0 引言
传统的制造工艺是在设计完成之后依靠经验、知识由工艺人员编制完成,不仅浪费时间,而且会造成设计人员与制造人员的沟通不畅,急需一种新的管理方式来进行数据及工艺的规划及管理。
产品的数据管理以及工艺优化是伴随着信息化制造而迅速发展起来的一个新的领域,计算机辅助工艺设计(computer aided process planning,CAPP)借助于计算机软硬件技术和支撑环境,利用计算机进行数值计算、逻辑判断和推理等功能来制定零件机械加工工艺过程。CAPP是将产品设计信息转换为各种加工制造、管理信息的关键环节,是企业信息化建设中联系设计和生产的纽带,同时也为企业的管理部门提供相关的数据,是企业信息交换的中间环节。
1 CAPP存在的不足
由于计算机集成制造系统(computer integrated manufacturing system,CIMS)的出现,计算机辅助工艺规划上与计算机辅助设计(computer aided design,CAD)相接,下与计算机辅助制造(computer aided manufacturing,CAM)相连,是连接设计与制造之间的桥梁。设计信息只能通过工艺设计才能生成制造信息,设计只能通过工艺设计才能与制造实现功能和信息、的集成。
自从1965年Nieble首次提出了CAPP的思想,迄今30年以来,CAPP领域的研究得到了极大的发展,涌现出了很多CAPP原型系统和商业化系统。但是依然存在着一些不足和问题,而且更多的是管理思路和方式的问题:
②过分追求自动化,而忽略“辅助”的内涵等等。
以某汽车零配件公司的生产设计状况为例,在工艺规划和设计方面,仍是由制造工程部负责工艺分析评估、工艺规划,制造技术管理与协调,使得整个生产制造准备过程中,工艺和装备的设计占了近三分之二的时间,主要的制约因素有:
①所有的规划过程都以传统的手工整理方式进行;
②工艺人员独立进行设计,处于孤立分散的状态;
③相关工艺的查询和传输,基本以纸样和磁盘为介质;
④工艺和设计相互孤立,不能并行设计,浪费开发时间。
为了改变现状,公司实施PDM/PLM项目,基于Teamcenter Engineering中Manufacturing的这一模块来构建工艺规划系统。通过二次开发和配置,很大程度上解决了CAPP当前出现的一些问题,实现了无缝的产品开发制造流程,将为企业带来巨大的经济效益。
2 基于PDM/PLM工艺规划系统的开发环境
根据某汽车零配件公司的现状以及与上游的PDM系统的相容性,系统采用Teamcenter Engineering(TC)作为工艺规划系统的开发环境。TC是UGS PLM software中一套成熟的系统,提供了一整套全方位的数字化生命周期管理解决方案,涵盖了数据管理、权限管理、产品结构配置管理以及工作流管理等方面;并且提供了一种用于行业协同的文档格式JT,这种格式具有高性能、轻便和柔性的特点,使得数据的存储和保密变得简单,并且可以消除不同部门、不同企业之间交换信息出现的障碍。
Manufacturing是TC中的一个模块,包括3个方面的内容:工艺设计、工艺管理、系统集成(如图1),并且具有一个有柔性的制造数据模型,保留了所有的PDM系统的功能。
图1 TCM功能
虽然TC的功能已经很强大,但从数据类型和功能性角度出发,仍有必要对工艺系统进行二次开发及配置。对于数据及权限的管理有两种方式:
①使用有足够权限的账户登录,直接进行设置;
②使用TC自带的BMIDE开发包进行配置。但是对于一些数据类型、流程节点及报表输出功能的开发,简单的配置达不到企业的要求。
TC采用的是胖客户端一服务器(client-server,CS)两层架构。胖客户端包含用户在PC上运行的应用程序,用户可以查看并操作数据、处理业务规范,同时提供丰富的用户界面做出响应;服务器端负责管理对数据的访问并负责业务规则:简而言之,即胖客户端负责逻辑运算,而服务器端负责数据信息的存储。客户端用JAVA语音开发,同样它的二次开发也是用JAVA语音;服务器端的二次开发利用ITK及C语音。因为TC版本的升级可能导致所开发程序需要改写并重新编译,所以二次开发的原则是尽可能利用TC已有的功能,减少二次开发量。基于以上考虑,二次开发的重心放在客户端,尽量利用服务器端已有的功能。
3 工艺系统架构
项目中,工艺规划系统分为专机和工艺两大部分。专机是由夹具和专用设备组装而成的,用于加工车灯的设备,是工艺的载体;工艺部分是包括工艺的审批、验证、更改以及节点的管理等方面,是系统的核心部分,伴随着EBOM-PBOM-MBOM之间的互相转换以及知识在不同阶段的重用,构成了整个PDM/PLM系统(如图2)。
图2 系统总体架构图
3.1 专机
在TC的组织下,专机下挂有夹具、设备、PLC程序等,夹具部件下挂有对应的三维模型、二维图纸和外购件清单(如图3)。
图3 产品数据组织模式
将专机常用的资源分为标准件库、外构件库、标准设备库、标准模块库四类,而在分类管理模块,TC将数据分为结构和数据两类(如图4)。
图4 分类结构树
①结构是层次化的业务对象,如外购件包括气动元件、电动元件。由管理者搭建。
②数据是放入到系统的数模及其属性的管理,有工程师操作录入。
通过一定的流程,将专机信息发布,供工艺规划阶段使用。
3.2 工艺
将设计转化为产品的最重要的一个步骤就是工艺设计,一个完整的工艺计划需要考虑到专辑信息、工位信息、每一工序时间的估计等等。TC中对工艺的规划管理,主要是在协同关联、MSE(manufacturing structure editor)中完成。结构化工艺设计借助TCM(TC manufacturing)中的3PR(product-process-plant-resource)模型,不仅仅包括了产品BOM,同时包括了工艺BOM及工厂BOM(如图5),很好地实现了在资源有限的情况下分车间加工工艺,即在工艺系统中,相关信息会被自动处理,产品结构的变化会及时反映到汇总表中。
图5 3PR模型
4 工艺规划
工艺规程分为零件工艺和装配工艺,根据企业的实际情况,将工艺设计过程分为三大阶段:过程策划、试生产、批产。在策划阶段,首先由研发部创建EBOM;其次由工艺科在协同关联模块关联EBOM与MBOM,并进行对比检查,且在MSE模块中,创建工序、工艺、工步,并与产品及工厂信息关联;最后通过流程审批,分派,进入试生产阶段,经过工艺节点的审批进入最后的批产阶段。
本系统创造性地采用了综合式的工艺管理方式,结合了CAPP对工艺规划的基本方式检索式、派生式和创成式,将更有助于开发出智能的CAPP系统,并将焦点集中于“辅助”而不是“完全替代”:
①检索式是针对标准工艺的,将设计好的零件标准工艺进行编号、命名,存储在系统中,方便调用。
②派生式即利用“零件有相似性,相似的零件有相似的工艺过程”这一原理,通过检索相似典型的工艺过程,加以编辑而派生一个新零件的工艺过程。系统中通过零件工艺base模板来进行工艺的规划,但会受制于零件的相似度(如图6)。
③创成式即根据输入的零件信息,依靠系统中的工程数据和决策方法自动生成零件的工艺过程。TC中通过Item Revision来读取零件的信息,通过逻辑推理、算法等,做出工艺决策而自动生成零件的工艺规程,不依赖于零件的相似度,但可靠性方面还有待加强(如图7)。
图6 派生式工艺设计流程图
图7 创成式工艺设计流程图
综上,在对相似度较大的零件工艺规划时,采用派生式方式;而对一些大量的、特定的零件(例如,专机中的反射镜组装机)采用创成式工艺规划,可以在保证准确度的情况下,大大减轻工艺人员的工作量。
5 结语
CAPP系统虽然已经存在几十年了,但在数字化制造的领域却是发展最迟的部分。虽然也推出了一些商业化的系统,但由于关键技术的不成熟,实用化程度普遍不高。笔者从实际情况出发,并不一味地强调“自动”而是将系统的实用性放在首位,将系统放置于“辅助”的地位,并且结合某汽车零配件公司的现状,开发出了一套面向生命周期管理的、基于三维数模的、可重构的工艺规划系统,大大节省了产品开发时间,消除了设计、制造的孤岛,并对不同层次的工艺规划人员都有所帮助。伴随着三维可视化建模的普及,三维可视化仿真及工艺的规划也将渐渐成为未来CAPP系统的改进方向。
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