协同设计在制造企业的运用

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摘要：随着数字化技术的发展，传统的分散式串行研发模式已不能满足目前新形势下企业快速发展的要求。分析了企业产品研发阶段的现状与需求，研究了协同设计的概念及其发展的合理性，最后对企业协同设计提出了目标和建议。

关键词：产品研制；制造企业；协同；MBD

在某些制造企业，尤其是科研院所，长期以来一直采用产研分离的产品科研生产体制，主要体现在设计所负责产品的设计需求、设计开发和试制、设计定型、工艺设计等工作，而生产厂则根据设计提供的图纸、工艺路线及相关工艺文件进行产品的批量生产。设计提供的通常都是二维图纸和纸质技术资料，工艺文件编制和生产过程中的二维图形和三维数据模型都要重新绘制，使得工艺准备周期较长，这样的串行工作模式也使得设计更改频繁，设计效率低下，设计、工艺和制造部门间的沟通成本大，研发制造成本高。目前结合数字化制造技术的发展方向，传统的以数字量为主、模拟量为辅的协调工作法开始被全数字量传递的协调工作法代替，实现设计、工艺、制造的一体化协同管理模式，使产品研发的信息充分共享，缩短产品研制周期，降低生产成本，提升企业的竞争力。

1需求背景

传统的产品研制通常是采用按顺序作业的工程方法，企业的设计、工艺、检验、制造都是相互独立的活动，前一个阶段的工作完成后，后一阶段的工作才能开始，组织和管理也都是围绕这个思路展开，在设计阶段，设计人员无法考虑制造工艺方面的问题，造成设计与工艺制造环节的脱节，设计方面的错误往往要在设计后期甚至是在制造阶段才发现，只能返工重新设计生产，造成人力、物力、财务的浪费，同时产品质量也无法保证。由此可见，企业产品设计环节至关重要，好的产品设计，不仅体现在优越的功能和性能，更要便于制造，降低成本。传统的研发设计过程面临如下诸多问题。1）设计流程管理问题。设计、工艺、制造的串行流程使产品研发周期长、进度难以掌控，成本增加，由于缺乏产品数据管理应用，因此资源共享性较差。2）三维数模应用问题。由于企业车间采用二维图纸指导生产，而设计部门的三维设计应用越来越广泛，设计部门需要将三维数据模型转换为二维图形，由于产品的复杂性，很多零部件需要多张2D图纸才能表示完整的信息，工艺员和操作工需要花很多时间来理解图纸，设计版本控制和更改的及时性得不到保证，这为后续的应用带来不便。3）设计工具分散独立。不同设计问题的设计过程中用到的软件工具是分散独立的，系统设计软件之间存在不兼容问题，在一定程度上影响了三维数据模型在生产制造过程中的应用。产生上述问题的原因错综复杂，但根本原因之一是在设计时缺乏从整个产品生命周期考虑各环节的活动，考虑生产、交付周期、成本等要求，同时缺乏知识的积累与重用。因此，要求在设计阶段尽早考虑产品生命周期内所有的影响因素，工艺、检验、材料、质量、制造、维修等。随着目前新形势下企业的快速发展，现有的研发模式难以满足产品研制过程中的跨部门、跨单位协作的需求，必须对企业现有研发模式进行优化和创新才能适应外部激烈的竞争环境。对标国外先进水平，欧美国家产品的研发以产品研发中心、协同工程环境和并行设计环境等为主要支撑，并行协同的研发模式是研发的主要发展趋势。数字化协同研发技术是一种全新的研发模式，其核心是多专业的数字样机，强调强耦合的快速设计和集成化的研发[1]。在国内，大型制造企业的数字化技术也发展迅速，基于三维模型定义（ModelBasedDefinition，简称MBD）的数字化设计与制造技术已经成为新的发展趋势，三维数字化设计技术得到广泛应用。基于MBD技术的产品定义标准和规范是实现全三维设计技术在设计工艺制造各个环节落地的基础，也是协同设计的前提，其广泛应用并行工程设计理念和方法，实现全生命周期数据管理，提高研发设计制造一体化，从而提高研制效率、缩短研制周期，减少研制成本。

2协同设计内涵

协同设计是以数字化设计制造为基础，设计、工艺和制造协同工作的生产模式。由计算机提供强大的建模和仿真环境，使产品的零部件从设计到工艺到生产及装配过程各环节的内容都在计算机上仿真实现，使产品研发的信息贯穿各个环节充分共享。协同设计研发模式是基于MBD的全三维数字化研发模式，用一个集成的三维实体模型来完整地表达产品定义信息，基于三维模型定义标准规范必须涵盖设计的各类零部件，将设计信息（如三维尺寸标注）、产品结构信息、各种制造信息（如加工要求方法）共同定义到产品的三维数字化模型中，将模块化设计理念应用到产品研发设计中，采用数字化手段，利用三维产品模型、工装模型和三维工艺数据完全替代二维图纸和纸质工艺指令，成为生产现场指导工人工作的技术依据。协同设计包含数据协同和流程协同[2]。1）数据协同。数据协同既包括设计向工艺传递设计BOM、设计图纸及文档，工艺转换为工艺BOM后，输出工艺BOM、工艺路线、工时定额、材料定额等，将这些信息快速传递给制造环节，在制造环节加以生产所需的属性后快速地进行采购和生产。同时，业务环节的物料属性例如成本、库存等共享给设计，设计人员在任何设计环节都能查询到材料和零部件的成本、库存信息，以提供设计成本核算或报价时使用。在各业务环节，特别是制造执行环节能方便地查询到设计文档和设计信息，以提供生产作业指导，避免出错。2）流程协同。流程协同包含销售根据客户对产品的需求和个性化描述，快速从市场营销环节传递到研制设计环节，设计环节完成产品设计和工艺设计后迅速传递到生产制造环节及检验环节，生产部门根据确认的产品设计参数组织加工生产产品，在订单交期范围内将产品按质按量地交付给客户，最后进行相关仓库、账款、成本核算等业务处理。其次，流程协同体现在设计变更时各环节的快速决策和执行，发生设计变更需求时，首先在要进行变更分析，此时就要与业务协同，分析变更的影响度，对客户或对产品。其次设计变更带来的设计BOM、工艺BOM、设计及工艺的变更不但要把变更的物料、PBOM、工艺信息传递给制造，还要把对库存的处理、制造的处理、检验调试的处理、采购的处理、成本的处理通知到各业务环节，保证业务部门进行相应的业务处理。

3协同设计的目标

改变传统的设计研发模式，以数字样机为核心，实现单一数据源的协同设计并行工作模式，保证设计和制造流程中数据的唯一性。将全三维数字化产品研发技术MBD推广到企业产品设计的各个阶段，将数据管理和流程管理延伸到产品设计的各个环节实现产品快速设计，达到设计的标准化和规范化，在保证产品质量的基础上，提高研制效率，缩短研制周期，降低企业成本，推动企业从传统研制模式向数字化研制模式的转变，同时实现产品设计知识和经验的积累和重用，加强知识管理和利用的手段，促进产品的创新设计。

4结语

数字化协同研发模式以并行工程为核心思想，是对传统研制工作及流程的优化和创新。利用协同研发平台进行产品研发的技术状态管理模式，可以满足多型号多批次产品的全生命周期数据管理需求，形成网络化、数字化、集成化的多级协同工作能力，缩短产品生产周期，降低企业成本，适应产品系列化快速研制的发展趋势，加快对市场的响应速度，从而提高企业核心竞争力。在实际运用中，建议可以借鉴国内外相关成功经验，尽快开展适应企业的协同设计建设，提升企业的核心竞争力，推动企业发展。

参考文献

[1]万家嗣.协同设计理论及其应用研究[D].武汉：武汉理工大学，2002.

[2]施迸发，李济顺，焦合军.面向网络化制造的中小企业协同设计系统研究[J].制造技术与机床，2008（12）：43-47.

作者:张敏 张顺旺 单位:中国电子科技集团公司第三十二研究所