成組技術在工程設計中的應用研究

高勝林，吳秀芝

（航空工業上海航空電器有限公司，上海 201100）

在航空裝備的科研生產管理中，產品可看作是數據的物質表現，而產品的零件則需要零件圖號來“以數代形”。而生產制造的“多品種小批量”問題在行業內普遍存在，究其產生的主要原因為：根據航空裝備的零件圖號編制規則，零件圖號具有唯一性，從零件與圖號的關系來看，存在不同圖號，相同零件（即不用借用件）；不同圖號，相似零件；不同圖號，不同零件3 種情況[1]。

追溯不同圖號，相同零件的原因為，對于相同的零件，通常采用借用件方式來解決。但采用此方式會導致產品技術狀態混亂，如B 產品借用A 產品零件，當B 產品定型后，被借用的A 產品并沒有定型，導致B 產品借用的零件未能及時轉型，則B 產品出現2 種技術狀態，這種借用件圖號將零件的隸屬關系和技術特征相統一的方式，就有可能導致技術狀態混亂不唯一。此外，更改不及時還會導致生產使用錯誤，如當A 產品被借用的零件發生更改后，若B 產品設計人員未能獲知消息，或由于更改手續煩瑣，未能在生產前及時更改，就會導致在生產中借用件被錯誤地應用到B 產品中。為避免借用件在科研生產中出現問題，廣大設計人員會盡量選擇不借用零件，使得借用零件情況逐步減少，但會使不同圖號，相同零件的情況逐步增多，尤其在螺桿、接線柱、螺釘、鉚釘等零件中較為突出。

從產品類型來看，對于不同類型產品，有少部分零件為相同零件；而對于同類型產品，大多數零件為相似零件，不同零件為少數。在科研生產中，將相同零件和相似零件采用成組技術進行管理，將零件的隸屬關系和技術特征相分離，通過技術特征把零件品種由多轉化為“少”，進而把生產量小轉化為“大”成為一種可能。

從設計過程來看，在設計某一零件時，依據零件圖號或零件名稱，無法快速準確查找到需要設計的相同或相似零件，且因為借用件本身具有限制，因此，設計人員一般會從頭開始設計，這樣一方面會使零件設計繼承性不足，也浪費了相當一部分的重復設計成本、時間和精力，無法對客戶的個性化需求進行快速反應。若采用基于技術特征的成組技術，可將設計面向生產制造服務轉變，為生產實現服務。

1 成組技術編碼與零件庫

成組技術是以相似理論為指導，研究如何判別和發掘科研生產活動中有關事物的相似性，并把相似問題歸類成組，尋求解決這一組問題相對統一的最優方案，以取得所期望的經濟效益的一種技術[2]。

依據定義可知，成組技術的理論基礎是相似性，通過發掘零件在結構、材料、工藝等方面的相似性，并將相似的零件組成一個零件組，按零件組制定工藝進行加工，擴大批量、減少品種。成組技術作為工程設計管理的堅實基礎，可將其應用于工程設計的全部過程中，如圖1 所示。科研生產管理中的成組技術包含基于技術特征的零件編碼規則、零件分組標準、特征碼零件庫和零件分組庫3 個部分。

圖1 成組技術與工程設計的關系

1.1 基于技術特征的零件編碼規則

當前，多數航空裝備企業所使用的零件圖號編碼參照HB 0-87—1976 的基本產品圖樣、技術文件分類編號制度（電機、電器專業）標準執行。依據該標準，零件圖號對零件“類、型、種”給出了編碼規則，如接線柱零件圖紙編號為4E8.513.000004[3]，其中數字碼段所代表的含義如圖2 所示。

圖2 圖紙編號各數字碼段所代表的含義

此種編碼規則不能夠完全表明零件的尺寸、結構、材料、工藝等信息，為零件的查找、相似零件的設計和生產管理帶來困難。為了能夠清晰標識零件彼此的區別，采用成組技術對零件進行編碼。成組技術的零件編碼從產生的機理方面可分為隸屬碼和特征碼2類。

零件的隸屬碼僅表示零件在產品中彼此的區別和隸屬產品信息。產品中的每種零件都必須有自己的“隸屬碼”，也就是零件的圖號或零件號，且編號必須唯一。零件的特征碼不僅標識零件彼此的區別，同時還可以反映出零件固有的名稱、功能、形狀、結構、工藝等特征化信息。特征編碼不唯一。

根據上述分析，成組技術的零件編碼能夠有效解決不同圖號相同零件和不同圖號相似零件的工程設計問題。根據成組技術要求，結合航空裝備的零件特點，選用特征化零件特征編碼系統FCCS[4]，如圖3 所示。

圖3 零件特征編碼系統結構

其中第五碼位為零件的關鍵特征類型，用于記錄每類零件的特征信息，用一個16 進制數表達，每位代表一個特征類型，當此位為1 時表示該零件包含此類特征，為0 時不包含此類特征，共能表達32 個不同的特征類型。例如當特征碼為0000A12E 時，表示此零件擁有該組零件中第2、3、4、6、9、14、16 類特征（自低位數起）。

1.2 特征碼零件庫和零件分組庫

由零件編碼規則可知，相似的零件可以有相同的的特征代碼，正是利用特征碼的這一特征，使之能按照結構相似或工藝相似等特征化的要求，劃分出以特征為區分的零件組。因此，零件分組標準就是利用特征位碼對零件進行分組。由此，建立特征碼零件庫和零件分組庫，如圖4 所示。

圖4 特征碼零件庫和零件分組庫

從圖4 可知，零件分組庫共有2 組零件，分別為零件組Ⅰ和零件組Ⅱ。在零件組Ⅰ中，特征碼A、B 分別代表了2 種特征相似的零件實體（對于零件庫房管理來說）或三維模型（對于產品零件設計來說）；圖號1、2、3 分別代表特征碼A 的零件實體隸屬于3 種不同的產品，且這3 個圖號構成了特征碼A 零件庫。由此可知，零件分組庫是以特征相似的特征碼為區分的零件實體庫或三維模型庫；特征碼零件庫是以圖號為區分，即零件與產品之間隸屬關系的虛擬庫。

以螺釘A 和螺釘B 為例，說明特征碼零件庫和零件分組庫的應用。若螺釘A 和螺釘B 僅在長度上有區別，則螺釘A 和螺釘B 分別有各自的特征碼，但從特征位碼來看，螺釘A 和螺釘B 屬于同一個零件組。

2 成組技術在工程設計中的應用

運用成組技術，制定了零件編碼和零件分組的規則，建立了特征碼零件庫和零件分組庫。成組技術在工程設計中的應用如圖5 所示，將特征碼零件庫和零件分組庫應用于產品零件設計和工藝規程設計中。

圖5 成組技術在工程設計中的應用

2.1 成組技術在產品零件設計中的應用

成組技術的實施和信息傳遞，離不開產品零件的數字化信息。當前，零件數字化信息主要以二維圖紙的形式傳遞。一般情況下，二維圖紙是由三維模型進行轉化的，出圖周期較長；然而，無論是機加進行數控編程，還是外協零件加工，均需要將二維圖紙轉換為三維模型，這種將三維轉二維，再由二維轉三維的方式，增加了科研生產周期，不利于效率的提高。若產品零件全部以三維模型進行傳遞，除需要對三維模型信息進行標準化處理外，還需要對數量眾多的零件三維模型依據成組技術進行管理。

成組技術在產品零件設計中的具體應用分為基于CAD/CATⅠA 的三維建模和編碼、基于PDM（產品數據管理系統）的分組和建庫和基于成組模型的零件設計3 個步驟。

2.1.1 基于CAD/CATIA 的三維建模和編碼

參照Q/AVⅠC 01803—2011《基于模型的定義CATⅠA 實施指南》和 Q/AVⅠC 01880—2012《基于CATⅠA 的標準件參數化建模指南》的標準，結合成組模型的特征化要求，對已有的零件進行三維成組建模，如圖6 所示。

圖6 基于CATⅠA 的MBD 數據集分類與拓撲關系

以零件三維成組特征模型信息為輸入，將特征編碼系統直接與CAD/CATⅠA 系統相關，以零件編碼規則為依據，可實現自動編制零件特征碼。

2.1.2 基于PDM 的分組和建庫

在CAD/CATⅠA 與PDM 之間建立一個基于零件特征碼識別和解析的平臺，用于數據共享與應用集成，可將CAD/CATⅠA 中的零件三維模型信息和編碼信息自動導入至PDM 中，如圖7 所示。PDM 依據零件分組標準，以特征碼為標識，對零件進行分組，并將相應零件歸入或新建特征碼零件庫和零件分組庫。從而實現了從技術特征的數據上對相似零件進行標準化處理。

圖7 基于零件特征碼識別和解析平臺的應用圖

2.1.3 基于成組模型的零件設計

為減少設計風險和保證新產品質量穩定，新產品需具有一定的繼承性。當為新產品設計零件圖紙時，設計人員將零件構思，如零件的關鍵特征、尺寸大小等，轉化成相應的特征碼，然后在PDM 系統中按該特征碼進行檢索，從中選擇可直接采用或者稍加修改便可采用的零件圖[5]。此時需要將零件的圖號按照新產品的隸屬關系進行修改即可。只有當原有的零部件圖紙均不能被利用時，才設計新的零部件圖紙。

2.2 成組技術在工藝規程設計中的應用

工藝規程不僅是規定零件制造工藝過程和操作方法等的工藝文件，而且是數控加工代碼設計和工裝設計的依據文件。

2.2.1 工藝規程設計

目前航空裝備企業仍多采用單獨工藝，即一個零件一份工藝。這樣不但忽略了具有相同或相似特征的零件工藝的一致性，也導致相同或相似特征的零件不應有的工藝多樣化[6]，進而使編制出來的工藝規程多樣化。

在CAPP 中，運用成組技術，可有效地避免上述弊端。根據零件特征碼所表征的零件特征，在工步、工序層級，制定具有特征信息的標準工藝。對照特征碼零件庫中需要加工生產的零件，根據其特征碼，從CAPP 中調取具有相關特征信息的標準工藝，組成符合該庫中零件特征的工藝規程。這樣對于相同或相似特征的零件，其工藝規程相同或相似，構成成組工藝規程[7]。

2.2.2 數控加工代碼設計

在數控加工中心編程時，按照具有特征信息的標準工藝進行編碼，這些具有特征信息的數控程序稱為“典型程序”。相似零件的數控加工程序就可以通過典型程序的組合來得到，可降低編程工作量和代碼校驗成本。

2.2.3 工裝設計

成組工藝允許采用同一設備和工藝裝置，可用相同或相近的機床調整加工全組零件[8]，按零件組安排生產調度計劃，就可減少因零件品種更換所需要的機床調整時間。由于零件組內的零件安裝方式和尺寸相近，可設計出應用于成組工藝的成組夾具（共用夾具），只需稍微調整或更換某些零件，成組夾具就可適用于全組零件的工序安裝。

3 結語

在航空裝備的工程設計中應用成組技術，將零件圖號分為隸屬碼和特征碼，以隸屬碼表明零件的隸屬關系，以特征碼為基礎建立虛擬和實體零件特征碼庫和零件組庫。以成組技術為指導的設計合理化和標準化工作，將為實現計算機輔助設計（如CAD、CATⅠA等）奠定良好的基礎；提高了產品零件設計效率，避免了采用借用件方式帶來的技術狀態混亂及更改不及時導致生產現場裝錯的問題。在生產中使用成組工藝文件，可解決相似零件多品種小批量問題，可縮減生產技術準備的工作量和期限，減少工藝的種類及工藝裝備，提高零件的生產率和加工質量，降低生產成本。成組技術不僅可以在零件設計中運用，在電子電氣、軟件等設計方面亦可推廣，如電子電氣模塊化、軟件模塊化等。

綜上所述，將成組技術應用于工程設計中，將原工程設計從滿足功能性能的要求向面向生產制造服務轉變，可有效解決多品種小批量帶來的科研生產管理問題，夯實工程設計管理基礎，提高工程設計效率，降低設計和生產成本，使科研生產管理由難變“易”。