復雜電子裝備CAM標準體系構(gòu)建研究*

呂 輝，馮展鷹，趙永波，吳 欣

（1. 南京電子技術(shù)研究所，江蘇 南京 210039；2. 中國電子科技集團公司第十四研究所，國家 級工業(yè)設(shè)計中心，江蘇 南京 210039）

引 言

復雜電子裝備規(guī)模大，集成度高，軟硬件系統(tǒng)相互耦合，是高端制造領(lǐng)域的典型代表。推進復雜電子裝備計算機輔助制造（Computer-Aided Manufacturing,CAM）技術(shù)發(fā)展，是我國制造業(yè)從“大”向“強”轉(zhuǎn)型升級戰(zhàn)略在電子行業(yè)的落地[1-3]。為了在高端制造領(lǐng)域轉(zhuǎn)型升級過程中搶占先機，歐美、日本等工業(yè)發(fā)達國家和地區(qū)均提出了與技術(shù)應(yīng)用體系相協(xié)調(diào)的標準體系架構(gòu)，將標準化作為推進行業(yè)發(fā)展的加速器和助推劑[4]。當前，我國在智能制造標準體系構(gòu)建方面進行了積極的嘗試且成效顯著[5-6]，但針對復雜電子裝備CAM標準體系缺失等問題暫無針對性的解決方案，迫切需要開展復雜電子裝備CAM標準體系研究工作，填補國內(nèi)空白。

1 國內(nèi)外相關(guān)標準研制現(xiàn)狀

標準化在制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級進程中發(fā)揮著引領(lǐng)、保障的作用，國外發(fā)達國家或地區(qū)高度重視標準化體系構(gòu)建工作，將標準制定作為首要任務(wù)之一[7]。為推動標準化工作高效有序地開展，相關(guān)國家和組織結(jié)合需求開展了先進制造體系標準架構(gòu)研究，同時基于架構(gòu)落實具體標準制定工作[8]。

1.1 國外標準化現(xiàn)狀

1.1.1 美國標準化現(xiàn)狀

2016年2月，美國國家標準與技術(shù)研究院NIST發(fā)布了智能制造生態(tài)系統(tǒng)（Smart Manufacturing Ecosystem，SME）。SME架構(gòu)包含產(chǎn)品（Product）、生產(chǎn)（Production）和業(yè)務(wù)（Business）三個維度，每個維度均表示獨立的生命周期，如圖1所示[9]。

圖1 美國智能制造生態(tài)系統(tǒng)

制造金字塔是SME的核心，是三個維度生命周期的融合交匯點。標準體系架構(gòu)在促進設(shè)備、車間和企業(yè)資源管理系統(tǒng)的信息化集成方面發(fā)揮了關(guān)鍵的作用。基于該標準架構(gòu)建立完善了制造管控系統(tǒng)，實現(xiàn)了基于數(shù)據(jù)的快速決策、智能有序排產(chǎn)、質(zhì)量數(shù)據(jù)可控及物料資源高效周轉(zhuǎn)利用，保障了制造管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全，大大促進了企業(yè)高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展。

1.1.2 德國標準化現(xiàn)狀

2015年4月，德國發(fā)布《德國“工業(yè)4.0”標準化路線圖》2.0 版，系統(tǒng)介紹了工業(yè)4.0 參考架構(gòu)模型（Reference Architecture Model of Industry 4.0, RAMI 4.0），如圖2所示[10]。

圖2 德國工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型

RAMI 4.0體系架構(gòu)給小批量商品的定制化服務(wù)提供了極大的便捷，在該架構(gòu)的規(guī)范下，所有生產(chǎn)要素充分交互，深度交織成一個融會貫通的網(wǎng)絡(luò)，用戶可以直接參與到產(chǎn)品的全生命周期策劃中，提供的產(chǎn)品個性化特質(zhì)凸顯，滿足不同方面的需求。

1.1.3 日本標準化現(xiàn)狀

2016年12月，日本推出了智能工廠的三維基本架構(gòu)《工業(yè)價值鏈參考架構(gòu)（IVRA）》（圖3）。架構(gòu)中的每一個塊即為一個智能制造單元（Smart Manufacturing Unit, SMU），從資產(chǎn)、活動和管理三個維度對生產(chǎn)現(xiàn)場進行全面診斷。SMU通過各制造單元的互聯(lián)互通，實現(xiàn)精益生產(chǎn)，大幅提高投入產(chǎn)出率，適應(yīng)了制造業(yè)向多樣性和個性化轉(zhuǎn)變的趨勢[11]。

圖3 工業(yè)價值鏈參考架構(gòu)IVRA

1.2 國內(nèi)標準化現(xiàn)狀

2021年11月，工業(yè)和信息化部和國家標準化管理委員會頒布了《國家智能制造標準體系建設(shè)指南（2021年版）》，提供了我國智能制造系統(tǒng)架構(gòu)，如圖4所示。該架構(gòu)主要分為系統(tǒng)層級、生命周期和智能特征三個維度，對現(xiàn)代制造行業(yè)的活動、裝備、特征等內(nèi)容進行規(guī)范，明確了智能制造標準化的需求、對象及范圍等，指導國家智能制造標準體系建設(shè)[12-13]。

圖4 智能制造系統(tǒng)架構(gòu)

國家智能制造標準體系框架涵蓋了基礎(chǔ)共性、關(guān)鍵技術(shù)和重點行業(yè)三類標準。在行業(yè)應(yīng)用部分規(guī)劃了高檔數(shù)控機器人和機床、新材料等行業(yè)應(yīng)用相關(guān)標準，但各行業(yè)具體的體系架構(gòu)及標準明細梳理工作還有待進一步開展。在該架構(gòu)的指引下，我國智能制造行業(yè)涌現(xiàn)出一批標桿企業(yè)和高質(zhì)量標準文件[14-15]，但針對復雜電子裝備CAM領(lǐng)域的標準較少，且不成體系，急需開展復雜電子裝備CAM標準體系構(gòu)建及關(guān)鍵標準研究。

2 復雜電子裝備CAM技術(shù)分析

標準體系依附于相關(guān)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用情況，因此在構(gòu)建復雜電子裝備CAM標準體系前對其結(jié)構(gòu)組成、關(guān)鍵技術(shù)及行業(yè)應(yīng)用情況進行梳理歸納，為體系構(gòu)建提供參考依據(jù)。

2.1 復雜電子裝備結(jié)構(gòu)組成

不同領(lǐng)域的復雜電子裝備在外形、體積、重量及復雜度方面有所差別，但其系統(tǒng)組成及制造技術(shù)基本類似：信息功能材料通過微系統(tǒng)集成制造等工藝制備出電子元器件；電子元器件（互聯(lián)基板、電纜導線等）與支撐結(jié)構(gòu)件通過電氣互聯(lián)、機械裝配等工藝組成具有獨立功能的模塊/分系統(tǒng)；模塊/分系統(tǒng)與單元屏蔽盒和機箱機柜等結(jié)構(gòu)件再通過機械裝配、電氣互聯(lián)等形成完整的電子整機或系統(tǒng)，如圖5所示。

圖5 復雜電子裝備組成

2.2 CAM技術(shù)應(yīng)用方向

CAM是利用計算機技術(shù)手段處理產(chǎn)品從設(shè)計到成品過程的所有生產(chǎn)活動信息。隨著制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System, MES）、企業(yè)資源規(guī)劃（Enterprise Resource Planning, ERP）等技術(shù)概念的普及推廣，目前CAM的狹義概念已逐步縮小，漸漸成為計算機數(shù)控（Computer Numerical Control,CNC）技術(shù)的同義詞[16]。

本文基于CAM 的廣義定義，從計算機軟件維度對CAM技術(shù)方向進行梳理，歸納出其在制造領(lǐng)域的4個主要應(yīng)用方向：有工藝設(shè)計、數(shù)控加工、數(shù)字化裝配及質(zhì)量檢驗，典型技術(shù)領(lǐng)域有CNC、分布式數(shù)控（Distributed Numerical Control, DNC）、柔性制造系統(tǒng)（Flexible Manufacturing System, FMS）、計算機輔助工藝設(shè)計（Computer-Aided Process Planning, CAPP）、計算機輔助測試（Computer Aided Test, CAT）等，如圖6所示。

圖6 CAM技術(shù)的應(yīng)用方向

2.3 復雜電子裝備CAM技術(shù)特點

不同于常規(guī)批量化生產(chǎn)的產(chǎn)品，復雜電子裝備的高質(zhì)量研制面臨更多的挑戰(zhàn)：復雜電子裝備產(chǎn)品結(jié)構(gòu)組成復雜，規(guī)模大，集成度高，精度和可靠性要求高；以多品種、小批量、定制化模式組織生產(chǎn)，生產(chǎn)線柔性要求高；需滿足短周期交付，過程管控可視、可控、可追溯要求高。

復雜電子裝備制造業(yè)在產(chǎn)品全生命周期精細化管控、數(shù)字化協(xié)同研發(fā)、智能生產(chǎn)手段、質(zhì)量追溯管控等方面提出了更高需求。為了有效縮短產(chǎn)品研制周期，提高復雜電子裝備研制效率和水平，提升市場競爭力，迫切需要通過CAM標準化來推動行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，實現(xiàn)復雜電子裝備行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

3 復雜電子裝備CAM標準體系

3.1 標準體系構(gòu)建原則

標準體系構(gòu)建是從頂層布局，統(tǒng)籌考慮，全面梳理一定范圍內(nèi)的標準，按其內(nèi)在規(guī)律和相互間的聯(lián)系構(gòu)成一個層次鮮明、脈絡(luò)清晰、和諧統(tǒng)一的整體。

（1）需求引領(lǐng)，問題導向

緊密圍繞復雜電子裝備研發(fā)對CAM的迫切需要，認真研究當前復雜電子裝備CAM面臨的問題，保證標準體系全面覆蓋，構(gòu)成一個完整全面的有機整體，重點支撐復雜電子裝備CAM技術(shù)提升。

（2）共性先立，急用先行

在標準制修訂方面，主要從需求和技術(shù)成熟度兩個角度來識別急需制（修）訂的關(guān)鍵標準。要重點關(guān)注復雜電子裝備CAM測試等基礎(chǔ)標準，關(guān)注復雜電子裝備CAM的工藝設(shè)計、加工裝配、質(zhì)量檢驗等關(guān)鍵支撐技術(shù)標準。

（3）技術(shù)引導，特色突出

遵循“技術(shù) 標準 應(yīng)用”邏輯路線圖，通過復雜電子裝備CAM技術(shù)研究和技術(shù)體系構(gòu)建，結(jié)合技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用需求，構(gòu)建標準體系，基于復雜電子裝備研制特點，形成特色鮮明、指導性強的標準體系框架。

（4）開放兼容，強化實施

對國內(nèi)外復雜電子裝備CAM標準化發(fā)展現(xiàn)狀及需求進行調(diào)研和討論，充分借鑒國內(nèi)外已有的復雜電子裝備CAM標準化成果，結(jié)合復雜電子裝備CAM應(yīng)用需求構(gòu)建標準體系框架，注重標準驗證與推廣。

3.2 標準體系結(jié)構(gòu)

通過調(diào)研分析國內(nèi)外制造業(yè)標準體系發(fā)布及復雜電子裝備CAM相關(guān)技術(shù)及應(yīng)用情況，梳理出通用、安全等基礎(chǔ)共性技術(shù)，工藝設(shè)計、加工、裝配等關(guān)鍵支撐技術(shù)，模塊、整機等專業(yè)應(yīng)用方面的技術(shù)，從而明確復雜電子裝備CAM對象類別和邊界范疇。然后分析復雜電子裝備CAM技術(shù)與標準的發(fā)展趨勢及現(xiàn)有需求，構(gòu)建復雜電子裝備CAM標準體系結(jié)構(gòu)圖。復雜電子裝備CAM標準體系結(jié)構(gòu)圖包括“A 基礎(chǔ)共性”、“B關(guān)鍵支撐技術(shù)”和“C 專業(yè)應(yīng)用”3個部分，主要反映標準體系各部分的組成關(guān)系，如圖7所示。

“A 基礎(chǔ)共性”標準位于標準體系結(jié)構(gòu)最底層，是關(guān)鍵支撐技術(shù)和專業(yè)應(yīng)用標準的基礎(chǔ)；“B 關(guān)鍵支撐技術(shù)”包括計算機輔助工藝設(shè)計、計算機輔助加工、計算機輔助裝配、計算機輔助質(zhì)量檢驗4大部分；“C 專業(yè)應(yīng)用”標準位于結(jié)構(gòu)圖的最頂層，面向整機裝備、功能模塊、元器件、信息材料等專業(yè)領(lǐng)域的具體需求，對“A 基礎(chǔ)共性”標準和“B 關(guān)鍵支撐技術(shù)”標準進行細化完善和針對性的落地應(yīng)用。

3.3 標準體系框架構(gòu)建

以復雜電子裝備應(yīng)用領(lǐng)域及CAM技術(shù)應(yīng)用方向為基礎(chǔ)，由體系結(jié)構(gòu)圖向下映射，構(gòu)建了復雜電子裝備CAM標準體系框架，包括“A 基礎(chǔ)共性”、“B 關(guān)鍵支撐技術(shù)”和“C 專業(yè)應(yīng)用”3個部分，如圖8所示。

圖8 復雜電子裝備CAM標準體系框架

3.3.1 基礎(chǔ)共性標準

基礎(chǔ)共性標準是復雜電子裝備設(shè)計、加工、裝配、檢驗的基礎(chǔ)共性支撐標準，用于統(tǒng)一復雜電子裝備CAM相關(guān)要求，解決基礎(chǔ)共性關(guān)鍵問題。結(jié)合復雜電子裝備行業(yè)的自身特點，基礎(chǔ)共性標準主要包括通用、安全、可靠性、檢測和評價5個部分，如圖9所示。

圖9 基礎(chǔ)共性標準子體系

（1）通用標準

通用標準用于統(tǒng)一復雜電子裝備CAM相關(guān)概念，在術(shù)語定義、參考模型及數(shù)據(jù)格式等方面達成一致共識，為復雜電子裝備CAM資源管理提供參考依據(jù)。

（2）安全標準

安全標準用于保證復雜電子裝備CAM領(lǐng)域相關(guān)信息系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定運行，具備一定的魯棒性以抵御意外狀況及惡意侵襲。

（3）可靠性標準

可靠性標準用于對復雜電子裝備CAM系統(tǒng)的可靠性活動進行規(guī)劃、組織、協(xié)調(diào)與監(jiān)督，開展具體的可靠性設(shè)計、分析與試驗工作。

（4）檢測標準

檢測標準用于指導復雜電子裝備系統(tǒng)的測試過程管理和性能評判，為各類產(chǎn)品、系統(tǒng)的測試過程提供支撐。

（5）評價標準

評價標準用于對復雜電子裝備CAM開展評估，規(guī)范評價過程，提供一致的評判依據(jù)，督促企業(yè)形成數(shù)字化轉(zhuǎn)型意識，提高競爭力。

3.3.2 關(guān)鍵支撐技術(shù)標準

關(guān)鍵支撐技術(shù)標準結(jié)合復雜電子裝備的應(yīng)用領(lǐng)域、結(jié)構(gòu)組成、制造工藝等特點，對裝備研制過程中不同階段的CAM關(guān)鍵技術(shù)進行規(guī)范，主要包括計算機輔助工藝設(shè)計、計算機輔助加工、計算機輔助裝配和計算機輔助質(zhì)量檢驗4個部分，如圖10所示。

圖10 關(guān)鍵支撐技術(shù)標準子體系

（1）計算機輔助工藝設(shè)計標準

計算機輔助工藝設(shè)計標準主要規(guī)定了基于模型定義的復雜電子裝備產(chǎn)品數(shù)字化工藝設(shè)計的內(nèi)容、數(shù)據(jù)組織方式和工藝數(shù)據(jù)（工藝模型數(shù)據(jù)、制造孿生數(shù)據(jù)、工藝文件數(shù)據(jù)和工藝資源數(shù)據(jù)）傳遞管理等要求，包括工藝與孿生模型構(gòu)建、基于知識的三維工藝規(guī)程設(shè)計、工藝過程幾何仿真及工藝數(shù)據(jù)管理方面的要求。

（2）計算機輔助加工標準

計算機輔助加工主要是指在機械制造業(yè)中，利用計算機實現(xiàn)數(shù)控編程、加工仿真、生產(chǎn)控制及管理等功能，自動完成離散產(chǎn)品的加工制造過程。復雜電子裝備計算機輔助加工標準主要包括數(shù)控編程和分布式數(shù)控2個部分。數(shù)控編程標準包括模型處理、程序編制、數(shù)控代碼生成、數(shù)控程序輸出等要求；分布式數(shù)控標準規(guī)定了控制網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、基本要求、性能要求及信息安全要求。

（3）計算機輔助裝配標準

結(jié)合復雜電子裝備的應(yīng)用領(lǐng)域、結(jié)構(gòu)組成和工藝技術(shù)特點，計算機輔助裝配標準主要包括電子裝聯(lián)和機械裝配2個部分。電子裝聯(lián)標準主要用于規(guī)范混合集成電路、表面安裝、多芯片組件及系統(tǒng)組裝等電子裝聯(lián)方面的標準化問題。機械裝配主要用于復雜電子裝備機械裝配設(shè)備的數(shù)字化設(shè)計、信息交互、應(yīng)用和運維。

（4）計算機輔助檢驗標準

復雜電子裝備計算機輔助檢驗以產(chǎn)品生命周期的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，制定檢測方案，開展數(shù)字化檢測，采集評價質(zhì)量數(shù)據(jù)，反饋改進。檢驗規(guī)劃標準主要用于復雜電子裝備質(zhì)量檢驗的模型完善、路徑優(yōu)化和過程仿真。檢驗執(zhí)行標準用于復雜電子裝備質(zhì)量檢驗的信息交互、應(yīng)用和運維規(guī)范。質(zhì)量分析與評價標準主要規(guī)范產(chǎn)品質(zhì)量評價、質(zhì)量信息分析及質(zhì)量知識傳遞與管理的技術(shù)要求。

3.3.3 專業(yè)應(yīng)用技術(shù)標準

基于基礎(chǔ)共性標準和關(guān)鍵支撐技術(shù)標準，圍繞電子整機、零部件與模塊、電子元器件、信息功能材料等復雜電子裝備典型CAM對象，優(yōu)先在各自急需專業(yè)率先實現(xiàn)突破，并相互借鑒完善，逐步覆蓋復雜電子裝備CAM全應(yīng)用領(lǐng)域，如圖11所示。

圖11 專業(yè)應(yīng)用標準子體系

（1）電子整機標準

復雜電子裝備整機包括軍用/民用雷達、通信導航、電子對抗、指揮控制等復雜電子裝備。電子整機CAM標準主要包括整機工藝設(shè)計與仿真、整機裝調(diào)、整機質(zhì)量檢驗等標準，主要用于規(guī)范整機裝備制造及質(zhì)量檢驗。

（2）零部件與模塊標準

零部件與模塊是復雜電子裝備的重要機械電子結(jié)構(gòu)組成。零部件與模塊標準主要包括零部件與模塊的工藝設(shè)計與仿真、零部件與模塊的加工與裝配以及零部件與模塊的質(zhì)量檢驗等標準，主要用于規(guī)范零部件與模塊的制造與質(zhì)量檢驗。

（3）電子元器件標準

電子元器件是復雜電子裝備發(fā)展的基礎(chǔ)，包括微電子、光電子、真空電子、傳感器、微電子機械系統(tǒng)、微系統(tǒng)、物理和化學電源等基礎(chǔ)元器件。元器件CAM標準主要包括元器件工藝設(shè)計與仿真、元器件智能加工與檢測、集成電路制造等標準，主要用于規(guī)范電子元器件的工藝設(shè)計及檢驗。

（4）信息功能材料標準

電子信息功能材料是指具有電、磁、聲、光、熱等物理效應(yīng)并通過這些效應(yīng)實現(xiàn)對信息的變換、傳輸、處理、存儲等功能的材料。電子信息功能材料CAM標準主要包括材料制造工藝仿真、材料加工、材料性能檢驗等標準，主要用于規(guī)范信息材料的工藝設(shè)計與制造。

4 結(jié)束語

本文對復雜電子裝備CAM標準體系構(gòu)建開展了研究，調(diào)研分析了航空、航天、電子等行業(yè)相關(guān)技術(shù)及標準化的現(xiàn)狀，充分借鑒國內(nèi)外成果和實踐經(jīng)驗，結(jié)合復雜電子裝備CAM特點，制定標準體系布局，完成體系框架構(gòu)建。梳理標準明細表，識別出當前重要且急需的標準，并完成了部分急需標準草案的編制及驗證工作。相關(guān)成果將有效推進復雜電子裝備行業(yè)的標準化進程，引導企業(yè)在研發(fā)、生產(chǎn)、管理等環(huán)節(jié)對標達標，發(fā)揮了標準的支撐和引領(lǐng)作用，助力復雜電子裝備CAM轉(zhuǎn)型升級。為適應(yīng)新時期高質(zhì)量發(fā)展需求，所構(gòu)建的復雜電子裝備CAM標準體系在促成行業(yè)“雙碳”達標、推動“數(shù)字孿生”有效應(yīng)用等方面還需進一步完善。