孫慶偉，熊先青*，彭淑勤，單潤后

(1.南京林業(yè)大學家居與工業(yè)設(shè)計學院，南京 210037； 2.南京理工大學設(shè)計藝術(shù)與傳媒學院，南京 210094)

隨著信息與工業(yè)技術(shù)的快速升級，中國家居產(chǎn)品制造技術(shù)逐漸向著智能制造技術(shù)快速推進[1-2]。在智能制造背景下，人機物智能系統(tǒng)和數(shù)字化設(shè)計的出現(xiàn)，促使“個性化定制”和“柔性化制造”被帶到了大眾眼前，產(chǎn)品設(shè)計與制造周期越發(fā)縮短[3-4]。伴隨各項設(shè)計技術(shù)的成熟，在家居產(chǎn)品設(shè)計階段的優(yōu)化已達到了一定程度的同時，更需要對制造過程進行升級，才能應對發(fā)展迅猛的市場環(huán)境，作為制造過程的重要部分——工藝設(shè)計的升級則顯得尤為重要[5-6]，而工藝設(shè)計的升級則體現(xiàn)在工藝變型設(shè)計上。

在其他領(lǐng)域中，工藝變型設(shè)計主要體現(xiàn)在電站鍋爐風門自適應變型設(shè)計平臺的搭建[7]、汽車檢具變型設(shè)計模板的建立[8]、對現(xiàn)有碎紙機刀具的改進[9]、飛機零部件的快速變型設(shè)計[10]、機械變型設(shè)計尺寸標注問題改進[11]等工程項目，基于各項技術(shù)，通過工藝變型設(shè)計解決了工藝效率不高的問題。但在家居領(lǐng)域內(nèi)，變型設(shè)計的相關(guān)研究尚少，較少有學者能夠關(guān)注到家居行業(yè)目前的發(fā)展境況，相較于其他領(lǐng)域，家居制造行業(yè)的工藝變型設(shè)計還處于探索階段。因此，急需相關(guān)研究來填補工藝變型設(shè)計在家居制造行業(yè)的應用。

鑒于此，本研究基于零件族和產(chǎn)品族、事物特性表、分類編碼技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)以及模型架構(gòu)的搭建思路，結(jié)合大規(guī)模定制家居和柔性制造過程，研究并得出符合板式家具智能制造的工藝變型設(shè)計方法和思路，以期填補家居行業(yè)工藝變型設(shè)計技術(shù)與模型的空白，也為家居行業(yè)智能制造轉(zhuǎn)型升級過程中的工藝設(shè)計提供借鑒。

1 工藝變型設(shè)計內(nèi)涵及構(gòu)建必要性

1.1 工藝變型設(shè)計的內(nèi)涵

工藝變型設(shè)計就是利用相似度算法，檢索工藝數(shù)據(jù)庫中與之在產(chǎn)品、使用場景等相類似的工藝產(chǎn)品模型，在已有的設(shè)計基礎(chǔ)上，進行工藝模型的更改，以最快的速度、最少的工藝制定步驟，形成產(chǎn)品工藝過程的變型方法。通過工藝變型，可以大量減少在工藝設(shè)計中的反復操作，從根本上提高產(chǎn)品的設(shè)計效率和設(shè)計能力。結(jié)合家居制造工藝的概念，即通過工具和機械設(shè)備改變木材或木質(zhì)材料的幾何形狀、尺寸規(guī)格和物理性能等屬性，形成家居產(chǎn)品或零部件的過程中，利用工藝變型設(shè)計，來制定相關(guān)的技術(shù)要求和方法，最終形成相關(guān)工藝知識體系。

1.2 工藝變型設(shè)計對板式家具智能制造的必要性

板式家具智能制造產(chǎn)業(yè)格局不斷變化，產(chǎn)品的設(shè)計周期與生產(chǎn)周期大幅縮減，傳統(tǒng)的工藝管理模式已無法適應當前的市場環(huán)境[12]。為迅速提升家居企業(yè)生產(chǎn)力、降低生產(chǎn)投入成本，就必須加快針對家居領(lǐng)域的工藝變型設(shè)計的探索。其必要性體現(xiàn)在以下幾個方面：

1)家居制造領(lǐng)域工藝發(fā)展緩慢，工藝變型設(shè)計的研究存在缺失，與快速發(fā)展的智能制造過程不匹配。

2)工藝變型設(shè)計可簡化工藝制定流程，大幅提高工藝效率與質(zhì)量，加快家居制造的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

3)構(gòu)建工藝數(shù)據(jù)庫可規(guī)范工人師傅的工藝水平，工藝信息也得以保存與檢索，實現(xiàn)信息的關(guān)聯(lián)、共享和重復使用。

4)工藝數(shù)據(jù)庫是企業(yè)進行大規(guī)模定制與柔性化制造過程中信息交流的重要依據(jù)和渠道，為板式家具智能制造提供工藝信息來源。

2 工藝變型設(shè)計技術(shù)基礎(chǔ)

2.1 工藝變型設(shè)計系統(tǒng)搭建

工藝變型設(shè)計需要在企業(yè)的信息化管理系統(tǒng)中才能得以發(fā)揮作用，系統(tǒng)構(gòu)建是進行工藝變型設(shè)計的技術(shù)保障，該系統(tǒng)往往需要依靠不同獨立軟件的集合，將各個獨立系統(tǒng)、合理的工藝信息模型、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換標準和集成數(shù)據(jù)管理進行一體化集成，才能為家居工藝變型設(shè)計的實現(xiàn)提供保障，一般主要是指CAD、CAE、CAPP、CAM等各個系統(tǒng)的集成[13-14]。同時，一體化系統(tǒng)的集成還要求數(shù)據(jù)文件從產(chǎn)品設(shè)計到產(chǎn)品制造過程中保持一致性，并可以直接在系統(tǒng)間進行傳遞。在這個過程中，構(gòu)建工藝信息模型、規(guī)范統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換標準和集成數(shù)據(jù)管理是實現(xiàn)集成一體化的基礎(chǔ)。

CAD/CAE/CAPP/CAM一體化集成系統(tǒng)中，要保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?、可靠、高效以及提高系統(tǒng)的集成化程度，需要使各系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)保持一致，一般可采用通用的標準化數(shù)據(jù)交換標準[15]和工程數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)來實現(xiàn)，其集成過程如圖1所示。

圖1 CAD/CAE/CAPP/CAM一體化系統(tǒng)集成Fig.1 CAD/CAE/CAPP/CAM integrated system

在一體化集成系統(tǒng)中，CAPP模塊與工藝變型設(shè)計系統(tǒng)有著緊密聯(lián)系。工藝變型設(shè)計系統(tǒng)由硬件設(shè)備、傳輸運送系統(tǒng)、加工系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)構(gòu)成，共同實現(xiàn)板式家具的工藝變型設(shè)計。其中硬件設(shè)備在系統(tǒng)中承擔機械加工的作用，包括數(shù)控機床、普通數(shù)控設(shè)備、刀具量具等；傳輸運送系統(tǒng)通過傳送帶、AGV等完成板件運輸；加工系統(tǒng)由CAM所構(gòu)成；軟件系統(tǒng)則通過CAPP與ERP相連接進行管控，ERP、CAPP是連接產(chǎn)品設(shè)計與制造的橋梁，主要具備檢索標準工藝文件、選擇加工方法、優(yōu)化切削用量、計算加工時間和加工費用、繪制工序圖及編寫工序卡等功能。

2.2 工藝信息模型層次構(gòu)建

雖然一體化系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞與共享，但由于工藝設(shè)計具有較強的個性化和復雜化，工藝文件和流程也因企業(yè)的不同而具有特殊性，因此，為增強工藝模型的適應性和工藝信息的組織與表達，還需要通過層次化思想構(gòu)建工藝信息模型，該模型可分解成多個層次(界面層、功能層、技術(shù)層、用戶層、邏輯層和數(shù)據(jù)層)，以適應不同工藝變型設(shè)計的需要(圖2)。通過構(gòu)建層次化工藝信息模型，可實現(xiàn)工藝信息的關(guān)聯(lián)、流轉(zhuǎn)和運輸。

2.3 技術(shù)支持

工藝變型設(shè)計是依靠產(chǎn)品族與零件族技術(shù)、分類編碼技術(shù)、事物特性表(SML)等技術(shù)的支持實現(xiàn)的。在家居企業(yè)生產(chǎn)制造過程中產(chǎn)生的零件種類和數(shù)量繁多，借助產(chǎn)品族與零件族技術(shù)[16]可將大部分產(chǎn)品零部件按照功能和結(jié)構(gòu)進行分類歸族，構(gòu)建不同的數(shù)據(jù)庫表。分類編碼技術(shù)[17]是信息交換的共同語言，基于零件族和產(chǎn)品族技術(shù)，通過數(shù)字或字母來表示家具的屬性、功能、材質(zhì)、類別等特征，采用編碼技術(shù)可統(tǒng)一數(shù)據(jù)交換標準，便于構(gòu)建數(shù)據(jù)庫管理數(shù)據(jù)信息。產(chǎn)品族與零件族技術(shù)和分類編碼技術(shù)共同建立事物特性表[18]，事物特性表通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)表示格式描述產(chǎn)品零部件的幾何特征、制造特征以及功能特征，是建立工藝變型設(shè)計系統(tǒng)的關(guān)鍵。

圖2 工藝變型信息模型層次遞進關(guān)系圖Fig.2 Hierarchical relationship diagram of information model of process variant

在工藝過程中，基于工藝事物特性表建立工藝卡片基礎(chǔ)模型，將包含工藝信息的工藝卡片模型收入工藝卡片模版，從而形成工藝卡片。工藝模型是由工藝事物特性表和工藝卡片基礎(chǔ)模型構(gòu)建的，是快速變型設(shè)計的前提條件。在進行工藝變型設(shè)計的過程中，檢索到滿足需求的工藝模型，在此模型基礎(chǔ)上，利用工藝事物特性表某一行的特性值驅(qū)動生成工藝卡片模型，通過變更不同行的特性值以此生成不同的工藝卡片模型，達到變型的結(jié)果。

3 工藝變型設(shè)計方法

3.1 工藝變型設(shè)計思路

本研究的工藝變型設(shè)計的基本思路是基于CAD/CAE/CAPP/CAM一體化集成系統(tǒng)，在構(gòu)建系統(tǒng)、層次化的工藝信息模型的基礎(chǔ)上進行工藝變型設(shè)計。整體思路和架構(gòu)如圖3所示，包括工藝事物特性表建模、工藝建模和工藝卡片基礎(chǔ)建模三大模塊的設(shè)計，分別對應圖中B、C、D 3個區(qū)域。由于在變型設(shè)計過程中，不同模塊間通過一體化集成系統(tǒng)互相關(guān)聯(lián)，依據(jù)A區(qū)域，即工藝變型原理，當工藝模型中的工藝特性參數(shù)發(fā)生變化時，基于工藝事物特性表的產(chǎn)品族工藝變型設(shè)計系統(tǒng)，會隨即生成符合設(shè)計要求的工藝文檔。

圖3 家具零部件工藝變型設(shè)計思路流程Fig.3 Process variant design idea flow chart of furniture parts

3.2 工藝編碼技術(shù)的構(gòu)建

在工藝變型設(shè)計的研究中要想實現(xiàn)信息化的工藝管理并建立完整的工藝數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，解決工藝生產(chǎn)管理煩瑣、勞動生產(chǎn)率不高的問題，對材料、工段、工序、加工路線和設(shè)備等工藝信息進行編碼操作十分關(guān)鍵。熊先青等[19]在家具制造工藝編碼領(lǐng)域進行了全面、系統(tǒng)的探討，本研究在此基礎(chǔ)上結(jié)合大規(guī)模定制和柔性化制造制成圖4，得出符合工藝變型設(shè)計的數(shù)字編碼方案。

針對工藝變型設(shè)計所制定的工藝、工段、工序、加工路線和設(shè)備等工藝信息，可依據(jù)表1分別確定各自編碼，組成該零件加工工藝的識別代碼。貼合家居企業(yè)工藝變型設(shè)計的編碼技術(shù)既能清楚地說明工藝流程和加工設(shè)備，實現(xiàn)科學的流水線設(shè)計與生產(chǎn)作業(yè)，又能便于客戶查看自己訂購產(chǎn)品零部件的加工狀況，提高了企業(yè)信息化管理水平。

圖4 工藝編碼結(jié)構(gòu)Fig.4 Schematic diagram of process code structure

表1 工藝信息分類編碼Table 1 Classification and coding of process information

家居企業(yè)在家具零部件生產(chǎn)制造過程中的任意工藝過程，有且僅有唯一的工藝代碼與之相對應。由圖5和表1對應可知，以零件工藝代碼03.11-HD31310403011為例，表示為HD客戶的11 mm厚的實木板材在直線封邊機上使用ABS條進行封邊工藝生產(chǎn)。

3.3 工藝事物特性表建模

工藝事物特性表是在事物特性表的基礎(chǔ)上，結(jié)合產(chǎn)品族加工工藝以及工藝的約束特性建立的。工藝事物特性表建模見圖3區(qū)域B，根據(jù)實際工藝需求與事物特性表內(nèi)的信息，使用到的工藝特性參數(shù)如板長、板寬、厚度、粗糙度、平整度、加工余量、加工公差、封邊帶膠種、過機速度、溶膠溫度、涂膠溫度、加工機型、氣缸壓力等標準文件編號等。

根據(jù)有關(guān)標準對產(chǎn)品族工藝事物特性表進行設(shè)計，表頭是各種工藝事物特性的集合，表格的每一行表示一個產(chǎn)品工藝特性參數(shù)的案例，表格的每一列代表該產(chǎn)品某一工藝特性的參數(shù)信息。以方材膠合工藝為例，制作圖5。根據(jù)標準特性代碼采用字母序列表示，主動特性用字母序列A01～J09 表示；從動特性是由主動特性經(jīng)過公式計算得到的特性數(shù)值，用DAA～DZZ 表示；其他特性為非主動特性和從動特性，卻也在描述模型的特性，用AAA～AZZ 表示。

主動特性A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L、M分別表示板長、板寬、厚度、粗糙度、平整度、加工余量、加工公差、封邊帶膠種、過機速度、溶膠溫度、涂膠溫度、加工機型、氣缸壓力；從動特性DAA表示封邊工藝；其他特性 AAA 表示標準文件編號方式。其中A、B、C、H、I、J、K、L、M對DAA有著約束特性。

圖5 木材事物特性表及其約束關(guān)系圖Fig.5 Characteristic table of wood and its constraint relation diagram

3.4 工藝建模

工藝建模流程發(fā)生在產(chǎn)品設(shè)計(CAD)和產(chǎn)品分析(CAE)之后，主要目的是建立工藝模型，建模過程對應圖3區(qū)域C，其構(gòu)建的工藝模型是對產(chǎn)品設(shè)計結(jié)果的一種描述。工藝模型的構(gòu)建經(jīng)歷了4個階段，如圖6所示。構(gòu)建的工藝模型可與產(chǎn)品需求信息結(jié)合，通過設(shè)計變量對工藝參數(shù)進行更改和替換，驅(qū)動生成新的工藝，實現(xiàn)工藝變型。

圖6 家具零部件工藝建模流程Fig.6 Process modeling flow chart of furniture parts

3.5 工藝卡片基礎(chǔ)建模

工藝卡片基礎(chǔ)建模用來生成因工藝事物特性表中特性參數(shù)的改變，驅(qū)動工藝變型設(shè)計的工藝卡片基礎(chǔ)模型,如圖3區(qū)域D所示。工藝事物特性表用來描述工藝卡片模型中的變量，將表中的特性參數(shù)與工藝卡片模型參數(shù)相關(guān)聯(lián)，方便下一步的工藝變型設(shè)計。工藝卡片相當于是操作工人和生產(chǎn)機器的“員工手冊”，是工藝生產(chǎn)操作的準則，在加工過程中用來指導工人的各種操作要求和工藝要求。好的工藝卡片可以直接決定加工質(zhì)量和裝配質(zhì)量，良好的工藝過程可以提升生產(chǎn)效率、降低成本。工藝卡片模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖7所示，可為數(shù)據(jù)信息構(gòu)建提供思路。

圖7 工藝卡片模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Fig.7 Process card model data structure diagram

工藝卡片模型由眾多數(shù)據(jù)信息構(gòu)成，工藝卡片基礎(chǔ)模型(Craft_Card)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示為：

Craft_Card =

Procedure =

Route =

其中，工藝卡片模型Craft_Card是由工藝路線Route對工序Procedure進行規(guī)劃構(gòu)成的。Procedure表示為工序，工序可以分為Procedure 1，Procedure 2，…，Procedurem等m種工序；Route表示為工藝路線，有Route 1，Route 2，…，Routen等n條工藝路線。

每一種工序有著不同規(guī)劃的工步。工步(Step)可以用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示為：

Step=

其中，工步包含工藝裝備信息(Tooling)、工藝參數(shù)信息(Para)、工藝標準文檔信息(StandDoc)、輔助材料信息(AM)和備注信息(CM)。例如工藝裝備信息Tooling由Tooling 1，Tooling 2，…，Toolingn構(gòu)成，公式如下，其他工藝信息可以此類推。

Tooling =

4 工藝變型設(shè)計流程

工藝變型設(shè)計過程是在實現(xiàn)工藝事物特性表建模、工藝模型構(gòu)建和工藝卡片基礎(chǔ)建模的基礎(chǔ)上，將圖3區(qū)域A中工藝事物特性表中某一行的工藝特性值作為變量，系統(tǒng)自動開始從工步內(nèi)容的第一個字符尋找參數(shù)特殊符號，以此來驅(qū)動修改工藝卡片基礎(chǔ)模型中的工藝特性參數(shù)，最終生成滿足要求的工藝文檔，實現(xiàn)產(chǎn)品族工藝變型設(shè)計，具體過程如圖8所示。

圖8 家具零部件工藝變型設(shè)計原理Fig.8 Schematic diagram of process variant design of furniture parts

5 案例分析

本研究通過對某家居企業(yè)板式家具封邊工序為例進行了驗證，對板式家具封邊工藝進行快速的設(shè)計和制定，如圖9所示。

圖9 板式家具封邊工藝變型設(shè)計過程Fig.9 Variant design process of panel furniture edge sealing process

板式家具封邊工藝變型設(shè)計過程包含4個部分：檢索是否存在工藝模型(是)；將工藝事物特性表某一行的特性值作為參數(shù)變量；利用工藝事物特性表的4種參數(shù)變量驅(qū)動工藝卡片基礎(chǔ)模型生成4種不同的工藝卡片模型；工藝變型測試(符合設(shè)計和工藝要求)，完成封邊工藝的快速變型設(shè)計。該變型過程只需對加工工藝如過機速度、溶膠溫度、涂膠溫度以及加工機器的選擇等變量參數(shù)信息進行快速修改，而其他基礎(chǔ)信息可實現(xiàn)重用。通過推理分析，工藝變型設(shè)計在該家居企業(yè)應用可使原41人7 d完成的工作量降低至33人5.5 d完成，效率提升58%。

該家居企業(yè)家具設(shè)計過程、包裝過程等都已采用了標準化模式，通過對工藝變型設(shè)計的研究，家具工藝流程的設(shè)計與制定也實現(xiàn)了標準化。家具工藝變型設(shè)計的提出，能夠快速實現(xiàn)工藝的柔性化制造，簡化了工藝制定流程。通過工藝變型設(shè)計可以將設(shè)計數(shù)據(jù)與工藝數(shù)據(jù)通過一體化集成系統(tǒng)進行無縫對接與共享，保證了數(shù)據(jù)文件的可靠、高效和一致性。對客戶來說，工藝變型設(shè)計及一體化集成系統(tǒng)可實現(xiàn)客戶對已購買的家具產(chǎn)品的在線把控和查看工藝進展，對家居產(chǎn)業(yè)銷售和服務模式實現(xiàn)了升級。通過對該家居企業(yè)封邊工藝進行快速設(shè)計以及對該家居企業(yè)帶來的各項技術(shù)革新，驗證了工藝變型設(shè)計應用于實際生產(chǎn)的可行性。

通過應用研究，工藝變型設(shè)計方法還存在一定的不足，比如目前很多家居企業(yè)配備的軟件和硬件還不夠充分，對制造設(shè)備進行柔性的變動存在一定的困難；工藝信息在軟件系統(tǒng)上快速、平穩(wěn)地流轉(zhuǎn)運行還不能完美地實現(xiàn)；參數(shù)和尺寸修改若無法滿足日益變化的市場需求時，則需融入更多的創(chuàng)造性思維進行結(jié)構(gòu)變型；以及大部分家居企業(yè)技術(shù)設(shè)備還不能達到工藝變型設(shè)計所適用的條件。筆者僅通過文章構(gòu)建工藝變型設(shè)計理論與模型，具體工藝分析、變型過程需要在生產(chǎn)實踐中進行驗證，相關(guān)實驗及工藝變型設(shè)計在企業(yè)中的應用還需研究者進一步深入研究。

6 結(jié) 語

家居制造企業(yè)若準備在經(jīng)濟全球化、智能全球化的今天對變幻莫測的市場快速做出反應，以最快的速度推出高質(zhì)量的木家具制品，正在起步的木制品工藝變型設(shè)計便是關(guān)鍵。本研究也是針對新的家居市場環(huán)境做出的一次嘗試，AI人工智能、智能制造、虛擬制造技術(shù)等在不同程度上高速推進，CAD/CAE/CAPP/CAM一體化技術(shù)的探索也逐步向著集成化、網(wǎng)絡化、智能化、標準化方向發(fā)展，針對木制品的工藝快速變型可以為家具制造領(lǐng)域提供新的思考點和突破點。