王俊杰,劉文麗,余敦麗
(1.上汽通用五菱汽車股份有限公司,廣西 柳州 545007;2.柳州滬信汽車科技有限公司,廣西 柳州 545007;3.柳州穩(wěn)遠(yuǎn)電氣有限公司,廣西 柳州 545007)
智能制造是《中國(guó)制造2025》的主攻方向,是落實(shí)制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的重要舉措。智能制造是基于新一代信息技術(shù),貫穿設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動(dòng)各個(gè)環(huán)節(jié),具有信息深度自感知、智慧優(yōu)化自決策、精準(zhǔn)控制自執(zhí)行等功能的先進(jìn)制造過程、系統(tǒng)與模式的總稱,具有以智能工廠為載體,以關(guān)鍵制造環(huán)節(jié)智能化為核心,以端到端數(shù)據(jù)流為基礎(chǔ)、以網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)為支撐等特征,可有效縮短產(chǎn)品研制周期、降低運(yùn)營(yíng)成本、提高生產(chǎn)效率、提升產(chǎn)品質(zhì)量、降低資源能源消耗;而汽車工業(yè)是汽車發(fā)達(dá)國(guó)家職能制造重要的應(yīng)用實(shí)施領(lǐng)域和突破口。
GD&T屬于汽車行業(yè)的機(jī)械工程行業(yè)的重要技術(shù)文件,包含大量的技術(shù)工程語言和參數(shù)。智能化設(shè)計(jì)圖紙是汽車智能化制造的重要體現(xiàn)之一,但是在現(xiàn)代傳統(tǒng)制造仍占重大比率的制造環(huán)境中,GD&T設(shè)計(jì)仍然完全依靠人工完成。以某主機(jī)廠某一車型的門檻板零部件為例,此零部件為普通中型大小零件,結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單,通過人工從制圖準(zhǔn)備到制圖過程再到制圖確認(rèn)完成(審核、校對(duì)、發(fā)布等)大概需要2個(gè)工作日;而普通整車的零部件個(gè)數(shù),以及需要產(chǎn)出產(chǎn)品工程圖或GD&T圖紙技術(shù)文件的零部件個(gè)數(shù)達(dá)到千個(gè)以上,這些完全通過人工累積大量的工作日才能得以完成,不利于資源利用、人力控制、時(shí)間管理,不符合智能化設(shè)計(jì)制造的宗旨,而且此項(xiàng)工作屬于前期設(shè)計(jì)工作,其在周期控制要求中占比較大,大量的前期人工設(shè)計(jì)時(shí)間會(huì)對(duì)整車設(shè)計(jì)制造周期產(chǎn)生較大的影響,特別是在當(dāng)前客戶消費(fèi)代謝加速,對(duì)新車型渴望強(qiáng)烈的激烈市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境中,整車設(shè)計(jì)制造投產(chǎn)周期的優(yōu)化將為其獲得市場(chǎng)主動(dòng)權(quán)起到至關(guān)重要的作用。
GD&T的英文全名是Geometric Dimension and Tolerance,指幾何尺寸公差,是通過形位公差限制實(shí)際被測(cè)形體(或要素)變動(dòng)的區(qū)域,是零件的實(shí)際形狀、位置對(duì)其理想形狀、位置的變動(dòng)量的描述,包含公差值描述大小,象征符號(hào)描述其控制要素,如點(diǎn)(平面、空間)、線(素線、軸線、曲線)、面(平面、曲面)、圓(平面、空間、整體圓柱)等區(qū)域。因此,GD&T不僅有大小還具有形狀、方向、位置4個(gè)要素,而且其控制要素又可以分為五大類:形狀公差、定向公差、定位公差、輪廓度公差、跳動(dòng)公差,其大小是由指定的形位公差值來確定的。只要被測(cè)實(shí)際形體(或要素)被包含在這個(gè)公差帶內(nèi),那么這個(gè)被測(cè)形體(或要素)就是合格的。其中形狀公差用于控制形體的形狀;定向公差用于控制形體的方向;定位公差用于控制形體的方向和位置;輪廓度公差既可控制形體的大小和形狀,又可控制其方向和位置;跳動(dòng)公差是對(duì)形體方向和位置的綜合控制。定位公差、定向公差和跳動(dòng)公差,統(tǒng)稱為位置公差。
GD&T圖紙即描述零部件,焊接過程件,白車身的形位公差、尺寸公差、配合公差等關(guān)系要求的圖樣,是幾何尺寸公差的文字體現(xiàn),是指導(dǎo)零件及整車設(shè)計(jì)制造的重要技術(shù)文件。無論是傳統(tǒng)制造,還是汽車整車及零部件研發(fā)制造,都離不開GD&T圖紙(產(chǎn)品工程圖紙)的輸入。
智能化設(shè)計(jì)制造不僅要成為寬泛的指導(dǎo)方針,還需要落實(shí)到具體行動(dòng)步驟當(dāng)中,以指導(dǎo)無論是初學(xué)者還是經(jīng)驗(yàn)充足的各級(jí)工程師進(jìn)行細(xì)致的實(shí)際操作。通過探索專業(yè)人員在尺寸工程行業(yè)內(nèi)的經(jīng)驗(yàn)積累以及對(duì)GD&T設(shè)計(jì)的專業(yè)性理解和領(lǐng)悟,參考國(guó)內(nèi)外多個(gè)主機(jī)廠圖紙?jiān)O(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)GD&T圖紙時(shí)所使用的繪制步驟,總結(jié)GD&T繪圖過程中的核心思想和宗旨,并通過繪圖設(shè)計(jì)軟件UG的功能模塊進(jìn)行二次開發(fā),將其智能化設(shè)計(jì)的技術(shù)思路通過以下5個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)。
GD&T設(shè)計(jì)的首要條件是識(shí)別零件的匹配功能面,并對(duì)其標(biāo)注尺寸公差等信息。在人工設(shè)計(jì)過程中,通過人工搜索零件對(duì)應(yīng)的匹配對(duì)手件,并且按照統(tǒng)一坐標(biāo)系加載匹配后對(duì)匹配重合區(qū)域進(jìn)行識(shí)別并標(biāo)注。以下步驟將通過繪圖軟件的對(duì)應(yīng)功能模塊將這一過程智能化。
智能設(shè)計(jì)模塊中,數(shù)模加載能裝配至匹配位置,是通過在同一坐標(biāo)系中進(jìn)行坐標(biāo)定位來實(shí)現(xiàn)結(jié)合。零部件數(shù)模與其對(duì)手件的匹配位置,就是GD&T需要涵蓋的區(qū)域,即需要附加幾何形狀公差要求的區(qū)域,通過自動(dòng)識(shí)別和標(biāo)注來實(shí)現(xiàn)。在繪圖軟件環(huán)境中可以通過編程自動(dòng)識(shí)別搭接部位大小形狀,借用同一坐標(biāo)系中軟件能通過識(shí)別互相匹配的零部件坐標(biāo)位置功能識(shí)別匹配位置的具體區(qū)域,并且生成需要標(biāo)注GD&T要求的指定型面。指定型面識(shí)別后的突出顯示功能,將由提前設(shè)定的參數(shù)化實(shí)現(xiàn),如目標(biāo)型面的加亮處理或者填充化處理,以清晰地表現(xiàn)此型面的用處。參數(shù)化的輸入可由設(shè)計(jì)者自定義設(shè)置,最大限度地保留圖紙信息的識(shí)別度。此步驟默認(rèn)在三維情形下完成。
GD&T圖紙作為技術(shù)文件,需要標(biāo)準(zhǔn)化的模板來承載其包含的各種信息。模板需要包含封面,描述完整圖紙的基本信息,如圖號(hào)、車型、視圖,以及公司屬性等;版本信息頁(yè),描述圖紙的當(dāng)前版本和歷史版本,以及版本更改的過程信息;通用技術(shù)規(guī)范頁(yè),描述零件在此圖紙中無匹配要求的要素、要求等;基準(zhǔn)頁(yè),描述零件的基準(zhǔn)信息;孔信息頁(yè),描述零件孔特征的信息;面信息頁(yè),描述零件面特征的信息;特殊特征頁(yè),描述異型孔、特殊面等信息;左右件區(qū)分頁(yè),描述左右件不對(duì)稱的特征信息。
當(dāng)零件加載之后,軟件系統(tǒng)識(shí)別步驟1中突出顯示的匹配面之后,自動(dòng)調(diào)用對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)模板,并且開始逐步填充模板內(nèi)每頁(yè)的內(nèi)容。在這之前需要設(shè)定基準(zhǔn),基準(zhǔn)特征的選擇根據(jù)設(shè)計(jì)要求實(shí)施,將設(shè)計(jì)好的基準(zhǔn)信息輸入特定的模板,在繪圖程序自動(dòng)調(diào)用模板時(shí),將儲(chǔ)存在系統(tǒng)中的模板與步驟1中的匹配面自動(dòng)識(shí)別進(jìn)行邏輯化的超鏈接,并且同時(shí)調(diào)用提前設(shè)定好的基準(zhǔn)信息。這樣在調(diào)用模板的過程中,繪圖功能模塊會(huì)自動(dòng)過濾設(shè)計(jì)為基準(zhǔn)的區(qū)域識(shí)別并填充對(duì)應(yīng)的圖紙內(nèi)容,同時(shí)在模板的基準(zhǔn)頁(yè)內(nèi)填充基準(zhǔn)信息。
圖紙所包含的內(nèi)容除了技術(shù)性的信息,還需要遵循一定的設(shè)計(jì)順序。如果沒有特定的順序設(shè)計(jì)原則,在GD&T圖紙的智能化設(shè)計(jì)過程中會(huì)產(chǎn)生沖突,不能清楚地表達(dá)這個(gè)重要技術(shù)資料的邏輯性圖紙所承載的信息,造成制造部門或閱讀人員的誤解,有可能導(dǎo)致制造結(jié)果偏離設(shè)計(jì),甚至可能導(dǎo)致汽車公司大量返工而產(chǎn)生時(shí)間成本上的巨額浪費(fèi)。
一輛整車存在成千上萬個(gè)零件,并且不同零件的構(gòu)造、材料以及各種要求都不同,例如車身鈑金零件中,門外板之類的外觀覆蓋件以型面定位對(duì)型面的要求為第一順序,側(cè)圍內(nèi)板之類的內(nèi)部結(jié)構(gòu)件以孔加型面為定位,對(duì)孔特征的要求為第一順序。所以在智能化設(shè)計(jì)程序技術(shù)開發(fā)過程中,根據(jù)車身類型的不同,可以按零件結(jié)構(gòu)差異規(guī)定所需內(nèi)容的順序,分類設(shè)定并賦予可選擇項(xiàng)。在GD&T圖紙?jiān)O(shè)計(jì)時(shí),可參考上一章段內(nèi)容中圖紙模板設(shè)計(jì)方式,設(shè)計(jì)者可勾選以需求為偏好的方式,確定后由系統(tǒng)自動(dòng)參照并輸出。
視圖的選擇、視角的應(yīng)用可以直接識(shí)別圖紙的信息內(nèi)容。圖紙的設(shè)計(jì)應(yīng)該秉承用最少的視圖描述最大的信息的原則,不僅有利于圖紙的排版美觀,也方便信息的快速識(shí)別和傳達(dá)。
智能化視圖設(shè)定,借鑒原人工操作圖紙?jiān)O(shè)計(jì)格式中存在的通用視角及自由角度視角。一般情況下,通用視角可以滿足很多規(guī)則化的零件繪圖要求。但是復(fù)雜型面的零件,需要手動(dòng)添加視角,尤其是在自由視角情況時(shí),手動(dòng)添加的視角不能完全展示零件要素的幾何公差要求和搭接面,需要人員耗費(fèi)精力和視角進(jìn)行修正,并且同一個(gè)零件的自由視角會(huì)因?yàn)椴煌脑O(shè)計(jì)人員的感性判斷而呈現(xiàn)不同的排版,不利于圖紙的規(guī)范及美化。自由視角以展現(xiàn)零件最大可視化特征要素為主,在智能化GD&T圖紙?jiān)O(shè)計(jì)中,復(fù)雜零件的自由視角也應(yīng)該設(shè)置為與對(duì)少的最大匹配面,此匹配面為數(shù)模加載模塊中的智能化識(shí)別匹配面。
公差賦予是圖紙?jiān)O(shè)計(jì)中最重要的環(huán)節(jié),GD&T圖紙及為零件特征要素的幾何尺寸公差信息,公差大小、位置等信息隨著零件的不同要求而進(jìn)行變化。在圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的智能化環(huán)境中,可以設(shè)計(jì)并導(dǎo)入提前設(shè)計(jì)好的一般公差標(biāo)準(zhǔn),涵蓋一般孔面圓角等特征的公差要求,在完成圖紙的智能化排版后,這些特征區(qū)域自動(dòng)引出對(duì)應(yīng)的公差信息。圖示為零部件各特征常用公差表;以上對(duì)于常規(guī)的下級(jí)零部件基本滿足要求。對(duì)于高層級(jí)的復(fù)雜零件,例如汽車內(nèi)外飾零件——座艙總成,有多個(gè)單件集合而成,可引出智能高級(jí)指令,添加公差計(jì)算的常用算法——平方差算法,在復(fù)雜零件圖紙中對(duì)一般要求的特征直接進(jìn)行公差計(jì)算,通過智能化出圖表現(xiàn)在圖紙上。通過制定詳細(xì)步驟并開發(fā)對(duì)應(yīng)模塊加載至對(duì)應(yīng)制圖軟件中,即可在導(dǎo)入對(duì)應(yīng)零件后進(jìn)行GD&T圖紙的智能化設(shè)計(jì)及輸出;也可以在此基礎(chǔ)上研究批量設(shè)計(jì)方式,以軟件系統(tǒng)運(yùn)算能力為基礎(chǔ)開發(fā)批量形式的圖紙?jiān)O(shè)計(jì)。
此外,因?yàn)樵O(shè)計(jì)者對(duì)不同零件的重要性要求,以及實(shí)際制造過程中對(duì)某零件特定安裝點(diǎn)/型面控制度要求不同,所以在圖紙的前期設(shè)計(jì)中,不同特征的公差也會(huì)不同。比如在白車身的后車架部分中,油箱安裝點(diǎn)、懸掛安裝點(diǎn)等,以及新能源車型的電池包安裝點(diǎn),相較其他的線束安裝點(diǎn)等有較高的要求和控制力度,因此,在公差設(shè)計(jì)過程中,需要添加比一般公差或常規(guī)累計(jì)公差嚴(yán)格的公差,并且結(jié)合一定的復(fù)合公差要求。以上特定公差要求,都需要提前設(shè)計(jì)添加在智能化設(shè)計(jì)調(diào)用的公差設(shè)計(jì)表中。
通過上述步驟描述的智能化設(shè)計(jì)技術(shù),最終可生成合理的具有正規(guī)效力的圖紙文件,經(jīng)由專業(yè)設(shè)計(jì)人員的最終審核,作為下游部門/工位的制造參考標(biāo)準(zhǔn)。
汽車行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)到了白熱化的程度,公司或企業(yè)能否在寒冬中生存,最終發(fā)展與壯大,取決于其是否在成本上具有優(yōu)勢(shì)。隨著客戶的欣賞水平以及消費(fèi)需求的提升,車型的迭代時(shí)間也不斷面臨著巨大的挑戰(zhàn),這些都是各汽車公司的決策者需要認(rèn)真考慮的。GD&T圖紙的智能化設(shè)計(jì)在節(jié)約成本、縮短開發(fā)周期方面效果明顯,在新車型開發(fā)周期和成本控制方面起著舉足輕重的作用,也是尺寸工程發(fā)展的必經(jīng)之路。除了自身周期成本大大縮減,對(duì)快速開發(fā)GD&T數(shù)據(jù)信息支持的模、檢、夾等工裝工藝也是意義非凡。GD&T智能設(shè)計(jì)中延伸出來的知識(shí)庫(kù),即在圖紙?jiān)O(shè)計(jì)過程中自我學(xué)習(xí)、自我完善,儲(chǔ)存過程數(shù)據(jù)作為知識(shí)庫(kù),方便在下輪設(shè)計(jì)中自動(dòng)調(diào)用,對(duì)時(shí)間、成本,以及業(yè)務(wù)管理(圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、審核修改、批準(zhǔn)發(fā)布等流程簡(jiǎn)化)有重要作用。
現(xiàn)階段,GD&T智能化設(shè)計(jì)模塊需基于相應(yīng)軟件的開發(fā)應(yīng)用,而此相關(guān)軟件和程序的開發(fā)仍然處在不斷的實(shí)驗(yàn)和摸索之中,零部件特殊特征識(shí)別、特殊公差的賦予能否精細(xì)到具體的點(diǎn)或線上,都需要持續(xù)投入人力、物力來突破瓶頸,實(shí)現(xiàn)最大限度的智能化。例如,在GD&T設(shè)計(jì)中我們認(rèn)為一般公差為現(xiàn)有技術(shù)條件下能達(dá)到的最高水平或是設(shè)計(jì)者能接受的最低水平,對(duì)于很多重要程度不同的零件特征,會(huì)采用特殊公差?,F(xiàn)有智能化模塊中,特殊公差賦予的實(shí)現(xiàn)有一定局限,智能化生成一般公差圖紙后,可以由設(shè)計(jì)審核人員進(jìn)行添加,而在智能化研究中,添加特殊數(shù)據(jù)庫(kù)由圖紙?jiān)O(shè)計(jì)模塊自動(dòng)調(diào)用,將會(huì)幫助尺寸工程繪圖走出智能化現(xiàn)狀存在的困境。
當(dāng)前時(shí)代是汽車行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期,也是中國(guó)汽車技術(shù)實(shí)現(xiàn)彎道超車的拐點(diǎn),智能化發(fā)展趨勢(shì)不可逆轉(zhuǎn),相關(guān)硬件軟件的提升刻不容緩。隨之匹配的是設(shè)計(jì)者的思想,也應(yīng)該逐步地去人工化,全面擁抱智能化。高效透徹地開發(fā)智能化思維至關(guān)重要,需要從業(yè)人員不斷地學(xué)習(xí)和思考,致力于勇敢探索新事物,開發(fā)新模塊,由技術(shù)設(shè)計(jì)者向技術(shù)管理者,由技術(shù)管理者向技術(shù)突破者轉(zhuǎn)變,從而成為新技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者。作為汽車開發(fā)的重要組成因子,人與機(jī)器智能化同步發(fā)展是一個(gè)公司或者企業(yè)在行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。