為研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)和國際競爭力的高速列車產(chǎn)品，提高高速鐵路裝備技術(shù)水平，我國啟動了國家“十一五”科技支撐計(jì)劃，其子任務(wù)“高速列車車體工藝流程數(shù)字化平臺”主要研究如何在一體化平臺支持下采用結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)模式開展高速動車組車體工藝設(shè)計(jì)。
長期以來，企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)是完全不同的兩套系統(tǒng)，系統(tǒng)之間沒有進(jìn)行緊密的集成，工藝設(shè)計(jì)只能在產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)束后才能開展，這種數(shù)據(jù)孤島和串行設(shè)計(jì)模式導(dǎo)致了整個產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率低下，周期加長；工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)采用非結(jié)構(gòu)化方式組織數(shù)據(jù)，無法對典型工藝高效借用。高速動車組因其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件數(shù)據(jù)量龐大等特點(diǎn)，急需搭建一套能夠?qū)崿F(xiàn)協(xié)同設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)源統(tǒng)一、設(shè)計(jì)效率高、管理功能強(qiáng)的管理平臺，解決數(shù)據(jù)孤島、串行設(shè)計(jì)等問題，縮短動車組的研發(fā)設(shè)計(jì)周期，承擔(dān)起企業(yè)級的PLM系統(tǒng)的職責(zé)，支撐動車組產(chǎn)品的全生命周期管理。
1 設(shè)計(jì)、工藝一體化平臺
Teamcenter是西門子公司的全生命周期管理PLM系統(tǒng)，系統(tǒng)基于SOA架構(gòu)設(shè)計(jì)，具有很好的系統(tǒng)開放性。能夠以完全SOA架構(gòu)的方式，提供PLM系統(tǒng)所要求的功能，包括文檔管理、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理、配置管理、零部件分類管理、工作流程管理、更改管理、項(xiàng)目管理、需求管理等的產(chǎn)品全生命周期管理，是一套全球制造業(yè)應(yīng)用比較廣泛的整體解決方案。
根據(jù)高速列車工藝設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，結(jié)合Teamcenter的TCM（Teamcenter Manufactunng）功能模塊，基于單一數(shù)據(jù)源，利用OOTB功能和二次客戶化定制開發(fā)，來實(shí)現(xiàn)企業(yè)自己的業(yè)務(wù)需求，其平臺功能架構(gòu)如圖1所示。
圖1 Teamcenter平臺架構(gòu)
Teamcenter系統(tǒng)平臺實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)工藝的一體化管理，在功能上不但可以完全取代產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，而且還發(fā)揮了Teamcenter系統(tǒng)在產(chǎn)品全生命周期信息管理上的優(yōu)勢：
首先，產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)在統(tǒng)一數(shù)據(jù)源下工作，工藝設(shè)計(jì)師可以基于基線管理很方便地和產(chǎn)品設(shè)計(jì)師進(jìn)行協(xié)同工作；在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中工藝設(shè)計(jì)可以提前進(jìn)行零部件的工藝性審查，準(zhǔn)備工藝設(shè)計(jì)資源等，開展并行設(shè)計(jì)。
其次，結(jié)構(gòu)化工藝搭建的MBOM結(jié)構(gòu)樹，可以將班組、臺位、工裝、夾具等資源和工序關(guān)聯(lián)，設(shè)計(jì)完成的卡片、文檔等掛在結(jié)構(gòu)樹上，方便后續(xù)的工藝整體借用等。
第三，能夠形成工藝設(shè)計(jì)的典型知識，把典型工藝、原型產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)保存為模板，為后續(xù)快速工藝設(shè)計(jì)提供快速支撐。
2 一體化平臺下結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)
2.1 高速列車車體工藝設(shè)計(jì)流程
高速列車車體是車輛主要的承載部件，因其選用的材質(zhì)為輕量化合金鋁型材、零部件數(shù)量多、運(yùn)營速度等級高、運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜等各方面因素，決定了高速動車組的工藝更為復(fù)雜。本文以項(xiàng)目中某一高速列車車體工藝設(shè)計(jì)實(shí)施過程為基礎(chǔ)，論述如何基于Teamcenter設(shè)計(jì)、工藝一體化平臺開展高速動車組車體工藝設(shè)計(jì)。其車體示意模型如圖2所示。
圖2 高速列車車體模型示意
基于平臺的工藝設(shè)計(jì)流程如圖3所示。
圖3 工藝設(shè)計(jì)流程圖
2.2 結(jié)構(gòu)化工藝數(shù)據(jù)組織
高速列車車體工藝采用結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)為：總工藝/子工藝/工序三層結(jié)構(gòu)或者多層，子工藝按大的工序組織，總工藝/裝配子工藝/裝配工序下均可以掛虛擬件（虛擬件是指因工藝設(shè)計(jì)需要，在EBOM中不存在，由工藝設(shè)計(jì)師添加到PBOM中的虛擬零部件），各子工藝完成后，需將車體組成發(fā)給整車總裝配工藝師，由總裝配工藝師將其指派到對應(yīng)的整車裝配工序上，工藝數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖4所示。SFPbody：車體總工藝。SFPSubProcessessAsm：裝配子工藝。SFVPat：裝配虛擬件。SFFixture：工裝。
圖4 工藝數(shù)據(jù)組織
2.3 工藝資源管理
在工藝設(shè)計(jì)時(shí)，指派工藝資源完成相關(guān)工藝設(shè)計(jì)是必不可少的，使用Teamcenter提供的分類管理功能，對工藝設(shè)計(jì)過程中用到的工廠、設(shè)備、工裝、工具、臺位、班組、工具等各種資源進(jìn)行管理，其中設(shè)備、工裝、工具等與三維數(shù)模進(jìn)行關(guān)聯(lián)，指派工藝資源可以查看資源是否滿足工藝要求。圖5為分類管理中的資源結(jié)構(gòu)樹。
圖5 資源結(jié)構(gòu)樹
2.4 基于可視化環(huán)境的三維結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)
應(yīng)用結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)模式進(jìn)行車體工藝設(shè)計(jì)時(shí)，整個工藝設(shè)計(jì)過程都是基于三維環(huán)境完成的。從產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段開始，工藝設(shè)計(jì)師便提前介入?yún)⑴c，對產(chǎn)品的工藝可行性進(jìn)行充分的評估；在設(shè)計(jì)完成后，工藝設(shè)計(jì)師進(jìn)行產(chǎn)品工藝的最后審查。
2.4.1 工藝性審查
在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，可以根據(jù)不同階段，把整個產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程分成不同的成熟度，基于系統(tǒng)的基線管理功能，對達(dá)到一定成熟度的產(chǎn)品發(fā)起流程，進(jìn)行工藝性審查，以便工藝設(shè)計(jì)能夠提前開始，實(shí)現(xiàn)與設(shè)計(jì)的并行工作。對未達(dá)到成熟度的產(chǎn)品，工藝設(shè)計(jì)師提前對部分零部件可制造性進(jìn)行評估，提出針對工藝的產(chǎn)品改進(jìn)意見，最大化地減少返工。
在對產(chǎn)品的工藝性審查時(shí)，工藝設(shè)計(jì)師無需用三維設(shè)計(jì)工具打開原始模型，而是可以直接在Teamcenter中用瀏覽器查看由原始三維模型轉(zhuǎn)換來的JT輕量化模型，JT模型的特點(diǎn)是去除了參數(shù)化建模的特征信息，保留了模型的幾何信息，同時(shí)縮小了模型的數(shù)據(jù)量。工藝設(shè)計(jì)師按照EBOM結(jié)構(gòu)，可以選擇加載查看需要審查的對象。
2.4.2 分派工藝設(shè)計(jì)任務(wù)
項(xiàng)目負(fù)責(zé)工藝師首先在Teamcenter系統(tǒng)創(chuàng)建總工藝節(jié)點(diǎn)，然后建立工藝設(shè)計(jì)任務(wù)書（如圖6所示），根據(jù)不同部類工藝設(shè)計(jì)任務(wù)要求，再建立各個子工藝節(jié)點(diǎn)，這些子工藝需要分配到不同的部類負(fù)責(zé)工藝師。按照工藝設(shè)計(jì)任務(wù)書，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人把各子工藝的操作所有權(quán)轉(zhuǎn)移給負(fù)責(zé)工藝師，同時(shí)通過系統(tǒng)的信封功能，把子工藝以超鏈接形式放到信封內(nèi)容中，并對工藝設(shè)計(jì)的要求進(jìn)行描述后分發(fā)各個部類負(fù)責(zé)人。任務(wù)接收工藝師接到需要設(shè)計(jì)子工藝的任務(wù)后，通過超鏈接可以快速打開需要的子工藝節(jié)點(diǎn)，把子工藝發(fā)送到制造工藝規(guī)劃器中進(jìn)行下一步的工藝設(shè)計(jì)。
圖6 工藝設(shè)計(jì)任務(wù)書
2.4.3 零件工藝設(shè)計(jì)
高速列車的車體生產(chǎn)是根據(jù)工序來組織的，零部件的工藝是跟工序相關(guān)的。工藝設(shè)計(jì)師選擇相應(yīng)的裝配工藝節(jié)點(diǎn)如下料工序或者一般工序，創(chuàng)建工序的方式如圖7所示。
圖7 新建工序
工序創(chuàng)建后，從EBOM中指派需要設(shè)計(jì)工藝的零件，根據(jù)零件制造特點(diǎn)，同時(shí)在工序下指派相應(yīng)的工藝資源：施工班組、使用設(shè)備等，如圖8所示。
圖8 工序和模型等信息的關(guān)聯(lián)
通過在創(chuàng)建工序時(shí)填寫的如下料尺寸、加工工時(shí)等信息，可以生成用于生產(chǎn)現(xiàn)場使用的工藝卡片，工藝卡片上的信息都是通過提取工序的相關(guān)信息后生成的，而不需要通過手工填寫信息。生成的工藝卡片，可以通過批量打印的方法輸出，指導(dǎo)生產(chǎn)現(xiàn)場的施工。工藝卡信息如圖9所示。
圖9 生成的工藝卡信息
2.4.4 裝配工藝設(shè)計(jì)
子工藝中的裝配工藝設(shè)計(jì)，首先需要到系統(tǒng)的典型工藝模板庫中查找是否有適合的典型工藝，如果有合適的典型工藝，借用典型工藝，快速在工序下生成相應(yīng)的工藝結(jié)構(gòu)，修改工序參數(shù)，指派需要裝配的零部件，更新裝配工藝卡片、工作圖等；如果沒有合適的典型工藝借用，那么就需要在工序下新建裝配工藝，指派裝配零部件，設(shè)計(jì)裝配流程，指派裝配班組、臺位、設(shè)備等工藝資源，創(chuàng)建裝配工藝卡片，編制操作規(guī)程等。對于裝配工藝來說，如果存在沒有設(shè)計(jì)過工藝的零件，那么裝配工藝師需要把零件用系統(tǒng)信封發(fā)送到零件工藝師處；零件工藝師開始零件的工藝設(shè)計(jì)，同時(shí)裝配工藝師檢查EBOM中的各個零件是否完全指派到各工序的裝配工藝中；如果全部指派，檢索是否有未發(fā)布的零件工藝，只有所有的零件工藝走電子簽審流程發(fā)布后，裝配工藝才能發(fā)起電子簽審流程，發(fā)布裝配工藝為正式版本。所有的電子簽審流程結(jié)束后，由各大部類負(fù)責(zé)工藝師生成MBOM，提取工藝卡片明細(xì)、工藝文件目錄等，為MES提供數(shù)據(jù)。
對于裝配工藝，根據(jù)工藝設(shè)計(jì)項(xiàng)目管理中對時(shí)間節(jié)點(diǎn)、提交物的要求，還需要編寫各種其他工藝文件，如作業(yè)指導(dǎo)書、工作圖等。這些工藝文件也需要進(jìn)行電子簽審后正式發(fā)布。
2.4.5 電子簽審
對于工藝設(shè)計(jì)中的各個業(yè)務(wù)點(diǎn)，都有相應(yīng)的電子簽審流程與其對應(yīng)，完成工藝設(shè)計(jì)后，選中需要走流程的內(nèi)容，如裝配工藝、零件工藝或者其他的工藝文件等，新建工作流程，選擇對應(yīng)的流程，指派流程中各個節(jié)點(diǎn)的簽審人員，即可發(fā)起簽審流程。需要簽審的工藝內(nèi)容會附帶在流程中，簽審節(jié)點(diǎn)中的人員可以很方便地對待簽審工藝內(nèi)容進(jìn)行查看。完成電子簽審后，流程中的工藝內(nèi)容即自動發(fā)布，生成正式的版本數(shù)據(jù)用于指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)。
3 在一體化平臺下進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)實(shí)施的建議
a.項(xiàng)目實(shí)施需要得到領(lǐng)導(dǎo)的支持。
在一體化平臺下實(shí)施工藝設(shè)計(jì)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)部門和工藝設(shè)計(jì)部門需協(xié)同工作，設(shè)計(jì)部門如何及時(shí)地為工藝設(shè)計(jì)輸出數(shù)據(jù)，使工藝設(shè)計(jì)能夠盡早地獲得數(shù)據(jù)，提前開始工作，并提高并行度等問題，均需要領(lǐng)導(dǎo)的強(qiáng)力支持；對于各設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中的一些定義（如成熟度、變更量等）和部門間爭議較大的問題，更需要領(lǐng)導(dǎo)的決策支持。只有獲得決策層的大力支持和協(xié)調(diào)，才能確保項(xiàng)目成功實(shí)施。
b.項(xiàng)目實(shí)施是一個長期的工作。
Teamcenter一體化平臺，實(shí)施初期的數(shù)據(jù)積累、功能完善優(yōu)化是一個長期的過程，初期很多典型模板等可直接使用的數(shù)據(jù)很少，存在整個系統(tǒng)的實(shí)施和前期工程師的工作不能很好地融合等問題，只有直面和解決各種問題，一體化平臺才能得以完善。
c.團(tuán)隊(duì)建設(shè)。
在實(shí)施過程中，需要技術(shù)力量雄厚的供應(yīng)商的支持，開始實(shí)施的時(shí)候，企業(yè)內(nèi)部的工程師不具備實(shí)施經(jīng)驗(yàn)和二次開發(fā)能力，需要結(jié)合企業(yè)的實(shí)踐共同開發(fā)和完善。同時(shí)要結(jié)合工程師自己的工作流程，重視培訓(xùn)，強(qiáng)化操作。
4 結(jié)束語
通過對高速動車組基于一體化平臺下的結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)的研究，規(guī)范了產(chǎn)品設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)的并行協(xié)同設(shè)計(jì)，在統(tǒng)一數(shù)據(jù)源下工作，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的共享和數(shù)據(jù)的高效應(yīng)用，為工藝知識的積累提供了基礎(chǔ)平臺。通過系統(tǒng)對各種工藝資源的有效管理，提高了工藝設(shè)計(jì)的正確性、規(guī)范性和效率。使用結(jié)構(gòu)化工藝數(shù)據(jù)組織形式，為下游ERP、MES等系統(tǒng)提供合格的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)成為可能，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)間的緊密集成。
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本文標(biāo)題：基于Teamcenter的動車組車體工藝設(shè)計(jì)研究及應(yīng)用
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