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”科技支撐計劃,其子任務“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)化工藝設計模式開展高速動車組車體工藝設計。
長期以來,企業(yè)的產(chǎn)品設計數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和工藝設計數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)是完全不同的兩套系統(tǒng),系統(tǒng)之間沒有進行緊密的集成,工藝設計只能在產(chǎn)品設計結(jié)束后才能開展,這種數(shù)據(jù)孤島和串行設計模式導致了整個產(chǎn)品的設計效率低下,周期加長;工藝設計數(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)復雜、零部件數(shù)據(jù)量龐大等特點,急需搭建一套能夠?qū)崿F(xiàn)協(xié)同設計、數(shù)據(jù)源統(tǒng)一、設計效率高、管理功能強的管理平臺,解決數(shù)據(jù)孤島、串行設計等問題,縮短動車組的研發(fā)設計周期,承擔起企業(yè)級的PLM系統(tǒng)的職責,支撐動車組產(chǎn)品的全生命周期管理。
1 設計、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)設計,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)應用比較廣泛的整體解決方案。
根據(jù)高速列車工藝設計的特點,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),來實現(xiàn)企業(yè)自己的業(yè)務需求,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)平臺實現(xiàn)了設計工藝的一體化管理,在功能上不但可以完全取代產(chǎn)品設計數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和工藝設計數(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)品設計和工藝設計在統(tǒng)一數(shù)據(jù)源下工作,工藝設計師可以基于基線管理很方便地和產(chǎn)品設計師進行協(xié)同工作;在產(chǎn)品設計過程中工藝設計可以提前進行零部件的工藝性審查,準備工藝設計資源等,開展并行設計。
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聯(lián),設計完成的卡片、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,能夠形成工藝設計的典型知識,把典型工藝、原型產(chǎn)品工藝設計保存為模板,為后續(xù)快速工藝設計提供快速支撐。
2 一體化平臺下結(jié)構(gòu)化工藝設計
2.1 高速列車車體工藝設計流程
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、運營速度等級高、運行環(huán)境復雜等各方面因素,決定了高速動車組的工藝更為復雜。本文以項目中某一高速列車車體工藝設計實施過程為基礎,論述如何基于Teamcenter設計、工藝一體化平臺開展高速動車組車體工藝設計。其車體示意模型如圖2所示。
圖2 高速列車車體模型示意
基于平臺的工藝設計流程如圖3所示。
圖3 工藝設計流程圖
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)化工藝設計,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計需要,在EBOM中不存在,由工藝設計師添加到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
在工藝設計時,指派工藝資源完成相關工藝設計是必不可少的,使用Teamcenter提供的分類管理功能,對工藝設計過程中用到的工廠、設備、工裝、工具、臺位、班組、工具等各種資源進行管理,其中設備、工裝、工具等與三維數(shù)模進行關聯(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)化工藝設計
應用結(jié)構(gòu)化工藝設計模式進行車體工藝設計時,整個工藝設計過程都是基于三維環(huán)境完成的。從產(chǎn)品設計階段開始,工藝設計師便提前介入?yún)⑴c,對產(chǎn)品的工藝可行性進行充分的評估;在設計完成后,工藝設計師進行產(chǎn)品工藝的最后審查。
2.4.1 工藝性審查
在產(chǎn)品設計過程中,可以根據(jù)不同階段,把整個產(chǎn)品設計過程分成不同的成熟度,基于系統(tǒng)的基線管理功能,對達到一定成熟度的產(chǎn)品發(fā)起流程,進行工藝性審查,以便工藝設計能夠提前開始,實現(xiàn)與設計的并行工作。對未達到成熟度的產(chǎn)品,工藝設計師提前對部分零部件可制造性進行評估,提出針對工藝的產(chǎn)品改進意見,最大化地減少返工。
在對產(chǎn)品的工藝性審查時,工藝設計師無需用三維設計工具打開原始模型,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,同時縮小了模型的數(shù)據(jù)量。工藝設計師按照EBOM結(jié)構(gòu),可以選擇加載查看需要審查的對象。
2.4.2 分派工藝設計任務
項目負責工藝師首先在Teamcenter系統(tǒng)創(chuàng)建總工藝節(jié)點,然后建立工藝設計任務書(如圖6所示),根據(jù)不同部類工藝設計任務要求,再建立各個子工藝節(jié)點,這些子工藝需要分配到不同的部類負責工藝師。按照工藝設計任務書,項目負責人把各子工藝的操作所有權(quán)轉(zhuǎn)移給負責工藝師,同時通過系統(tǒng)的信封功能,把子工藝以超鏈接形式放到信封內(nèi)容中,并對工藝設計的要求進行描述后分發(fā)各個部類負責人。任務接收工藝師接到需要設計子工藝的任務后,通過超鏈接可以快速打開需要的子工藝節(jié)點,把子工藝發(fā)送到制造工藝規(guī)劃器中進行下一步的工藝設計。
圖6 工藝設計任務書
2.4.3 零件工藝設計
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的。工藝設計師選擇相應的裝配工藝節(jié)點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中指派需要設計工藝的零件,根據(jù)零件制造特點,同時在工序下指派相應的工藝資源:施工班組、使用設備等,如圖8所示。
圖8 工序和模型等信息的關聯(lián)
通過在創(chuàng)建工序時填寫的如下料尺寸、加工工時等信息,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 裝配工藝設計
子工藝中的裝配工藝設計,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,設計裝配流程,指派裝配班組、臺位、設備等工藝資源,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,如果存在沒有設計過工藝的零件,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計,同時裝配工藝師檢查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,由各大部類負責工藝師生成MBOM,提取工藝卡片明細、工藝文件目錄等,為MES提供數(shù)據(jù)。
對于裝配工藝,根據(jù)工藝設計項目管理中對時間節(jié)點、提交物的要求,還需要編寫各種其他工藝文件,如作業(yè)指導書、工作圖等。這些工藝文件也需要進行電子簽審后正式發(fā)布。
2.4.5 電子簽審
對于工藝設計中的各個業(yè)務點,都有相應的電子簽審流程與其對應,完成工藝設計后,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,選擇對應的流程,指派流程中各個節(jié)點的簽審人員,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)點中的人員可以很方便地對待簽審工藝內(nèi)容進行查看。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)用于指導現(xiàn)場生產(chǎn)。
3 在一體化平臺下進行工藝設計實施的建議
a.項目實施需要得到領導的支持。
在一體化平臺下實施工藝設計,產(chǎn)品設計部門和工藝設計部門需協(xié)同工作,設計部門如何及時地為工藝設計輸出數(shù)據(jù),使工藝設計能夠盡早地獲得數(shù)據(jù),提前開始工作,并提高并行度等問題,均需要領導的強力支持;對于各設計環(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,更需要領導的決策支持。只有獲得決策層的大力支持和協(xié)調(diào),才能確保項目成功實施。
b.項目實施是一個長期的工作。
Teamcenter一體化平臺,實施初期的數(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.團隊建設。
在實施過程中,需要技術(shù)力量雄厚的供應商的支持,開始實施的時候,企業(yè)內(nèi)部的工程師不具備實施經(jīng)驗和二次開發(fā)能力,需要結(jié)合企業(yè)的實踐共同開發(fā)和完善。同時要結(jié)合工程師自己的工作流程,重視培訓,強化操作。
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)化工藝設計的研究,規(guī)范了產(chǎn)品設計與工藝設計的并行協(xié)同設計,在統(tǒng)一數(shù)據(jù)源下工作,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的共享和數(shù)據(jù)的高效應用,為工藝知識的積累提供了基礎平臺。通過系統(tǒng)對各種工藝資源的有效管理,提高了工藝設計的正確性、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)提供合格的基礎數(shù)據(jù)成為可能,實現(xiàn)了系統(tǒng)間的緊密集成。
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本文標題:基于Teamcenter的動車組車體工藝設計研究及應用
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