛擬的、并行的多學(xué)科協(xié)同設(shè)計(jì)及仿真的集成工作環(huán)境。

圖4 Teamcenter對(duì)多學(xué)科協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境支持

3.1.2 MBD的主模型重用

MBD(Model Based Definition)基于模型的定義[4-6]，是一種基于全三維的產(chǎn)品信息數(shù)字化表達(dá)技術(shù)?；贛BD的主模型就是創(chuàng)建一個(gè)集成的三維模型來(lái)完整地表達(dá)產(chǎn)品定義信息，包括工藝和制造信息等，并在管理環(huán)境(如Teamcenter)中對(duì)其進(jìn)行有效地共享，在更改控制的前提下，實(shí)現(xiàn)主模型的多次多點(diǎn)重用(見(jiàn)圖5)，保證設(shè)計(jì)和制造各流程中數(shù)據(jù)的唯一性、一致性和同步性。

圖5 基于MBD的主模型重用展示

3.1.3 單一產(chǎn)品數(shù)據(jù)源管理

單一產(chǎn)品數(shù)據(jù)源SSPD(Single Source of Product Data)，通過(guò)建立產(chǎn)品數(shù)據(jù)的邏輯聯(lián)系，將物理上分散的產(chǎn)品數(shù)據(jù)形成邏輯上的統(tǒng)一整體，為產(chǎn)品數(shù)據(jù)的訪問(wèn)與操作提供唯一的數(shù)據(jù)源。在Teamcenter中，通過(guò)定義每個(gè)對(duì)象的唯一對(duì)應(yīng)的Item，將所有描述它的文件，不管是三維模型、二維圖樣、還是工藝過(guò)程等都?xì)w屬在這個(gè)唯一的Item下(見(jiàn)圖6)，實(shí)現(xiàn)單一產(chǎn)品數(shù)據(jù)源管理。

3.1.4 3PR結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)

1)3PR關(guān)聯(lián)。3PR關(guān)聯(lián)即產(chǎn)品、工藝、工廠和制造資源的關(guān)聯(lián)，將產(chǎn)品零部件、工藝、工序、生產(chǎn)線、工作區(qū)域、制造資源等信息作為相互關(guān)聯(lián)的對(duì)象來(lái)處理。如，裝配工序與生產(chǎn)線相關(guān)聯(lián)，明確裝配過(guò)程在哪個(gè)生產(chǎn)線的哪個(gè)工作臺(tái)位進(jìn)行，工藝資源與工序相關(guān)聯(lián)，明確裝配過(guò)程中用到的資源。3PR關(guān)聯(lián)工藝示意圖如圖7所示。

2)結(jié)構(gòu)化。結(jié)構(gòu)化工藝(見(jiàn)圖8)徹底顛覆了傳統(tǒng)卡片式的工藝，將工藝由卡片形式轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)樹狀結(jié)構(gòu)，即工藝BOP(Bill of Process過(guò)程清單)，將工藝的數(shù)據(jù)對(duì)象，如工序作為結(jié)構(gòu)中的某一級(jí)節(jié)點(diǎn)。如，總工藝為根節(jié)點(diǎn)，各專業(yè)工藝為一級(jí)子節(jié)點(diǎn)，各專業(yè)工藝的工序?yàn)槎?jí)子節(jié)點(diǎn)。

圖8 結(jié)構(gòu)化工藝(工藝BOP)示意圖

3.2 設(shè)計(jì)工藝一體化平臺(tái)功能架構(gòu)

設(shè)計(jì)工藝一體化平臺(tái)主要由三大功能組成，具體如圖9所示。

圖9 設(shè)計(jì)工藝一體化平臺(tái)功能架構(gòu)

1)基礎(chǔ)管理。平臺(tái)提供基礎(chǔ)的數(shù)字化工程管理環(huán)境，包括數(shù)據(jù)管理、更改管理、流程管理等，目的是實(shí)現(xiàn)基于模型定義的產(chǎn)品和工藝數(shù)據(jù)的管理和控制，向產(chǎn)品研發(fā)各階段提供可靠有效的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的一致性和可追溯性，以及實(shí)現(xiàn)協(xié)同研發(fā)流程，提供產(chǎn)品研發(fā)周期的可視化和知識(shí)、資源的積累與重用。

2)產(chǎn)品設(shè)計(jì)。產(chǎn)品設(shè)計(jì)主要是通過(guò)多CAD、CAE工具集成，提供多學(xué)科協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境，完成產(chǎn)品完整的三維數(shù)字化定義，構(gòu)建出產(chǎn)品數(shù)字化樣機(jī)，并通過(guò)多學(xué)科的仿真分析手段，在實(shí)際物理產(chǎn)品制造前，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化和迭代。

3)工藝設(shè)計(jì)。工藝設(shè)計(jì)主要包括多專業(yè)協(xié)同的零部件加工制造和部件裝配工藝過(guò)程的數(shù)字化的定義，構(gòu)建出包含制造信息的產(chǎn)品數(shù)模和工藝結(jié)構(gòu)，并通過(guò)加工和裝配工藝過(guò)程的仿真驗(yàn)證，在虛擬環(huán)境中對(duì)工藝方案進(jìn)行驗(yàn)證與優(yōu)化。

3.3 設(shè)計(jì)工藝協(xié)同應(yīng)用流程

基于Teamcenter系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工藝協(xié)同應(yīng)用流程如圖10所示，具體活動(dòng)如下：1)產(chǎn)品總體設(shè)計(jì)人員創(chuàng)建產(chǎn)品目錄；2)設(shè)計(jì)人員在產(chǎn)品目錄下開展結(jié)構(gòu)與電氣設(shè)計(jì)，并調(diào)用資源庫(kù)模型；3)設(shè)計(jì)完成后，在系統(tǒng)中發(fā)起審批流程，審批流程將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)送至工藝人員會(huì)簽，完成審批受控；4)設(shè)計(jì)受控模型需更改時(shí)，基于受控狀態(tài)的模型進(jìn)行升版操作或換號(hào)，并創(chuàng)建更改對(duì)象，填寫更改單，按要求進(jìn)行更改審批；5)設(shè)計(jì)文件受控后，通過(guò)發(fā)文流程再次傳遞給工藝部門；6)工藝部門基于接收到的模型開展工藝結(jié)構(gòu)管理維護(hù)，并將審批受控的工藝結(jié)構(gòu)發(fā)送至工藝員，工藝員調(diào)用工藝資源庫(kù)開展工藝設(shè)計(jì)，輸出作業(yè)指導(dǎo)書。

圖10 設(shè)計(jì)工藝協(xié)同應(yīng)用流程

3.4 設(shè)計(jì)工藝一體化的研發(fā)模式實(shí)現(xiàn)

通過(guò)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)對(duì)了挑戰(zhàn)，基于Teamcenter搭建了設(shè)計(jì)工藝一體化平臺(tái)，也打通了協(xié)同應(yīng)用流程，下一步就是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)工藝一體化研發(fā)模式?；赥eamcenter設(shè)計(jì)工藝一體化研發(fā)的實(shí)現(xiàn)如圖11所示。

圖11 基于Teamcenter設(shè)計(jì)工藝一體化研發(fā)的實(shí)現(xiàn)

實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)工藝一體化的特點(diǎn)和應(yīng)用效果如下。

1)設(shè)計(jì)工藝的有機(jī)融合。在Teamcenter的統(tǒng)一平臺(tái)下，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品零件和裝配的數(shù)字化定義與仿真分析，零件、裝配工藝BOP創(chuàng)建，工序模型創(chuàng)建，加工和裝配仿真驗(yàn)證優(yōu)化，三維工藝輸出和展示的一體化，徹底打破了業(yè)務(wù)阻礙，消滅了信息孤島，貫穿了工作流程，真正實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)與工藝有機(jī)融合[7-10]。

2)全過(guò)程的數(shù)字化定義。實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品研發(fā)全過(guò)程的數(shù)字化定義，徹底淘汰了二維的定義方式，也從根本上免去了設(shè)計(jì)向工藝傳遞數(shù)據(jù)時(shí)的模型降維轉(zhuǎn)化；極大提升了產(chǎn)品信息的直觀性，提升了產(chǎn)品信息傳遞的準(zhǔn)確性、直觀的制造過(guò)程規(guī)劃、工藝信息展示，也提升了工藝設(shè)計(jì)質(zhì)量和可指導(dǎo)、可操作性。

3)數(shù)模的有效重用與一致性管理。基于MBD的產(chǎn)品主模型始終貫穿產(chǎn)品研發(fā)全流程，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段被初始定義，然后在設(shè)計(jì)仿真分析、工序模型設(shè)計(jì)、工藝仿真驗(yàn)證和三維工藝輸出等環(huán)節(jié)中被有效地重用，同時(shí)通過(guò)Teamcenter對(duì)MBD主模型數(shù)據(jù)的有效管控，能夠保證主模型數(shù)據(jù)的單一來(lái)源，以及多環(huán)節(jié)重用數(shù)據(jù)的有效關(guān)聯(lián)與同步更改，從根本上剔除了模型數(shù)據(jù)重構(gòu)的環(huán)節(jié)。

4)基于模型的仿真驗(yàn)證。應(yīng)用產(chǎn)品數(shù)模能夠有效在實(shí)物制造前[11]，在虛擬環(huán)境中采用模型代替實(shí)物，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和工藝方案的仿真驗(yàn)證，提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，提前進(jìn)行優(yōu)化迭代，能夠?qū)⒋罅繂?wèn)題在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行暴露，降低了更改成本，并消除了后續(xù)制造和使用環(huán)節(jié)的風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)了基于模型仿真驗(yàn)證的設(shè)計(jì)工作閉環(huán)。

5)為并行協(xié)同打下基礎(chǔ)。通過(guò)Teamcenter統(tǒng)一平臺(tái)提供的多學(xué)科設(shè)計(jì)之間、設(shè)計(jì)與仿真之間、設(shè)計(jì)與工藝之間高效的信息流，極大地降低了不同業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)之間溝通的成本，提高了效率，方便了工作的協(xié)同開展；同時(shí)，在設(shè)計(jì)工藝統(tǒng)一環(huán)境下，工藝能夠主動(dòng)訪問(wèn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，不用被動(dòng)等待，為并行工作打下了基礎(chǔ)。

4 后續(xù)工作思路

1)為了實(shí)現(xiàn)完全的并行工程，進(jìn)一步提高研發(fā)效率，有必要持續(xù)優(yōu)化協(xié)同流程，通過(guò)引入成熟度管理體系，探索并建立基于成熟度的設(shè)計(jì)工藝協(xié)同模式。基于成熟度劃分設(shè)計(jì)階段，明確各階段工藝介入時(shí)機(jī)與開展業(yè)務(wù)活動(dòng)，將自主自發(fā)的協(xié)同轉(zhuǎn)變?yōu)榘闯绦蚩刂频膮f(xié)同。

2)在完全實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品和制造過(guò)程基于模型的定義的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將基于模型的定義向服務(wù)、維護(hù)等業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期和全價(jià)值鏈的覆蓋，最終實(shí)現(xiàn)基于模型的企業(yè)(MBE)。