薛蓮（機(jī)械科學(xué)研究總院 中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心，北京　100044）

基于三維數(shù)字化技術(shù)的工藝流程再造研究

薛蓮
（機(jī)械科學(xué)研究總院 中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心，北京100044）

論文將三維數(shù)字化技術(shù)與流程再造相結(jié)合，描述和分析了現(xiàn)有工藝流程存在的問(wèn)題，提出了可行的工藝流程再造方案和實(shí)施步驟，研究成果對(duì)指導(dǎo)企業(yè)科學(xué)地進(jìn)行工藝流程再造，具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

三維數(shù)字化技術(shù)；業(yè)務(wù)流程再造；三維工藝

0　引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化的加快和信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，國(guó)外先進(jìn)企業(yè)管理思想不斷涌入，企業(yè)流程再造（BPR）作為近年來(lái)出現(xiàn)的新的管理理念和思想，為擴(kuò)展我國(guó)企業(yè)的發(fā)展空間、提升核心競(jìng)爭(zhēng)力提供了新的思路。由于市場(chǎng)需求變化的加快和三維數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，尤其是各種先進(jìn)生產(chǎn)方式的興起，使得企業(yè)必須適應(yīng)快速變化的市場(chǎng)，以最小的運(yùn)營(yíng)成本產(chǎn)生最大的效益，才能在國(guó)際化競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地。

工藝流程是制造型企業(yè)的主動(dòng)脈，它對(duì)于保證公司的競(jìng)爭(zhēng)力起到非常關(guān)鍵作用，適合的生產(chǎn)工藝流程能夠提高企業(yè)的資源利用率和勞動(dòng)生產(chǎn)率。在經(jīng)營(yíng)過(guò)程中，企業(yè)應(yīng)適時(shí)地對(duì)生產(chǎn)工藝流程進(jìn)行相應(yīng)的再造來(lái)提高自己的競(jìng)爭(zhēng)力，以求在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地。本文嘗試通過(guò)對(duì)某一具體企業(yè)問(wèn)題的解決來(lái)起到以點(diǎn)帶面的效果。

1　工藝流程現(xiàn)狀描述與分析

數(shù)字化工藝系統(tǒng)起源于計(jì)算機(jī)輔助工藝過(guò)程設(shè)計(jì)（CAPP），屬于計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CMS）的核心部分，它借助制造數(shù)字化平臺(tái)，通過(guò)識(shí)別產(chǎn)品加工特征，制定工藝路線，設(shè)計(jì)加工工序、加工參數(shù)，分配機(jī)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(shù)字化形式表現(xiàn)。數(shù)字化工藝流程貫穿制造企業(yè)的整個(gè)生產(chǎn)流程中。

工藝設(shè)計(jì)處于產(chǎn)品設(shè)計(jì)和加工制造的中間環(huán)節(jié)，它是生產(chǎn)技術(shù)準(zhǔn)備工作的關(guān)鍵步驟。工藝設(shè)計(jì)工作不僅涉及到企業(yè)的生產(chǎn)類型、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工藝裝備、生產(chǎn)技術(shù)水平等，甚至還要受到工藝人員實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和生產(chǎn)管理體制的制約，其中的任何一個(gè)因素發(fā)生變化，都可能導(dǎo)致工藝設(shè)計(jì)方案的變化。工程機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度高、零部件繁多，具有品種多、批量小的生產(chǎn)特點(diǎn)，工藝設(shè)計(jì)直接影響到工程機(jī)械產(chǎn)品的研制周期。如何提升工藝設(shè)計(jì)工作的高效性，尋求一種新的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)模式來(lái)實(shí)現(xiàn) “短周期、高質(zhì)量、低成本”的理想一直是制造行業(yè)的目標(biāo)。

1.1現(xiàn)有流程描述

對(duì)于工程機(jī)械行業(yè)來(lái)講，工藝過(guò)程是將產(chǎn)品從設(shè)計(jì)圖紙或模型轉(zhuǎn)換成實(shí)體功能性產(chǎn)品的過(guò)程，是連接設(shè)計(jì)與制造過(guò)程之間的橋梁，工藝工作的主要內(nèi)容就是圍繞如何制造產(chǎn)品展開的，共分為以下幾個(gè)階段：

（1）依據(jù)2D圖紙?zhí)岢龉に嚳偡桨?。工藝總方案?yīng)該包含該產(chǎn)品的主要性能參數(shù)，涉及的專業(yè) （機(jī)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(yù)估，專用工裝的提出以及主要零組件的關(guān)鍵部分和解決方案等。

（2）按專業(yè)、零件特征或類型進(jìn)行工藝分工。按照零件的加工方式（機(jī)械加工、鈑金加工、爆接、熱處理、表面處理等）對(duì)應(yīng)的將各個(gè)零件分派到各專業(yè)生產(chǎn)車間或采購(gòu)部門進(jìn)行生產(chǎn)或者采購(gòu)。

（3）計(jì)算材料定額。材料定額是指在一定的生產(chǎn)和技術(shù)條件下，生產(chǎn)單位或完成單位工作量所必須消耗材料的數(shù)量和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

（4）毛坯設(shè)計(jì)。按毛坯的材料（合金鋼、鑄鋼、招合金等）和種類（鑄件、鍛件等）進(jìn)行零件毛坯的設(shè)計(jì)。

（5）機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì)與生產(chǎn)線的平衡。首先按照毛坯的形式，零件加工流程以及機(jī)床的加工范圍等原則合理的規(guī)劃出零件的加工路線。然后在每道工序中詳細(xì)設(shè)計(jì)出本道工序中的加工內(nèi)容、工序尺寸，定位方式、所需刀具、專用工裝等等內(nèi)容。最后基于標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)時(shí)間計(jì)算各個(gè)工序大致所需時(shí)間，并對(duì)工藝路線和各工序的內(nèi)容進(jìn)行局部調(diào)整。

（6）工裝設(shè)計(jì)。按照工序設(shè)計(jì)的定位要求、加工 （裝配）內(nèi)容以及裝夾方式，設(shè)計(jì)出適合本道工序所需的專用工裝。

（7）加工程序的編制。根據(jù)工序加工內(nèi)容編制數(shù)控加工程序。

（8）零件檢測(cè)。根據(jù)工序內(nèi)容編制三坐標(biāo)檢測(cè)程序和在線檢測(cè)程序。

（9）裝配工藝設(shè)計(jì)與生產(chǎn)線的平衡。首先按照產(chǎn)品圖紙要求以及裝配關(guān)系，合理的設(shè)計(jì)出裝配工藝路線，然后檢查各個(gè)零部件在裝配時(shí)的可操作性與可達(dá)性。最后基于標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)時(shí)間計(jì)算各個(gè)工序大致所需時(shí)間，并對(duì)工藝路線和各工序的內(nèi)容進(jìn)行局部調(diào)整，最大限度優(yōu)化瓶頸工序?qū)ιa(chǎn)造成的影響。

1.2流程分析

關(guān)鍵任務(wù)分析：根據(jù)以上對(duì)產(chǎn)品研發(fā)流程的研究及數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)流程的描述分析發(fā)現(xiàn)，作為橋梁作用的工藝設(shè)計(jì)最大的問(wèn)題在于仍采用傳統(tǒng)的二維工藝模式，這種模式存在很多問(wèn)題：

（1）現(xiàn)有工藝設(shè)計(jì)方法無(wú)法有效地利用設(shè)計(jì)模型中的信息，造成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)脫節(jié)。目前企業(yè)三維設(shè)計(jì)已較為普及，而工藝設(shè)計(jì)仍依據(jù)二維圖紙生成二維的工藝過(guò)程卡和工序過(guò)程卡，無(wú)法有效地繼承和利用產(chǎn)品三維模型中的相關(guān)信息，設(shè)計(jì)信息的獲取及轉(zhuǎn)換需依靠手工操作，數(shù)據(jù)的一致性和完整性得不到保證。

（2）現(xiàn)有工藝設(shè)計(jì)方法無(wú)法直觀地表達(dá)中間過(guò)程信息，現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)難度大。二維工藝無(wú)法體現(xiàn)加工中間過(guò)程信息，進(jìn)行工藝審查時(shí)需要由審查者在圖紙中獲取待審圖紙的特征信息，逐一進(jìn)行人工審查，對(duì)于復(fù)雜的零部件，操作過(guò)程非常復(fù)雜、繁瑣，檢驗(yàn)難度大。

（3）產(chǎn)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(xiàn)，而制造信息通過(guò)工藝過(guò)程卡、工序過(guò)程卡、操作指導(dǎo)書表達(dá)，造成工藝設(shè)計(jì)與產(chǎn)品制造脫節(jié)。當(dāng)設(shè)計(jì)發(fā)生變更時(shí)，圖紙和相關(guān)工藝信息載體則需要手工更改，并重新打印出圖，不僅花費(fèi)大量時(shí)間，而且極易出錯(cuò)，同時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工人的識(shí)圖能力要求較高。

（4）現(xiàn)有的數(shù)控編程方法修改量大，效率低。在大規(guī)模的工程機(jī)械企業(yè)中數(shù)控加工設(shè)備占據(jù)很大比重，而目前采用以二維圖紙為主要依據(jù)的數(shù)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(shù)據(jù)正確性難以保證。

（5）工作流分析：現(xiàn)有的數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)工作流是典型的串行模式，依托于設(shè)計(jì)發(fā)放的二維工程圖，在CAPP系統(tǒng)中開展工藝設(shè)計(jì)、配套表及工藝卡片編制及流程簽審等工作，再以紙質(zhì)工藝卡片形式下發(fā)至生產(chǎn)單位，加上生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)配套的操作說(shuō)明、安全規(guī)程等紙質(zhì)文件，最終指導(dǎo)生產(chǎn)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(shè)計(jì)的束縛，缺乏形象化的、三維空間化進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)的功能。

在整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造的信息傳遞過(guò)程中，由于設(shè)計(jì)人員、工藝人員、生產(chǎn)人員不斷進(jìn)行著二維、三維的重構(gòu)，造成了巨大的時(shí)間浪費(fèi)和諸多的理解歧義；設(shè)計(jì)人員以三維方式完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)，將其轉(zhuǎn)化為二維圖紙，作為合法文件發(fā)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(shè)計(jì)意圖，將二維設(shè)計(jì)圖紙?jiān)谒季S中還原為三維模型，再編制出指導(dǎo)生產(chǎn)作業(yè)的二維工藝指令，生產(chǎn)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(guò)程，以理解產(chǎn)品和工藝人員的設(shè)計(jì)意圖，這個(gè)從設(shè)計(jì)到工藝再到生產(chǎn)的過(guò)程數(shù)據(jù)傳遞量大、周期長(zhǎng)（如圖1所示），極易出現(xiàn)由于設(shè)計(jì)、工藝及生產(chǎn)人員對(duì)于二維、三維信息理解不同而導(dǎo)致意圖表達(dá)不清，甚至理解完全錯(cuò)誤的危險(xiǎn)。使工藝與制造、裝配的三維虛擬仿真系統(tǒng)之間沒有建立緊密的聯(lián)系，更談不上與設(shè)計(jì)的協(xié)同工作。

圖1　產(chǎn)品描述信息傳遞與轉(zhuǎn)化過(guò)程Fig.1　Product description information transfer and transformation process

2　流程再造方案設(shè)計(jì)

流程的范圍主要是產(chǎn)品工藝流程再造。工藝流程所包含的關(guān)鍵路徑有：工藝方案的確定→工藝路線→工藝規(guī)劃及工裝→工藝驗(yàn)證→試制工藝總結(jié)→編制工藝卡→工藝改進(jìn)。

2.1流程設(shè)計(jì)總體架構(gòu)

現(xiàn)代市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的特點(diǎn)要求企業(yè)具有在短時(shí)間內(nèi)快速確認(rèn)客戶需求后，以大批量生產(chǎn)的成本和速度，向客戶提供個(gè)性化產(chǎn)品的能力。數(shù)字化工藝流程是規(guī)劃產(chǎn)品制造方法、生產(chǎn)步驟，將產(chǎn)品的設(shè)計(jì)幾何數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成有層次性的、有不同工藝順序的工藝過(guò)程數(shù)據(jù)的過(guò)程。數(shù)字化工藝流程再造旨在打通從設(shè)計(jì)到制造過(guò)程的無(wú)紙化通道，理順三維數(shù)字化生產(chǎn)體系，為數(shù)字化工廠建設(shè)提供經(jīng)驗(yàn)。再造不僅僅是對(duì)數(shù)字化工藝局部流程的改進(jìn)，還需在流程再造的同時(shí)，對(duì)工藝所涉及到的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝管理和支撐平臺(tái)調(diào)整。數(shù)字化工藝流程再造分為三個(gè)部分，如圖2所示，包括產(chǎn)品改進(jìn)，流程改進(jìn)和平臺(tái)改進(jìn)。其中，產(chǎn)品改進(jìn)是基礎(chǔ)，流程改進(jìn)是核心，而平臺(tái)改進(jìn)則起到支撐的作用。

圖2　流程再造架構(gòu)模型Fig.2 Process reengineering architecture model

2.2再造后的流程

根據(jù)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(guò)三維數(shù)字化工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)的。工藝人員從產(chǎn)品單一數(shù)據(jù)源中讀取標(biāo)注有設(shè)計(jì)信息的零件三維設(shè)計(jì)模型，進(jìn)行工藝路線劃分。在三維環(huán)境下，工藝人員完成對(duì)零件的工藝規(guī)劃，建立零件的工序模型；工裝人員確定加工過(guò)程所需要的工裝數(shù)量及種類，同步開展工裝設(shè)計(jì)，建立工裝三維模型；在工藝仿真環(huán)節(jié)，對(duì)零件加工過(guò)程仿真，編寫制造指令（Fabrication Order，F(xiàn)O）并進(jìn)行工藝審核。審核通過(guò)之后，生成生產(chǎn)性工藝文件和零件的各道工序模型，接著對(duì)工藝文件內(nèi)的工藝信息進(jìn)行標(biāo)識(shí)，并通過(guò)三維標(biāo)注技術(shù)構(gòu)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(fā)到車間，將工藝信息直觀地反映給工人，指導(dǎo)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(shí)施

對(duì)BPR方案的實(shí)施是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，是一場(chǎng)大的組織變革。絕非一朝一夕之事，必須要按步驟有計(jì)劃地進(jìn)行。首先在集團(tuán)公司進(jìn)行全面試點(diǎn)，最終可推廣到全公司，從而改變傳統(tǒng)二維工藝流程，提高產(chǎn)品開發(fā)的成功率和效率，迅速搶占市場(chǎng)，為企業(yè)的發(fā)展贏得先機(jī)。以市場(chǎng)為導(dǎo)向，以顧客為中心的高效三維工藝流程也為企業(yè)的發(fā)展注入新的活力。建立集團(tuán)標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)、通用件庫(kù)、材料庫(kù)、設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)等設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)工程數(shù)據(jù)庫(kù)，這些數(shù)據(jù)庫(kù)將在很大程度上提高設(shè)計(jì)效率。

目前新流程的成果在三家子公司試點(diǎn)應(yīng)用，通過(guò)MBD三維標(biāo)注軟件、三維焊接裝配工藝設(shè)計(jì)軟件、三維焊接工藝發(fā)布軟件和三維焊接工藝符號(hào)庫(kù)的上線應(yīng)用，使集團(tuán)設(shè)計(jì)人員可以在三維環(huán)境下開展焊接裝配工藝設(shè)計(jì)，并將焊接工藝發(fā)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(shù)據(jù)鏈，顯著提高設(shè)計(jì)水平和效率，工藝設(shè)計(jì)周期縮短10%。

通過(guò)本項(xiàng)目的全面實(shí)施，將改變?cè)瓉?lái)三維轉(zhuǎn)二維的研發(fā)模式，大幅減少工程圖出圖量，取消曬藍(lán)圖及其他管理環(huán)節(jié)，從而減少設(shè)計(jì)及管理成本，預(yù)估計(jì)降低10%研發(fā)管理成本。

4　結(jié)論

本文的研究結(jié)果可以有效減少工藝設(shè)計(jì)出錯(cuò)幾率，提高工藝設(shè)計(jì)效率和準(zhǔn)確度，將縮短企業(yè)工藝人員編制工藝過(guò)程的時(shí)間，避免更改頻繁，從而縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期。同時(shí)采用的三維工藝表達(dá)方式簡(jiǎn)單直觀，工藝信息的可讀性得到了顯著的增強(qiáng)。增強(qiáng)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，從而達(dá)到快速響應(yīng)市場(chǎng)的企業(yè)目標(biāo)。

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(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息化技術(shù)與開發(fā)。