家電產(chǎn)品基于線體仿真的審查體系研究

珠海格力電器股份有限公司 李慶鑫

近幾年智能制造成為傳統(tǒng)制造業(yè)關(guān)注的焦點，數(shù)字化轉(zhuǎn)型成為企業(yè)推進(jìn)智能制造的首要任務(wù)。而在數(shù)字化轉(zhuǎn)型中要求產(chǎn)品研發(fā)前端能夠利用多學(xué)科仿真手段進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及加工可行性驗證。目前國內(nèi)家電研發(fā)已經(jīng)開始普遍采用CAE等有限元仿真軟件應(yīng)用在產(chǎn)品設(shè)計階段，包括跌落仿真驗證、管路結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布仿真等。反觀工藝研發(fā)階段，工藝裝配設(shè)計環(huán)節(jié)只能采用試錯模式和人為經(jīng)驗識別設(shè)計異常，導(dǎo)致產(chǎn)品首次樣機(jī)試制異常頻發(fā)，處理異常耗時耗力，產(chǎn)品研發(fā)周期增長，研發(fā)成本增加。當(dāng)下家電行業(yè)落后的工藝裝配設(shè)計手段已成為制約企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)的瓶頸點之一，如何利用更科學(xué)、更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)氖侄翁嵘に囇b配設(shè)計在方案階段的審查和異常識別能力，成為工藝數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵所在。

2 工藝裝配審查現(xiàn)狀

通過調(diào)研分析，現(xiàn)階段家電行業(yè)的工藝裝配審查主要存在兩個方面的缺陷制約企業(yè)在數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程中的工藝設(shè)計升級，概括來說主要是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)審查手段的落后和脫離生產(chǎn)實際的工藝方案設(shè)計。方案階段的異常低效識別會直接導(dǎo)致試裝階段產(chǎn)品異常頻發(fā)，從精益設(shè)計角度來看，設(shè)計結(jié)構(gòu)缺陷，工藝方案不合理點在方案階段越早被識別出來，處理成本越低，時間越短，隨時間向后推移，解決問題耗費的人力、物力將呈幾何倍數(shù)增加，最終導(dǎo)致產(chǎn)品整體研發(fā)周期增長，研發(fā)成本增加。

2.1 審查手段落后

現(xiàn)階段傳統(tǒng)的工藝裝配性審查往往只能借助三種手段：工藝工程師審查經(jīng)驗、三維軟件尺寸輔助測量、企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計規(guī)范等標(biāo)準(zhǔn)文件。在產(chǎn)品研發(fā)初期，三維結(jié)構(gòu)會進(jìn)行頻繁變更，工藝工程師需要對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行反復(fù)審查，經(jīng)驗式審查受個人主觀影響，不同工程師審查同一款產(chǎn)品，甚至同一工程師不同時間段審查同一款產(chǎn)品得到的審查結(jié)果都會存在差異。尺寸輔助測量和標(biāo)準(zhǔn)審查同樣依賴于工程師主觀意識，這種波動的審查結(jié)果直接影響產(chǎn)品研發(fā)最終交付制造端的質(zhì)量。同事在審查過程中，針對一些通過經(jīng)驗式審查得出的異常，在與設(shè)計工程師溝通過程中需要反復(fù)溝通確認(rèn)。

2.2 脫離生產(chǎn)實際

產(chǎn)品方案設(shè)計階段，受客觀因素限制，工藝工程師無法從線體層級考慮設(shè)計方案，普遍著眼于產(chǎn)品本身，工藝裝配設(shè)計方案按照定點式裝配思維開展，無法考慮量產(chǎn)實際生產(chǎn)情況，導(dǎo)致零件裝配順序與線體工位排布不對應(yīng)，生產(chǎn)工藝資源考慮不全面。工藝裝配方案未能考慮線體實際生產(chǎn)節(jié)拍，工序平衡評估不到位，小批量試制瓶頸工序機(jī)組堆積，生產(chǎn)效率低。最終導(dǎo)致試制工藝裝配方案到量產(chǎn)工藝裝配方案頻繁調(diào)整，工藝缺乏嚴(yán)謹(jǐn)性，裝配方案脫離實際。

3 基于線體審查體系

本審查體系在充分研究現(xiàn)有家電行業(yè)產(chǎn)品工藝設(shè)計開展現(xiàn)狀后，將仿真手段融入產(chǎn)品開發(fā)流程，從根本提升工藝裝配設(shè)計階段審查的科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性，充分考慮線體實際生產(chǎn)條件，貼合實際。按照開發(fā)流程（圖1），仿真會經(jīng)歷BOM匹配性審查、工藝方案規(guī)劃、靜態(tài)干涉檢查、基于線體動態(tài)裝配審查、線體平衡率分析、三維交互工藝指導(dǎo)和落地實施跟蹤7個階段，從設(shè)計到試制生產(chǎn)，確保工藝裝配設(shè)計方案貫穿全研發(fā)流程(圖1)，旨在通過三維場景模擬機(jī)組定點裝配，基于線體裝配情況，同時通過計算模擬給出產(chǎn)線平衡率和產(chǎn)量，為產(chǎn)品生產(chǎn)提效，工序調(diào)整優(yōu)化提供依據(jù)，在方案設(shè)計階段最大程度提升異常識別率，給出最優(yōu)工藝設(shè)計方案。

圖1 基于線體審查體系流程示意圖

3.1 BOM匹配審查

仿真審查的結(jié)果準(zhǔn)確性取決于源頭設(shè)計數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，因此在開展裝配仿真前需要對設(shè)計的三維、BOM數(shù)據(jù)進(jìn)行一致性審查，現(xiàn)有家電行業(yè)大部分還處于產(chǎn)品三維數(shù)模BOM分離的情況，數(shù)字化樣機(jī)在個別信息化開展較好的企業(yè)還處于過渡階段，針對三維BOM分離的情況，該體系要求對設(shè)計提供的產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行基本的一致性審查，審查內(nèi)容包含BOM表物料信息與產(chǎn)品三維信息的一致性，BOM物料數(shù)量與產(chǎn)品三維的一致性，審查結(jié)果生成分析報告返回至設(shè)計工程師，對數(shù)據(jù)進(jìn)行整改完善，如此反復(fù)直至數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤。

3.2 工藝方案規(guī)劃

基于線體仿真體系的審查平臺具備同一界面完成工序部署、物料分配、工藝資源分配和工藝方法生成的能力（圖2）。工藝裝配方案拖拽式分配有效提升裝配方案規(guī)劃效率，工藝工程師利用該功能實現(xiàn)工藝路線快速部署，各工序節(jié)點物料分配過程中可直觀地看到產(chǎn)品三維隨之變化，工藝規(guī)劃中所有的工藝資源和工藝裝配方法描述均來自企業(yè)MPMlink數(shù)據(jù)庫，確保所有工藝數(shù)據(jù)統(tǒng)一源頭，量產(chǎn)機(jī)型變更，工藝工程師僅需通過平臺確認(rèn)是否對工藝指導(dǎo)文件產(chǎn)生影響，輕松實現(xiàn)一鍵隨改和批改。

3.3 靜態(tài)干涉檢查

圖2 工藝快速規(guī)劃平臺示意圖

圖3 基于線體動態(tài)人機(jī)裝配仿真示意圖

調(diào)用MPMLink基于線體審查體系產(chǎn)品結(jié)構(gòu)檢查規(guī)則庫數(shù)據(jù)，通過仿真平臺按照工藝裝配方案規(guī)劃快速審查靜態(tài)模式下，各個零部件設(shè)計是否符合結(jié)構(gòu)檢查標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求。生成審查結(jié)果分析表，報表逐項列出所有不合格項及詳細(xì)設(shè)計信息，工藝工程師可將報告結(jié)果反饋給設(shè)計員進(jìn)行逐項核對更改，設(shè)計更改完成后只需將數(shù)據(jù)重新導(dǎo)入仿真平臺中，利用審查體系的規(guī)則庫進(jìn)行二次比對核實即可。從智能研發(fā)，數(shù)字化設(shè)計角度來看，該部分工作應(yīng)前移至產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，通過規(guī)則庫與設(shè)計軟件的嵌入融合，實現(xiàn)實時設(shè)計預(yù)警，引導(dǎo)結(jié)構(gòu)工程師輸出符合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)審查要求的結(jié)構(gòu)方案。

3.4 基于線體動態(tài)審查

利用審查體系平臺，將工藝裝配方案與線體資源進(jìn)行無縫對接，應(yīng)用人機(jī)、工具仿真分析功能，在虛擬的線體三維場景中針對重點、難點工序進(jìn)行動態(tài)裝配性審查，識別產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理點和工藝裝配缺陷，制定優(yōu)化解決措施，確保工藝裝配方案的可行性。傳統(tǒng)的產(chǎn)品可裝配性審查工藝工程師受客觀因素限制，無法有效將產(chǎn)品裝配與線體實際結(jié)合考慮，往往易忽略線體實際的裝配情況。利用三維場景再現(xiàn)仿真功能，可以將工藝裝配方案模擬實際生產(chǎn)條件進(jìn)行驗證，提前識別異常（圖3）。需要注意的是，基于線體動態(tài)審查耗時大于任何一個審查環(huán)節(jié)，因此在產(chǎn)品的審查開展過程中，并非是對所有的生產(chǎn)工序、工位進(jìn)行動態(tài)審查，僅對重點、難點工序進(jìn)行單獨審查。

3.5 線體平衡率分析

利用靜態(tài)干涉檢查和基于線體的動態(tài)裝配審查排除潛在結(jié)構(gòu)設(shè)計異常后，工藝裝配方案已經(jīng)基本定型，將其導(dǎo)入線體節(jié)拍分析模型中，抓取數(shù)據(jù)庫中的節(jié)拍數(shù)據(jù)以及各工位工時信息，快速模擬單班、單天的產(chǎn)線平衡率，識別工序瓶頸點，制定解決措施，同時可以對產(chǎn)量及線體設(shè)備人員動作率進(jìn)行分析，通過分析結(jié)果反向進(jìn)一步優(yōu)化工藝裝配路線排布，使得最終輸出的工藝裝配設(shè)計方案生產(chǎn)最優(yōu)。

3.6 三維交互工藝指導(dǎo)

基于線體審查體系全流程執(zhí)行完成后，可快速生成三維交互式動態(tài)作業(yè)指導(dǎo)書，指導(dǎo)文件以結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)組成網(wǎng)頁，根據(jù)實際排產(chǎn)情況發(fā)布到對應(yīng)工位指導(dǎo)生產(chǎn)，區(qū)別于傳統(tǒng)的二維紙制和網(wǎng)頁化作業(yè)指導(dǎo)書，三維交互式作業(yè)指導(dǎo)書包含裝配動畫三維示意，生產(chǎn)人員可根據(jù)自己的需求借助可觸屏可視化設(shè)備隨意旋轉(zhuǎn)、放大、縮小當(dāng)前裝配步驟產(chǎn)品三維，以適應(yīng)復(fù)雜裝配環(huán)境不同裝配人員個性化可視需求，有效提升工藝文件的指導(dǎo)性，實現(xiàn)作業(yè)指導(dǎo)書無紙化。

圖4 線體平衡率仿真示意圖

3.7 落地實施跟蹤

為保證基于線體審查體系具備自我完善機(jī)制，體系要求產(chǎn)品試制過程中增加工藝裝配方案落地實施跟蹤環(huán)節(jié)，利用該體系生成的每一份工藝裝配方案，工藝工程師需要跟進(jìn)產(chǎn)品按此方案從試制到量產(chǎn)的全過程異常，針對體系審查過程中識別的所有異常點進(jìn)行跟蹤反饋和記錄，對于方案階段體系審查未識別的新出現(xiàn)的裝配異常點進(jìn)行記錄，分析失效機(jī)理，反向優(yōu)化體系流程，對于典型失效案例收錄審查體系數(shù)據(jù)庫中，后續(xù)審查該系列產(chǎn)品，系統(tǒng)自動向工藝工程師推送相關(guān)案例，提醒工程師有針對性審查，避免失效重復(fù)發(fā)生。通過此項舉措形成良性閉環(huán)審查體系，長期執(zhí)行在企業(yè)內(nèi)部形成工藝審查案例庫，實現(xiàn)知識沉淀，提升工藝裝配設(shè)計審查能力。

4 實施驗證

該體系建立后，選擇正在研發(fā)某款多聯(lián)機(jī)中央空調(diào)進(jìn)行驗證。為了證明基于線體仿真審查體系確實有效增強(qiáng)工藝審查能力，要求該產(chǎn)品初版結(jié)構(gòu)方案工程師通過經(jīng)驗式審查和基于線體仿真審查體系應(yīng)用同步進(jìn)行。審查結(jié)果工程師共識別結(jié)構(gòu)異常點11處，利用基于線體仿真審查體系識別異常17處，橫向?qū)Ρ确治龌诰€體仿真審查體系識別的17處異常包含工程師識別的11處，此外利用線體仿真和平衡率分析，發(fā)現(xiàn)工藝規(guī)劃方案不合理2處，折合異常解決耗時，可有效縮短研發(fā)周期12%。

5 結(jié)語

長久以來，家電行業(yè)工藝審查手段一致處于經(jīng)驗式審查，試錯模式驗證的落后狀態(tài)。隨著制造企業(yè)現(xiàn)代化、數(shù)字化轉(zhuǎn)型趨勢愈加迫在眉睫，落后的審查手段已經(jīng)演變?yōu)槠髽I(yè)發(fā)展急需解決的“絆腳石”?；诰€體仿真審查體系利用仿真手段，借助PLM工藝設(shè)計接口實現(xiàn)設(shè)計到工藝的無縫智能化審查體系，將仿真工具融入審查流程，在保持企業(yè)原有業(yè)務(wù)開展不變的前提下，大幅提升產(chǎn)品研發(fā)階段，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)異常、工藝方案異常的識別率，從根本提升工藝產(chǎn)品可裝配性審查能力，助力企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。