面向全生命周期管理的工裝數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)研究與應(yīng)用

撰文/北京星航機(jī)電裝備有限公司 范秀斌

面向全生命周期管理的工裝數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)研究與應(yīng)用

撰文/北京星航機(jī)電裝備有限公司 范秀斌

一、引言

航空航天產(chǎn)品的特點是品種多、狀態(tài)多、批量小、精度高且剛性差，為提高勞動生產(chǎn)率和保證產(chǎn)品質(zhì)量，需要大量鑄造、鈑金成形、機(jī)加、焊接和裝配用工藝裝備（以下簡稱工裝），同時國內(nèi)外競爭環(huán)境要求航空航天制造企業(yè)能夠快速、敏捷地生產(chǎn)出產(chǎn)品，因此數(shù)字化設(shè)計、并行工程等新的設(shè)計和管理手段被引入產(chǎn)品研制工作中，以上因素均為工裝的有效管理帶來了挑戰(zhàn)。

二、企業(yè)工裝管理系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

經(jīng)過多年的信息化建設(shè)，我公司已通過設(shè)計協(xié)同系統(tǒng)實現(xiàn)工裝審批流程管理，同時在MRPⅡ系統(tǒng)中實現(xiàn)了對工裝物料、投產(chǎn)和臺帳的管控。但現(xiàn)有工裝資源管理的信息化水平不高，具體體現(xiàn)在以下幾個方面：工裝設(shè)計管理只是實現(xiàn)審批流程的無紙化，工裝基礎(chǔ)數(shù)據(jù)屬性存在數(shù)據(jù)不全或數(shù)據(jù)錯誤；沒有實現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化，難以進(jìn)行數(shù)據(jù)分析并對設(shè)計過程進(jìn)行有效管控；技術(shù)和生產(chǎn)部門之間系統(tǒng)未打通，仍靠紙質(zhì)表單進(jìn)行信息傳遞，信息溝通不及時，存在“信息孤島”現(xiàn)象等。

隨著數(shù)字化設(shè)計特別是基于MBD的工裝全三維設(shè)計制造技術(shù)的推廣，現(xiàn)有協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)已不能滿足對三維模型的有效管理要求，同時由于現(xiàn)有協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)與MRPⅡ沒有進(jìn)行集成，形成信息孤島，使設(shè)計、返修、定檢和更改等技術(shù)信息和工裝實物狀態(tài)信息脫節(jié)，難以應(yīng)用現(xiàn)有系統(tǒng)對工裝全生命周期信息進(jìn)行有效管控。鑒于上述原因，有必要對現(xiàn)有工裝設(shè)計系統(tǒng)升級改造，使其適應(yīng)工裝數(shù)字化設(shè)計制造及全生命周期管理的發(fā)展要求。

三、工裝全生命周期管理系統(tǒng)構(gòu)建

1.建設(shè)目標(biāo)

公司擬通過工裝管理系統(tǒng)建設(shè)，對工裝設(shè)計產(chǎn)生的三維模型和電子設(shè)計文檔數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，通過與ERP系統(tǒng)集成，對實物工裝的返修和技術(shù)問題處理過程進(jìn)行統(tǒng)一管理，從而構(gòu)建一個基于三維模型的工裝全生命周期管理平臺，達(dá)到顯著提高工裝設(shè)計效率和質(zhì)量，快速響應(yīng)產(chǎn)品研制需求的目標(biāo)。

2.系統(tǒng)功能劃分

工裝管理工作通過工裝管理系統(tǒng)與生產(chǎn)ERP系統(tǒng)、廠級科研生產(chǎn)綜合調(diào)度系統(tǒng)集成，實現(xiàn)工裝從設(shè)計、制造到報廢全生命周期的管理。系統(tǒng)中主要包含工裝設(shè)計、工裝生產(chǎn)和工裝實物的管理。其中工裝設(shè)計管理中包含工裝設(shè)計流程管理、工裝設(shè)計計劃管理、工裝設(shè)計數(shù)據(jù)管理；工裝生產(chǎn)管理包含新制工裝生產(chǎn)管理、返修工裝生產(chǎn)管理；工裝實物管理包含工裝實物臺帳管理、入場借用歸還管理和報廢封存啟封管理等。其中重點工裝計劃可以同步到廠級科研生產(chǎn)綜合調(diào)度系統(tǒng)中進(jìn)行監(jiān)控和查詢。具體系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能劃分圖

3.工裝設(shè)計流程管理

工裝設(shè)計流程管理的第一步就是進(jìn)行流程梳理工作，下面以工裝申請流程為例，說明流程梳理工作內(nèi)容。經(jīng)對企業(yè)業(yè)務(wù)調(diào)研，整理出的工裝申請流程。

（1）使用分廠編制提出“工裝申請單”，分廠簽署后送技術(shù)中心。

（2）技術(shù)中心批準(zhǔn)并簽署完整“工裝申請單”后送工裝設(shè)計。

（3）工裝設(shè)計以“工裝申請單”為依據(jù)進(jìn)行登記建設(shè)計臺帳，完成工裝設(shè)計后將“工裝申請單”發(fā)往生產(chǎn)處。

（4）生產(chǎn)處工裝管理員收到工裝申請單后，下達(dá)任務(wù)。

（5）制造單位完成工裝制造，后交付檢驗。

（6）制造單位檢驗員檢驗合格后，在工裝合格證上蓋章，送到使用單位并匯報完工。

（7）使用單位收到新制工裝后，核實合格證，無誤后入庫并確認(rèn)完工，制造單位計劃員將工裝按任務(wù)號、工裝圖號、工裝名稱、數(shù)量、交付時間、交付單位、工時、材料費和總價格報生產(chǎn)處工裝管理員。

（8）生產(chǎn)處工裝管理員建立臺帳。

以此建立的業(yè)務(wù)流程如圖2所示。

圖2 工裝申請全流程圖

完成業(yè)務(wù)流程梳理后進(jìn)行工裝基礎(chǔ)數(shù)據(jù)整理，目的是確定工裝申請流程中需要創(chuàng)建和產(chǎn)生的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)內(nèi)容、格式、填寫人及填寫規(guī)范，為在系統(tǒng)中建立流程打下基礎(chǔ)。

在進(jìn)行流程規(guī)劃時，要求流程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采用結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)處理以實現(xiàn)數(shù)據(jù)重用，并提高表單填寫自動化程度，同時完成流程的表單將由相應(yīng)模塊自動將受控的申請單和消息發(fā)給生產(chǎn)處工裝計劃員安排投產(chǎn)，與ERP（MRPⅡ）模塊集成。經(jīng)分析整理后的工裝申請流程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 工裝申請流程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表

4.工裝計劃管理

為滿足工裝與產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計要求，需要實現(xiàn)工裝設(shè)計任務(wù)的信息化管理，實現(xiàn)任務(wù)信息和文檔數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)。為此加入項目管理模塊，包括任務(wù)分派、任務(wù)插單（插單后可將其他任務(wù)時間相應(yīng)的自動調(diào)整）、任務(wù)統(tǒng)計、工作量統(tǒng)計、完成時間統(tǒng)計、完成節(jié)點統(tǒng)計并按人員和產(chǎn)品輸出統(tǒng)計報表。

（續(xù)）

（續(xù)）

為拓展項目管理功能，將模塊與微軟project進(jìn)行集成，支持導(dǎo)出、導(dǎo)入project計劃。

實現(xiàn)計劃任務(wù)分解結(jié)構(gòu)（WBS）管理、計劃管理、資源管理、項目甘特圖管理、技術(shù)流程圖管理、項目流程模板管理、項目執(zhí)行、項目狀態(tài)監(jiān)控、項目的動態(tài)調(diào)整、項目信息匯總和過程模型的重用等功能。

5.工裝設(shè)計數(shù)據(jù)管理

（1）工藝裝備數(shù)據(jù)的分類。

實現(xiàn)工裝設(shè)計數(shù)據(jù)管理第一步是對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，以便于對不同分類數(shù)據(jù)采取相應(yīng)的管理策略。在系統(tǒng)中將數(shù)據(jù)分為四類：數(shù)據(jù)節(jié)點、相關(guān)單據(jù)、設(shè)計圖樣和設(shè)計文件。其中數(shù)據(jù)節(jié)點如工裝根節(jié)點、工裝實物節(jié)點等，相關(guān)單據(jù)如工裝申請單、工裝定檢單、工裝返修單、工裝復(fù)制單、工裝報廢單、工裝變更單和工裝技術(shù)問題處理單等，工裝設(shè)計圖樣如工裝零部件、標(biāo)準(zhǔn)零件、組合夾具等，設(shè)計文件如使用維護(hù)說明書、計算報告和履歷書等。

（2）工裝數(shù)據(jù)版本管理。

為對數(shù)據(jù)版本進(jìn)行管理，約定將數(shù)據(jù)版本按A、B、C、……來表述，其中初始創(chuàng)建版本為A，第一次修改后為B，第二次修改后為C，以此類推，同時約定數(shù)據(jù)使用時以最新發(fā)布版本為準(zhǔn)。

（3）工裝數(shù)據(jù)生命周期管理。

為對數(shù)據(jù)的全生命周期進(jìn)行管理，將數(shù)據(jù)從創(chuàng)建、使用到消亡全周期進(jìn)行了階段劃分以方便管理，其階段定義如下。

◎“創(chuàng)建”：數(shù)據(jù)創(chuàng)建成功后，未加入簽審流程的狀態(tài)。

◎“等待”：數(shù)據(jù)加入簽審流程，但未啟動流程的狀態(tài)。

◎“活動”：數(shù)據(jù)在簽審流程中的狀態(tài)。

◎“發(fā)布”：數(shù)據(jù)完成簽審流程的狀態(tài)。

◎“工藝定型”：數(shù)據(jù)發(fā)布后，根據(jù)產(chǎn)品研制工藝定性要求，將數(shù)據(jù)設(shè)置的狀態(tài)。

◎“凍結(jié)”：數(shù)據(jù)作廢不再使用，將數(shù)據(jù)設(shè)置的狀態(tài)，普通用戶不可見。

完成階段定義后，為對數(shù)據(jù)進(jìn)行有效管控，需要不同責(zé)任人對處于不同階段數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，這就涉及到對處于不同階段各數(shù)據(jù)的操作權(quán)限進(jìn)行控制，系統(tǒng)權(quán)限設(shè)置如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)權(quán)限控制

（4）工裝數(shù)據(jù)集結(jié)構(gòu)管理。

為實現(xiàn)對工裝全生命周期數(shù)據(jù)集成管理，引入工裝數(shù)據(jù)集管理概念，即在系統(tǒng)中將每套工裝相關(guān)節(jié)點、設(shè)計圖樣、文檔和流程表單等數(shù)據(jù)，按工裝圖號建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，從而建立數(shù)據(jù)集。完整的工裝數(shù)據(jù)集結(jié)構(gòu)組成如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)集結(jié)構(gòu)組成

6.系統(tǒng)集成

（1）與UG設(shè)計軟件集成。

為滿足對工裝三維設(shè)計模型管理要求，實現(xiàn)工裝數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)對UG三維設(shè)計軟件的集成，支持在XP32位操作系統(tǒng)上集成UG6.0、UG7.5和UG8.0的32位程序和在XP64位系統(tǒng)上集成UG6.0、UG7.5和UG8.0的64位程序。實現(xiàn)在UG中查詢工裝數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，能夠?qū)⒐ぱb數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)外的UG裝配或零件批量導(dǎo)入到工裝數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)中，并自動生成設(shè)計BOM。工裝數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)能讀取UG圖紙文件內(nèi)部的數(shù)據(jù)（包括UG文件版本信息），提取零部件屬性和結(jié)構(gòu)信息，自動生成和刷新工裝數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)中零部件對象的屬性和結(jié)構(gòu)樹。并實現(xiàn)UG模型圖的電子簽名。

（2）與MRPⅡ系統(tǒng)集成。

為消除信息孤島，將工裝數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)與MRPⅡ系統(tǒng)進(jìn)行了集成，打通了設(shè)計、制造和現(xiàn)場實物管理。集成通過廠級數(shù)據(jù)中心中間表的形式完成，具體實現(xiàn)方式是在數(shù)據(jù)中心建立工裝數(shù)據(jù)中間表，由工裝數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)將設(shè)計數(shù)據(jù)寫入工裝數(shù)據(jù)中間表，并從表單中讀取工裝生產(chǎn)和實物狀態(tài)信息；而MPRⅡ系統(tǒng)將工裝生產(chǎn)和實物狀態(tài)系統(tǒng)寫入工裝數(shù)據(jù)中間表，并從表單中讀取工裝設(shè)計信息，而廠級調(diào)度系統(tǒng)可以從中間表獲取工裝設(shè)計和生產(chǎn)進(jìn)度信息并下達(dá)研制計劃。

工裝數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)和企業(yè)目前已有的MRPⅡ系統(tǒng)進(jìn)行集成。將工裝設(shè)計完成后的數(shù)據(jù)提供給MRPⅡ系統(tǒng)，由生產(chǎn)處在MRPⅡ系統(tǒng)中接收工裝設(shè)計數(shù)據(jù)，并組織工裝實物加工生產(chǎn)；工裝數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)定時（時間周期可配）從MRPⅡ系統(tǒng)接收工裝實物信息。

MRPⅡ系統(tǒng)與工裝數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)集成通過中間表的形式交換數(shù)據(jù)，集成雙方在企業(yè)數(shù)據(jù)庫平臺中建立數(shù)據(jù)交換表，工裝數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)在工裝設(shè)計完成發(fā)布時，向交換表中寫入主物料記錄，并且按照編碼規(guī)則自動生成住物料的編碼，同時向交換表中寫入工裝制造計劃記錄。為最大程度實現(xiàn)設(shè)計和制造過程并行，工裝數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)在工裝設(shè)計任務(wù)簽審流程各步驟中都可以向MRPⅡ系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)，各步驟僅支持一次發(fā)送（不能多次發(fā)送同一工裝），如果流程到最后一步還沒有發(fā)送數(shù)據(jù)，則系統(tǒng)提示工裝數(shù)據(jù)發(fā)送。

這種集成方式的優(yōu)點是通過數(shù)據(jù)中心中間表的方式，實現(xiàn)了集成數(shù)據(jù)的系統(tǒng)無關(guān)性，每個系統(tǒng)只需要處理和數(shù)據(jù)中心的接口關(guān)系即可，避免了系統(tǒng)間直接集成的相互接口協(xié)調(diào)問題，并且方便多個系統(tǒng)集成。但由于每個系統(tǒng)都是和數(shù)據(jù)中心交換數(shù)據(jù)，需要設(shè)計相應(yīng)的容錯和檢測機(jī)制，并進(jìn)行充分的集成測試，避免數(shù)據(jù)錯誤或不同步問題。

7. 實施情況

我公司自2013年起開始進(jìn)行工裝設(shè)計系統(tǒng)實施工作，先后完成了業(yè)務(wù)調(diào)研報告、實施方案、測試系統(tǒng)搭建、歷史數(shù)據(jù)導(dǎo)入和正式系統(tǒng)上線等工作，目前已投入正式使用，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)實施圖

四、結(jié)語

本文研究了面向全生命周期管理的工裝數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)的功能和組成，詳述了系統(tǒng)構(gòu)建和實施過程，從系統(tǒng)使用情況看能夠很好地滿足對工裝協(xié)同設(shè)計制造的管控要求，公司后續(xù)升級計劃將CAPP工藝設(shè)計模塊納入系統(tǒng)，工裝數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)和現(xiàn)有CAPP(二維、三維)工藝設(shè)計軟件集成，可以在工裝數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)中直接調(diào)用CAPP編輯工具，完成工裝零部件工藝文件編制、審簽及文檔管理等業(yè)務(wù)工作，實現(xiàn)工裝設(shè)計-工藝-生產(chǎn)-實物全狀態(tài)全周期管控。