三维数字化工艺平台在工艺开发过程中的应用.pdf

10.16638/ki.1671-7988.2023.016.024 10.16638/ki.1671-7988.2023.016.024 三维数字化工艺平台在工艺开发过程中的应用 付凯强，王 硕，王一博，董 欣（陕西重型汽车有限公司 汽车工程研究院，陕西 西安 710200）摘要：工艺开发贯穿产品研制到生产制造的全过程，起到承上启下的重要作用。基于企业现状，分析总结工艺开发过程中存在的各类提升点，如信息交互问题、虚拟仿真数据问题等，结合三维数字化工艺平台的特点、功能，提出结构化工艺方案、信息平台构建方案、基础数据完善方案。最后分析在保障系统顺利实施的过程中，需要提前解决的各种问题。通过三维数字化工艺平台项目的实施，实现了从产品工艺到工厂工艺的贯通，打通了数字化工艺设计的各环节。关键词：三维数字化；工艺平台；工艺开发；结构化工艺 中图分类号：U466 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2023)16-119-05 Application of 3D Digital Process Platform in Process Development Process FU Kaiqiang,WANG Shuo,WANG Yibo,DONG Xin(Automotive Engineering Research Institute,Shaanxi Heavy Duty Automobile Company Limited,Xian 710200,China)Abstract:Process development runs through the whole process of product development to manufa-cturing,and plays an important role in connecting the preceding and the following.Based on the current situation of the enterprise,various improvement points in the process development process are analyzed and summarized,such as information interaction problems,virtual simulation data problems,etc.According to the characteristics and functions of 3D digital process platform,the structured process scheme,information platform construction scheme and basic data improvement scheme are proposed.Analyze various problems that need to be solved in advance in the process of ensuring the smooth implementation of the system.Through the implementation of the 3D digital process platform project,the penetration from product process to factory process is realized,and all aspects of digital process design are opened up.Keywords:3D digital;Process platform;Process development;Structured process 工艺技术是连接产品设计和产品制造的桥梁。在方案设计、验证阶段，工艺技术人员接收产品设计数据完成同步工程分析，反馈产品结构工艺性问题；在小批量生产及正式批产阶段，工作者简介：付凯强（1992），男，助理工程师，研究方向为汽车冲焊工艺技术、汽车智能制造，E-mail:。120 汽 车 实 用 技 术 2023 年 艺技术人员结合产品数据、产线能力等因素，转化为能够指导生产操作的文件。总而言之，工艺数据连接着设计与生产，起到承上启下的作用。工艺设计水平、工艺准备效率、工艺文件指导性直接影响着产品研制效率、质量与成本。当前使用的计算机辅助工艺规划（Computer Aided Process Planning,CAPP）系统存在不足，仅能实现非结构化、2D 文档工艺，无法与现有设计产品生命周期管理（Product Lifecycle Management,PLM）、生产企业资源计划（Enterprise Resource Planning,ERP）系统实现集成，“信息孤岛”现象十分明显1。传统文档式工艺设计受工艺人员的工作经验影响，设计水平因人而异。未结构化工艺图文件制约了工艺设计、工艺变更的工作效率，缺少结构化的制造资源模型和产品模型数据，会导致无法有效完成开发过程的虚拟验证。随着数字化、信息化与先进制造技术的发展，数字化的设计、工艺、仿真、制造等技术已经逐渐成熟并广泛应用于汽车、轨道交通、航空航天等领域，给制造业带来了巨大的变革。国内相关企业通过数字化工艺平台，完成了三维环境下的工艺设计仿真2-3。国外学者基于 Teamcenter系统，通过构建工艺清单（Bill Of Process,BOP）建立数据模型，并实现版本管理，提升了数据重用水平4；利用数据模型完成自动化装备的虚拟调试、验证5。本文通过分析工艺开发过程中存在的问题、不足，结合三维数字化工艺平台功能，提出问题解决方案，并总结平台顺利运行的必要条件，最后展望三维数字化工艺平台发展及应用方向。1 产品开发过程中的提升点分析 1.1 非结构化的工艺设计方式 目前工艺人员通过 CAPP 系统、文档软件，采用线下编辑方式开展工艺设计和工艺文件的编制、更改。这种工作方式虽然短平快，工作组织灵活，但是也存在着数据结构化程度低等一系列难以克服问题，如图 1 所示。由于缺少专业的工艺设计软件支持，工艺人员通常需要花费大量时间查找、加载数据模型，因此，增加了无效的等待时间。当前的 2D 图文档工艺是一种非结构化的工艺形式，工艺人员需对工艺开发输出物进行逐字编辑、总结。当工艺文件需要变更、升版，就需要花费大量时间完成重复性操作。此外，更改后的工艺文件无法做到版本管理，数据追溯性差。图 1 2D 图文档工艺 注：MES：制造执行系统（Manufacturing Execution System）；EBOM：设计物料清单（Engineering Bill Of Materials）；MBOM：制造物料清单（Manufacturing Bill Of Materials）。工艺文件以纸质文件为载体，通过“文字+截图”的形式展示，可视化程度、可阅读性较差，复用难度高。1.2 工艺系统间沟通效率低 目前，工艺系统在产品端与工厂端缺乏互动平台，日常业务以邮件、纸质签单等形式传递，沟通效率较低。根据产品开发流程，产品工艺工程师负责同步工程（Simultaneous Engineering,SE）阶段工作，工厂工艺工程师负责制造工程（Manu-facturing Engineering,ME）阶段工作，两者在整车开发过程中需要进行互相反馈、完成数据互动，实现两个阶段的数据优化、迭代升级。1.3 工艺数据存在“信息孤岛”由于工艺人员采用线下编制方式开展工艺设计工作，工艺输出物依赖于工艺人员个人管理，这种模式会产生两方面影响：1）企业项目开发经验依托于固定参与人，无法形成企业级的工艺模板和工艺知识库，如果存在人员变动，则企业将失去宝贵知识资产。2）工艺数据离散于各个工艺人员的办公计算机中，互相复用、查询的时间成本较高，影响工作效果及效率。因此，亟需建立企业的工艺数据库，打破“信息孤岛”，实现信息积累。2 基于三维数字化工艺平台的解决方案 2.1 通过工艺平台实现结构化工艺设计 三维数字化工艺平台结构化工艺构建思路的核 心 内 容 是 围 绕 3PR 展 开。3PR 是 由 产 品第 16 期 付凯强，等：三维数字化工艺平台在工艺开发过程中的应用 121 （Product）、工艺（Process）、工厂（Plant）、资源（Resource）四个维度组成，用以描述工艺全过程。这四个维度通过树状结构进行整合，最终形成结构化 BOP，如图 2 所示。图 2 结构化工艺 3PR 示意图 产品工艺基于 BOM 基础数据及产品技术要求，搭建产品 BOP（Product BOP）；工厂工艺基于 Product BOP，结合自身产线能力、工装工具，按需快速生成各生产单元的工厂 BOP（Plant 图 3 Product BOP 与 Plant BOP 数据结构 BOP），完善制造工艺设计，系统辅助快速输出作业指导书。Product BOP 与 Plant BOP 数据结构如图 3 所示。以 BOP 的树状结构为例，结合轻量化的三维模型，展示产品的具体工艺过程，效果清晰且直观。除了核心的 BOP 编制工作以外，平台还可实现基于 TCVIS 模块的虚拟审核、工装设备确认等工作。评审结果将保存至当前 BOP 结构下，系统辅助输出评审报告，反馈设计及制造问题，提升同步工程工作效率。2.2 通过工艺平台实现数据流贯通 通过系统集成打通各个系统之间的数据通道，实现数据的实时获取及下发，打通产品、工艺、制造数据流，实现“设计工艺制造”一体化协同，降低企业运营成本，支撑企业智能制造转型。各系统功能、数据交互如图 4 所示。建立系统流程，及时获取变更信息，实现工艺信息的线上传递，保证工艺设计和工艺指导的准确性和完整性，实现产品工艺（SE 部分）与工厂工艺（ME 部分）的数据通道，完成实时互动。122 汽 车 实 用 技 术 2023 年 图 4 各系统功能、数据交互示意图 注：VPM：产品数据管理系统（Virtual Product System）；APS：高级计划和排程（Advanced Planning and Scheduling）；CAD：计算机辅助设计（Computer Aided Design）。2.3 建立统一基础数据库 构建全公司统一的工艺知识库，通过工艺知识及经验的重用、规范的审核流程，在效率提升的基础上，从体系上保证工艺开发过程的一次成功率。建立全公司统一的工装、设备、工具、辅料等工艺资源库（见图 5），统一工艺资源的数据和数模状态，为精准的工艺设计、产线规划、装备改进，提供唯一准确的数据源。图 5 工艺资源库数据结构 通过以上措施，实现工艺知识和工艺模板的快速复用，以及资源数据的统一管理和快速引用，提高工艺规划及工艺设计的效率和标准化。同时，将无形的数据资产固化在公司内部，作为后续传承发展的重要基础。3 推进系统顺利运行的必要条件分析 为了保证数字化工艺平台能顺利运行，除了要对平台自身的模块、功能进行充分了解，结合企业自身情况做出全面统筹规划，还需关注以下三个方面：3.1 认识数字化工艺平台的重要性及必要性 系统性的平台建设应当是多部门协作，共同完成的过程，主要面对的困难有以下两个方面：首先在平台建设过程中，需要做大量的基础准备工作，如基础数据准备、工作流程梳理，需要耗费一定的人力物力，短期内工作效果甚微。其次为了实现平台功能，实际业务结构需要针对性地进行优化、调整。因此，各业务部门需在思想层面认可数字化工艺平台的重要性、必要性，互相协作，共同协商并克服各种困难，完成平台建设。3.2 完善业务开展过程中的基础三维数据 完整、准确的产品数据、制造资源数据，是三维数字化工艺平台运行的数据基础，是开展产品三维工艺设计的前提条件，也是制造型企业发展的数据财富。一方面，基于准确的产品数据、产线、工装、设备的三维模型，可以开展整车虚拟评审、机器人仿真、物流分析、人因工程分析等工作，提升工艺分析效率、准确性、指导性；另一方面企业在朝着数字化、智能化方向发展过程中，利用增强现实（Augmented Reality,AR）、虚拟现实（Virtual Reality,VR）、数字孪生等技术时，基础数据将作为重要的基石。3.3 现有工作流程梳理、知识数据凝练 工作流程梳理能明确各部门的职责、清晰全业务链条流程，结合三维数字化工艺平台，使工作更加清晰，边界更加明确，从而提高整体运行效率。一方面，总结工艺评审要求、制造资源参数、标准件力矩要求等相关工艺数据，将经验、手册性质的内容统一转化为数据库，实现数据系统自动索引，或人工快速查询。同时通过后续的数据库维护，实现企业工艺知识积累。另一方面，将第 16 期 付凯强，等：三维数字化工艺平台在工艺开发过程中的应用 123 日常工作中的报表、输出物文档进行总结，使其模板化、规范化，结合数字化工艺系统，实现工艺输出物的自动生成、集中管理，避免冗余的文本编辑操作，提升工作效率，完成高效的版本管理。4 三维数字化工艺平台业务拓展方向 随着企业向数字化方向转型发展，三维数据的高效应用已经成为制造型企业发展过程的基本技术能力6。通过虚拟仿真验证代替实物验证，以降低开发成本，提升企业竞争力。当前三维数字化工艺平台仅完成了基础功能搭建、数据系统打通，未扎实开展工艺设计、基础数据管理工作。在未来，随着系统运行稳健、基础数据持续积累，应当继续策划、实施四大工艺虚拟仿真应用，包括产线、机器人仿真、物流仿真等，逐步提升三维数字化工艺平台的能力，为公司带来更多价值。5 结束语 三维数字化工艺平台是健全工艺设计能力，加速产品转化的重要提升项目。通过该平台可以 实现结构化工艺设计能力，提升同步工程、工艺规划能力。在数据交互层面，可以打通上下游数据流，破除壁垒，实现数据集成。最终，以最大程度保障小批量个性化生产，为客户带来价值。参考文献 1 杨立强,吴亚渝,范星星,等.基于 Teamcenter 的三维数字化工艺技术研究J.新技术新工艺,2019(10):28-34.2 杨龙.结构化工艺设计及仿真在高铁列车中的应用研究J.科技信息,2013(13):52-53.3 常亚恩,李瑞方.PD/PS 在汽车焊装工艺规划和仿真中的应用J.汽车工艺与材料,2016(3):1-4.4 MORSHEDZADEH I,OSCARSSON J,AMOS N,et al.Product Lifecycle Management with Provenance Management and Virtual Models an Industrial Use-case StudyJ.Procedia CIRP,2018,72:1190-1195.5 OLIVEIRA HANSEN J P,SILVA E R,BILBERG A,et al.Design and Development of Automation Equipment Based on Digital Twins and Virtual Commissioning J.Procedia CIRP,2021,104:1167-1172.6 青山英樹.3D-CAD/CAM現状方向性J.精密工学会誌,2015,81(3):206-210.