基于三維數字化技術的工藝流程再造研究

薛蓮（機械科學研究總院 中機生產力促進中心，北京　100044）

基于三維數字化技術的工藝流程再造研究

薛蓮
（機械科學研究總院 中機生產力促進中心，北京100044）

論文將三維數字化技術與流程再造相結合，描述和分析了現有工藝流程存在的問題，提出了可行的工藝流程再造方案和實施步驟，研究成果對指導企業科學地進行工藝流程再造，具有較強的現實意義。

三維數字化技術；業務流程再造；三維工藝

0　引言

隨著全球經濟一體化的加快和信息網絡技術的迅猛發展，國外先進企業管理思想不斷涌入，企業流程再造（BPR）作為近年來出現的新的管理理念和思想，為擴展我國企業的發展空間、提升核心競爭力提供了新的思路。由于市場需求變化的加快和三維數字化技術的發展，尤其是各種先進生產方式的興起，使得企業必須適應快速變化的市場，以最小的運營成本產生最大的效益，才能在國際化競爭中立于不敗之地。

工藝流程是制造型企業的主動脈，它對于保證公司的競爭力起到非常關鍵作用，適合的生產工藝流程能夠提高企業的資源利用率和勞動生產率。在經營過程中，企業應適時地對生產工藝流程進行相應的再造來提高自己的競爭力，以求在激烈的市場競爭中立于不敗之地。本文嘗試通過對某一具體企業問題的解決來起到以點帶面的效果。

1　工藝流程現狀描述與分析

數字化工藝系統起源于計算機輔助工藝過程設計（CAPP），屬于計算機集成制造系統（CMS）的核心部分，它借助制造數字化平臺，通過識別產品加工特征，制定工藝路線，設計加工工序、加工參數，分配機床、刀具和工裝等資源，生成 NC代碼等方式將工藝方法和加工資源以數字化形式表現。數字化工藝流程貫穿制造企業的整個生產流程中。

工藝設計處于產品設計和加工制造的中間環節，它是生產技術準備工作的關鍵步驟。工藝設計工作不僅涉及到企業的生產類型、產品結構、工藝裝備、生產技術水平等，甚至還要受到工藝人員實際經驗和生產管理體制的制約，其中的任何一個因素發生變化，都可能導致工藝設計方案的變化。工程機械產品結構復雜、精度高、零部件繁多，具有品種多、批量小的生產特點，工藝設計直接影響到工程機械產品的研制周期。如何提升工藝設計工作的高效性，尋求一種新的設計思想和設計模式來實現 “短周期、高質量、低成本”的理想一直是制造行業的目標。

1.1現有流程描述

對于工程機械行業來講，工藝過程是將產品從設計圖紙或模型轉換成實體功能性產品的過程，是連接設計與制造過程之間的橋梁，工藝工作的主要內容就是圍繞如何制造產品展開的，共分為以下幾個階段：

（1）依據2D圖紙提出工藝總方案。工藝總方案應該包含該產品的主要性能參數，涉及的專業 （機械加工、鈑金加工、岸接、熱處理、表面處理等），工藝分析及工作量的預估，專用工裝的提出以及主要零組件的關鍵部分和解決方案等。

（2）按專業、零件特征或類型進行工藝分工。按照零件的加工方式（機械加工、鈑金加工、爆接、熱處理、表面處理等）對應的將各個零件分派到各專業生產車間或采購部門進行生產或者采購。

（3）計算材料定額。材料定額是指在一定的生產和技術條件下，生產單位或完成單位工作量所必須消耗材料的數量和質量標準。

（4）毛坯設計。按毛坯的材料（合金鋼、鑄鋼、招合金等）和種類（鑄件、鍛件等）進行零件毛坯的設計。

（5）機械加工工藝設計與生產線的平衡。首先按照毛坯的形式，零件加工流程以及機床的加工范圍等原則合理的規劃出零件的加工路線。然后在每道工序中詳細設計出本道工序中的加工內容、工序尺寸，定位方式、所需刀具、專用工裝等等內容。最后基于標準作業時間計算各個工序大致所需時間，并對工藝路線和各工序的內容進行局部調整。

（6）工裝設計。按照工序設計的定位要求、加工 （裝配）內容以及裝夾方式，設計出適合本道工序所需的專用工裝。

（7）加工程序的編制。根據工序加工內容編制數控加工程序。

（8）零件檢測。根據工序內容編制三坐標檢測程序和在線檢測程序。

（9）裝配工藝設計與生產線的平衡。首先按照產品圖紙要求以及裝配關系，合理的設計出裝配工藝路線，然后檢查各個零部件在裝配時的可操作性與可達性。最后基于標準作業時間計算各個工序大致所需時間，并對工藝路線和各工序的內容進行局部調整，最大限度優化瓶頸工序對生產造成的影響。

1.2流程分析

關鍵任務分析：根據以上對產品研發流程的研究及數字化工藝設計流程的描述分析發現，作為橋梁作用的工藝設計最大的問題在于仍采用傳統的二維工藝模式，這種模式存在很多問題：

（1）現有工藝設計方法無法有效地利用設計模型中的信息，造成結構設計和工藝設計脫節。目前企業三維設計已較為普及，而工藝設計仍依據二維圖紙生成二維的工藝過程卡和工序過程卡，無法有效地繼承和利用產品三維模型中的相關信息，設計信息的獲取及轉換需依靠手工操作，數據的一致性和完整性得不到保證。

（2）現有工藝設計方法無法直觀地表達中間過程信息，現場檢驗難度大。二維工藝無法體現加工中間過程信息，進行工藝審查時需要由審查者在圖紙中獲取待審圖紙的特征信息，逐一進行人工審查，對于復雜的零部件，操作過程非常復雜、繁瑣，檢驗難度大。

（3）產品的幾何信息、公差、精度、表面粗糙度等集中在二維工程圖紙中體現，而制造信息通過工藝過程卡、工序過程卡、操作指導書表達，造成工藝設計與產品制造脫節。當設計發生變更時，圖紙和相關工藝信息載體則需要手工更改，并重新打印出圖，不僅花費大量時間，而且極易出錯，同時對現場工人的識圖能力要求較高。

（4）現有的數控編程方法修改量大，效率低。在大規模的工程機械企業中數控加工設備占據很大比重，而目前采用以二維圖紙為主要依據的數控編程方法，需要人工編制NC代碼且需工人檢查決策，工作量大，效率低，且數據正確性難以保證。

（5）工作流分析：現有的數字化工藝設計工作流是典型的串行模式，依托于設計發放的二維工程圖，在CAPP系統中開展工藝設計、配套表及工藝卡片編制及流程簽審等工作，再以紙質工藝卡片形式下發至生產單位，加上生產現場配套的操作說明、安全規程等紙質文件，最終指導生產人員加工制造的工藝體系。其核心還未跳出二維平面工藝設計的束縛，缺乏形象化的、三維空間化進行工藝設計的功能。

在整個產品設計制造的信息傳遞過程中，由于設計人員、工藝人員、生產人員不斷進行著二維、三維的重構，造成了巨大的時間浪費和諸多的理解歧義；設計人員以三維方式完成產品設計，將其轉化為二維圖紙，作為合法文件發放給制造部門；工藝人員拿到二維圖紙后，首先必須理解原始設計意圖，將二維設計圖紙在思維中還原為三維模型，再編制出指導生產作業的二維工藝指令，生產人員拿到二維工程指令之后，需再次將二維圖紙及工藝指令還原為三維模型及三維工藝過程，以理解產品和工藝人員的設計意圖，這個從設計到工藝再到生產的過程數據傳遞量大、周期長（如圖1所示），極易出現由于設計、工藝及生產人員對于二維、三維信息理解不同而導致意圖表達不清，甚至理解完全錯誤的危險。使工藝與制造、裝配的三維虛擬仿真系統之間沒有建立緊密的聯系，更談不上與設計的協同工作。

圖1　產品描述信息傳遞與轉化過程Fig.1　Product description information transfer and transformation process

2　流程再造方案設計

流程的范圍主要是產品工藝流程再造。工藝流程所包含的關鍵路徑有：工藝方案的確定→工藝路線→工藝規劃及工裝→工藝驗證→試制工藝總結→編制工藝卡→工藝改進。

2.1流程設計總體架構

現代市場競爭的特點要求企業具有在短時間內快速確認客戶需求后，以大批量生產的成本和速度，向客戶提供個性化產品的能力。數字化工藝流程是規劃產品制造方法、生產步驟，將產品的設計幾何數據轉換成有層次性的、有不同工藝順序的工藝過程數據的過程。數字化工藝流程再造旨在打通從設計到制造過程的無紙化通道，理順三維數字化生產體系，為數字化工廠建設提供經驗。再造不僅僅是對數字化工藝局部流程的改進，還需在流程再造的同時，對工藝所涉及到的產品設計、工藝管理和支撐平臺調整。數字化工藝流程再造分為三個部分，如圖2所示，包括產品改進，流程改進和平臺改進。其中，產品改進是基礎，流程改進是核心，而平臺改進則起到支撐的作用。

圖2　流程再造架構模型Fig.2 Process reengineering architecture model

2.2再造后的流程

根據工藝流程再造方案制定再造后的新流程圖，如圖3所示。

工藝流程的改造，是通過三維數字化工藝來實現的。工藝人員從產品單一數據源中讀取標注有設計信息的零件三維設計模型，進行工藝路線劃分。在三維環境下，工藝人員完成對零件的工藝規劃，建立零件的工序模型；工裝人員確定加工過程所需要的工裝數量及種類，同步開展工裝設計，建立工裝三維模型；在工藝仿真環節，對零件加工過程仿真，編寫制造指令（Fabrication Order，FO）并進行工藝審核。審核通過之后，生成生產性工藝文件和零件的各道工序模型，接著對工藝文件內的工藝信息進行標識，并通過三維標注技術構建集成工藝信息的零件工序模型。最后，將零件工序模型下發到車間，將工藝信息直觀地反映給工人，指導工人加工。

圖3　三維工藝流程Fig.3 Three-dimensional technological process

3　再造流程的實施

對BPR方案的實施是一項系統工程，是一場大的組織變革。絕非一朝一夕之事，必須要按步驟有計劃地進行。首先在集團公司進行全面試點，最終可推廣到全公司，從而改變傳統二維工藝流程，提高產品開發的成功率和效率，迅速搶占市場，為企業的發展贏得先機。以市場為導向，以顧客為中心的高效三維工藝流程也為企業的發展注入新的活力。建立集團標準件庫、通用件庫、材料庫、設計知識庫等設計關聯工程數據庫，這些數據庫將在很大程度上提高設計效率。

目前新流程的成果在三家子公司試點應用，通過MBD三維標注軟件、三維焊接裝配工藝設計軟件、三維焊接工藝發布軟件和三維焊接工藝符號庫的上線應用，使集團設計人員可以在三維環境下開展焊接裝配工藝設計，并將焊接工藝發布到車間終端，取消二維工程圖和工藝卡片，打通了焊接裝配工藝數據鏈，顯著提高設計水平和效率，工藝設計周期縮短10%。

通過本項目的全面實施，將改變原來三維轉二維的研發模式，大幅減少工程圖出圖量，取消曬藍圖及其他管理環節，從而減少設計及管理成本，預估計降低10%研發管理成本。

4　結論

本文的研究結果可以有效減少工藝設計出錯幾率，提高工藝設計效率和準確度，將縮短企業工藝人員編制工藝過程的時間，避免更改頻繁，從而縮短產品的研發周期。同時采用的三維工藝表達方式簡單直觀，工藝信息的可讀性得到了顯著的增強。增強企業的競爭力，從而達到快速響應市場的企業目標。

Research on Process Reengineering Based on 3D Digital Technology

XUE Lian
（China Academy of Mechanical Science&Technology China Productivity Center for Machinery，BeiJing 100044，China）

The BPR is combined with 3D digital technology in this paper，and it describes and analyzes the existing problems of process.A feasible technological process reengineering and implementation steps are proposed.The research results have stronger leading meaning.

3D digital technology；business process reengineering（BPR）；3D process

TP391.7

Adoi：10.3969/j.issn.1002-6673.2015.05.028

1002-6673（2015）05-075-03

2015-06-03

薛蓮（1985-），女。研究方向：企業產品設計信息化技術與開發。