基于可制造性設(shè)計規(guī)范的工藝檢查系統(tǒng)研發(fā)分析

唐 波

（益陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 益陽 413055）

由于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，工藝檢查流程從人工檢查逐步轉(zhuǎn)變成計算機輔助檢查，開展這項工作能夠有效促進信息平臺的建設(shè)。筆者在武漢某制造信息化管理的上市企業(yè)學(xué)習(xí)調(diào)研時，接觸到可制造性設(shè)計 （Design For Manufacturability，DFM）概念與基于信息化的工藝檢查理念，目前，信息化管理手段已廣泛應(yīng)用在產(chǎn)品設(shè)計、制造以及現(xiàn)場管理的各個方面，而使用制造執(zhí)行系統(tǒng) （Manufacturing Execution System，MES）、計算機輔助設(shè)計(Computer Aided Design，CAD）、計算機輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）、計算機輔助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）、企業(yè)資源計劃 （Enterprise Resource Planning，ERP）等各種技術(shù)和系統(tǒng)，能夠有效減少產(chǎn)品制作與開發(fā)的周期，并且還能夠有效提高產(chǎn)品質(zhì)量。然而，即使使用了先進的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（Product Data Management，PDM）系統(tǒng)，企業(yè)內(nèi)部也并未創(chuàng)建知識規(guī)則庫，因而缺乏良好的繼承關(guān)系[1]。此外，工藝檢查在ERP 系統(tǒng)中是由工藝設(shè)計師審查的，模具行業(yè)企業(yè)技術(shù)含量高，一般是單件生產(chǎn)，工藝復(fù)雜，流程眾多，常規(guī)工藝檢查容易忽略某些細(xì)節(jié)，需要進行輔助工藝檢查以排除一般工藝錯誤。

通過使用企業(yè)構(gòu)建的數(shù)字平臺，并使用CAX，PDM 等技術(shù)，能夠有效地對產(chǎn)品功能與作用、工作數(shù)據(jù)管理、工藝等各方面的問題進行處理。但是，在設(shè)計的可制造性以及成本等各方面通常仍然使用傳統(tǒng)的工作方法開展分析，這種方式不能與目前的信息系統(tǒng)相一致，在設(shè)計的最初不能有效落實對產(chǎn)品的可制造性與成本約束的考慮。為了能夠有效加快型號研制工期，對其質(zhì)量與成本進行控制，優(yōu)化研制的系統(tǒng)應(yīng)該不斷推廣面向工藝的結(jié)構(gòu)設(shè)計方式，對其研制系統(tǒng)進行優(yōu)化與完善，同時還應(yīng)該對設(shè)計技術(shù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及建設(shè)信息進行積累與審核。

1 自動工藝檢查系統(tǒng)與可制造性設(shè)計的介紹

1.1 自動工藝檢查系統(tǒng)的介紹

常規(guī)的工藝檢查是由經(jīng)驗豐富的工藝設(shè)計師進行的，在CAX 技術(shù)日益普及的今天，零件的設(shè)計圖紙與加工圖紙可能并不一致，這些由人工檢查容易出錯。工藝檢查一般可分為結(jié)構(gòu)工藝性檢查和制造工藝性檢查兩類。一方面，對結(jié)構(gòu)工藝性檢查而言，主要檢查其對加工質(zhì)量、生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益的影響，包括結(jié)構(gòu)特征的尺寸、位置、精度及與其他結(jié)構(gòu)的尺寸、位置、精度之間的關(guān)系； 另一方面，對制造工藝性檢查而言，主要檢查其制造工藝過程的經(jīng)濟性、可行性和可靠性，一般機械零件制造的工藝有其固定工藝過程，如常規(guī)的車削、銑削、鉆削、電加工等，都有很成熟的加工工藝。

針對復(fù)雜模具制造，可由三維模型的加工特征，按一定規(guī)則構(gòu)建其通用加工模板，如鉆孔工序、型腔開粗工序、等高加工工序等，對不同的工藝路線，可二次開發(fā)定制其檢查規(guī)則，新的工藝手段也可添加到知識系統(tǒng)，實現(xiàn)工藝的自動檢查。自動工藝檢查系統(tǒng)可與企業(yè)的信息化平臺實現(xiàn)交流與共享，促進企業(yè)信息化水平的提高。

1.2 可制造性設(shè)計的概念

DFM 是面向產(chǎn)品生命周期設(shè)計的一種，也稱為零件的可制造性要求。工程師一般認(rèn)為產(chǎn)品設(shè)計就是在三維軟件中繪制出產(chǎn)品模型，但是可以設(shè)計出來不一定就能制造出來，或制造出來成本過高、時間過長或質(zhì)量達不到要求。而DFM 團隊通常由設(shè)計師、制造工程師、市場代表、財務(wù)經(jīng)理、研發(fā)人員、原材料供應(yīng)商和其他項目利益有關(guān)者 （包括客戶）共同組成。由于其中涉及到各個方面的人員，因此能夠有效推動計劃的完成，并且能夠?qū)鹘y(tǒng)生產(chǎn)方式中有可能出現(xiàn)的制造問題進行規(guī)避[2]。其通常是對產(chǎn)品自身的物理特性與制作系統(tǒng)各部分之間的相互聯(lián)系進行研究，并在產(chǎn)品設(shè)計中進行使用，以優(yōu)化整個生產(chǎn)系統(tǒng)和工藝流程，使其更加標(biāo)準(zhǔn)化，節(jié)約成本，減少生產(chǎn)時間，提高產(chǎn)品的可制造性以及工作效率。DFM 的主要核心是在不影響產(chǎn)品功能的基礎(chǔ)上，參與產(chǎn)品的前期規(guī)劃再到產(chǎn)品生產(chǎn)的整個設(shè)計過程，使其更加標(biāo)準(zhǔn)化、簡化，使設(shè)計能夠幫助生產(chǎn)和應(yīng)用。節(jié)約產(chǎn)品的生產(chǎn)生本，減少工藝流程，選擇成熟度較高的工藝技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)零件，并對加工復(fù)雜度和成本進行簡化[3]。

2 應(yīng)用可制造性設(shè)計的意義

1）節(jié)約成本，提高企業(yè)產(chǎn)品市場競爭力。低成本、高收益是企業(yè)永恒的追求，利用DFM 技術(shù)，可生產(chǎn)出低成本、高質(zhì)量、高效率的產(chǎn)品。

2）促進生產(chǎn)過程更加標(biāo)準(zhǔn)、自動，優(yōu)化生產(chǎn)效率。面向制造的設(shè)計將設(shè)計部門與生產(chǎn)部門有效結(jié)合起來，以實現(xiàn)信息交流的目的，讓設(shè)計開發(fā)和生產(chǎn)協(xié)調(diào)一致。標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，易于完成自動化，強化生產(chǎn)效率。

3）促進技術(shù)轉(zhuǎn)移，優(yōu)化產(chǎn)品轉(zhuǎn)移過程，強化企業(yè)內(nèi)部協(xié)作交流。通過DFM 技術(shù)能夠讓企業(yè)與外協(xié)加工企業(yè)實現(xiàn)技術(shù)的順利轉(zhuǎn)移，快速組織生產(chǎn)，DFM 的普遍應(yīng)用能夠讓企業(yè)產(chǎn)品全球化生產(chǎn)[4]。

4）提高新產(chǎn)品開發(fā)和測試的效率。如果不采用合適的DFM 規(guī)范控制產(chǎn)品設(shè)計，則可裝配性與可制造性問題有可能在產(chǎn)品開發(fā)最后階段或生產(chǎn)時才會發(fā)現(xiàn)。這種情況下想要利用設(shè)計變更來糾正，會導(dǎo)致開發(fā)成本的加大和產(chǎn)品生產(chǎn)周期的延長。

5）能夠解決制造與裝配工藝越來越復(fù)雜的問題。制造與裝配工藝趨于復(fù)雜化，為了能夠獲得市場先機，節(jié)約生產(chǎn)成本和開發(fā)成本，有必要采用最新與最快的制造與裝配工藝技術(shù)，并利用DFM 技術(shù)使其標(biāo)準(zhǔn)化，才能緊跟技術(shù)發(fā)展步伐。

3 工藝檢查系統(tǒng)的可行性分析與關(guān)鍵研究內(nèi)容

3.1 自動工藝檢查實現(xiàn)的可行性分析

工藝性檢查工作就是工藝人員對產(chǎn)品制造工藝以及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的工藝性開展分析，并提出有效的修改建議，設(shè)計部門所設(shè)計出的產(chǎn)品，應(yīng)符合機械制造標(biāo)準(zhǔn)與工藝要求。工藝性檢查的基礎(chǔ)是產(chǎn)品信息的標(biāo)準(zhǔn)化，核心是結(jié)構(gòu)工藝性檢查和制造工藝性檢查。因此，自動工藝檢查實現(xiàn)的可行性包括產(chǎn)品信息標(biāo)準(zhǔn)化實現(xiàn)的可行性、結(jié)構(gòu)工藝性自動檢查的可行性、制造工藝性自動檢查的可行性3 個方面。

1）產(chǎn)品信息標(biāo)準(zhǔn)化實現(xiàn)的可行性方面。在CAD/CAM 軟件中建立以特征為單元的全參數(shù)化三維模型后，可統(tǒng)一裝配、制圖、層等產(chǎn)品信息的技術(shù)規(guī)范。以UG NX 為例，可用其Checkmate 功能模塊來實現(xiàn)，它是基于知識熔接技術(shù)的質(zhì)量保證實用工具，開啟Checkmate 功能后就能完成三維零件、裝配件和制圖的檢查，實現(xiàn)初步信息標(biāo)準(zhǔn)化。

2）結(jié)構(gòu)工藝性自動檢查的可行性方面。UG 的特征就是以產(chǎn)品結(jié)構(gòu)為單元來組織的，如產(chǎn)品設(shè)計中圓角、倒角、抽殼、筋、凸臺、墊塊等特征的結(jié)構(gòu)，其設(shè)計有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，其關(guān)鍵參數(shù)信息通過UG 表達式或二次開發(fā)工具，如KF 編程、OPEN C++等來提取和引用，再構(gòu)建基于OPEN C++的MYSQL 結(jié)構(gòu)工藝性數(shù)據(jù)庫，通過關(guān)鍵參數(shù)與數(shù)據(jù)庫的對比與分析，達到結(jié)構(gòu)工藝自動檢查的目的。

3）制造工藝性自動檢查的可行性方面。UG 的CAM 模塊以 “操作” 為工序組織單元，在工序?qū)Ш狡鹘M成工序序列，實現(xiàn)基于機床的加工順序序列，對典型的數(shù)控車、銑、鉆、線切割工藝，都要遵循粗加工、半精加工、精加工的加工路線，刀具、材料、切削用量等工藝要素可以通過加工數(shù)據(jù)庫來實現(xiàn)知識熔接，構(gòu)建針對不同加工特征的加工模板。數(shù)控編程員所編制的“工序操作” 參數(shù)，可通過與加工數(shù)控庫的比對與分析，實現(xiàn)對工藝參數(shù)合理性的檢查。

3.2 工藝檢查系統(tǒng)的關(guān)鍵研究內(nèi)容

參考產(chǎn)品設(shè)計原則、零件結(jié)構(gòu)設(shè)計原則、制造工藝性規(guī)范要求、機械設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)等，關(guān)鍵研究內(nèi)容可分為以下4 個部分： 一是模具加工DFM 標(biāo)準(zhǔn)；二是模具典型零件制造工藝的數(shù)字化形式； 三是結(jié)構(gòu)工藝性數(shù)據(jù)庫與加工數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)； 四是自動工藝檢查系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫的通信與連接。

3.3 工藝檢查系統(tǒng)的技術(shù)要求

一是自動工藝檢查軟件可與已有三維軟件直接無縫集成； 二是軟件可方便人機交互的便利開展；三是加工制造和結(jié)構(gòu)工藝性數(shù)據(jù)庫應(yīng)具有智能學(xué)習(xí)功能； 四是對三維模型的加工特點開展智能識別、分析和判斷； 五是根據(jù)數(shù)據(jù)庫的信息，對產(chǎn)品設(shè)計三維模型的工藝檢查軟件可以將檢查結(jié)論用文件的形式輸出，詳細(xì)列出結(jié)構(gòu)工藝性與制造工藝性問題，并提出改進建議。

4 可制造性設(shè)計的工藝檢查規(guī)則

針對不同的產(chǎn)品，符合DFM 的工藝檢查規(guī)則也不同。對于注塑模具而言，DFM 應(yīng)包括注塑成型工藝性檢查和模具部件制造工藝檢查兩個方面。一方面，對注塑成型工藝性檢查，應(yīng)包括壁厚、拔模斜度、BOSS 柱、筋、孔等參數(shù)的設(shè)計規(guī)則； 另一方面，對模具部件制造工藝性檢查，應(yīng)包括機床的選擇 （普通或數(shù)控，三軸或多軸）、材料、刀具、切削參數(shù)、工序劃分等顯性的因素，也包括成本、效率、工時等隱性的因素。因此，企業(yè)應(yīng)讓企業(yè)中的設(shè)計、工藝、制造等部門具有豐富經(jīng)驗的技術(shù)專家采取反復(fù)討論和總結(jié)經(jīng)驗的方式，明確工藝檢查規(guī)則參數(shù)，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的設(shè)計與制造經(jīng)驗數(shù)據(jù)，創(chuàng)建設(shè)計與制造的數(shù)據(jù)庫。

5 與ERP 系統(tǒng)的集成與應(yīng)用

從企業(yè)信息化管理的全局來看，自動工藝檢查系統(tǒng)應(yīng)融入ERP 系統(tǒng)中，并在設(shè)計過程的不同階段開展。完成設(shè)計圖樣以后，有必要利用工藝檢查軟件開展評審工作，生成評審報告。修改評審報告中的否決項，對錯誤的問題進行逐一修改，在完成修改以后應(yīng)該重新生成報告并傳遞給下游的工藝設(shè)計師。工藝設(shè)計師對圖紙進行評審，并對工藝評審報告中數(shù)據(jù)的正確性進行檢查，檢查圖紙的制造精度的經(jīng)濟性，及時反饋給上游的設(shè)計師[5-6]。

6 結(jié)束語

發(fā)展先進的制造技術(shù)并實現(xiàn)信息化管理，是加速我國由制造大國向制造強國轉(zhuǎn)變的重要保證。在制造智能化、信息化發(fā)展的今天，融入DFM 規(guī)范的自動工藝評審技術(shù)已是制造企業(yè)信息化建設(shè)的重要組成部分。對一般企業(yè)的信息化建設(shè)，要摒棄原有的人工評審方法，構(gòu)建符合企業(yè)本身實際的工藝評審系統(tǒng)平臺。良好的信息化工藝評審系統(tǒng)，能夠提高技術(shù)人員的工藝檢查工作效率，降低生產(chǎn)成本，促進企業(yè)向信息化制造方向轉(zhuǎn)型發(fā)展。