面向全生命周期管理的工裝數字化設計系統研究與應用

撰文/北京星航機電裝備有限公司 范秀斌

面向全生命周期管理的工裝數字化設計系統研究與應用

撰文/北京星航機電裝備有限公司 范秀斌

一、引言

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

二、企業工裝管理系統應用現狀

經過多年的信息化建設，我公司已通過設計協同系統實現工裝審批流程管理，同時在MRPⅡ系統中實現了對工裝物料、投產和臺帳的管控。但現有工裝資源管理的信息化水平不高，具體體現在以下幾個方面：工裝設計管理只是實現審批流程的無紙化，工裝基礎數據屬性存在數據不全或數據錯誤；沒有實現數據結構化，難以進行數據分析并對設計過程進行有效管控；技術和生產部門之間系統未打通，仍靠紙質表單進行信息傳遞，信息溝通不及時，存在“信息孤島”現象等。

隨著數字化設計特別是基于MBD的工裝全三維設計制造技術的推廣，現有協同設計系統已不能滿足對三維模型的有效管理要求，同時由于現有協同設計系統與MRPⅡ沒有進行集成，形成信息孤島，使設計、返修、定檢和更改等技術信息和工裝實物狀態信息脫節，難以應用現有系統對工裝全生命周期信息進行有效管控。鑒于上述原因，有必要對現有工裝設計系統升級改造，使其適應工裝數字化設計制造及全生命周期管理的發展要求。

三、工裝全生命周期管理系統構建

1.建設目標

公司擬通過工裝管理系統建設，對工裝設計產生的三維模型和電子設計文檔數據進行統一管理，通過與ERP系統集成，對實物工裝的返修和技術問題處理過程進行統一管理，從而構建一個基于三維模型的工裝全生命周期管理平臺，達到顯著提高工裝設計效率和質量，快速響應產品研制需求的目標。

2.系統功能劃分

工裝管理工作通過工裝管理系統與生產ERP系統、廠級科研生產綜合調度系統集成，實現工裝從設計、制造到報廢全生命周期的管理。系統中主要包含工裝設計、工裝生產和工裝實物的管理。其中工裝設計管理中包含工裝設計流程管理、工裝設計計劃管理、工裝設計數據管理；工裝生產管理包含新制工裝生產管理、返修工裝生產管理；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綜合調度系統中進行監控和查詢。具體系統架構如圖1所示。

圖1 系統功能劃分圖

3.工裝設計流程管理

工裝設計流程管理的第一步就是進行流程梳理工作，下面以工裝申請流程為例，說明流程梳理工作內容。經對企業業務調研，整理出的工裝申請流程。

（1）使用分廠編制提出“工裝申請單”，分廠簽署后送技術中心。

（2）技術中心批準并簽署完整“工裝申請單”后送工裝設計。

（3）工裝設計以“工裝申請單”為依據進行登記建設計臺帳，完成工裝設計后將“工裝申請單”發往生產處。

（4）生產處工裝管理員收到工裝申請單后，下達任務。

（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，無誤后入庫并確認完工，制造單位計劃員將工裝按任務號、工裝圖號、工裝名稱、數量、交付時間、交付單位、工時、材料費和總價格報生產處工裝管理員。

（8）生產處工裝管理員建立臺帳。

以此建立的業務流程如圖2所示。

圖2 工裝申請全流程圖

完成業務流程梳理后進行工裝基礎數據整理，目的是確定工裝申請流程中需要創建和產生的基礎數據內容、格式、填寫人及填寫規范，為在系統中建立流程打下基礎。

在進行流程規劃時，要求流程基礎數據采用結構化數據處理以實現數據重用，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模塊自動將受控的申請單和消息發給生產處工裝計劃員安排投產，與ERP（MRPⅡ）模塊集成。經分析整理后的工裝申請流程基礎數據如表1所示。

表1 工裝申請流程基礎數據表

4.工裝計劃管理

為滿足工裝與產品協同設計要求，需要實現工裝設計任務的信息化管理，實現任務信息和文檔數據的關聯。為此加入項目管理模塊，包括任務分派、任務插單（插單后可將其他任務時間相應的自動調整）、任務統計、工作量統計、完成時間統計、完成節點統計并按人員和產品輸出統計報表。

（續）

（續）

為拓展項目管理功能，將模塊與微軟project進行集成，支持導出、導入project計劃。

實現計劃任務分解結構（WBS）管理、計劃管理、資源管理、項目甘特圖管理、技術流程圖管理、項目流程模板管理、項目執行、項目狀態監控、項目的動態調整、項目信息匯總和過程模型的重用等功能。

5.工裝設計數據管理

（1）工藝裝備數據的分類。

實現工裝設計數據管理第一步是對數據進行分類，以便于對不同分類數據采取相應的管理策略。在系統中將數據分為四類：數據節點、相關單據、設計圖樣和設計文件。其中數據節點如工裝根節點、工裝實物節點等，相關單據如工裝申請單、工裝定檢單、工裝返修單、工裝復制單、工裝報廢單、工裝變更單和工裝技術問題處理單等，工裝設計圖樣如工裝零部件、標準零件、組合夾具等，設計文件如使用維護說明書、計算報告和履歷書等。

（2）工裝數據版本管理。

為對數據版本進行管理，約定將數據版本按A、B、C、……來表述，其中初始創建版本為A，第一次修改后為B，第二次修改后為C，以此類推，同時約定數據使用時以最新發布版本為準。

（3）工裝數據生命周期管理。

為對數據的全生命周期進行管理，將數據從創建、使用到消亡全周期進行了階段劃分以方便管理，其階段定義如下。

◎“創建”：數據創建成功后，未加入簽審流程的狀態。

◎“等待”：數據加入簽審流程，但未啟動流程的狀態。

◎“活動”：數據在簽審流程中的狀態。

◎“發布”：數據完成簽審流程的狀態。

◎“工藝定型”：數據發布后，根據產品研制工藝定性要求，將數據設置的狀態。

◎“凍結”：數據作廢不再使用，將數據設置的狀態，普通用戶不可見。

完成階段定義后，為對數據進行有效管控，需要不同責任人對處于不同階段數據進行操作，這就涉及到對處于不同階段各數據的操作權限進行控制，系統權限設置如表2所示。

表2 數據權限控制

（4）工裝數據集結構管理。

為實現對工裝全生命周期數據集成管理，引入工裝數據集管理概念，即在系統中將每套工裝相關節點、設計圖樣、文檔和流程表單等數據，按工裝圖號建立關聯關系，從而建立數據集。完整的工裝數據集結構組成如圖3所示。

圖3 數據集結構組成

6.系統集成

（1）與UG設計軟件集成。

為滿足對工裝三維設計模型管理要求，實現工裝數字化設計系統對UG三維設計軟件的集成，支持在XP32位操作系統上集成UG6.0、UG7.5和UG8.0的32位程序和在XP64位系統上集成UG6.0、UG7.5和UG8.0的64位程序。實現在UG中查詢工裝數字化設計系統中的數據，能夠將工裝數字化設計系統外的UG裝配或零件批量導入到工裝數字化設計系統中，并自動生成設計BOM。工裝數字化設計系統能讀取UG圖紙文件內部的數據（包括UG文件版本信息），提取零部件屬性和結構信息，自動生成和刷新工裝數字化設計系統中零部件對象的屬性和結構樹。并實現UG模型圖的電子簽名。

（2）與MRPⅡ系統集成。

為消除信息孤島，將工裝數字化設計系統與MRPⅡ系統進行了集成，打通了設計、制造和現場實物管理。集成通過廠級數據中心中間表的形式完成，具體實現方式是在數據中心建立工裝數據中間表，由工裝數字化設計系統將設計數據寫入工裝數據中間表，并從表單中讀取工裝生產和實物狀態信息；而MPRⅡ系統將工裝生產和實物狀態系統寫入工裝數據中間表，并從表單中讀取工裝設計信息，而廠級調度系統可以從中間表獲取工裝設計和生產進度信息并下達研制計劃。

工裝數字化設計系統和企業目前已有的MRPⅡ系統進行集成。將工裝設計完成后的數據提供給MRPⅡ系統，由生產處在MRPⅡ系統中接收工裝設計數據，并組織工裝實物加工生產；工裝數字化設計系統定時（時間周期可配）從MRPⅡ系統接收工裝實物信息。

MRPⅡ系統與工裝數字化設計系統集成通過中間表的形式交換數據，集成雙方在企業數據庫平臺中建立數據交換表，工裝數字化設計系統在工裝設計完成發布時，向交換表中寫入主物料記錄，并且按照編碼規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。為最大程度實現設計和制造過程并行，工裝數字化設計系統在工裝設計任務簽審流程各步驟中都可以向MRPⅡ系統發送數據，各步驟僅支持一次發送（不能多次發送同一工裝），如果流程到最后一步還沒有發送數據，則系統提示工裝數據發送。

這種集成方式的優點是通過數據中心中間表的方式，實現了集成數據的系統無關性，每個系統只需要處理和數據中心的接口關系即可，避免了系統間直接集成的相互接口協調問題，并且方便多個系統集成。但由于每個系統都是和數據中心交換數據，需要設計相應的容錯和檢測機制，并進行充分的集成測試，避免數據錯誤或不同步問題。

7. 實施情況

我公司自2013年起開始進行工裝設計系統實施工作，先后完成了業務調研報告、實施方案、測試系統搭建、歷史數據導入和正式系統上線等工作，目前已投入正式使用，如圖4所示。

圖4 系統實施圖

四、結語

本文研究了面向全生命周期管理的工裝數字化設計系統的功能和組成，詳述了系統構建和實施過程，從系統使用情況看能夠很好地滿足對工裝協同設計制造的管控要求，公司后續升級計劃將CAPP工藝設計模塊納入系統，工裝數字化設計系統和現有CAPP(二維、三維)工藝設計軟件集成，可以在工裝數字化設計系統中直接調用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務工作，實現工裝設計-工藝-生產-實物全狀態全周期管控。