面向數字化制造的工藝工作分析

本文聚焦工藝工作分析總結了傳統制造向數字化制造轉型發展過程中工藝工作的變化及發展要求以期為航天生產單位實現數字化轉型提供指導

為貫徹落實黨的十九大提出的制造強國和航天強國戰略部署，航天科技工業以智能制造為目標持續推進科研生產的數字化轉型。設計單位通過“長征”七號、空間站、重型運載發動機等型號研制，建立了基于數字樣機的集成項目團隊（Integrated Project Team，IPT）協同工作模式，實現了異地協同工作，初步實現了三維模型下廠；生產單位通過基于模型的設計（Model Based Design，MBD）技術的工業軟件，以及智能裝備、自動化生產線的建設應用，貫通了全三維數字化制造鏈路，提升了基于三維模型的工藝設計及仿真驗證能力及生產管控智能化水平。

智能制造是基于信息化網絡、智能裝備、工業軟件的建設與應用的一種新型生產方式，是需要從生命周期、系統層級、智能特征等 3 個維度協同推進的系統工程。當前，航天科研生產在設計環節基本實現了型號產品的全三維設計及數字化定義，生產環節由于牽涉設計數據重用、工藝設計數據生成與傳遞、生產數據監控與處理等，不同體制的數據交換任務繁雜且技術難度大，尚未系統解決資源要素的數字化定義及制造信息的互聯互通問題，還處于智能制造的初級建設階段，即傳統制造邁向數字化制造的數字化轉型發展階段。

數字化制造是目前航天智能制造首當其沖的階段性發展目標，相關航天科研生產單位普遍成立了專門機構研究推進數字化制造工作。鑒于工藝是連接設計與制造的橋梁與紐帶，在設計與制造中起到承上啟下的作用，本文聚焦工藝工作，分析總結了傳統制造向數字化制造轉型發展過程中工藝工作的變化及發展要求，以期為航天生產單位實現數字化轉型提供指導。

一、工藝工作現狀

工藝工作是航天型號產品生命周期的重要組成部分，工作內容跨越設計、生產兩個環節，具體包括設計文件的工藝性審查、工藝文件編制、工裝設計與驗證、生產現場工藝管理等。在設計與制造相分離的工作體制下，除設計文件的工藝性審查由設計單位組織實施、生產單位工藝人員參與外，其他工藝工作都是由生產單位負責完成，并應用于生產的各個環節。

工藝文件是工藝工作的核心成果，是生產活動的技術依據和數據來源。傳統制造模式下，工藝人員依據設計文件編制工藝路線、工藝規程等紙質工藝文件，傳遞給一線生產、檢驗人員用于指導生產。近年來，隨著信息化條件建設，計算機輔助工藝設計軟件（Computer Aided Process Planning ，CAPP）得到了推廣應用，部分單位實現了結構化工藝設計、電子看板等，但現有的基于 CAPP 的工藝設計，不是建立在 MBD 技術應用基礎上的，尚還不屬于數字化制造的范疇。數字化制造顛覆了傳統的基于紙質文件的信息傳遞模式，開創了以三維模型及數據驅動為基本特征的工作流模式（見圖 1）。

圖1 數字化制造工作流模式

面向數字化制造的工藝工作，以設備、單元、車間、企業乃至協同層面工藝工作的相關資源要素的數字化定義、工藝設計及管理信息互聯互通為基礎，在工作組織實施方式、方法等方面與傳統工藝工作有本質區別。本文將結合數字化制造工藝工作的特點，從設計工藝協同、精益工藝設計、工藝標準化、工藝數據管理等 4個方面進行詳細闡述。

二、設計工藝協同

設計、生產分離的機制下，產品設計人員一般注重考慮產品的技術性能需求，對產品的設計工藝性，即產品可生產性的考慮一般較為欠缺，時常造成產品加工難度大、生產周期長、制造成本高的情況發生。此外，產品生產時工藝人員要等待設計圖樣完成后才能進行工藝技術準備，由于對設計意圖了解不夠，時常造成工藝技術準備滯后、周期長、工藝技術準備難以到位的被動局面。

為解決設計、工藝分離所造成的矛盾，航天工藝管理部門在促進工藝與設計結合方面進行了許多有益的嘗試，歸納總結出“將設計與工藝納入一個統一的工程系統，在統一的領導和組織下，設計與工藝按系統分工并行工作”的方式，并將工藝參與設計方案論證、設計文件工藝性審查等工作作為開展設計工藝協同工作的重要手段，具體工作要求在《中國航天科技集團公司航天產品工藝工作程序》《航天產品設計方案工藝可行性分析要求》《航天產品設計文件工藝性審查》等航天科技集團制度和標準中進行明確約定。相關制度和標準主要實現了設計過程關鍵點的設計工藝協同，但尚缺乏有關設計過程中設計工藝協同的相關措施。

近年來，隨著航天型號產品數字化研制工作的持續推進，航天型號研制單位的數字化設計與制造能力顯著提升，基于相同設計平臺和互聯互通的信息化網絡使跨單位間的協同設計成為可能。設計單位開始大力推行面向制造和裝配的設計（Design for Manufacture and Assembly，DFMA），在型號數字化大綱中將組建包含工藝人員的 IPT 團隊、在設計階段將實施設計工藝協同等工作作為 基 本 要 求，并結合工作實踐，形成了型號數字化大綱、三維協同工藝工作要求等企業標準，在航天型號設計工作中加以推廣應用。

當前，生產單位應積極配合設計單位，研究建立與設計文件分發機制相對應的生產準備工作模式，并在單位信息化系統中進行部署。另外，生產單位應積極配合設計單位，總結設計工藝性檢查方法和要求，推動型號產品三維設計模型的可制造性和可裝配性檢查工具的應用及二次開發，實現對三維模型、幾何對象、裝配、文件結構等開展計算機自動檢查。此外，生產單位應持續推進設計工藝協同平臺研制工作，努力構建單一數據源、能夠實現設計到工藝乃至全生命周期的數據管理和過程管理。

三、精益工藝設計

工藝設計是 GJB 2993《武器裝備研制項目管理》規定的武器裝備研制重點工作之一，貫穿于航天裝備研制的每一個階段及狀態。傳統的工藝設計基本依賴于工藝人員的個人經驗，且重復性工作多，工藝過程優化不足、工藝文件細化量化不足的現象較為明顯，一些關鍵、重要技術要求仍然需要通過實物驗證或者依靠一線操作工人的經驗才能夠得以保證，嚴重弱化了工藝設計的“技術性”和“有效性”。

數字化制造模式下，全面采用基于 MBD 的三維數字化建模及仿真技術，工藝設計內容擴展為輕量化模型設計、三維工藝過程建模、工藝文件結構化設計、數字化工裝設計、仿真驗證等。工藝規程模板、結構化工藝等數字化技術將工藝人員從重復性工作中解放出來，同時推動傳統的基于經驗傳承的工藝設計向面向精益生產的精益工藝設計轉型。精益工藝設計是對生產布局、工藝流程、工藝路線、工序、人機工程等的優化設計，基本要求包括：輕量化模型設計應在確保幾何特征、裝配關系、裝配位置與三維設計模型保持一致的基礎上，盡可能簡化產品特征，滿足生產單位的工程應用；三維工藝過程建模應準確建立中間工序模型并關聯工藝與資源信息；工藝文件結構化設計應基于物料清單（Bill of Material，BOM） 的管理模式，針對每道工序，編制多維工藝文檔；數字化工裝設計、仿真驗證應盡最大可能減少實物試制。

精益工藝設計應建立在工藝技術與工藝管理協調推進的基礎上，需要面向 MBD 技術，再造工藝設計流程。中國航天科技集團有限公司近年來制定發布了《航天產品數字化工藝設計通用要求》《航天產品數控加工工藝設計要求》《導彈和運載火箭數字樣機裝配仿真通用要求》等數字化工藝設計標準，為數字化條件下各領域的精益工藝設計提供了工作方法。

數字化制造模式下，全面采用基于 MBD 的三維數字化建模及仿真技術，工藝設計內容擴展為輕量化模型設計、三維工藝過程建模、工藝文件結構化設計、數字化工裝設計、仿真驗證等。工藝規程模板、結構化工藝等數字化技術將工藝人員從重復性工作中解放出來，同時推動傳統的基于經驗傳承的工藝設計向面向精益生產的精益工藝設計轉型。

四、工藝標準化

工藝標準化工作主要任務包括建立和完善工藝標準體系、制定工藝標準，在航天產品研制和生產中組織實施各類標準和標準化要求，并對實施情況進行監督和檢查。航天科技集團依據上級文件制定了《航天產品工藝標準化工作規定》，明確了產品研制、生產過程中各個階段工藝標準化工作的內容及要求。傳統工藝標準化工作主要包括制定航天型號研制生產相關的工藝技術標準和工藝管理標準，而數字化制造則擴展了工藝標準化的工作范疇，突出了工藝信息化標準的制定需求。

數字（化）制造，標準先行。數字化制造的產品定義、信息傳遞和數據交換等都是建立在標準基礎上的。鑒于工藝工作在生產環節的數據源作用，工藝信息化標準對生產企業資源要素的互聯互通起著牽一發動全身的作用，是兩化融合、智能制造的重要推手。當前，生產企業應結合自身的工業軟件、產品特點等基本情況，以工藝標準化為抓手，重點解決工藝設計信息的貫通，系統推進與工藝工作相關的信息分類與編碼標準、數據元和元數據標準、信息模型標準、活動模型標準、軟件工程標準等信息化基礎技術標準的制定工作；全面建設三維工藝模型設計的業務流程標準、產品及特征的分類與編碼標準、數據文件命名標準、工序建模通用要求標準、標注規范、裝配規范、模型審批發放管理標準等；制定智能工藝裝備、數字化檢測設備相關的數據采集、處理標準。

目前，航天科技集團雖然制定了《航天專用工藝裝備分類與代碼》《航天專用工藝裝備數字化管理要求》等工藝信息化方面的通用技術標準，起到了一定的示范、牽引作用，但操作應用層面的廠所級工藝信息化標準總體缺口還較大，尚不足以支撐工藝數據的互聯互通，急需生產單位加強專項建設。

五、工藝數據管理

工藝數據指工藝設計過程中使用和產生的數據，包括支持工藝設計過程的加工材料數據、加工工藝數據、機床數據、工 / 夾 / 量具數據、工時定額數據、成組分類特征數據、典型工藝規程及工藝術語等靜態數據，以及工藝設計過程中產生的中間過程數據、零件圖形數據、工序圖數據、產品工藝規程，以及數字控制（Numerical Control，NC）代碼等動態數據。傳統的工藝數據以工藝規程等工藝文件為載體，數據的重用性、集成性不足；CAPP的應用則推動了結構化工藝數據管理，主要生產單位結合工藝規程結構化設計需求，開展了工藝知識庫、工藝資源庫建設，提升了工藝數據的重用性；數字化制造則進一步提出了基于單一數據源的全壽命周期工藝數據管理的要求，工藝數據要實現與上游產品設計數據集成、與制造資源數據集成，以期為生產組織實施提供精準數據服務。

要實現基于單一數據源的全壽命周期工藝數據管理，生產單位首先應針對設計數據協同、工藝路線規劃、三維工藝設計、工裝工具設計、材料定額編制、電子文件規程編制等重點工藝工作，解構本單位的典型產品結構及對應的工藝數據需求，進而明確產品數據管理結構，實現工藝信息在 MBD 模型中有效的組織和表達；生產單位還應梳理本單位的工藝工作流程，結合三維數字化環境下接收的工程物料清單（Engineering Bill of Material，EBOM），劃分工藝分離面、添加工藝組件、設計工藝流程，劃分裝配工序，構建工序模型等制造物料清單（Manufacturing Bill of Material，MBOM）重構任務，明確 EBOM/ MBOM 的映射及關聯關系，建立基于 BOM 的工藝設計過程的工藝數據組織及驅動機制；建立基于網絡授權機制的工藝知識庫、工藝資源庫等數據庫建設與維護工作體制，確保工藝數據安全、有效存儲。

數字化制造模式下，工藝工作的地位和作用顯著提升，數字化制造的關鍵技術（如 MBD 工藝模型、單一數據源、工藝結構化、BOM 轉換等）也與工藝工作緊密相關，毫不夸張地說，工藝工作的數字化決定著數字化制造的成敗。當前，航天科研生產單位應集中力量，以工藝數字化為主攻方向，結合科研生產實際，壓緊壓實設計工藝協同、精益工藝設計、工藝標準化、工藝數據管理等方面的數字化工作，為實現航天科研生產的數字化轉型奠定技術基礎。

作者：孫升 任偉 林海波 楊曉明 劉明全 來源：《航天工業管理》