淺談基于成熟規(guī)則的工藝性自動(dòng)化審查系統(tǒng)

周子榮 劉 云 張 杰

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519000）

引言

工藝，是連接產(chǎn)品設(shè)計(jì)到生產(chǎn)制造的橋梁。而工藝性審查，是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，對(duì)產(chǎn)品及其零部件工藝性進(jìn)行全面審查并提出意見(jiàn)和建議的過(guò)程。工藝性審查可以有效的彌補(bǔ)產(chǎn)品產(chǎn)品設(shè)計(jì)員對(duì)生產(chǎn)工藝知識(shí)的空白（如生產(chǎn)線體情況、零件加工及整機(jī)裝配環(huán)境等要求），更好的保證產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)面向制造。

傳統(tǒng)的工藝性審查以經(jīng)驗(yàn)、點(diǎn)檢，試錯(cuò)方式進(jìn)行，是目前采用一般性方法，其具體方式如下：

1）經(jīng)驗(yàn)法：審查員基于前期對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)情況、工藝零件加工、產(chǎn)線裝配等知識(shí)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，來(lái)開(kāi)展新產(chǎn)品審查。

2）點(diǎn)檢法：經(jīng)驗(yàn)法對(duì)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)水平要求較高，但由于人員經(jīng)驗(yàn)水平差異，容易造成疏漏，尤其是新員工。為此，通常在經(jīng)驗(yàn)法的基礎(chǔ)上，開(kāi)展集體經(jīng)驗(yàn)地整合，形成標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品審查要點(diǎn)點(diǎn)檢表。在后續(xù)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程，審查員基于產(chǎn)品點(diǎn)檢表，對(duì)新產(chǎn)品進(jìn)行逐項(xiàng)點(diǎn)檢審查。

3）試錯(cuò)法：在新產(chǎn)品所有零件生產(chǎn)出來(lái)后，審查員進(jìn)行實(shí)物裝配驗(yàn)證，識(shí)別影響新產(chǎn)品大批量生產(chǎn)的問(wèn)題，并反饋設(shè)計(jì)員進(jìn)行修改。

但是，隨著企業(yè)的高速發(fā)展，產(chǎn)品類別的極速擴(kuò)展，經(jīng)驗(yàn)的不斷沉淀，工藝標(biāo)準(zhǔn)愈來(lái)愈多，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程更加難以全面考量。傳統(tǒng)工藝性審查方式，由于其信息化程度低，導(dǎo)致審查工作量和壓力愈來(lái)愈繁重，不僅影響產(chǎn)品開(kāi)發(fā)速度，而且不能滿足產(chǎn)品迭代日益快速的市場(chǎng)環(huán)境。為此，以實(shí)現(xiàn)全面信息化、自動(dòng)化、智能化為主，人工審查為輔，建立設(shè)計(jì)工藝并行、協(xié)同、一體化的產(chǎn)品工藝性自動(dòng)化審查系統(tǒng)被提上議程。設(shè)計(jì)及工藝部門(mén)展開(kāi)對(duì)自動(dòng)化審查技術(shù)的調(diào)研和探索實(shí)施，如黃堅(jiān)等實(shí)現(xiàn)了裝配模型外觀間隙的自動(dòng)化檢查[1]。

本文立足企業(yè)工藝性自動(dòng)化審查系統(tǒng)順利實(shí)施并取得階段性成果的基礎(chǔ)上，介紹系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及實(shí)施過(guò)程要點(diǎn)，希望給行業(yè)提供啟發(fā)和借鑒。

1 自動(dòng)化審查系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

PTC Creo是家電行業(yè)產(chǎn)品三維模型通用化設(shè)計(jì)軟件之一，其提供Pro/Toolkit、JLINK、Weblink、VB等豐富二次開(kāi)發(fā)工具，其中以Pro/Toolkit工具為主[2]。企業(yè)可以根據(jù)自身需求利用二次開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行定制化開(kāi)發(fā)，并以插件形式嵌入到Creo三維設(shè)計(jì)環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、審查過(guò)程的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)化檢查。

本文介紹的工藝性自動(dòng)化審查系統(tǒng)基于Creo Pro/Toolkit工具開(kāi)發(fā)[3]，是一款面向家電行業(yè)、集成信息化、自動(dòng)化、智能化功能的工藝性自動(dòng)化審查系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖

2 自動(dòng)化審查的實(shí)現(xiàn)

首先，以某產(chǎn)品接管螺母的裝配工藝性的案例來(lái)對(duì)比展現(xiàn)傳統(tǒng)工藝審查方式和自動(dòng)化審查方式的異同。

在外機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中，需要使用套筒工具將接管螺母卸下以安裝截止閥。接管螺母卸載過(guò)程所涉及的零件及工具如圖2所示。

圖2 接管螺母卸載過(guò)程所涉及的零件及工具

假設(shè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)及倉(cāng)庫(kù)存在三種22 mm套筒工具，如圖3所示，其可插入深度的情況不同（從左到右插入深度依次降低）；若在應(yīng)該使用右一的套筒工具（淺）時(shí)，錯(cuò)誤使用左一套筒工具（深），則可能造成閥門(mén)支架被劃傷，如圖4所示。因此，工藝員在審查時(shí)必須對(duì)所有適用的套筒型號(hào)進(jìn)行審查，以識(shí)別同型號(hào)可用/不可用的情況，提前制定限制措施，避免生產(chǎn)過(guò)程使用錯(cuò)誤的套筒工具。

圖3 三種不同可插入深度的22 mm套筒工具(從左到右可插入深度依次降低)

圖4 套筒可插入深度影響生產(chǎn)的對(duì)比圖示

2.1 傳統(tǒng)審查方式

對(duì)于上述案例的審查，傳統(tǒng)審查方式一般以經(jīng)驗(yàn)法、三維模擬裝配法為主，其過(guò)程如下。

2.1.1 經(jīng)驗(yàn)法

如圖5所示，經(jīng)驗(yàn)法使用Creo自帶的測(cè)量工具直接測(cè)量接管螺母零件與閥門(mén)支架曲面的最小間隙、接管螺母中心到閥門(mén)支架的投影距離，然后與經(jīng)驗(yàn)間隙判斷是否存在劃傷風(fēng)險(xiǎn)，如表1所示。

圖5 經(jīng)驗(yàn)法審查方式

表1 外機(jī)接管螺母套筒選配表

按經(jīng)驗(yàn)整理22 mm套筒工具對(duì)應(yīng)的間隙要求適用情況表，如表1所示。

2.1.2 三維模擬裝配法

如圖2所示，在三維裝配環(huán)境下，將不同型號(hào)的套筒三維模型通過(guò)裝配工具，安裝在整機(jī)三維模型上，然后切換視角觀察是否存在干涉問(wèn)題。

2.2 自動(dòng)化審查方式

自動(dòng)化審查在人工經(jīng)驗(yàn)法基礎(chǔ)上對(duì)測(cè)量目標(biāo)的選取方式通過(guò)程序再現(xiàn)，整體分兩步進(jìn)行。

第一步：按經(jīng)驗(yàn)測(cè)量方法，明確檢查目標(biāo)即具體到測(cè)量所選擇的面、線或其他特征等信息，如間隙審查將所涉及的內(nèi)容轉(zhuǎn)化為具體零件與零件、面與面、面與零件等的參照關(guān)系，以便程序開(kāi)發(fā)人員能夠直接讀取并轉(zhuǎn)化為程序。

第二步：以具體程序?qū)崿F(xiàn)時(shí)，開(kāi)發(fā)人員首先通過(guò)Pro/Toolkit工具，將第一步中的審查目標(biāo)信息從三維模型中提取，然后進(jìn)行比對(duì)判斷。其具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程多樣，以運(yùn)行效率為先，如本文中套筒工具工藝性審查案例，在實(shí)際程序自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)過(guò)程中存在如下兩種常見(jiàn)方式：

1）零件干涉法：將各類套筒工具模型以接管螺母為坐標(biāo)參考進(jìn)行自動(dòng)化裝配，然后檢查套筒工具模型與閥門(mén)支架的干涉情況，直接判斷該套筒是否符合標(biāo)準(zhǔn)。

2）間隙檢測(cè)法：此種方式已成功實(shí)現(xiàn)并運(yùn)用于日常審查中[1]，其不依賴套筒工具模型，而是通過(guò)讀取接管螺母特征，識(shí)別目標(biāo)幾何特征，然后與閥門(mén)支架進(jìn)行間隙檢查并判斷是否符合標(biāo)準(zhǔn)，一般過(guò)程如圖6所示。

圖6 接管螺母工具使用工藝性間隙法實(shí)現(xiàn)方式流程圖

2.3 自動(dòng)化審查實(shí)現(xiàn)過(guò)程關(guān)鍵技術(shù)

通過(guò)以上案例對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)工藝性自動(dòng)化審查的兩個(gè)關(guān)鍵內(nèi)容：模型特征識(shí)別技術(shù)、規(guī)則標(biāo)準(zhǔn)化管理。

2.3.1 模型特征識(shí)別技術(shù)

模型特征識(shí)別技術(shù)是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)基礎(chǔ)，具體的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式多種多樣，但根本是服務(wù)于系統(tǒng)的實(shí)用性和使用舒適性。因此，作為需求方重點(diǎn)應(yīng)關(guān)注如下三個(gè)方面：

1）特征識(shí)別技術(shù)基本原理的掌握：通過(guò)調(diào)研及前期項(xiàng)目開(kāi)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，作為需求方優(yōu)勢(shì)是清晰的知曉每一個(gè)需求的具體內(nèi)容，劣勢(shì)是不懂需求程序化實(shí)現(xiàn)的方式。這一問(wèn)題，經(jīng)常導(dǎo)致開(kāi)發(fā)出來(lái)的系統(tǒng)與設(shè)想的存在較大偏差，影響使用。因此，有組織、有計(jì)劃的對(duì)特征識(shí)別技術(shù)原理的學(xué)習(xí)及形成相關(guān)培訓(xùn)教材，可以使用戶能夠清晰的知道需求是否可以加入到系統(tǒng)中，并初步判斷實(shí)現(xiàn)的邏輯，以便與系統(tǒng)開(kāi)發(fā)員更好進(jìn)行討論系統(tǒng)規(guī)劃、發(fā)掘和優(yōu)化識(shí)別算法，提高軟件代碼重用率和執(zhí)行準(zhǔn)確性，以期完美的實(shí)現(xiàn)既定需求。

2）自主開(kāi)發(fā)與批量維護(hù)的規(guī)劃：凡是基于成熟規(guī)則的自動(dòng)化審查系統(tǒng)，其滯后性是不可避免的。新的規(guī)則不能立即形成自動(dòng)化審查系統(tǒng)程序，勢(shì)必影響軟件使用效果。因此，為便于后續(xù)系統(tǒng)使用和維護(hù)的時(shí)效性，掌握簡(jiǎn)單需求的自主開(kāi)發(fā)能力是非常必要的。同時(shí)，對(duì)于經(jīng)判斷無(wú)法自主開(kāi)發(fā)的，以每半年組織規(guī)則遴選的頻率進(jìn)行更新。

3）技術(shù)的選擇：隨著模型特征識(shí)別技術(shù)的發(fā)展，需求的實(shí)現(xiàn)方式多種多樣。但是，若能根據(jù)企業(yè)實(shí)際情況選擇更貼近需求的技術(shù)，不僅能夠更好的適應(yīng)產(chǎn)品差異，提高系統(tǒng)識(shí)別率，還能減少需求重復(fù)客制化等問(wèn)題。比如，運(yùn)用模型相似性識(shí)別技術(shù)可以在海量的PDM模型庫(kù)中快速地找出目標(biāo)模型，提高模型的重用率[4]；運(yùn)用相似性特征識(shí)別技術(shù)，可以直接根據(jù)預(yù)定義的一組工藝特征結(jié)構(gòu)，在模型中找到相似特征，并進(jìn)行數(shù)據(jù)提取和計(jì)算，不但減少了需求方和開(kāi)發(fā)方的工作量，同時(shí)提高了系統(tǒng)的可配置度，使用性、實(shí)用性都得到了極大的提升[5]。

2.3.2 規(guī)則標(biāo)準(zhǔn)化管理

規(guī)則的標(biāo)準(zhǔn)化管理是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)效率的保證，是系統(tǒng)實(shí)施后能否有效地發(fā)揮其作用，能否便捷的開(kāi)展自主維護(hù)和迭代更新的基礎(chǔ)。

工藝性審查內(nèi)容需程序化并以插件等形式嵌入到Creo設(shè)計(jì)環(huán)境中，才能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程的自動(dòng)化審查。為此，必須將當(dāng)前描述性為主的具體審查內(nèi)容，參考特征識(shí)別技術(shù)原理進(jìn)行優(yōu)化，并制定清晰、完整、一致的規(guī)則轉(zhuǎn)化要求，形成規(guī)則數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化管理的規(guī)范。本系統(tǒng)規(guī)則數(shù)據(jù)從產(chǎn)品類別出發(fā)，以裝配級(jí)、零件級(jí)形成對(duì)規(guī)則的結(jié)構(gòu)化、信息化管理，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)樹(shù)如圖7所示，管理系統(tǒng)界面如圖8所示。

圖7 產(chǎn)品規(guī)則結(jié)構(gòu)化管理示意圖

圖8 規(guī)則庫(kù)管理系統(tǒng)界面

將各項(xiàng)以描述性為主的具體工藝內(nèi)容轉(zhuǎn)化為規(guī)則，其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)較高的程序化效率。因此規(guī)則描述必須從開(kāi)發(fā)邏輯出發(fā)，如對(duì)螺釘孔的工藝要求為“螺釘孔需符合標(biāo)準(zhǔn)要求”，該描述性表示不能直接被開(kāi)發(fā)人員識(shí)別，需要重復(fù)溝通確認(rèn)，效率低；根據(jù)實(shí)際情況對(duì)該工藝要求進(jìn)行規(guī)則化轉(zhuǎn)化，可寫(xiě)作“螺釘孔需符合標(biāo)準(zhǔn)要求——面板上的螺釘孔，內(nèi)徑必須為3.1 mm?！?，其具體規(guī)則提煉結(jié)果如圖9所示。

圖9 規(guī)則錄入界面

3 應(yīng)用案例

通過(guò)以上關(guān)鍵技術(shù)的落實(shí)，開(kāi)展并實(shí)現(xiàn)了工藝性自動(dòng)化審查系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，且同步優(yōu)化了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程，如圖10所示。該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)在裝配、零件的設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行工藝性并行自動(dòng)化審查，極大的提高了審查效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量，圖11為該工藝性自動(dòng)化審查系統(tǒng)軟件界面。

圖10 新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)業(yè)務(wù)流程圖

圖11 工藝性自動(dòng)化審查系統(tǒng)界面

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)員在零件和裝配模型的設(shè)計(jì)過(guò)程中必須使用系統(tǒng)進(jìn)行模型工藝符合性審查，并生成審查報(bào)告交由工藝審查員進(jìn)行進(jìn)一步審查。

對(duì)于不符合硬性工藝標(biāo)準(zhǔn)要求的，設(shè)計(jì)員按系統(tǒng)提示進(jìn)行更改。對(duì)于部分全新機(jī)型，設(shè)計(jì)目標(biāo)與工藝要求沖突的，可在審查結(jié)果中標(biāo)記并加入到審查報(bào)告中，通過(guò)后續(xù)協(xié)商解決。同時(shí)，每一次使用審查系統(tǒng)進(jìn)行審查的情況都會(huì)被記錄，并與審查報(bào)告一同上傳至PDM系統(tǒng)。其目的在于后續(xù)對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程的回顧性綜合分析，并形成分析報(bào)告，以不斷規(guī)范設(shè)計(jì)員的設(shè)計(jì)規(guī)范。

4 總結(jié)

本文介紹了基于Creo Pro/Toolkit二次開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品工藝性自動(dòng)化審查系統(tǒng)，并從工藝審查傳統(tǒng)方式與自動(dòng)化方式對(duì)比入手，介紹系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中特征識(shí)別技術(shù)和規(guī)則庫(kù)的關(guān)鍵作用。目前，該系統(tǒng)已應(yīng)用于家用及部分商用空調(diào)類新產(chǎn)品在設(shè)計(jì)階段對(duì)三維模型設(shè)計(jì)工藝性的自動(dòng)化檢查，小家電、洗衣機(jī)、冰箱等其他產(chǎn)品將基于此系統(tǒng)架構(gòu)按計(jì)劃逐步完善。該系統(tǒng)在空調(diào)新產(chǎn)品審查方面的順利實(shí)施，極大的降低了審查人員的工作壓力，提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。