上海世科嘉車輛技術研發(fā)有限公司 唐堯
產品數(shù)據(jù)質量控制在汽車行業(yè)PLM系統(tǒng)中的應用
上海世科嘉車輛技術研發(fā)有限公司 唐堯
隨著汽車行業(yè)競爭的日益激烈,國內各個汽車廠商都開始通過不斷提高研發(fā)階段的投入來縮短研發(fā)周期,提升虛擬化、數(shù)字化和模塊化在產品生命周期管理系統(tǒng)的應用,加快產品更新?lián)Q代的速度并提升產品質量。論文以所在汽車企業(yè)研發(fā)中心為例,研究了如何在整車研發(fā)流程體系中建立數(shù)據(jù)檢查流程,提出了如何集成現(xiàn)有產品生命周期管理系統(tǒng),并最終提升了設計數(shù)據(jù)質量,保證下游系統(tǒng)、流程的有效性和整個產品研發(fā)數(shù)據(jù)的準確性。
2015年5月8日,國務院印發(fā)《中國制造2025》,這是實施我國制造業(yè)強國戰(zhàn)略的第一個十年綱領,同樣也是“十三五”期間制造業(yè)升級的重要指導文件。《中國制造2025》提出,堅持“創(chuàng)新驅動、質量為先、綠色發(fā)展、結構優(yōu)化、人才為本”的基本方針,所謂質量為先,就是要在提升智能制造水平的同時,確保產品的最終質量。
汽車行業(yè)作為制造業(yè)的代表,始終走在技術的前沿,通過近十年的高速發(fā)展,產銷雙雙突破2000萬,研發(fā)能力也不斷提升,計算機輔助設計(CAD)、計算機輔助工程(CAE)及計算機輔助制造(CAM)等虛擬開發(fā)(Virtual Development)工具已被大多數(shù)汽車企業(yè)廣泛使用。在虛擬開發(fā)階段,三維產品數(shù)據(jù)模型作為工程信息的核心載體,不僅在公司內部被工程部門,工藝部門,設計部門等相互引用和互為參考,而且在公司外部,更作為供應商設計、開發(fā)和模具設計的基礎。因此,合格的、有效的數(shù)據(jù)是虛擬開發(fā)的基礎,在提升工作效率方面起到至關重要的作用,公司也對數(shù)據(jù)模型提出了很高的要求。
但是,在實際工作中,尤其是在工程師對三維數(shù)據(jù)的建模過程中,由于工程師經驗不足,數(shù)據(jù)設計標準不統(tǒng)一,或者一時疏忽大意等各種原因,會造成產品數(shù)據(jù)質量上的一些缺陷(或潛在風險),這些缺陷和潛在風險,會對下游系統(tǒng),下游流程造成很大的損失和風險。例如,在三維數(shù)據(jù)中,外觀面數(shù)據(jù)存在微小的破面,在實體零件數(shù)據(jù)中存在微小的空隙,這些在設計階段,往往憑肉眼很難被發(fā)現(xiàn),如果在研發(fā)設計階段不能及時被發(fā)現(xiàn)并有效改正,由此引起的質量問題可能到供應商開模階段或試制試驗樣車驗證階段甚至到產品使用階段才被發(fā)現(xiàn),這會給企業(yè)帶來產品開發(fā)周期延長,成本和安全隱患增加等等諸多不可估量的負面影響和直接經濟損失。
因此,在設計開發(fā)階段,通過計算機輔助工具對產品數(shù)模檢查和把關,顯得尤為重要。
近年來,數(shù)字化、虛擬化在汽車開發(fā)設計和制造階段被廣泛使用,其優(yōu)點是可以縮短開發(fā)周期,降低開發(fā)費用。在虛擬開發(fā)環(huán)境下,產品數(shù)據(jù)(包括2D和3D)是信息的源頭,一個高質量的數(shù)據(jù)模型,對下游的CAE(計算機輔助工程)分析、工藝設計、造型面優(yōu)化和CAM計算機輔助加工等流程起到至關重要的影響。如果數(shù)據(jù)源出現(xiàn)質量問題,可能造成下游環(huán)節(jié)分析失效,設計周期延長、零件加工精度降低,供應商磨具受損,以及最終銷售產品質量出現(xiàn)問題等一系列潛在風險。因此,需要再設計初期就對產品數(shù)據(jù)質量進行控制,圖1中表示了產品3D數(shù)據(jù)源在下游系統(tǒng)中的應用。
圖1
在設計開發(fā)階段,隨著分工越來越細,常常需要對外發(fā)布數(shù)據(jù)和接收供應商提供的外來數(shù)據(jù),在此過程中由于雙方使用的設計軟件不同,往往容易造成數(shù)據(jù)偏差,尺寸精度下降,細微數(shù)據(jù)丟失,需要工程師花費大量時間和精力進行重復溝通或者重復建模。
例如,目前流行的數(shù)據(jù)交換接口可分為3類,即:標準接口、業(yè)界接口和專用接口。標準接口是已經被國際標準化組織或某些國家的標準化部門所采用,是具有開放性、規(guī)范性和權威性的標準,其中最具有代表性的是IGES和STEP標準。業(yè)界接口是具有相當影響力,并被業(yè)界認可的通用接口規(guī)范,如AutoCAD公司的DXF、Spatial Technology公司的ACIS和EDS公司的Parasolid。專用接口是CAD軟件為了導入/導出其它CAD軟件的模型專門開發(fā)的接口。如NX軟件為能直接導入CATIA和Pro/E模型開發(fā)的CATIA V4/V5和Pro/E接口。
同一產品,不同公司的不同設計人員的設計過程、建模思路可能完全不一樣,這種不一致性將影響工作效率,降低數(shù)據(jù)質量。設想一下,某一產品的設計人員突然離職或者休假,但是開發(fā)過程卻不能停止,需要新來的工程師繼續(xù)對原來的數(shù)模進行設計,或者往往耗費大量時間精力去理解前者的設計思路,甚至需要重新建模。對企業(yè)而言,這是資源的極大浪費。如果能建立統(tǒng)一的設計規(guī)范,建模規(guī)范,那么不僅僅能節(jié)約寶貴的開發(fā)時間,還能讓年輕工程師通過數(shù)模結構了學習到零件的開發(fā)過程,引導和約束設計人員按照自覺養(yǎng)成規(guī)范地建模習慣,積累了設計經驗。(圖2顯示同一零件在有規(guī)范設計標準要求下,在CAD設計軟件CATIA中的結構樹與無標準設計下的CATIA結構樹)而數(shù)據(jù)質量檢查工具正是可以根據(jù)企業(yè)的要求量身定做檢查標準,對不符合企業(yè)規(guī)范的數(shù)據(jù)不予接受,從而減少了因數(shù)據(jù)建模不規(guī)范等低層次問題對模型進行頻繁修改的次數(shù),促使數(shù)據(jù)能更有效地和PLM系統(tǒng)集成。
圖2
Q-CHECKER是Quality-Check的縮寫,字面意思是質量檢查者,為德國TRANSCAT公司基于CATIA開發(fā)的CAD數(shù)據(jù)質量控制軟件。Q-CHECKER根據(jù)國家標準、行業(yè)標準,結合企業(yè)自身的標準融合到檢查中,形成具有企業(yè)特色的標準文件,依據(jù)此標準來檢查數(shù)模中包括裝配件、零件和二維圖紙為主的數(shù)據(jù)缺陷,把產品質量控制提前到了CATIA設計建模階段,幫助我們找到提高數(shù)模質量、消除缺陷的方法。Q-checker for CATIA V5的檢查項目分三類:標準規(guī)范檢查、設計方法檢查和幾何檢查。標準規(guī)范包括數(shù)模歸檔的狀態(tài)、文件及元素的命名、層的使用規(guī)范等;設計方法包括記錄設計方法的結構樹的組織、保證并行關聯(lián)設計的元素定義、針對具體結構的設計方法、造成工藝問題的設計方法等;幾何檢查項目包括對線、面、實體及二維元素的檢查,如線不連續(xù)就不能生成面或不能生成高質量的面,面體與片體間有間隙就無法生成實體等等。其中有許多的缺陷Q-checker能夠自動修復。
Q-CHECKER雖然功能強大,在很大程度上提升了數(shù)據(jù)質量,但是如果沒有產品數(shù)據(jù)管理平臺進行集成,則需要工程師線下自查,很容易出現(xiàn)遺漏,不利于數(shù)據(jù)的整個生命周期的管理。企業(yè)應該將Q-CHECKER的檢查流程融入到整個PLM流程中,使其為在PLM系統(tǒng)凍結的數(shù)據(jù)進行最終的質量檢查,根據(jù)數(shù)據(jù)不同的成熟狀態(tài)進行不同質量檢查,結合PLM系統(tǒng)中數(shù)據(jù)凍結流程,形成設計數(shù)據(jù)的閉環(huán)管理。
以某企業(yè)為例,將達索公司的CATIA V5作為CAD設計軟件,將 TRANSCAT公司的Q-CHECKER軟件作為數(shù)據(jù)質量檢查工具一起集成于西門子公司的TEAMCENTER-PLM數(shù)據(jù)管理平臺。
在數(shù)據(jù)創(chuàng)建完成之后的數(shù)據(jù)檢查與存儲流程中:在保存到PLM系統(tǒng)之前,系統(tǒng)會要求進行Q-CHECKER檢查,并顯示檢查結果。依據(jù)設計標準,結果可分為錯誤,缺陷和正確三種類型(缺陷意味著數(shù)據(jù)有潛在風險但無質量問題),當檢查結果為錯誤時,需要工程師在CATIA中重新修改或優(yōu)化數(shù)據(jù)質量,直到檢查結果為缺陷或者正確。如果工程師堅持將顯示結果為錯誤的問題數(shù)據(jù)保存到PLM系統(tǒng)中,在保存時,TEAMCENTER會自動提示彈出警告窗口,并將錯誤記錄為QCHECKER FAIL(不通過),其余兩種情況均記錄為QCHECKER PASS(通過),圖3顯示了與CAD/PLM系統(tǒng)集成的數(shù)據(jù)檢查工具的數(shù)據(jù)檢查與存儲流程。
圖3
當工程師需要在PLM系統(tǒng)中發(fā)布數(shù)據(jù)時,數(shù)據(jù)質量檢查工具再次發(fā)揮作用:根據(jù)項目要求,在發(fā)布數(shù)據(jù)時候需要先進行內部發(fā)布(Publish)后進行外部發(fā)布凍結數(shù)據(jù)(Release)。
在進行內部發(fā)布時,根據(jù)PLM系統(tǒng)中記錄(PLM中記錄為通過或者不通過)當使用TEAMCENTER向內部發(fā)布數(shù)據(jù)(Publish)時,如果PLM中記錄為通過,則順利完成Publish流程,若為不通過則彈出警告,此時工程師可以選擇放棄發(fā)布流程,回到CATIA中重新修改數(shù)據(jù)或者繼續(xù)發(fā)布(Publish)。
在進行外部發(fā)布凍結數(shù)據(jù)時(Release),如果PLM中記錄為通過,則順利完成Release, 若為不通過則彈出警告,此時工程師可以選擇放棄發(fā)布流程,在PLM中升級新的版本后重新回到CATIA中對數(shù)據(jù)進行修改后繼續(xù)完成流程,如果選擇繼續(xù)發(fā)布,TEAMCENTER 將會終止發(fā)布,圖4顯示了與CAD/PLM系統(tǒng)集成的數(shù)據(jù)檢查工具的數(shù)據(jù)檢查與發(fā)布流程。
圖4
由于在企業(yè)CAD/PLM環(huán)境中集成了質量檢查工具QCHECKER,沒有經過Q-CHECKER檢查、檢查不通過或不符合數(shù)據(jù)的檢查標準均無法在PLM系統(tǒng)中發(fā)布,從設計源頭確保了數(shù)據(jù)的質量,為下游系統(tǒng)提供了可靠的輸入。
三維產品模型在開發(fā)周期中會涉及多個企業(yè)、部門和平臺的交換與共享,幾何模型存在質量缺陷會造成各個部門工作的拖延甚至制造返工;同時設計是制造的準則,所以數(shù)模質量好壞直接影響最終產品質量。數(shù)據(jù)質量檢查工具在CAD系統(tǒng)和PLM系統(tǒng)中的集成應用,大大地提高了數(shù)據(jù)質量、提升了工程師的設計效率,實現(xiàn)了設計數(shù)據(jù)質量檢查及凍結的閉環(huán)管理,為下游系統(tǒng)和流程提供了可靠的數(shù)據(jù)質量保證,縮短正常虛擬開發(fā)的周期,降低了開發(fā)成本,同時,由于采用了統(tǒng)一的設計和檢查標準,工程師的設計經驗得意積累和保留在企業(yè)內部,為企業(yè)形成規(guī)范化的設計流程培養(yǎng)一流設計人員打下了堅實的基礎。