協(xié)同設(shè)計(jì)在制造企業(yè)的運(yùn)用

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摘要：隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的分散式串行研發(fā)模式已不能滿足目前新形勢下企業(yè)快速發(fā)展的要求。分析了企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)階段的現(xiàn)狀與需求，研究了協(xié)同設(shè)計(jì)的概念及其發(fā)展的合理性，最后對企業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)提出了目標(biāo)和建議。

關(guān)鍵詞：產(chǎn)品研制；制造企業(yè)；協(xié)同；MBD

在某些制造企業(yè)，尤其是科研院所，長期以來一直采用產(chǎn)研分離的產(chǎn)品科研生產(chǎn)體制，主要體現(xiàn)在設(shè)計(jì)所負(fù)責(zé)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)需求、設(shè)計(jì)開發(fā)和試制、設(shè)計(jì)定型、工藝設(shè)計(jì)等工作，而生產(chǎn)廠則根據(jù)設(shè)計(jì)提供的圖紙、工藝路線及相關(guān)工藝文件進(jìn)行產(chǎn)品的批量生產(chǎn)。設(shè)計(jì)提供的通常都是二維圖紙和紙質(zhì)技術(shù)資料，工藝文件編制和生產(chǎn)過程中的二維圖形和三維數(shù)據(jù)模型都要重新繪制，使得工藝準(zhǔn)備周期較長，這樣的串行工作模式也使得設(shè)計(jì)更改頻繁，設(shè)計(jì)效率低下，設(shè)計(jì)、工藝和制造部門間的溝通成本大，研發(fā)制造成本高。目前結(jié)合數(shù)字化制造技術(shù)的發(fā)展方向，傳統(tǒng)的以數(shù)字量為主、模擬量為輔的協(xié)調(diào)工作法開始被全數(shù)字量傳遞的協(xié)調(diào)工作法代替，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、工藝、制造的一體化協(xié)同管理模式，使產(chǎn)品研發(fā)的信息充分共享，縮短產(chǎn)品研制周期，降低生產(chǎn)成本，提升企業(yè)的競爭力。

1需求背景

傳統(tǒng)的產(chǎn)品研制通常是采用按順序作業(yè)的工程方法，企業(yè)的設(shè)計(jì)、工藝、檢驗(yàn)、制造都是相互獨(dú)立的活動(dòng)，前一個(gè)階段的工作完成后，后一階段的工作才能開始，組織和管理也都是圍繞這個(gè)思路展開，在設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)人員無法考慮制造工藝方面的問題，造成設(shè)計(jì)與工藝制造環(huán)節(jié)的脫節(jié)，設(shè)計(jì)方面的錯(cuò)誤往往要在設(shè)計(jì)后期甚至是在制造階段才發(fā)現(xiàn)，只能返工重新設(shè)計(jì)生產(chǎn)，造成人力、物力、財(cái)務(wù)的浪費(fèi)，同時(shí)產(chǎn)品質(zhì)量也無法保證。由此可見，企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)至關(guān)重要，好的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，不僅體現(xiàn)在優(yōu)越的功能和性能，更要便于制造，降低成本。傳統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計(jì)過程面臨如下諸多問題。1）設(shè)計(jì)流程管理問題。設(shè)計(jì)、工藝、制造的串行流程使產(chǎn)品研發(fā)周期長、進(jìn)度難以掌控，成本增加，由于缺乏產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理應(yīng)用，因此資源共享性較差。2）三維數(shù)模應(yīng)用問題。由于企業(yè)車間采用二維圖紙指導(dǎo)生產(chǎn)，而設(shè)計(jì)部門的三維設(shè)計(jì)應(yīng)用越來越廣泛，設(shè)計(jì)部門需要將三維數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換為二維圖形，由于產(chǎn)品的復(fù)雜性，很多零部件需要多張2D圖紙才能表示完整的信息，工藝員和操作工需要花很多時(shí)間來理解圖紙，設(shè)計(jì)版本控制和更改的及時(shí)性得不到保證，這為后續(xù)的應(yīng)用帶來不便。3）設(shè)計(jì)工具分散獨(dú)立。不同設(shè)計(jì)問題的設(shè)計(jì)過程中用到的軟件工具是分散獨(dú)立的，系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件之間存在不兼容問題，在一定程度上影響了三維數(shù)據(jù)模型在生產(chǎn)制造過程中的應(yīng)用。產(chǎn)生上述問題的原因錯(cuò)綜復(fù)雜，但根本原因之一是在設(shè)計(jì)時(shí)缺乏從整個(gè)產(chǎn)品生命周期考慮各環(huán)節(jié)的活動(dòng)，考慮生產(chǎn)、交付周期、成本等要求，同時(shí)缺乏知識的積累與重用。因此，要求在設(shè)計(jì)階段盡早考慮產(chǎn)品生命周期內(nèi)所有的影響因素，工藝、檢驗(yàn)、材料、質(zhì)量、制造、維修等。隨著目前新形勢下企業(yè)的快速發(fā)展，現(xiàn)有的研發(fā)模式難以滿足產(chǎn)品研制過程中的跨部門、跨單位協(xié)作的需求，必須對企業(yè)現(xiàn)有研發(fā)模式進(jìn)行優(yōu)化和創(chuàng)新才能適應(yīng)外部激烈的競爭環(huán)境。對標(biāo)國外先進(jìn)水平，歐美國家產(chǎn)品的研發(fā)以產(chǎn)品研發(fā)中心、協(xié)同工程環(huán)境和并行設(shè)計(jì)環(huán)境等為主要支撐，并行協(xié)同的研發(fā)模式是研發(fā)的主要發(fā)展趨勢。數(shù)字化協(xié)同研發(fā)技術(shù)是一種全新的研發(fā)模式，其核心是多專業(yè)的數(shù)字樣機(jī)，強(qiáng)調(diào)強(qiáng)耦合的快速設(shè)計(jì)和集成化的研發(fā)[1]。在國內(nèi)，大型制造企業(yè)的數(shù)字化技術(shù)也發(fā)展迅速，基于三維模型定義（ModelBasedDefinition，簡稱MBD）的數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)已經(jīng)成為新的發(fā)展趨勢，三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。基于MBD技術(shù)的產(chǎn)品定義標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范是實(shí)現(xiàn)全三維設(shè)計(jì)技術(shù)在設(shè)計(jì)工藝制造各個(gè)環(huán)節(jié)落地的基礎(chǔ)，也是協(xié)同設(shè)計(jì)的前提，其廣泛應(yīng)用并行工程設(shè)計(jì)理念和方法，實(shí)現(xiàn)全生命周期數(shù)據(jù)管理，提高研發(fā)設(shè)計(jì)制造一體化，從而提高研制效率、縮短研制周期，減少研制成本。

2協(xié)同設(shè)計(jì)內(nèi)涵

協(xié)同設(shè)計(jì)是以數(shù)字化設(shè)計(jì)制造為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)、工藝和制造協(xié)同工作的生產(chǎn)模式。由計(jì)算機(jī)提供強(qiáng)大的建模和仿真環(huán)境，使產(chǎn)品的零部件從設(shè)計(jì)到工藝到生產(chǎn)及裝配過程各環(huán)節(jié)的內(nèi)容都在計(jì)算機(jī)上仿真實(shí)現(xiàn)，使產(chǎn)品研發(fā)的信息貫穿各個(gè)環(huán)節(jié)充分共享。協(xié)同設(shè)計(jì)研發(fā)模式是基于MBD的全三維數(shù)字化研發(fā)模式，用一個(gè)集成的三維實(shí)體模型來完整地表達(dá)產(chǎn)品定義信息，基于三維模型定義標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范必須涵蓋設(shè)計(jì)的各類零部件，將設(shè)計(jì)信息（如三維尺寸標(biāo)注）、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息、各種制造信息（如加工要求方法）共同定義到產(chǎn)品的三維數(shù)字化模型中，將模塊化設(shè)計(jì)理念應(yīng)用到產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)中，采用數(shù)字化手段，利用三維產(chǎn)品模型、工裝模型和三維工藝數(shù)據(jù)完全替代二維圖紙和紙質(zhì)工藝指令，成為生產(chǎn)現(xiàn)場指導(dǎo)工人工作的技術(shù)依據(jù)。協(xié)同設(shè)計(jì)包含數(shù)據(jù)協(xié)同和流程協(xié)同[2]。1）數(shù)據(jù)協(xié)同。數(shù)據(jù)協(xié)同既包括設(shè)計(jì)向工藝傳遞設(shè)計(jì)BOM、設(shè)計(jì)圖紙及文檔，工藝轉(zhuǎn)換為工藝BOM后，輸出工藝BOM、工藝路線、工時(shí)定額、材料定額等，將這些信息快速傳遞給制造環(huán)節(jié)，在制造環(huán)節(jié)加以生產(chǎn)所需的屬性后快速地進(jìn)行采購和生產(chǎn)。同時(shí)，業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)的物料屬性例如成本、庫存等共享給設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員在任何設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)都能查詢到材料和零部件的成本、庫存信息，以提供設(shè)計(jì)成本核算或報(bào)價(jià)時(shí)使用。在各業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)，特別是制造執(zhí)行環(huán)節(jié)能方便地查詢到設(shè)計(jì)文檔和設(shè)計(jì)信息，以提供生產(chǎn)作業(yè)指導(dǎo)，避免出錯(cuò)。2）流程協(xié)同。流程協(xié)同包含銷售根據(jù)客戶對產(chǎn)品的需求和個(gè)性化描述，快速從市場營銷環(huán)節(jié)傳遞到研制設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)后迅速傳遞到生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)及檢驗(yàn)環(huán)節(jié)，生產(chǎn)部門根據(jù)確認(rèn)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)參數(shù)組織加工生產(chǎn)產(chǎn)品，在訂單交期范圍內(nèi)將產(chǎn)品按質(zhì)按量地交付給客戶，最后進(jìn)行相關(guān)倉庫、賬款、成本核算等業(yè)務(wù)處理。其次，流程協(xié)同體現(xiàn)在設(shè)計(jì)變更時(shí)各環(huán)節(jié)的快速決策和執(zhí)行，發(fā)生設(shè)計(jì)變更需求時(shí)，首先在要進(jìn)行變更分析，此時(shí)就要與業(yè)務(wù)協(xié)同，分析變更的影響度，對客戶或?qū)Ξa(chǎn)品。其次設(shè)計(jì)變更帶來的設(shè)計(jì)BOM、工藝BOM、設(shè)計(jì)及工藝的變更不但要把變更的物料、PBOM、工藝信息傳遞給制造，還要把對庫存的處理、制造的處理、檢驗(yàn)調(diào)試的處理、采購的處理、成本的處理通知到各業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)，保證業(yè)務(wù)部門進(jìn)行相應(yīng)的業(yè)務(wù)處理。

3協(xié)同設(shè)計(jì)的目標(biāo)

改變傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)研發(fā)模式，以數(shù)字樣機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)單一數(shù)據(jù)源的協(xié)同設(shè)計(jì)并行工作模式，保證設(shè)計(jì)和制造流程中數(shù)據(jù)的唯一性。將全三維數(shù)字化產(chǎn)品研發(fā)技術(shù)MBD推廣到企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的各個(gè)階段，將數(shù)據(jù)管理和流程管理延伸到產(chǎn)品設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)，達(dá)到設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的基礎(chǔ)上，提高研制效率，縮短研制周期，降低企業(yè)成本，推動(dòng)企業(yè)從傳統(tǒng)研制模式向數(shù)字化研制模式的轉(zhuǎn)變，同時(shí)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識和經(jīng)驗(yàn)的積累和重用，加強(qiáng)知識管理和利用的手段，促進(jìn)產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

4結(jié)語

數(shù)字化協(xié)同研發(fā)模式以并行工程為核心思想，是對傳統(tǒng)研制工作及流程的優(yōu)化和創(chuàng)新。利用協(xié)同研發(fā)平臺進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)的技術(shù)狀態(tài)管理模式，可以滿足多型號多批次產(chǎn)品的全生命周期數(shù)據(jù)管理需求，形成網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、集成化的多級協(xié)同工作能力，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，降低企業(yè)成本，適應(yīng)產(chǎn)品系列化快速研制的發(fā)展趨勢，加快對市場的響應(yīng)速度，從而提高企業(yè)核心競爭力。在實(shí)際運(yùn)用中，建議可以借鑒國內(nèi)外相關(guān)成功經(jīng)驗(yàn)，盡快開展適應(yīng)企業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)建設(shè)，提升企業(yè)的核心競爭力，推動(dòng)企業(yè)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]萬家嗣.協(xié)同設(shè)計(jì)理論及其應(yīng)用研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2002.

[2]施迸發(fā)，李濟(jì)順，焦合軍.面向網(wǎng)絡(luò)化制造的中小企業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)研究[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2008（12）：43-47.

作者:張敏 張順旺 單位:中國電子科技集團(tuán)公司第三十二研究所