軍用電子產(chǎn)品數(shù)字化協(xié)同設計平臺研究與應用*

張光文

（四川九洲電器集團有限責任公司，四川綿陽 621000）

引 言

以雷達為代表的復雜軍事電子裝備產(chǎn)品的研發(fā)面臨著多品種、少批量、技術(shù)狀態(tài)變更頻繁、多學科耦合等特點，其需求管理、項目管理、產(chǎn)品設計、制造管理等復雜度都很高[1]。九洲電器作為國內(nèi)二次雷達設備科研生產(chǎn)的大型骨干企業(yè)，在快速發(fā)展過程中，也面臨著諸多問題和挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在仍然采用以二維為主三維為輔、物理樣機迭代驗證為主的傳統(tǒng)產(chǎn)品研制模式，設計、工藝、制造和檢驗之間存在大量頻繁的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，多專業(yè)領域之間協(xié)同難度大，工程變更頻繁，物料清單（Bill of Material, BOM）準確率難以保證，機電專業(yè)領域之間協(xié)同不夠，難以有力支撐產(chǎn)品快速研發(fā)和及時交付。

隨著數(shù)字化和智能化技術(shù)的不斷發(fā)展和應用，眾多單位都在復雜機電產(chǎn)品數(shù)字化研制模式變革方面開展工作，包括采用基于模型定義（Model Based Definition, MBD）技術(shù)實現(xiàn)設計制造一體化[2-4]、數(shù)字化虛擬樣機驅(qū)動研制過程[5-6]、協(xié)同平臺的關鍵技術(shù)研究[7]、一體化BOM數(shù)據(jù)鏈構(gòu)建[8-9]、協(xié)同研發(fā)體系建立[10]等，通過將數(shù)字化技術(shù)應用到復雜裝備的研發(fā)中，幫助企業(yè)提高研發(fā)效率、節(jié)約成本、提升創(chuàng)新能力。

面向數(shù)字化轉(zhuǎn)型，九洲電器確定“數(shù)據(jù)驅(qū)動”戰(zhàn)略，樹立“數(shù)據(jù)就是增量”的新數(shù)據(jù)觀，全面推進科研生產(chǎn)核心業(yè)務的數(shù)字化，通過信息化能力建設強化基礎支撐，助力交付能力打造提升，支撐公司高質(zhì)量發(fā)展。數(shù)字化協(xié)同設計平臺的建設，是數(shù)字轉(zhuǎn)型的重要抓手，旨在建立基于MBD的數(shù)字化產(chǎn)品規(guī)劃、仿真、管理協(xié)同平臺，以一體化BOM數(shù)據(jù)為核心，實現(xiàn)產(chǎn)品研制過程中管理信息、產(chǎn)品信息、資源信息、制造信息、成本信息、質(zhì)量信息等有效整合和管控，從而提升企業(yè)的研發(fā)能力、制造能力、管理能力和協(xié)同能力。

1 協(xié)同平臺功能框架及關鍵技術(shù)

1.1 功能框架

數(shù)字化協(xié)同設計平臺以軍事電子產(chǎn)品研制業(yè)務需求為核心，借助西門子產(chǎn)品生命周期管理（Product Lifecycle Management, PLM）平臺，從產(chǎn)品數(shù)字化協(xié)同設計、機加工藝設計及仿真、裝配工藝規(guī)劃及仿真、印刷電路板（Printed Circuit Board, PCB）工藝及驗證、導航式研發(fā)、企業(yè)知識、技術(shù)狀態(tài)管理、系統(tǒng)集成等方面進行總體規(guī)劃和設計，重點實現(xiàn)基于MBD的三維產(chǎn)品設計及仿真、三維工藝規(guī)劃及仿真和全三維協(xié)同環(huán)境構(gòu)建。平臺功能框架包括六大部分，見圖1。

圖1 數(shù)字化協(xié)同設計平臺功能框架圖

1）建立符合MBD設計要求的企業(yè)級標準規(guī)范，實現(xiàn)對三維模型進行數(shù)字化定義，能夠基于設計規(guī)范進行模型檢查，通過產(chǎn)品制造信息（Product Manufacturing Information, PMI）標注實現(xiàn)對設計信息和制造信息的三維表達。

2）實現(xiàn)基于MBD的全三維設計和工藝一體化的產(chǎn)品協(xié)同研發(fā)，以三維模型為載體，支持機、電、軟跨專業(yè)協(xié)同設計，實現(xiàn)數(shù)字化工藝規(guī)劃及仿真驗證和三維可視化制造。

3）構(gòu)建貫穿整個研制過程的機電一體化BOM，實現(xiàn)覆蓋設計和工藝所有環(huán)節(jié)的技術(shù)狀態(tài)精準管控，保證數(shù)據(jù)的完整性、一致性和準確性。

4）統(tǒng)一企業(yè)級基礎資源庫，覆蓋設計資源和工藝資源，實現(xiàn)資源庫分類體系定義，支持資源（元器件、標準件、設備、工裝等）建模，為全三維數(shù)字化樣機的形成提供基礎支撐。

5）構(gòu)建單一數(shù)據(jù)庫軟硬件環(huán)境，支持數(shù)字化協(xié)同設計平臺內(nèi)部集中、集成和安全的數(shù)據(jù)傳遞。

6）采用統(tǒng)一和標準的外部集成接口，實現(xiàn)協(xié)同設計平臺與上下游相關業(yè)務系統(tǒng)的緊密集成，實現(xiàn)順暢的數(shù)據(jù)交換。

1.2 關鍵技術(shù)

1.2.1 在線機電協(xié)同設計

雷達設計涵蓋結(jié)構(gòu)設計、電路設計、軟件設計等多學科專業(yè)，九洲電器在傳統(tǒng)的研發(fā)過程中，各專業(yè)管理人員和技術(shù)人員隸屬于不同的研發(fā)部門，分布于不同的辦公環(huán)境，采用不同的設計軟件，各環(huán)節(jié)之間主要以文件方式進行協(xié)調(diào)和評審，研發(fā)流程以及數(shù)據(jù)之間的關聯(lián)和集成度較低，協(xié)同設計效率不高，技術(shù)狀態(tài)變更比較頻繁。

通過采用MBD技術(shù)，以三維模型作為協(xié)同研發(fā)的數(shù)字化信息載體，建立基于模型的自頂向下的雷達設計控制結(jié)構(gòu)，梳理固化機電一體化協(xié)同設計流程，完成設計模式從二維為主、三維為輔到全三維的轉(zhuǎn)變。

1）采用關聯(lián)設計技術(shù)，梳理分析雷達產(chǎn)品從總體設計、分系統(tǒng)設計到零部件設計的參數(shù)化控制結(jié)構(gòu)，建立自頂向下的參數(shù)分解和控制模式，形成了產(chǎn)品級的數(shù)字化協(xié)同研制新機制。雷達自頂向下設計控制結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 雷達自頂向下設計控制結(jié)構(gòu)圖

構(gòu)建控制結(jié)構(gòu)樹，由上到下傳遞設計約束關系?？傮w設計人員確定總體控制參數(shù)，將控制參數(shù)分解傳遞到各分系統(tǒng)，約束各分系統(tǒng)的設計。分系統(tǒng)設計人員接收總體控制參數(shù)，進一步分解傳遞給機電專業(yè)設計人員，約束具體的零部件設計。

詳細設計階段建立產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹，基于MBD的全三維設計模式（結(jié)構(gòu)和線路）的所有零部件（自制結(jié)構(gòu)件、PCB板、元器件、標準件、電纜、線束等）均建立三維模型，支撐全三維數(shù)字化樣機的形成。

在控制結(jié)構(gòu)樹與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹之間建立相關性，當控制結(jié)構(gòu)發(fā)生更改時，自動觸發(fā)相關專業(yè)的詳細設計變更。

2）構(gòu)建機電協(xié)同設計流程，將結(jié)構(gòu)設計、原理圖設計和PCB設計三者按照業(yè)務邏輯進行有機串聯(lián)和銜接，通過流程中權(quán)限的精確控制，使結(jié)構(gòu)設計與線路設計在統(tǒng)一流程規(guī)范下協(xié)同工作。各專業(yè)設計師統(tǒng)一進行在線設計，減少本地數(shù)據(jù)管理，有效控制研發(fā)數(shù)據(jù)版本。機電協(xié)同設計過程見圖3。圖中PDM為產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（Product Data Management），NX為軟件名稱。

圖3 機電協(xié)同設計過程圖

在協(xié)同平臺中，以型號項目為中心，統(tǒng)一定義研發(fā)項目團隊，建立統(tǒng)一的協(xié)同工作區(qū)，從而實現(xiàn)對項目人員和數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管控。打破職能部門劃分，將各業(yè)務范圍和各專業(yè)的管理人員和技術(shù)人員統(tǒng)一在一個項目團隊中進行管理，按照專業(yè)和業(yè)務范圍等靈活配置權(quán)限。按照研制階段、產(chǎn)品類型、專業(yè)門類等對各專業(yè)數(shù)據(jù)進行合理分類、組織和共享。

機電設計采用全三維設計理念，通過基線及增量文件的在線互傳實現(xiàn)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)與線路數(shù)據(jù)的相互繼承、迭代和協(xié)同，通過溝通在線化和載體可視化使得多專業(yè)之間的協(xié)同設計更加直觀高效，減少反復更改的次數(shù)。

1.2.2 一體化BOM管理

針對九洲電器傳統(tǒng)研制過程中各環(huán)節(jié)BOM獨立管理、準確率較低的問題，結(jié)合上下游業(yè)務對BOM管理的切實需求，制訂“規(guī)范BOM管理、提高BOM準確率、從源頭上保障科研生產(chǎn)高效精準運行、支撐交付能力提升”的目標，明確設計工程物料清單（Engineering Bill of Material, EBOM）、工藝物料清單（Process Bill of Material, PBOM）、制造物料清單（Manufacturing Bill of Material, MBOM）的業(yè)務范圍、關聯(lián)關系和變更控制機制，實現(xiàn)一體化BOM技術(shù)狀態(tài)的精準管控。

1）清晰定義EBOM、PBOM和MBOM的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、屬性信息等，明確BOM之間的關聯(lián)關系，見圖4。

圖4 EBOM、PBOM和MBOM數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖

EBOM面向產(chǎn)品設計環(huán)節(jié)，包含產(chǎn)品模型、圖紙、參數(shù)、技術(shù)要求等數(shù)據(jù)。PBOM面向工藝設計環(huán)節(jié)，包含工藝路線、工序、工步、消耗件、毛坯件、拆分件、工裝設備資源、原材料、輔料等工藝數(shù)據(jù)。MBOM面向生產(chǎn)環(huán)節(jié)，包含生產(chǎn)批次、產(chǎn)線、設備、質(zhì)量等數(shù)據(jù)，指導車間生產(chǎn)執(zhí)行。以EBOM為數(shù)據(jù)源頭，依次派生PBOM和MBOM。

2）通過PLM平臺與機電設計工具的無縫集成，實現(xiàn)源頭EBOM自動生成，見圖5。圖中NX, Cadence,Aside, Teamcenter為軟件名稱。

圖5 設計EBOM自動生成圖

結(jié)構(gòu)設計師在NX中保存裝配結(jié)構(gòu)、原理圖設計師在Cadence中保存原理圖、軟件設計師在Aside中發(fā)布軟件時，接口自動提取結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、線路數(shù)據(jù)和軟件數(shù)據(jù)至PLM平臺中，實現(xiàn)機電軟一體化EBOM的同步自動生成，取代人工搭建，實現(xiàn)EBOM數(shù)據(jù)的完整性、準確性和一致性。

3）采用BOM 多視圖的組織管理方式，貫通EBOM→PBOM→MBOM傳遞鏈路，見圖6。

圖6 機電軟一體化BOM演變圖

構(gòu)建多BOM 管理容器，在EBOM、PBOM 和MBOM之間建立關聯(lián)，設定數(shù)據(jù)傳播路徑，可以快速完成各級BOM初始化。依據(jù)各環(huán)節(jié)業(yè)務需求對相應BOM進行調(diào)整后，提供不同BOM之間的差異性比對，保證數(shù)據(jù)一致性。

4）圍繞一體化BOM開展技術(shù)狀態(tài)的精準管控，實現(xiàn)BOM數(shù)據(jù)源頭統(tǒng)一、變更協(xié)調(diào)、閉環(huán)受控，見圖7。

圖7 BOM技術(shù)狀態(tài)管控圖

采取基于模型的定義來建立單一產(chǎn)品數(shù)據(jù)源，以產(chǎn)品模型為核心，將產(chǎn)品論證、方案、軟硬件設計、工藝、制造、試驗等相關數(shù)據(jù)集中管理，形成以BOM為核心的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，對所有數(shù)據(jù)的形成、審批、更改等技術(shù)狀態(tài)進行統(tǒng)一記錄和管控。

1.2.3 三維工藝可視化

九洲電器原有的工藝業(yè)務模式是以二維計算機輔助工藝設計（Computer Aided Process Planning,CAPP）編制二維工藝卡片為主，與設計和制造環(huán)節(jié)之間存在大量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，同時也存在過度依靠工藝人員經(jīng)驗、工藝知識缺乏積累和重用機制、工藝文件編制工作費時費力、工藝文件更改不及時不統(tǒng)一、工藝統(tǒng)計匯總工作量大等一系列問題。

數(shù)字化協(xié)同設計平臺通過構(gòu)建基于模型的三維數(shù)字化工藝設計及仿真環(huán)境，實現(xiàn)了以基于模型的工藝數(shù)據(jù)定義為主的三維結(jié)構(gòu)化工藝設計，完成了工藝業(yè)務模式的轉(zhuǎn)變，真正成為連接設計與制造環(huán)節(jié)的樞紐。

1）通過在平臺中查看JT輕量化設計模型，工藝人員可以直觀、快速地理解設計意圖，進行可視化的工藝性審查分析，在線批注和反饋審查意見，提高產(chǎn)品可制造性。

2）通過NX的WAVE同步建模技術(shù)，基于三維設計模型快速構(gòu)建三維工序模型，開展三維工藝規(guī)劃設計，形成結(jié)構(gòu)化工藝清單（Bill of Process, BOP）數(shù)據(jù)模型，全面表達產(chǎn)品工藝設計信息，見圖8。

圖8 結(jié)構(gòu)化BOP圖

3）通過PLM平臺與Tecnomatix軟件的集成實現(xiàn)三維裝配工藝仿真，通過NX與Vericut軟件的集成實現(xiàn)三維零件工藝仿真，建立起基于模型的虛擬工藝仿真驗證環(huán)境，推動從物理樣機驗證向數(shù)字樣機驗證過渡。

4）平臺與下游制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System, MES）集成應用，為生產(chǎn)環(huán)節(jié)提供可視化、交互式三維電子工藝作業(yè)指導書，在生產(chǎn)現(xiàn)場電子看板上實時查看工藝模型及三維標注、工序卡片、3D快照、操作過程仿真動畫等，更直觀地指導工人開展基于模型的無紙化生產(chǎn)和檢驗，見圖9。

圖9 可視化電子作業(yè)指導書

1.2.4 企業(yè)級基礎資源庫

九洲電器原有的基礎資源數(shù)據(jù)主要是條目信息，設計人員習慣在本地線下管理相關資源數(shù)據(jù)，沒有建立統(tǒng)一的基礎資源管理模式，無法支撐開展基于全三維的設計。

數(shù)字化協(xié)同設計平臺通過資源數(shù)據(jù)梳理、建模和驗證，搭建了企業(yè)級的元器件符號、封裝、三維模型等設計資源庫以及工裝、設備、材料、輔料等工藝資源庫，為全三維數(shù)字化樣機形成及基于模型的仿真、工藝、制造和檢驗奠定基礎。

1）基礎資源庫包括設計資源庫和工藝資源庫，見圖10。

圖10 企業(yè)級基礎資源庫

通過與主數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、企業(yè)資源規(guī)劃（Enterprise Resource Planning, ERP）系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)和線路設計工具等實現(xiàn)緊密集成，保持基礎物料信息同步，自動關聯(lián)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，有效支持機電協(xié)同設計。

2）面向“個性化”和“共性化”資源需求，實現(xiàn)標準化和定制化資源庫相結(jié)合，一方面針對特定需求進行量身打造，另一方面規(guī)范標準器件選型和共享。

3）統(tǒng)一數(shù)據(jù)規(guī)范，制訂嚴格的質(zhì)量保障措施，保證基礎資源庫的統(tǒng)一性和規(guī)范性，維護、新增和修改都按照規(guī)范完成，實現(xiàn)基礎資源數(shù)據(jù)屬性完整、準確、可用。

2 協(xié)同平臺實施應用

2.1 實施保障

數(shù)字化協(xié)同設計平臺引入全三維一體化產(chǎn)品研制新理念、新方法和新模式，是貫穿設計、工藝、制造、檢驗等各個環(huán)節(jié)的體系工程，其實施涉及專業(yè)多，技術(shù)難度大，影響范圍廣，不單純是上線一套信息化系統(tǒng)，更是對企業(yè)技術(shù)和管理能力的雙重考驗。平臺實施需要企業(yè)高層領導高度重視以及業(yè)務部門與信息化部門的緊密配合，并在標準規(guī)范和流程優(yōu)化方面提供關鍵支撐。

2.1.1 標準規(guī)范

新模式的全面應用離不開標準規(guī)范的支撐，企業(yè)必須梳理和優(yōu)化MBD模式下的產(chǎn)品研制流程和標準規(guī)范，制定發(fā)布基于MBD的相關標準規(guī)范文件，包括產(chǎn)品BOM數(shù)據(jù)管理、三維模型建庫指南、三維零件建模規(guī)范、三維裝配建模規(guī)范、三維標注規(guī)范等，對全三維新模式下的相關職能職責、業(yè)務流程、操作規(guī)范等進行規(guī)定明確，體系化地指導各環(huán)節(jié)開展協(xié)同研制。在協(xié)同平臺中，對相關的標準規(guī)范進行固化實現(xiàn)，保證落地執(zhí)行。

2.1.2 流程優(yōu)化

圍繞全三維研制模式，開展主干業(yè)務流程梳理、分析和討論，建立面向制造的快速設計流程、基于MBD的機電協(xié)同流程、基于成熟度的設計工藝協(xié)同流程、工藝與工裝協(xié)同流程等，重點優(yōu)化新增元器件申請流程、科研臨時用料清單上線流程、臨時數(shù)據(jù)發(fā)布流程等。在流程優(yōu)化的基礎上，開展協(xié)同平臺相關功能開發(fā)，支撐并約束優(yōu)化流程的落地運行。

2.1.3 應用成果

數(shù)字化協(xié)同設計平臺上線后，通過持續(xù)有力的問題解決、閉環(huán)歸零和強化保障措施，不斷優(yōu)化提升系統(tǒng)使用效能和應用成熟度，基本實現(xiàn)協(xié)同在線化、樣機數(shù)字化和研制一體化，達到預期目標。

1）多個新研重點型號產(chǎn)品完全基于數(shù)字化協(xié)同設計平臺開展研制，多專業(yè)在線協(xié)同和全三維一體化的產(chǎn)品研制新模式落地，基于模型的設計、工藝、制造、檢驗全程貫通。

2）產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)精準管控能力大幅提升，核心BOM自動生成并向制造端透明傳遞，源頭數(shù)據(jù)可用性顯著提高，設計部門EBOM平均準確率有較大提升。

3）協(xié)同平臺成為新的協(xié)同研發(fā)中心和產(chǎn)品數(shù)據(jù)中心，新研產(chǎn)品數(shù)據(jù)量不斷增長，歷史產(chǎn)品數(shù)據(jù)的遷移穩(wěn)步推進。

3 結(jié)束語

數(shù)字化轉(zhuǎn)型已經(jīng)是企業(yè)的必由之路，九洲電器數(shù)字化協(xié)同設計平臺的建設和應用，是圍繞變革研制模式、提升交付能力的發(fā)展需求，將MBD技術(shù)與軍事電子產(chǎn)品研制業(yè)務相融合，推進科研生產(chǎn)核心業(yè)務數(shù)字化的關鍵舉措，已經(jīng)取得初步成效。在此基礎上，繼續(xù)向縱深推進全面系統(tǒng)的機電協(xié)同設計、多專業(yè)仿真工具的集成應用、基于工作流驅(qū)動的在線協(xié)同以及標準規(guī)范和基礎數(shù)據(jù)的進一步優(yōu)化完善，是未來的努力方向。