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第二章 软件定义企业新能力

第一十五节 浅谈企业三维标准化设计平台的搭建

杭州新迪数字工程系统有限公司 李伟
 

一、国内三维CAD应用现状

        基于三维模型的产品设计与制造已成为我国制造业的主流模式,由于产品三维模型具有可视化、数字化和虚拟化等特点,使其成为产品开发各环节( CAD、CAE、CAPP、CAM 等) 不可或缺的基础载体。虽然三维CAD已经进入普及时代,但事实上,很多企业的三维CAD的应用只是停留在简单的软件功能应用和产品造型上,三维CAD的应用并没有达到企业预期的效果。很多企业采用三维设计软件后的很长时间内,三维应用水平始终停滞不前,无法实现全三维数字化设计。同时,产品设计效率不但没有提升,反而有所下降,如何更好的搭建三维标准化设计平台,是大多数企业普遍面临的最为迫切的问题。

二、搭建基于三维的标准化设计平台,你准备好了吗?

        针对这个问题,笔者曾经走访了国内的30多家大中小型企业,没有得到肯定的答案。究其原因,这些企业在搭建基于三维的企业设计平台的过程中,普遍面临如下几个问题:
  • 一般而言,产品方案设计(概念设计)阶段的设计周期非常短,使用三维CAD进行产品方案设计无法满足设计周期的要求;
  • 国内大多数企业的加工制造阶段还依赖于二维工程图纸,目前主流的三维CAD软件的二维工程图功能不完善,无法满足企业要求;
  • 大部分企业的产品设计过程都是“相似设计”,改型和变型的产品比较多。大部分企业长期积累了大量的二维CAD资源库,设计借用和调用方便快捷。相反的,三维CAD资源库的建立过程复杂,建立周期较长,不能满足企业当前的设计需要;
  • 三维CAD软件运行速度较慢,特别是大型装配体,对计算机软硬件的配置要求较高,企业需要投入大量的资金进行硬件改造;
  • 三维CAD所生成的设计数据后期很难重用,模型修改容易出错;
  • 三维CAD软件的操作者培养周期长,大多数企业的人员流动大,经常会面临“无人可用,无人能用”的尴尬局面。
        综上所述,企业使用三维系统的过程中为什么会举步维艰?概括起来无非是如下几个个方面的问题:
  • 缺乏标准化设计的理论和方法;
  • 没有企业统一的规范体系;
  • 没有建立通用元素库,三维CAD设计效率低下;
  • 不具备企业知识继承体系。
        机械产品本身的最大特点是存在着相似性。研究和统计分析表明,在新产品开发中,约40%是重用过去的部件设计,约40% 是对已有设计部件的微小修改,而只有约20% 是完全新的设计。通过成组技术、标准化技术和模块化技术,可以把90%的结构要素标准化,把60%-70%的零件规范化,把这部分零部件模块化。这部分标准化、规范化和模块化的零部件是产品设计的基础,可供设计者选用。这些零部件一旦选中,其数字化模型、图纸、工艺、制造代码、工装、量具都是现成的,无需设计或制造,可直接开始生产。因此,只要按相似性原理做好产品的成组化、标准化和模块化设计,就可以将重新设计的零部件数量控制在10%-20%范围内,其余零部件的结构设计、工艺设计、工装设计和数控代码设计等都可以省略,这就能大大缩短产品的设计周期和开发周期,提高整体效率。因此,提高企业产品设计的整体效率而言,需要应用三维CAD技术来实现成组技术、标准化技术、模块化技术以及其他先进的设计和制造技术,这是二维CAD软件没有办法实现的,这也就是大部分制造企业已经从最初的二维CAD制图转向了三维CAD应用的最根本的原因所在。
        产品设计阶段,企业追求的主要目标就是提高设计效率。提高设计效率最直接的方法就是提高设计数据的重复利用率。三维CAD数据比二维数据复杂,提高设计数据的重复利用率的难度更大。笔者认为,提高设计数据的重复利用率的关键是量体裁衣,搭建符合企业自身需要的企业标准化设计平台体系。

三、什么是企业标准化设计平台

        企业标准化设计平台就是把各种有助于产品研发的实用技术集成为一个可共享的技术系统,为快速、优质的进行研发工作,提供一个科学的、综合的、坚实的基础(平台)。企业标准化设计平台可以将相关技术知识和实际经验相结合,转换为适于工程应用的、具有可操作性的、适合于企业特点的、实用的共享技术。搭建企业设计平台,可以使企业取得最大效益。单就产品研发而言,就是为研发团队创造一个规范化的、高效的、有助于发挥创造性的活动舞台。
        通常情况下,企业标准化设计平台由4大体系构成,如图1所示:

企业标准化设计平台由4大体系构成

图1 企业标准化设计平台由4大体系构成

四、标准化设计平台之标准化体系

        什么是标准化?标准化是指在经济、技术、科学和管理等社会实践中,对重复性的事物和概念,通过制订、发布和实施标准达到统一,以获得最佳秩序和社会效益。
        公司标准化是以获得公司的最佳生产经营秩序和经济效益为目标,对公司生产经营活动范围内的重复性事物和概念,以制定和实施公司标准,以及贯彻实施相关的国家、行业、地方标准等为主要内容的过程。
        基于三维的标准化设计必须做好两件事情:第一,必须将CAD软件进行企业化定制。第二,三维CAD应用技术必须结合现代标准化设计方法论,与现今的设计、制造理论和方法相结合。
        (1)进行企业化CAD定制
        CAD软件企业化定制的目标是把一个买来的商用支撑性CAD系统,通过系统分析和系统设计,变成一个能够实现企业需求的CAD应用系统,或者把一个已经初具规模的CAD应用系统进一步充实和完善。CAD软件企业化定制一般包含以下几个方面的内容:
  • 统一CAD软件的使用环境,包括计算机管理、网络环境管理、CAD软件安装、基础通用数据(设计模板、BOM模板等)、软件选项设置等;
  • CAD软件深层次的二次开发,以满足企业个性化需求;
  • 通用PLM(PDM)系统的二次开发与集成;
  • 与其他系统的接口与集成。包括CAPP、CAM、ERP、MES等。
        (2)现代标准化设计方法
        标准化设计是指在一定时期内,面向通用产品,采用共性条件,制定统一的标准和模式,开展的适用范围比较广泛的设计,适用于技术上成熟,经济上合理,市场容量充裕的产品设计。
        产品标准化设计的主要形式和方法有简化、统一化、通用化、系列化、组合化和模块化6个方面构成,这是产品设计分类的主要依据,也是建立产品通用元素库的核心思想基础。
        1.简化
        削减多余的、可替代的、低功能的对象,达到事物的“精练”和“合理”。简化方案的论证应该以特定的时间和空间范围做为前提,简化的结果必须保证在既定的时间内足以满足一般需要,不能因简化而损害消费者的利益。例如,目前市场上销售的电脑,大多简化掉了原来的软盘设备,并且随着USB技术的普及,光驱设备也不再做为计算机的标准配置。再如图2所示,我们绘制工程图时常用的“简化画法”,也是标准化设计中简化形式的一种体现和应用。

简化轮廓图表示法

图2 简化轮廓图表示法

        2.统一化
        统一化是把同类事物两种以上的表现形态归并为一种或限定在一个范围内的标准化形式。是在不同的对象或范围中归并达到一致性。是从个性中提炼共性,着眼于一致性。统一化的目的是去除不必要的多样性而引起的混乱,为正常的工作活动建立共同遵守的秩序。例如我们熟知的大众汽车,大众产品线那一张张的“大众脸”,让我们“傻傻分不清楚”。统一化能突显品牌的亮点,又能最大程度的减少设计过程,减小产品成本。统一化的缺点也显而易见,那就是与个性化的矛盾。

大众产品统一化

图3 大众产品统一化

        3.通用化
        通用化是指在相互独立的系统中,选择和确定具有功能互换性或尺寸互换性的子系统或功能单元的标准化形式。对产品的多种基本要素(例如,元器件、零部件、原材料、性能参数、结构要素等)进行通用化,不仅可减少产品构成要素品种规格,而且可减少相关要素的品种规格。在不同类型或同类型不同规格产品中的零部件,其尺寸功能相同,相互可以互换通用,这种零部件称作通用件。通用件的选用原则是最大限度限制其品种规格,例如:
  • 以大代小,以长代短;
  • 采用同一种螺钉头结构,减少工具品种;
  • 选用螺钉组合件,缩短装配时间;
  • 需常拆卸的面板、盖板,采用松不落螺钉;
  • 在适用的地方,尽可能采用自攻螺钉(免攻丝和修配过孔);
  • 尽量采用同一类连接器,以多芯代替少芯,减少品种规格;
  • 选用徒手快速解脱连接器,提高装卸效率;
  • 优先选用有导向、锁紧、护套 和系留结构的连接器。
        4.系列化
        系列化一般是指产品系列化,它主要根据技术经济的原则,考虑生产和使用的要求,统一产品结构,简化品种规格,实行同类归并、参数分档,形成有规则的排列,以指导生产和品种发展的一种标准化形式。系列产品的特点是具有相同的功能、工作原理和尽可能相同的制造方法。产品系列化过程经常采用的方式是优先数和优先数系。根据GB/T 321-2005的规定,优先数和优先数系适用于各种量值的分级,特别是在确定产品的参数或参数系列时,必须最大限度地采用该标准的规定,这就是“优先”的含义。系列化产品的开发步骤如图4所示。

系列化产品的开发步骤

图4 系列化产品的开发步骤

        5.组合化
        组合化是指预先设计并制造可分解、组合具有通用性强的若干单元,按设计要求组合成不同用途产品的一种标准化形式。组合化的特点是组合的单元具有通用性及互换性;组合成产品或结构的单元,可以拆、装、分解;组合的单元可以重复性使用。
        6.模块化
        模块通常是由元件或零部件组合而成的、具有独立功能的、可成系列单独制造的标准化单元,通过不同形式的接口与其它单元组成产品,且可分、可合、可互换。模块化是以模块为基础,综合了通用化、系列化、组合化的特点,用以解决复杂系统快速应变的标准化形式。
        模块化是市场需求多样化、多变化与产品开发能力尖锐矛盾情况下,“以不变应万变”和“以少变求多变”的产品开发策略。可以说,模块化是标准化的高级形式。

五、标准化设计平台之规范化体系

        标准化设计平台的规范体系是为了适应企业的实际需要,对上级标准的二次开发和拓展,对企业成熟经验和成果的归纳和提升。规范使得企业各事项有章可循,同时适应人员流动的需要,规范可使新员工迅速掌握已有技术,使企业的各项工作具有继承性和稳定性。
        三维标准化设计平台的常见规范包括:
  • 三维CAD软件安装规范;
  • 三维CAD软件环境设置规范;
  • 零部件编码规范;
  • 零部件命名规范;
  • 设计数据迁移规范;
  • 通用建模方法规范;
  • 产品设计规范;
  • 业务流程规范;
  • 典型零部件标准画法规范。
        “世界上本没有规范,只不过设计做的多了,便出现了规范”。产品设计时会遇到问题,也是制定“设计规范”的原因所在。设计规范其实就是将设计过程中出现的各种设计要素进行归类,统一,制定标准,并加以描述。三维标准化设计与设计规范体系互相促进,设计是第一步,然后从设计中将规范完善,期间会遇到各种各样的客观因素制约,同时使用规范约束设计,使设计更加合理。

六、标准化设计平台之通用要素库

        通用要素库罗列设计及生产需用的、成熟的各种要素,便于设计时方便调用。通用要素库不但可以提高三维CAD设计效率,还可以控制设计品种和规格,约束各类设计要素的无序膨胀。通用要素库通常为要素预览图加表格再加说明的形式,并能够列出优选、可用、限用、专用等要素级别。通用要素库的内容通常包括三维CAD模型、图样、公差、通用结构要素、代码、术语等。一般的企业通用要素库应该包括:
  • 金属材料及其选用;
  • 非金属材料及其选用;
  • 元件及其选用;
  • 器件及其选用;
  • 电缆、连接器及其选用;
  • 通用件及其选用;
  • 外购件及其选用。

七、标准化设计平台之知识继承体系

        知识继承体系是指从企业的实际需求出发,选取各学科中及应用技术中的有关内容,按一定的原则和主题,整合成一个新的实用知识体系。知识继承的目的是提供在本企业工作所需的知识,作为企业技术和管理工作的“共同语言”。
        一般情况下,知识继承体系由设计技术知识和辅助技术知识两部分组成。设计技术知识是设计师必备的基本知识,是设计的实用知识。而辅助技术知识是对设计技术知识的扩展和补充,具备这些知识才能设计(研发)出具有时代感强的、品质优良的、经济的产品,并有助于提高设计效率。例如某整机配套企业知识继承体系构成如图5所示:

整机技术设计

图5 整机技术设计

        作为三维设计平台的应用主体——研发工程师在企业中起到至关重要的作用,没有优秀的人才,再好的解决方案,也难以发挥出预期的效果,人才的培养始终是企业重中之重。
        总之,搭建企业标准化设计平台是企业经营和发展的重头戏,无论是现代的标准化设计方法、企业规范体系制定、建立通用要素库还是企业知识继承体系的完善,每一个环节无不维系企业的生死存亡。搭建企业标准化设计平台的学问很多,在具体实施过程中还有很多的问题需要探索和总结,要想将标准化设计的工作落到实处,后续的工作任重道远。