成組技術(shù)在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

高勝林，吳秀芝

（航空工業(yè)上海航空電器有限公司，上海 201100）

在航空裝備的科研生產(chǎn)管理中，產(chǎn)品可看作是數(shù)據(jù)的物質(zhì)表現(xiàn)，而產(chǎn)品的零件則需要零件圖號(hào)來(lái)“以數(shù)代形”。而生產(chǎn)制造的“多品種小批量”問(wèn)題在行業(yè)內(nèi)普遍存在，究其產(chǎn)生的主要原因?yàn)椋焊鶕?jù)航空裝備的零件圖號(hào)編制規(guī)則，零件圖號(hào)具有唯一性，從零件與圖號(hào)的關(guān)系來(lái)看，存在不同圖號(hào)，相同零件（即不用借用件）；不同圖號(hào)，相似零件；不同圖號(hào)，不同零件3 種情況[1]。

追溯不同圖號(hào)，相同零件的原因?yàn)椋瑢?duì)于相同的零件，通常采用借用件方式來(lái)解決。但采用此方式會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)混亂，如B 產(chǎn)品借用A 產(chǎn)品零件，當(dāng)B 產(chǎn)品定型后，被借用的A 產(chǎn)品并沒有定型，導(dǎo)致B 產(chǎn)品借用的零件未能及時(shí)轉(zhuǎn)型，則B 產(chǎn)品出現(xiàn)2 種技術(shù)狀態(tài)，這種借用件圖號(hào)將零件的隸屬關(guān)系和技術(shù)特征相統(tǒng)一的方式，就有可能導(dǎo)致技術(shù)狀態(tài)混亂不唯一。此外，更改不及時(shí)還會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)使用錯(cuò)誤，如當(dāng)A 產(chǎn)品被借用的零件發(fā)生更改后，若B 產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員未能獲知消息，或由于更改手續(xù)煩瑣，未能在生產(chǎn)前及時(shí)更改，就會(huì)導(dǎo)致在生產(chǎn)中借用件被錯(cuò)誤地應(yīng)用到B 產(chǎn)品中。為避免借用件在科研生產(chǎn)中出現(xiàn)問(wèn)題，廣大設(shè)計(jì)人員會(huì)盡量選擇不借用零件，使得借用零件情況逐步減少，但會(huì)使不同圖號(hào)，相同零件的情況逐步增多，尤其在螺桿、接線柱、螺釘、鉚釘?shù)攘慵休^為突出。

從產(chǎn)品類型來(lái)看，對(duì)于不同類型產(chǎn)品，有少部分零件為相同零件；而對(duì)于同類型產(chǎn)品，大多數(shù)零件為相似零件，不同零件為少數(shù)。在科研生產(chǎn)中，將相同零件和相似零件采用成組技術(shù)進(jìn)行管理，將零件的隸屬關(guān)系和技術(shù)特征相分離，通過(guò)技術(shù)特征把零件品種由多轉(zhuǎn)化為“少”，進(jìn)而把生產(chǎn)量小轉(zhuǎn)化為“大”成為一種可能。

從設(shè)計(jì)過(guò)程來(lái)看，在設(shè)計(jì)某一零件時(shí)，依據(jù)零件圖號(hào)或零件名稱，無(wú)法快速準(zhǔn)確查找到需要設(shè)計(jì)的相同或相似零件，且因?yàn)榻栌眉旧砭哂邢拗?，因此，設(shè)計(jì)人員一般會(huì)從頭開始設(shè)計(jì)，這樣一方面會(huì)使零件設(shè)計(jì)繼承性不足，也浪費(fèi)了相當(dāng)一部分的重復(fù)設(shè)計(jì)成本、時(shí)間和精力，無(wú)法對(duì)客戶的個(gè)性化需求進(jìn)行快速反應(yīng)。若采用基于技術(shù)特征的成組技術(shù)，可將設(shè)計(jì)面向生產(chǎn)制造服務(wù)轉(zhuǎn)變，為生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)服務(wù)。

1 成組技術(shù)編碼與零件庫(kù)

成組技術(shù)是以相似理論為指導(dǎo)，研究如何判別和發(fā)掘科研生產(chǎn)活動(dòng)中有關(guān)事物的相似性，并把相似問(wèn)題歸類成組，尋求解決這一組問(wèn)題相對(duì)統(tǒng)一的最優(yōu)方案，以取得所期望的經(jīng)濟(jì)效益的一種技術(shù)[2]。

依據(jù)定義可知，成組技術(shù)的理論基礎(chǔ)是相似性，通過(guò)發(fā)掘零件在結(jié)構(gòu)、材料、工藝等方面的相似性，并將相似的零件組成一個(gè)零件組，按零件組制定工藝進(jìn)行加工，擴(kuò)大批量、減少品種。成組技術(shù)作為工程設(shè)計(jì)管理的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，可將其應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)的全部過(guò)程中，如圖1 所示。科研生產(chǎn)管理中的成組技術(shù)包含基于技術(shù)特征的零件編碼規(guī)則、零件分組標(biāo)準(zhǔn)、特征碼零件庫(kù)和零件分組庫(kù)3 個(gè)部分。

圖1 成組技術(shù)與工程設(shè)計(jì)的關(guān)系

1.1 基于技術(shù)特征的零件編碼規(guī)則

當(dāng)前，多數(shù)航空裝備企業(yè)所使用的零件圖號(hào)編碼參照HB 0-87—1976 的基本產(chǎn)品圖樣、技術(shù)文件分類編號(hào)制度（電機(jī)、電器專業(yè)）標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。依據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)，零件圖號(hào)對(duì)零件“類、型、種”給出了編碼規(guī)則，如接線柱零件圖紙編號(hào)為4E8.513.000004[3]，其中數(shù)字碼段所代表的含義如圖2 所示。

圖2 圖紙編號(hào)各數(shù)字碼段所代表的含義

此種編碼規(guī)則不能夠完全表明零件的尺寸、結(jié)構(gòu)、材料、工藝等信息，為零件的查找、相似零件的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)管理帶來(lái)困難。為了能夠清晰標(biāo)識(shí)零件彼此的區(qū)別，采用成組技術(shù)對(duì)零件進(jìn)行編碼。成組技術(shù)的零件編碼從產(chǎn)生的機(jī)理方面可分為隸屬碼和特征碼2類。

零件的隸屬碼僅表示零件在產(chǎn)品中彼此的區(qū)別和隸屬產(chǎn)品信息。產(chǎn)品中的每種零件都必須有自己的“隸屬碼”，也就是零件的圖號(hào)或零件號(hào)，且編號(hào)必須唯一。零件的特征碼不僅標(biāo)識(shí)零件彼此的區(qū)別，同時(shí)還可以反映出零件固有的名稱、功能、形狀、結(jié)構(gòu)、工藝等特征化信息。特征編碼不唯一。

根據(jù)上述分析，成組技術(shù)的零件編碼能夠有效解決不同圖號(hào)相同零件和不同圖號(hào)相似零件的工程設(shè)計(jì)問(wèn)題。根據(jù)成組技術(shù)要求，結(jié)合航空裝備的零件特點(diǎn)，選用特征化零件特征編碼系統(tǒng)FCCS[4]，如圖3 所示。

圖3 零件特征編碼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

其中第五碼位為零件的關(guān)鍵特征類型，用于記錄每類零件的特征信息，用一個(gè)16 進(jìn)制數(shù)表達(dá)，每位代表一個(gè)特征類型，當(dāng)此位為1 時(shí)表示該零件包含此類特征，為0 時(shí)不包含此類特征，共能表達(dá)32 個(gè)不同的特征類型。例如當(dāng)特征碼為0000A12E 時(shí)，表示此零件擁有該組零件中第2、3、4、6、9、14、16 類特征（自低位數(shù)起）。

1.2 特征碼零件庫(kù)和零件分組庫(kù)

由零件編碼規(guī)則可知，相似的零件可以有相同的的特征代碼，正是利用特征碼的這一特征，使之能按照結(jié)構(gòu)相似或工藝相似等特征化的要求，劃分出以特征為區(qū)分的零件組。因此，零件分組標(biāo)準(zhǔn)就是利用特征位碼對(duì)零件進(jìn)行分組。由此，建立特征碼零件庫(kù)和零件分組庫(kù)，如圖4 所示。

圖4 特征碼零件庫(kù)和零件分組庫(kù)

從圖4 可知，零件分組庫(kù)共有2 組零件，分別為零件組Ⅰ和零件組Ⅱ。在零件組Ⅰ中，特征碼A、B 分別代表了2 種特征相似的零件實(shí)體（對(duì)于零件庫(kù)房管理來(lái)說(shuō)）或三維模型（對(duì)于產(chǎn)品零件設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)）；圖號(hào)1、2、3 分別代表特征碼A 的零件實(shí)體隸屬于3 種不同的產(chǎn)品，且這3 個(gè)圖號(hào)構(gòu)成了特征碼A 零件庫(kù)。由此可知，零件分組庫(kù)是以特征相似的特征碼為區(qū)分的零件實(shí)體庫(kù)或三維模型庫(kù)；特征碼零件庫(kù)是以圖號(hào)為區(qū)分，即零件與產(chǎn)品之間隸屬關(guān)系的虛擬庫(kù)。

以螺釘A 和螺釘B 為例，說(shuō)明特征碼零件庫(kù)和零件分組庫(kù)的應(yīng)用。若螺釘A 和螺釘B 僅在長(zhǎng)度上有區(qū)別，則螺釘A 和螺釘B 分別有各自的特征碼，但從特征位碼來(lái)看，螺釘A 和螺釘B 屬于同一個(gè)零件組。

2 成組技術(shù)在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

運(yùn)用成組技術(shù)，制定了零件編碼和零件分組的規(guī)則，建立了特征碼零件庫(kù)和零件分組庫(kù)。成組技術(shù)在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用如圖5 所示，將特征碼零件庫(kù)和零件分組庫(kù)應(yīng)用于產(chǎn)品零件設(shè)計(jì)和工藝規(guī)程設(shè)計(jì)中。

圖5 成組技術(shù)在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1 成組技術(shù)在產(chǎn)品零件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

成組技術(shù)的實(shí)施和信息傳遞，離不開產(chǎn)品零件的數(shù)字化信息。當(dāng)前，零件數(shù)字化信息主要以二維圖紙的形式傳遞。一般情況下，二維圖紙是由三維模型進(jìn)行轉(zhuǎn)化的，出圖周期較長(zhǎng)；然而，無(wú)論是機(jī)加進(jìn)行數(shù)控編程，還是外協(xié)零件加工，均需要將二維圖紙轉(zhuǎn)換為三維模型，這種將三維轉(zhuǎn)二維，再由二維轉(zhuǎn)三維的方式，增加了科研生產(chǎn)周期，不利于效率的提高。若產(chǎn)品零件全部以三維模型進(jìn)行傳遞，除需要對(duì)三維模型信息進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理外，還需要對(duì)數(shù)量眾多的零件三維模型依據(jù)成組技術(shù)進(jìn)行管理。

成組技術(shù)在產(chǎn)品零件設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用分為基于CAD/CATⅠA 的三維建模和編碼、基于PDM（產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)）的分組和建庫(kù)和基于成組模型的零件設(shè)計(jì)3 個(gè)步驟。

2.1.1 基于CAD/CATIA 的三維建模和編碼

參照Q/AVⅠC 01803—2011《基于模型的定義CATⅠA 實(shí)施指南》和 Q/AVⅠC 01880—2012《基于CATⅠA 的標(biāo)準(zhǔn)件參數(shù)化建模指南》的標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合成組模型的特征化要求，對(duì)已有的零件進(jìn)行三維成組建模，如圖6 所示。

圖6 基于CATⅠA 的MBD 數(shù)據(jù)集分類與拓?fù)潢P(guān)系

以零件三維成組特征模型信息為輸入，將特征編碼系統(tǒng)直接與CAD/CATⅠA 系統(tǒng)相關(guān)，以零件編碼規(guī)則為依據(jù)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)編制零件特征碼。

2.1.2 基于PDM 的分組和建庫(kù)

在CAD/CATⅠA 與PDM 之間建立一個(gè)基于零件特征碼識(shí)別和解析的平臺(tái)，用于數(shù)據(jù)共享與應(yīng)用集成，可將CAD/CATⅠA 中的零件三維模型信息和編碼信息自動(dòng)導(dǎo)入至PDM 中，如圖7 所示。PDM 依據(jù)零件分組標(biāo)準(zhǔn)，以特征碼為標(biāo)識(shí)，對(duì)零件進(jìn)行分組，并將相應(yīng)零件歸入或新建特征碼零件庫(kù)和零件分組庫(kù)。從而實(shí)現(xiàn)了從技術(shù)特征的數(shù)據(jù)上對(duì)相似零件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

圖7 基于零件特征碼識(shí)別和解析平臺(tái)的應(yīng)用圖

2.1.3 基于成組模型的零件設(shè)計(jì)

為減少設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)和保證新產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，新產(chǎn)品需具有一定的繼承性。當(dāng)為新產(chǎn)品設(shè)計(jì)零件圖紙時(shí)，設(shè)計(jì)人員將零件構(gòu)思，如零件的關(guān)鍵特征、尺寸大小等，轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的特征碼，然后在PDM 系統(tǒng)中按該特征碼進(jìn)行檢索，從中選擇可直接采用或者稍加修改便可采用的零件圖[5]。此時(shí)需要將零件的圖號(hào)按照新產(chǎn)品的隸屬關(guān)系進(jìn)行修改即可。只有當(dāng)原有的零部件圖紙均不能被利用時(shí)，才設(shè)計(jì)新的零部件圖紙。

2.2 成組技術(shù)在工藝規(guī)程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

工藝規(guī)程不僅是規(guī)定零件制造工藝過(guò)程和操作方法等的工藝文件，而且是數(shù)控加工代碼設(shè)計(jì)和工裝設(shè)計(jì)的依據(jù)文件。

2.2.1 工藝規(guī)程設(shè)計(jì)

目前航空裝備企業(yè)仍多采用單獨(dú)工藝，即一個(gè)零件一份工藝。這樣不但忽略了具有相同或相似特征的零件工藝的一致性，也導(dǎo)致相同或相似特征的零件不應(yīng)有的工藝多樣化[6]，進(jìn)而使編制出來(lái)的工藝規(guī)程多樣化。

在CAPP 中，運(yùn)用成組技術(shù)，可有效地避免上述弊端。根據(jù)零件特征碼所表征的零件特征，在工步、工序?qū)蛹?jí)，制定具有特征信息的標(biāo)準(zhǔn)工藝。對(duì)照特征碼零件庫(kù)中需要加工生產(chǎn)的零件，根據(jù)其特征碼，從CAPP 中調(diào)取具有相關(guān)特征信息的標(biāo)準(zhǔn)工藝，組成符合該庫(kù)中零件特征的工藝規(guī)程。這樣對(duì)于相同或相似特征的零件，其工藝規(guī)程相同或相似，構(gòu)成成組工藝規(guī)程[7]。

2.2.2 數(shù)控加工代碼設(shè)計(jì)

在數(shù)控加工中心編程時(shí)，按照具有特征信息的標(biāo)準(zhǔn)工藝進(jìn)行編碼，這些具有特征信息的數(shù)控程序稱為“典型程序”。相似零件的數(shù)控加工程序就可以通過(guò)典型程序的組合來(lái)得到，可降低編程工作量和代碼校驗(yàn)成本。

2.2.3 工裝設(shè)計(jì)

成組工藝允許采用同一設(shè)備和工藝裝置，可用相同或相近的機(jī)床調(diào)整加工全組零件[8]，按零件組安排生產(chǎn)調(diào)度計(jì)劃，就可減少因零件品種更換所需要的機(jī)床調(diào)整時(shí)間。由于零件組內(nèi)的零件安裝方式和尺寸相近，可設(shè)計(jì)出應(yīng)用于成組工藝的成組夾具（共用夾具），只需稍微調(diào)整或更換某些零件，成組夾具就可適用于全組零件的工序安裝。

3 結(jié)語(yǔ)

在航空裝備的工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用成組技術(shù)，將零件圖號(hào)分為隸屬碼和特征碼，以隸屬碼表明零件的隸屬關(guān)系，以特征碼為基礎(chǔ)建立虛擬和實(shí)體零件特征碼庫(kù)和零件組庫(kù)。以成組技術(shù)為指導(dǎo)的設(shè)計(jì)合理化和標(biāo)準(zhǔn)化工作，將為實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（如CAD、CATⅠA等）奠定良好的基礎(chǔ)；提高了產(chǎn)品零件設(shè)計(jì)效率，避免了采用借用件方式帶來(lái)的技術(shù)狀態(tài)混亂及更改不及時(shí)導(dǎo)致生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)裝錯(cuò)的問(wèn)題。在生產(chǎn)中使用成組工藝文件，可解決相似零件多品種小批量問(wèn)題，可縮減生產(chǎn)技術(shù)準(zhǔn)備的工作量和期限，減少工藝的種類及工藝裝備，提高零件的生產(chǎn)率和加工質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。成組技術(shù)不僅可以在零件設(shè)計(jì)中運(yùn)用，在電子電氣、軟件等設(shè)計(jì)方面亦可推廣，如電子電氣模塊化、軟件模塊化等。

綜上所述，將成組技術(shù)應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)中，將原工程設(shè)計(jì)從滿足功能性能的要求向面向生產(chǎn)制造服務(wù)轉(zhuǎn)變，可有效解決多品種小批量帶來(lái)的科研生產(chǎn)管理問(wèn)題，夯實(shí)工程設(shè)計(jì)管理基礎(chǔ)，提高工程設(shè)計(jì)效率，降低設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成本，使科研生產(chǎn)管理由難變“易”。