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第三章 软件定义企业新模式

第一十二节 面向装配创新工艺设计模式的研究与实践

中国航发黎明 李蓉 夏春山
 

1 创新装配工艺设计模式的必要性

        产品的工艺设计周期占产品研制周期的40%-60%,在很大程度上影响着产品的质量和经济性。对比其他工艺,产品的装配费用占整个生产成本的30%-50%,而传统装配工艺的二维设计手段,无法对过程进行预判,几乎没有装配工艺分析能力,工艺设计模式与手段也十分落后,这与其在整个产品研制周期的比重极不相称。
        原始装配工艺拘泥于传统,主要依靠手工设计、人工汇总、纸件传递完成工艺设计过程,工艺数据(包括工艺规划、零件统计表、资源使用表、检验数据表、型号汇总表、特性数据表等)无法实现有效组织、自动汇总、传递和采集,管理部门甚至通过对工艺设计过程衍生数据的重复审定实现控制与闭环,无论从工艺设计手段和管理手段上看,由于对工艺数据影响范围、价值认知、手段途径的匮乏,无法完成工艺过程特性数据、分析类数据的提炼、积累,导致企业不能高质、高效完成对产品分析数据的系统化采集,不能为产品的研制提供及时、有效地信息反馈,制约了产品的升级与转型,且设计结果(工艺卡片)的表达手段单一,表达方式不直观,手段不丰富,需要操作人员具有较强的读图和空间想象能力,从而导致现场验证成本高,新产品推出周期长,不利于企业的创新和发展。
        企业为了要在最短的时间内高质量完成产品的制造任务,加快产品的升级和改型,就必须加大装配过程研制的投入,装配工艺的设计也要从观念及手段上突破传统方法,关注从产品设计源头至工艺设计结果的改进和优化。而不论强调实践成果的总结和经验传承的二维设计手段,还是目前企业普遍使用的三维设计和仿真预判评价手段,企业都需要最终将其结果纳入工艺设计过程,并将所有有价值工艺信息传递到下游。因此,创新装配工艺设计模式势在必行,本文着重介绍基于Teamcenter创新装配工艺设计模式的研究与实践。

2 创新装配工艺设计解决方案

        2.1 实现装配工艺设计结构化
        创新装配工艺设计首先要关注就是产品数据的合理组织。由于研究范围及深度的局限性,对于装配工艺管理而言,产品数据组织的第一步是完成工艺的结构化,其意义是通过有效整合产品和资源,形成工艺准备阶段过程数据组织和输出规则,并完成初步的技术实践。图1涵盖了结构化工艺管理的一般形式。装配工艺也必须按照同样的模式执行。装配工艺准备过程分为装配方案设计、装配工艺详细设计(考虑检验检测)、工装设计三个结构化的阶段。
        2.1.1 装配方案设计结构化
        为实现各部门的协同作业,工艺方案规划必须根据设计任务和产品功能的要求,充分考虑技术水平、制造基础资源等因素,确定对产品工艺的分解方式,拟定工艺规划,其结构化的程度为工艺树模型的确定和各个子模型的通用属性定义。

结构化工艺管理系统

图1 结构化工艺管理系统

        通过Teamcenter工艺结构管理器进行工艺信息模型的定义与管理,零件的工艺结构树是主要的规划形式,其用来管理工艺抽象几何拓扑信息和几何拓扑信息的逻辑形成过程。它按照构成工艺的路数关系将各工艺模块组织起来,装配工艺主要依托工艺、工序、工步之间的层次关系管理工艺信息。
        2.1.2 装配工艺详细设计内容结构化
        装配工艺详细设计是根据正式发放的工程数据和工艺方案要求,对所有装配工艺设计过程的数据进行规划和整理,形成利于优化装配工艺编制的数据组织形式,同时在此基础上扩展,将工艺过程中预计增加的参数和属性附加至工艺管理最底层的操作步骤属性定义中,完成详细设计内容结构化,从而保证工艺数据具有承上启下作用。
        1)设计数据的处理
        对于装配工艺设计人员,需要经常性查看设计图纸,由于装配图零件较多、数据加载速度慢,因此对于设计的MBE模型需要进行批量的轻量化处理。设计数据作为工艺设计的源头,应为下游的制造企业提供工艺准备的所有基础信息,以便于流水的编制和工艺的编制,其中包括来源地、产品编码、特性、材料、型号等,这些属性信息需要能够纳入工艺结构管理器,并能够保证直接参与工艺设计过程,完成属性的提取与继承。
        2)工艺结构调整与维护
        在考虑工艺与生产能力的基础上,以工程BOM为原型,通过定义工艺路线,添加工艺组合件等操作,构建工艺BOM,并保证其物料项种类总数量与工程BOM一致,工艺BOM作为装配工艺唯一的数据来源,需要涵盖通用的属性定义,并根据工艺BOM的应用范围定制特定的类型,如大零件、小零件等,另外还需要定义与装配工艺的关系,并能够保证装配工艺对工艺BOM的引用,以便对这部分信息的提取。
        工艺编制基础数据定义:①文字信息的结构化。工艺编制信息包括工艺的信息、工序的信息、工步的信息,即生成工艺规程的基础数据信息,其中工步的信息量最大,包括集件信息、资源引用、操作描述、图片说明,为了保证装配工艺的快速设计,需要为工步设计提供单独的页面,该页面应能反馈所有工步编制过程的需要信息。②工艺目录的形成。工艺的目录是在所以详细设计完成后进行的,由于装配工艺中涉及的目录品种较多,因此对各种资源均需要在工艺产品结构树中由工艺编制者定制好,而后利用装配工艺规程生成的逻辑将所有的信息统计和重组,形成工艺目录。
        3)基础数据
        基础数据维护包括三维数模的维护、装配工艺知识信息、工艺过程参数的录入和定义。而装配工艺知识库需要对知识种类进行归类,包括装配工艺通用知识(标准、规范、手册等指导性、理论性知识及常见问题)、装配工艺模板知识(典型工艺实例、典型工艺片段、常用工艺操作、标准工艺术语等)、装配工艺决策元知识(工装资源库、标准件库、材料性能库及定位方法选择性知识、工装资源选择知识等);工艺过程参数是对各类涉及检验检测类的数据,这些数据通过结构化的手段,可以为其数据提取与传递做好准备。
        2.1 3 工装与非标设备设计
        工装设计与非标设备设计是参照设计技术条件、产品设计数模、三维工艺数模,通过请制所开展的影响工艺设计周期的主要工艺准备工作。因此工装和非标设备设计的信息应体现在工艺结构化设计思想中,因此工装设计需在请制阶段就介入至工艺编制中,且工装请制单与工装均需要建立符合工艺引用的结构化数据。
        工装请制可参与到工艺编制过程中,即工装请制单在工艺审批时就已纳入工艺结构树,将工装请制单与工装建立关系,并可以在工装发布时返填请制结果,工艺更改时经返填后的工装请制单可自动替换为工装,参与工艺更改的过程。从以上实施结构化装配工艺的过程可以看出,基于Teamcenter的工艺结构编辑器完成了工艺准备数据结构化组织,同时全面、准确地将数据通过系统的组织纳入各个应用流程,从而完成了装配工艺准备过程中工艺设计的全过程。
        2.2优化装配工艺表现方式
        由于现阶段技术与管理水平的局限性,大部分制造企业虽然仍采用串行式装配工艺设计理念,面向产品的装配随着整本工艺所到达的作业单元进行流转,缺乏同类产品的归类与统一组织,对排产产生了诸多的限制。
        基于以上考虑,提高装配工艺设计的合理性和敏捷度尤为重要。而合理性的保证主要依靠提升装配工艺设计技术水平和人员整体技术能力。敏捷度的保证则需要优化装配工艺规程的模式,可帮助现场对下游工序准备的提前反应、实现的工序的交叉与并行。这里把整本工艺拆分为概要工艺规程和细化工艺规程(工序级装配工艺作业指导书),如图2所示。

装配工艺优化结构

图2 装配工艺优化结构

        2.2.1 概要装配工艺规程
        概要工艺规程是在保持现有工艺规程的划分原则的基础上,用于管理封面、工艺路线、更改信息、统计各种目录等,可辅助调度部门制定生产计划,领取零件、资源使用;为各管理部门和生产现场提供管理和生产作业计划所必要的信息。其中通用的技术要求或工艺编制要求纳入装配工艺作业指导书中。
        2.2.2工序级装配工艺作业指导书
        为了适应未来对装配工艺精益化管理的需要,需要将原装配工艺的内容进行重组,形成便于装配现场流转的装配工序单元。目前可以从装配工艺树结构入手,形成工序级的装配工艺,涵盖相应工序中所有工步指导信息、各类工序统计目录、更改记录等,适合于在装配生产现场单独流转,从而能够缩短产品生产制造周期的目的。我们将工序级装配工艺的内容的表达形式进行改良,将文字与图形进行融合,形成可视化程度较高的作业指导书。
        1)作业指导书的布局。工序级作业指导书是装配工艺的一个小单元,为将装配过程表达的更加具体、更易理解,需要定制图文的位置、交互的方式,帮助工艺人员与工人之间做好言简意赅的交流。在生成作业指导书的过程中需考虑工序结构化过程中各类信息汇总和排列,其难点在于如何把零件、工艺、工序信息、工步信息、集件信息、图形信息通过一个定制好的格式组织在一个文档中,为各种信息定制自己的表达区域。如集件信息适用于表格、工步信息可以用分解为操作描述、图形显示可划分显示区域或显示内容,这需要其中工序作业指导书格式进行布局。
        2)生成作业指导书。从装配工艺输入方式和布局来看,装配工艺的结构化过程已经满足系统逻辑对可以各类装配工艺数据和信息的获取,在对作业指导书的样式确定后,如何快速生成作业指导书影响工艺编制周期。以下提供两种方式。
        ①手动生成作业指导书。顾名思义,手动生成作业指导书只是定制了表、图、文显示的式样,由工艺人员调整各类数据信息显示位置,工艺人员可以在同一页面自由控制信息的输入量,甚至做到同一工步在不同页面按照自己的喜好设计工艺规程。其好处是:帮助工艺人员完成创意性的工艺设计,有极大地自由度和创新的空间,但同时也存在一些弊端:当工艺较庞大,工艺人员对工步的处理时间较长,工艺编制效率较低;另外,格式多样,不利于统一表达和管理。
        ②自动生成作业指导书。自动生成作业指导书与手动的不同之处在于:所有内容显示的区域和内容的多少都是定制好的,工艺员只需要关注编制工艺内容,而不需要手工调整样式。其好处是:工艺的每一页格式都是统一的。工艺人员对工艺的操作时间集中在对工艺内容的处理。弊端是:如果图片的格式有多种,对不同的表达方式需要定制不同的模板,模板数量会随着增大,对管理成熟度要求较高。
        装配作业指导书只是装配工艺描述的一种形式,无论企业选择哪一种方式,依赖于企业的发展需求,结构化的工艺模式配合图文并茂的可视化作业指导书完善了装配工艺输入与输出两个部分,使二者可以相互配合,实现对装配工艺模式最优的改良。

3 创新装配工艺设计模式的收益

        3.1快速工艺设计
        1)资源目录自动生成。创新的装配工艺模式可建立装配工艺与工艺过程的各类资源建立关联,通过对各类资源的特征定义,可以将各类资源在工艺编制过程中区别开来,并对数量、位置等信息进行标准化,从而实现各类资源目录的自动生成,据统计,通常装配工艺规程中涉及的目录至少有7种以上,自动统计的效率将比人为统计节省70%的时间。
        2)减少排版环节。创新的装配工艺模式有助于装配工艺规程的输出,系统可以自动提取相关的数据至定制的工艺模板中,从而组合成完成的工艺规程,避免繁琐的排版过程。
        3)打印方式优化。创新的装配工艺模式使装配工艺的编制、更改、审批、打印均在同一平台,有助于优化打印配置,可以预先设置打印单元,并设置一键打印和分页打印,形成科学合理的快速打印机制。
        3.2系统集成数据传输
        目前,航空发动机制造业在引进产品数据管理平台的同时,也会同时引进制造执行系统和资源计划管理系统,产品数据管理平台是其他系统数据的来源的核心,因此系统集成工作势在必行,在工艺准备阶段,工艺BOM、工艺结构、工艺参数等信息均是传输的数据源,创新的装配工艺模式已经对这些数据的形式提出要求,并规划在设计理念中,在系统间存在合适接口的前提下,可以进行数据的有效传输。
        3.3装配工艺知识共享
        创新的装配工艺模式建立装配工艺相关的无形的知识转换为有形的工具。它的出发点是面向应用,配合快速装配工艺设计。在知识共享的过程中,可提供“知识检索”“模板引用”及“工艺决策”这些辅助工具“知识检索”可为工艺设计人员提供制导型和规范性知识。“模板引用”可以为工艺设计中多个层次工艺模板的快速引用或修改提供支持,减少工艺人员大量重复性劳动,提供工艺设计效率。
        3.4装配工艺标准化
        创新的装配工艺模式完成了装配工艺结构化数据标准化和输出方式的标准化。装配工艺数据的标准化需要将协同数据来源单位,将数据以何种形式输入固定下来,提供可选单元,让工艺人员可以确定数据的格式和范围,在通过结构化的方式把标准化后的数据格式嵌入;输出方式的标准化是通过定制固定的模板和输出方式,将结构化的数据提  炼、组织,形成针对不同参考人员的数据表单,完成数据组织上的标准化。
        3.5新型号借用与转换
        如图3所示右侧A、B、C为三个型号的发动机,而左侧为工厂(包含工作区),中间黄色方框代表工艺。可见创新的装配工艺模式的推广,将让产品和工厂通过工艺相连,产品的每一种型号也通过工艺相互转换,这样我们完全可以从一个型号转换为另一种型号。

依托工艺的型号转换

图3 依托工艺的型号转换

4 结束语

        面向装配创新工艺设计模式是寻求缩短产品研制周期的最科学有效的途径,本文基于Teamcenter完成装配工艺模式创新研究,完成了装配工艺相关的设计架构、产品信息、资源信息、流程信息的统一管理,保证了工艺准备过程与上游数据有效衔接,同时为下游制造提供了系统环境,初步实现了提升装配工艺设计能力的目的,促进了装配工艺设计自动化、专业化的发展。