數(shù)字化工裝設(shè)計(jì)管理平臺(tái)研究與應(yīng)用

撰文/北京科思誠(chéng)科技有限公司 龐艷

數(shù)字化工裝設(shè)計(jì)管理平臺(tái)研究與應(yīng)用

撰文/北京科思誠(chéng)科技有限公司 龐艷

本文立足數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造的理念，基于模塊化和知識(shí)重用思想，提出了數(shù)字化工裝設(shè)計(jì)管理平臺(tái)。該平臺(tái)構(gòu)建設(shè)計(jì)與管理二元一體協(xié)同工作環(huán)境，實(shí)現(xiàn)工裝從任務(wù)書到維護(hù)的實(shí)時(shí)報(bào)表統(tǒng)計(jì)和閉環(huán)全流程監(jiān)控，具有工裝設(shè)計(jì)、制造和集成管理的智能輔助功能，極大地提高工裝設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，并降低成本。

一、目的和意義

新興的工業(yè)4.0浪潮對(duì)傳統(tǒng)制造業(yè)提出了更高的要求。航空航天行業(yè)產(chǎn)品具有高難度，高復(fù)雜性，高集成度的特點(diǎn)，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造的有效性和準(zhǔn)確率要求嚴(yán)格。其中，工藝裝備在航天航空等復(fù)雜產(chǎn)品研制中有舉足輕重的地位，也是瓶頸環(huán)節(jié)。航空航天工藝裝備制造企業(yè)與國(guó)外同行業(yè)存在的差距具體表現(xiàn)在：（1）設(shè)計(jì)方法落后，開發(fā)周期長(zhǎng)；（2）工作過(guò)程缺乏有效管理，信息“孤島”多；（3）廠際合作增多，協(xié)同聯(lián)動(dòng)少；（4）歷史經(jīng)驗(yàn)豐富，綜合利用少。

面對(duì)上述問(wèn)題，借助現(xiàn)代設(shè)計(jì)工具，遵循系統(tǒng)/邏輯的設(shè)計(jì)方法，本文深入研究設(shè)計(jì)、工藝、管理一體化的集成模式，目的就是利用數(shù)字化技術(shù)，結(jié)合模塊化、多元化和智能化工裝設(shè)計(jì)手段，建立一個(gè)數(shù)字化的工裝設(shè)計(jì)管理集成平臺(tái)。主要探索兩個(gè)方面的創(chuàng)新可行性：（1）模塊化設(shè)計(jì)和知識(shí)重用一體化；（2）設(shè)計(jì)與管理一體化。

二、設(shè)計(jì)思路

目前，工業(yè)設(shè)計(jì)制造行業(yè)趨向智能一體化發(fā)展，將先進(jìn)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)有效融合，提出了數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造理念。

針對(duì)工裝產(chǎn)品，數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造的基本思想和方法主要在于標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化設(shè)計(jì)思想以及知識(shí)重用思想。

1.標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化設(shè)計(jì)思想

標(biāo)準(zhǔn)化就是做到設(shè)計(jì)規(guī)范化，要素通用化和產(chǎn)品系列化。在歸納與分檔的基礎(chǔ)上，總結(jié)規(guī)范性文件和典型結(jié)構(gòu)，按照一定規(guī)律管理產(chǎn)品要素，最終派生出變型的系列工藝裝備。

模塊化的原則是高內(nèi)聚，低耦合。每個(gè)模塊功能和結(jié)構(gòu)具有獨(dú)立性、完整性、可調(diào)性和互換性。模塊間接口便于拆分和組裝。

2.知識(shí)重用思想

研究證明，約75%的新設(shè)計(jì)是基于以往的設(shè)計(jì)實(shí)例，經(jīng)過(guò)優(yōu)化和修改得到的。提高工裝產(chǎn)品的整體水平，須有規(guī)范的工裝設(shè)計(jì)管理方法，將積累的數(shù)據(jù)、模型、設(shè)計(jì)手冊(cè)、圖表與設(shè)計(jì)方案等統(tǒng)一存放管理，實(shí)現(xiàn)工裝資源及時(shí)、準(zhǔn)確且無(wú)歧義性地共享。

本文運(yùn)用模塊化和知識(shí)重用思想，打通知識(shí)循環(huán)底層通道，營(yíng)造智能設(shè)計(jì)制造“生態(tài)環(huán)境”，構(gòu)筑數(shù)字化工裝設(shè)計(jì)管理平臺(tái)。

三、解決方案

數(shù)字化工裝設(shè)計(jì)管理平臺(tái)包含：前臺(tái)，在NX環(huán)境下開發(fā)的設(shè)計(jì)向?qū)Э蓪?shí)現(xiàn)模塊和產(chǎn)品級(jí)設(shè)計(jì)建模；后臺(tái)，在PDM軟件中借助工裝資源庫(kù)，結(jié)合數(shù)據(jù)管理方法實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)到制造工藝周期的全流程管理。

平臺(tái)包含工裝設(shè)計(jì)系統(tǒng)和工裝管理系統(tǒng)兩部分?；赑DM與CAD雙向集成技術(shù)，與工藝流程集成，在協(xié)同環(huán)境下實(shí)現(xiàn)工裝全周期管理。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。其中，NX Manager模塊提供NX與PDM之間通信，實(shí)現(xiàn)模型簽入簽出。

圖1　 數(shù)字化工裝設(shè)計(jì)管理系統(tǒng)軟件架構(gòu)

1.工裝設(shè)計(jì)系統(tǒng)

工裝設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工裝選取、查詢、重命名、參數(shù)修改和一鍵式出圖。

主要包含（專用、通用）工裝模塊化設(shè)計(jì)和一套地面設(shè)備設(shè)計(jì)向?qū)?。工裝設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。實(shí)施流程分兩步。

圖2　工裝設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)

第一步，按照使用功能梳理出典型工裝模塊，以及每種模塊的主要設(shè)計(jì)參數(shù)（也稱驅(qū)動(dòng)參數(shù)）表單。結(jié)合NX特征建模和表達(dá)式功能，創(chuàng)建工裝三維模型和工程圖樣。兩者的屬性必須同步。

第二步，采用VC++語(yǔ)言，結(jié)合NX OPEN/API、UI Style技術(shù)，設(shè)計(jì)用戶交互界面，建立程序中回調(diào)函數(shù)和三維模型中驅(qū)動(dòng)參數(shù)的邏輯關(guān)聯(lián)關(guān)系。最終實(shí)現(xiàn)程序驅(qū)動(dòng)模型變形。以孔用塞規(guī)為例，設(shè)計(jì)界面如圖3所示。

圖3　孔用塞規(guī)程序界面

工裝設(shè)計(jì)系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了工裝模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，還衍生出豐富的工裝資源庫(kù)，如材料庫(kù)、結(jié)構(gòu)庫(kù)、標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)和模板庫(kù)等，使得以往經(jīng)驗(yàn)得以積累并升華。

工裝設(shè)計(jì)系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)的工裝設(shè)計(jì)制造方法中設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、工藝性差和返工率高等缺點(diǎn)，充分利用歷史經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化了設(shè)計(jì)方法，提高了效率，為產(chǎn)品創(chuàng)新提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.工裝管理系統(tǒng)

工裝管理系統(tǒng)主要功能分為：基礎(chǔ)性管理、工藝集成管理和個(gè)性化管理。

（1）基礎(chǔ)性管理，針對(duì)如人員組織、權(quán)限、文檔、版本、可視化、變更審批、知識(shí)庫(kù)和資源庫(kù)管理等。

工裝管理系統(tǒng)在Windows平臺(tái)、Oracle10數(shù)據(jù)庫(kù)環(huán)境下，采用C/S與B/S結(jié)合的四層結(jié)構(gòu)部署配置而成。由數(shù)據(jù)庫(kù)和Teamcenter管理子系統(tǒng)組成。其中，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)包含工裝材料庫(kù)、標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)、常用件庫(kù)、模板庫(kù)和知識(shí)庫(kù)，基本囊括了工裝設(shè)計(jì)中大部分設(shè)計(jì)要素。Teamcenter提供人員、權(quán)限、數(shù)據(jù)、流程、變更和BOM（Bill of Material）等相關(guān)管理。

以標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)為例，管理界面如圖4所示。此界面能快捷查看標(biāo)準(zhǔn)件三維模型、簡(jiǎn)圖和屬性列表，可大大提高設(shè)計(jì)效率。

圖4　 TC標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)管理界面

（2）工藝集成管理，搭建工藝BOM；基線管理；工裝成熟度管理。

在工裝管理系統(tǒng)中，基于設(shè)計(jì)部門提供的設(shè)計(jì)BOM，依照特定映射規(guī)則自動(dòng)生成工藝BOM，進(jìn)而制造部門開始工藝規(guī)劃。同時(shí)，在Teamcenter中采用打基線的方式，在每個(gè)模型（報(bào)告）完成時(shí)，添加標(biāo)識(shí)，增強(qiáng)項(xiàng)目文件可識(shí)別度。

引入產(chǎn)品成熟度來(lái)衡量并監(jiān)管工裝設(shè)計(jì)制造流程，結(jié)合更改和審批流程，可實(shí)現(xiàn)對(duì)工裝有效管控。這里將產(chǎn)品成熟度劃分為5個(gè)一級(jí)等級(jí)（XH01-XH05），每個(gè)一級(jí)等級(jí)又分4個(gè)二級(jí)等級(jí)（如XH011-XH015），每個(gè)等級(jí)均配備設(shè)計(jì)和審批人員。成熟度模型增強(qiáng)了設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)對(duì)工裝在產(chǎn)品全周期中所處的階段和方案（模型等）完備程度的全局性認(rèn)識(shí)。

（3）個(gè)性化管理，采用JAVA開發(fā)的工裝數(shù)據(jù)查詢和數(shù)據(jù)管理功能。

工裝管理系統(tǒng)能夠根據(jù)工裝的分類、庫(kù)存以及工裝申請(qǐng)計(jì)劃，自動(dòng)生成各類工裝報(bào)表。工裝管理人員根據(jù)統(tǒng)計(jì)出來(lái)的情況進(jìn)行后續(xù)生產(chǎn)的相關(guān)準(zhǔn)備。

工裝管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)生成工裝入庫(kù)統(tǒng)計(jì)、出庫(kù)下發(fā)統(tǒng)計(jì)、周檢信息統(tǒng)計(jì)、工裝狀態(tài)統(tǒng)計(jì)，費(fèi)用統(tǒng)計(jì)等各種庫(kù)存報(bào)表，能夠在系統(tǒng)中實(shí)時(shí)查詢到工裝數(shù)量、當(dāng)前具體關(guān)聯(lián)信息及工裝周檢預(yù)警等，便于管理者及時(shí)掌握工裝歷史數(shù)據(jù)和當(dāng)前使用情況。

JAVA技術(shù)開發(fā)的二級(jí)資源庫(kù)管理界面如圖5所示。

圖5　工裝任務(wù)書申請(qǐng)界面

四、結(jié)語(yǔ)

數(shù)字化工裝設(shè)計(jì)管理平臺(tái)基于先進(jìn)的數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)、工藝、管理有機(jī)結(jié)合。

規(guī)范工裝設(shè)計(jì)管理方法，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)制造工作，將工裝設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)歸納共享，大大提高了工裝產(chǎn)品自主創(chuàng)新能力。下一步，可以研究多站點(diǎn)異地協(xié)同環(huán)境下，大裝配產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)工作。