裝配制造企業(yè)智慧研發(fā)工具設(shè)計(jì)探索與實(shí)踐

蘇 雷 ，和 帥

（1.東南大學(xué)，江蘇 南京 210096；2.常州博瑞電力自動化設(shè)備有限公司，江蘇 常州213025）

1 背景

如今嚴(yán)峻的市場競爭環(huán)境、多樣化和個(gè)性化的客戶需求以及經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益的均衡等問題[1]，給裝配制造業(yè)帶來了新的挑戰(zhàn)，迫使企業(yè)尋求一種更加智能化、柔性化和綠色的發(fā)展模式。德國在“Hannover Messe 2011”上首次提出了工業(yè)4.0戰(zhàn)略，美國智能制造聯(lián)盟于2011年發(fā)表了“實(shí)現(xiàn)21世紀(jì)智能制造”的報(bào)告，首次提出智能制造的概念，我國于2015年發(fā)布了中國制造2025報(bào)告，這些戰(zhàn)略的發(fā)布從政策上為智能制造、智慧工廠與數(shù)字化車間建設(shè)、以及前后端配套環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)型升級發(fā)展指明了方向[2-3]。

企業(yè)各個(gè)環(huán)節(jié)都在爭相采用信息化與設(shè)備技術(shù)手段來“武裝”自己，達(dá)到降本增效、提升質(zhì)量滿足不斷變化的需求。

生產(chǎn)環(huán)節(jié)精益生產(chǎn)模式構(gòu)建、機(jī)器人/機(jī)械手取代人工、數(shù)字化產(chǎn)線建設(shè)、生產(chǎn)管理信息化系統(tǒng)（如：MES）升級改造等；倉儲運(yùn)輸環(huán)節(jié)采用立體料庫、AGV自動引導(dǎo)運(yùn)輸車等提升倉儲配送能力等[4]。

細(xì)分到產(chǎn)品研發(fā)方向，目前很多企業(yè)已經(jīng)采用全三維（CAD）設(shè)計(jì)建模，配合多種事前仿真模擬（CAE）驗(yàn)證，設(shè)計(jì)、驗(yàn)證手段逐步豐富，質(zhì)量也在飛速提升。但是設(shè)計(jì)工具操作便捷性差，規(guī)則要求復(fù)雜，設(shè)計(jì)階段必須進(jìn)行很多重復(fù)性低價(jià)值勞動等問題普遍存在。相比生產(chǎn)環(huán)節(jié)很多低價(jià)值勞動被機(jī)器設(shè)備取代，研發(fā)環(huán)節(jié)尤其是按單定制的產(chǎn)品研發(fā)卻很難被工具取代。如本文主要描述的電力裝備制造行業(yè)，多數(shù)以客戶需求為主，多品種小批量按單生產(chǎn)模式。與傳統(tǒng)制造業(yè)大批量精益化生產(chǎn)模式不同，按單生產(chǎn)需要快速響應(yīng)需求，在時(shí)間、成本、質(zhì)量上都有更高的要求。在目前激烈的市場競爭模式下，電力設(shè)備制造行業(yè)很多公司都在尋求在產(chǎn)品研發(fā)環(huán)節(jié)更多的管理思路以及工具選擇，來應(yīng)對研發(fā)時(shí)間不斷壓縮，數(shù)字化樣機(jī)質(zhì)量要求逐步升級的需求。

2 企業(yè)智慧研發(fā)工具應(yīng)需而生

設(shè)計(jì)工具不同于管理工具，管理工具因?yàn)樾枰凑掌髽I(yè)實(shí)際的管理需求模式定制很多實(shí)際業(yè)務(wù)場景，所以多數(shù)軟件企業(yè)采用提供工具和提供開發(fā)服務(wù)的企業(yè)合作，或者部分企業(yè)可以同時(shí)提供工具售賣與軟件開發(fā)定制服務(wù)的模式。這類管理軟件企業(yè)往往及時(shí)掌握著客戶以及所在行業(yè)的需求特點(diǎn)以及最新需求變化。但是設(shè)計(jì)工具因?yàn)槠涔δ芎芏酁楣残?，只要提供基礎(chǔ)軟件以及必要的培訓(xùn)就可以基本上完成設(shè)計(jì)工作，所以軟件企業(yè)與客戶面對面，深度挖掘企業(yè)實(shí)際使用需求的機(jī)會較少。隨著企業(yè)對工具的應(yīng)用逐步深入，管理工具的定制開發(fā)模式逐步增多，企業(yè)逐步開始萌生了針對設(shè)計(jì)工具使用體驗(yàn)不佳，與企業(yè)工作思路與模式不符的點(diǎn)進(jìn)行定制開發(fā)的思路。

近幾年國內(nèi)以華為為首的很多大型企業(yè)都在探索通過設(shè)計(jì)工具進(jìn)一步改造的方式來提升設(shè)計(jì)效率，如：格力、海爾、美的、布勒、森源電器、?？低暤裙鞠群髥又腔墼O(shè)計(jì)項(xiàng)目，以需求為主導(dǎo)，由軟件工作人員按照企業(yè)需求進(jìn)行主流設(shè)計(jì)工具功能定制的模式正在悄然崛起。在離散型按單定制的電力設(shè)備制造型企業(yè)，因其多品種小批量設(shè)計(jì)變更頻繁的工作特點(diǎn)，對設(shè)計(jì)工具的改造需求十分迫切。

3 企業(yè)智慧研發(fā)工具應(yīng)用實(shí)踐

3.1 智慧研發(fā)知識庫構(gòu)建

知識庫是智慧研發(fā)工具的基礎(chǔ)，是推動企業(yè)邁入智慧時(shí)代的必然手段。指的是將每一位員工多年以來積累的經(jīng)驗(yàn)、設(shè)計(jì)方法等認(rèn)知、規(guī)劃有效管理起來，并實(shí)現(xiàn)共享。企業(yè)廣義的知識庫可以包含標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)規(guī)范、經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)庫、專利與軟件著作權(quán)等知識產(chǎn)權(quán)等。智慧研發(fā)知識庫特指從上述內(nèi)容中提取出可以被軟件讀取或者“學(xué)習(xí)”的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及規(guī)范。構(gòu)建企業(yè)級智慧研發(fā)知識庫的目標(biāo)為切實(shí)的將每個(gè)個(gè)體的知識轉(zhuǎn)化為集體知識，并不斷的擴(kuò)大覆蓋范圍，迭代累積。借助信息化工具，讓知識庫程序化、信息化、流程化，讓傳統(tǒng)的只能靠人腦完成的設(shè)計(jì)過程，部分通過軟件工具自動設(shè)計(jì)完成，提升設(shè)計(jì)的質(zhì)量與效率，降低了企業(yè)新人培養(yǎng)成本，讓高端人才從繁雜的低水平重復(fù)性工作中解脫出來，有更多的時(shí)間與熱情去做前瞻性、創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)工作。

智慧研發(fā)知識庫構(gòu)建思路，首先，可以從企業(yè)的快速設(shè)計(jì)需求出發(fā)，統(tǒng)計(jì)哪些重復(fù)性工作具備可被提取明確設(shè)計(jì)規(guī)則的條件，并且這些規(guī)則具備可以被軟件編譯的可能性。其次，將提取的設(shè)計(jì)規(guī)則分類，通過實(shí)踐開發(fā)驗(yàn)證規(guī)則的準(zhǔn)確性，逐步優(yōu)化。最后，在現(xiàn)有的設(shè)計(jì)規(guī)則基礎(chǔ)上，不斷迭代發(fā)現(xiàn)功能在企業(yè)其他產(chǎn)品上或者有共性的結(jié)構(gòu)上擴(kuò)展的可能性，類比其他工作通過工具自動處理的可能性，以此不斷鼓勵(lì)員工發(fā)現(xiàn)與拓展新的設(shè)計(jì)規(guī)則，迭代新的工具功能。“問渠那得清如許，為有源頭活水來”，只有不斷的迭代更新的機(jī)制，才能更好的與行業(yè)、企業(yè)最新的發(fā)展訴求相適應(yīng)，才能更好的服務(wù)于企業(yè)。

圖1為企業(yè)智慧研發(fā)知識庫實(shí)踐基本架構(gòu)示意。

圖1 智慧研發(fā)知識庫實(shí)踐基本架構(gòu)

3.2 智慧研發(fā)工具定制開發(fā)實(shí)踐

筆者所在企業(yè)主要在以下幾個(gè)典型方向進(jìn)行了探索，并且實(shí)踐驗(yàn)證取得了良好的效果。

首先，銅排快速設(shè)計(jì)。銅排為電力設(shè)備產(chǎn)品間及產(chǎn)品內(nèi)部常見的載流零部件，因?yàn)槠涫艿皆骷季钟绊?，模型尺寸、折彎等很難做到標(biāo)準(zhǔn)化，導(dǎo)致模型種類繁雜、變形設(shè)計(jì)多、重用度幾乎為零、設(shè)計(jì)及調(diào)整耗時(shí)長等一系列問題。本工具插件旨在助力銅排快速設(shè)計(jì)與改型設(shè)計(jì)，解決銅排自動查重借用等問題。提出解決方案流程圖詳見圖2。

圖2 銅排設(shè)計(jì)流程圖

通過上述開發(fā)思路，定制插件，將傳統(tǒng)建模設(shè)計(jì)規(guī)范固化，設(shè)計(jì)過程簡化，操作便捷化，實(shí)現(xiàn)快速建模、快速調(diào)整。顛覆原有標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)思路，由軟件系統(tǒng)通過模型幾何特征與參數(shù)信息自動對比，完成自動查重借用過程。見圖3。

圖3 銅排快速設(shè)計(jì)界面

其次，柜式產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)。因電力裝備制造行業(yè)定制化柜式產(chǎn)品逐步增加，更新迭代速度快，建模細(xì)節(jié)較多，建模周期長等特點(diǎn)，建模周期與質(zhì)量挑戰(zhàn)逐步增加、建模質(zhì)量要求逐步提升等問題越來越凸顯。本工具旨在總結(jié)存在人腦中的柜體設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、設(shè)計(jì)規(guī)則，降低人為重復(fù)計(jì)算建模過程耗時(shí)。提出解決方案為：1）從產(chǎn)品研發(fā)實(shí)際需求出發(fā)，梳理具備快速生成約束關(guān)系的系列化柜體結(jié)構(gòu)；2）柜體結(jié)構(gòu)參數(shù)化聯(lián)動規(guī)則，并將參數(shù)聯(lián)動關(guān)系寫入軟件后臺；3）將全自動生成與選裝選配零組件分類，定制快速生成規(guī)則；4）設(shè)定參數(shù)查重規(guī)則，約定柜體規(guī)則選擇前，可以軟件自動調(diào)取、重用歷史產(chǎn)品零組件。通過上述一系列功能開發(fā)，將人腦設(shè)計(jì)過程全部搬遷至軟件后臺處理，極大的節(jié)約的設(shè)計(jì)人力投入，設(shè)計(jì)周期與質(zhì)量明顯提升。見圖4。

圖4 柜體參數(shù)化快速建模界面

再次，元器件快速布局。本工具旨在實(shí)現(xiàn)元器件柜體內(nèi)部快速布局過程，通過坐標(biāo)系裝配快速約束關(guān)系，解放傳統(tǒng)裝配速度慢、定位調(diào)整復(fù)雜等問題。提出解決方案為：1）提取產(chǎn)品布局基本規(guī)則，并將元器件大類與對應(yīng)的位置關(guān)系定制進(jìn)系統(tǒng)；2）開發(fā)“點(diǎn)裝”功能，鼠標(biāo)在面上點(diǎn)到哪里，即元器件定位到哪里；3）開發(fā)快速面對面調(diào)整功能，可以快速定位目標(biāo)面之間的距離，并快速調(diào)整等。通過上述一系列功能，顛覆傳統(tǒng)定位布局耗時(shí)長，調(diào)整操作步驟復(fù)雜等問題，實(shí)現(xiàn)改型設(shè)計(jì)快速響應(yīng)。

最后，鈑金件自動出圖。本工具旨在實(shí)現(xiàn)簡單鈑金件快速標(biāo)注，自動出二維工程圖。提出解決方案為：梳理企業(yè)制圖習(xí)慣約束規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)，定制軟件自動實(shí)現(xiàn)規(guī)則。并且通過自動出圖的契機(jī)，反過來約束員工統(tǒng)一制圖習(xí)慣，約定哪些制圖方法與模式為企業(yè)推薦采用的模式等，綜合提升企業(yè)制圖效率與質(zhì)量。

上述主要功能，通過信息化、智能化與傳統(tǒng)研發(fā)設(shè)計(jì)過程的融合，切實(shí)地解決了企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)過程效率、質(zhì)量、標(biāo)準(zhǔn)化重用等諸多問題。

4 智慧研發(fā)工具功能拓展設(shè)想

在大數(shù)據(jù)、人工智能與傳統(tǒng)行業(yè)加速融合的大背景下，配套的生產(chǎn)加工手段以及軟件算法、解決方案逐步豐富，傳統(tǒng)電力裝備制造行業(yè)產(chǎn)品研發(fā)過程或許有更多的可能性。

針對產(chǎn)品多品種小批量定制型企業(yè)，如銅排產(chǎn)品設(shè)計(jì)，可以構(gòu)建產(chǎn)品模型設(shè)計(jì)大數(shù)據(jù)平臺，累積工程師銅排設(shè)計(jì)路徑規(guī)劃、載流量計(jì)算等一系列過程數(shù)據(jù)，引入基于Apriori的數(shù)據(jù)挖掘法等數(shù)據(jù)挖掘算法，細(xì)致分析學(xué)習(xí)需求趨勢、設(shè)計(jì)習(xí)慣等歷史數(shù)據(jù)[5-7]。當(dāng)平臺數(shù)據(jù)足夠豐富時(shí)，軟件自動分析、設(shè)計(jì)銅排產(chǎn)品。以此類推，從簡單產(chǎn)品入手，逐步拓展到復(fù)雜產(chǎn)品。這對于傳統(tǒng)制造業(yè)產(chǎn)品研發(fā)過程，將是一次顛覆式的革命，當(dāng)然，這目前還只是功能設(shè)想，能否在企業(yè)實(shí)踐應(yīng)用，還需要有需求的制造企業(yè)與軟件公司的開發(fā)手段強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，創(chuàng)造大數(shù)據(jù)與人工智能與傳統(tǒng)制造業(yè)融合的又一個(gè)壯舉。