面向数字化制造的工艺工作分析

本文聚焦工艺工作分析总结了传统制造向数字化制造转型发展过程中工艺工作的变化及发展要求以期为航天生产单位实现数字化转型提供指导

为贯彻落实党的十九大提出的制造强国和航天强国战略部署，航天科技工业以智能制造为目标持续推进科研生产的数字化转型。设计单位通过“长征”七号、空间站、重型运载发动机等型号研制，建立了基于数字样机的集成项目团队（Integrated Project Team，IPT）协同工作模式，实现了异地协同工作，初步实现了三维模型下厂；生产单位通过基于模型的设计（Model Based Design，MBD）技术的工业软件，以及智能装备、自动化生产线的建设应用，贯通了全三维数字化制造链路，提升了基于三维模型的工艺设计及仿真验证能力及生产管控智能化水平。

智能制造是基于信息化网络、智能装备、工业软件的建设与应用的一种新型生产方式，是需要从生命周期、系统层级、智能特征等 3 个维度协同推进的系统工程。当前，航天科研生产在设计环节基本实现了型号产品的全三维设计及数字化定义，生产环节由于牵涉设计数据重用、工艺设计数据生成与传递、生产数据监控与处理等，不同体制的数据交换任务繁杂且技术难度大，尚未系统解决资源要素的数字化定义及制造信息的互联互通问题，还处于智能制造的初级建设阶段，即传统制造迈向数字化制造的数字化转型发展阶段。

数字化制造是目前航天智能制造首当其冲的阶段性发展目标，相关航天科研生产单位普遍成立了专门机构研究推进数字化制造工作。鉴于工艺是连接设计与制造的桥梁与纽带，在设计与制造中起到承上启下的作用，本文聚焦工艺工作，分析总结了传统制造向数字化制造转型发展过程中工艺工作的变化及发展要求，以期为航天生产单位实现数字化转型提供指导。

一、工艺工作现状

工艺工作是航天型号产品生命周期的重要组成部分，工作内容跨越设计、生产两个环节，具体包括设计文件的工艺性审查、工艺文件编制、工装设计与验证、生产现场工艺管理等。在设计与制造相分离的工作体制下，除设计文件的工艺性审查由设计单位组织实施、生产单位工艺人员参与外，其他工艺工作都是由生产单位负责完成，并应用于生产的各个环节。

工艺文件是工艺工作的核心成果，是生产活动的技术依据和数据来源。传统制造模式下，工艺人员依据设计文件编制工艺路线、工艺规程等纸质工艺文件，传递给一线生产、检验人员用于指导生产。近年来，随着信息化条件建设，计算机辅助工艺设计软件（Computer Aided Process Planning ，CAPP）得到了推广应用，部分单位实现了结构化工艺设计、电子看板等，但现有的基于 CAPP 的工艺设计，不是建立在 MBD 技术应用基础上的，尚还不属于数字化制造的范畴。数字化制造颠覆了传统的基于纸质文件的信息传递模式，开创了以三维模型及数据驱动为基本特征的工作流模式（见图 1）。

图1 数字化制造工作流模式

面向数字化制造的工艺工作，以设备、单元、车间、企业乃至协同层面工艺工作的相关资源要素的数字化定义、工艺设计及管理信息互联互通为基础，在工作组织实施方式、方法等方面与传统工艺工作有本质区别。本文将结合数字化制造工艺工作的特点，从设计工艺协同、精益工艺设计、工艺标准化、工艺数据管理等 4个方面进行详细阐述。

二、设计工艺协同

设计、生产分离的机制下，产品设计人员一般注重考虑产品的技术性能需求，对产品的设计工艺性，即产品可生产性的考虑一般较为欠缺，时常造成产品加工难度大、生产周期长、制造成本高的情况发生。此外，产品生产时工艺人员要等待设计图样完成后才能进行工艺技术准备，由于对设计意图了解不够，时常造成工艺技术准备滞后、周期长、工艺技术准备难以到位的被动局面。

为解决设计、工艺分离所造成的矛盾，航天工艺管理部门在促进工艺与设计结合方面进行了许多有益的尝试，归纳总结出“将设计与工艺纳入一个统一的工程系统，在统一的领导和组织下，设计与工艺按系统分工并行工作”的方式，并将工艺参与设计方案论证、设计文件工艺性审查等工作作为开展设计工艺协同工作的重要手段，具体工作要求在《中国航天科技集团公司航天产品工艺工作程序》《航天产品设计方案工艺可行性分析要求》《航天产品设计文件工艺性审查》等航天科技集团制度和标准中进行明确约定。相关制度和标准主要实现了设计过程关键点的设计工艺协同，但尚缺乏有关设计过程中设计工艺协同的相关措施。

近年来，随着航天型号产品数字化研制工作的持续推进，航天型号研制单位的数字化设计与制造能力显著提升，基于相同设计平台和互联互通的信息化网络使跨单位间的协同设计成为可能。设计单位开始大力推行面向制造和装配的设计（Design for Manufacture and Assembly，DFMA），在型号数字化大纲中将组建包含工艺人员的 IPT 团队、在设计阶段将实施设计工艺协同等工作作为 基 本 要 求，并结合工作实践，形成了型号数字化大纲、三维协同工艺工作要求等企业标准，在航天型号设计工作中加以推广应用。

当前，生产单位应积极配合设计单位，研究建立与设计文件分发机制相对应的生产准备工作模式，并在单位信息化系统中进行部署。另外，生产单位应积极配合设计单位，总结设计工艺性检查方法和要求，推动型号产品三维设计模型的可制造性和可装配性检查工具的应用及二次开发，实现对三维模型、几何对象、装配、文件结构等开展计算机自动检查。此外，生产单位应持续推进设计工艺协同平台研制工作，努力构建单一数据源、能够实现设计到工艺乃至全生命周期的数据管理和过程管理。

三、精益工艺设计

工艺设计是 GJB 2993《武器装备研制项目管理》规定的武器装备研制重点工作之一，贯穿于航天装备研制的每一个阶段及状态。传统的工艺设计基本依赖于工艺人员的个人经验，且重复性工作多，工艺过程优化不足、工艺文件细化量化不足的现象较为明显，一些关键、重要技术要求仍然需要通过实物验证或者依靠一线操作工人的经验才能够得以保证，严重弱化了工艺设计的“技术性”和“有效性”。

数字化制造模式下，全面采用基于 MBD 的三维数字化建模及仿真技术，工艺设计内容扩展为轻量化模型设计、三维工艺过程建模、工艺文件结构化设计、数字化工装设计、仿真验证等。工艺规程模板、结构化工艺等数字化技术将工艺人员从重复性工作中解放出来，同时推动传统的基于经验传承的工艺设计向面向精益生产的精益工艺设计转型。精益工艺设计是对生产布局、工艺流程、工艺路线、工序、人机工程等的优化设计，基本要求包括：轻量化模型设计应在确保几何特征、装配关系、装配位置与三维设计模型保持一致的基础上，尽可能简化产品特征，满足生产单位的工程应用；三维工艺过程建模应准确建立中间工序模型并关联工艺与资源信息；工艺文件结构化设计应基于物料清单（Bill of Material，BOM） 的管理模式，针对每道工序，编制多维工艺文档；数字化工装设计、仿真验证应尽最大可能减少实物试制。

精益工艺设计应建立在工艺技术与工艺管理协调推进的基础上，需要面向 MBD 技术，再造工艺设计流程。中国航天科技集团有限公司近年来制定发布了《航天产品数字化工艺设计通用要求》《航天产品数控加工工艺设计要求》《导弹和运载火箭数字样机装配仿真通用要求》等数字化工艺设计标准，为数字化条件下各领域的精益工艺设计提供了工作方法。

数字化制造模式下，全面采用基于 MBD 的三维数字化建模及仿真技术，工艺设计内容扩展为轻量化模型设计、三维工艺过程建模、工艺文件结构化设计、数字化工装设计、仿真验证等。工艺规程模板、结构化工艺等数字化技术将工艺人员从重复性工作中解放出来，同时推动传统的基于经验传承的工艺设计向面向精益生产的精益工艺设计转型。

四、工艺标准化

工艺标准化工作主要任务包括建立和完善工艺标准体系、制定工艺标准，在航天产品研制和生产中组织实施各类标准和标准化要求，并对实施情况进行监督和检查。航天科技集团依据上级文件制定了《航天产品工艺标准化工作规定》，明确了产品研制、生产过程中各个阶段工艺标准化工作的内容及要求。传统工艺标准化工作主要包括制定航天型号研制生产相关的工艺技术标准和工艺管理标准，而数字化制造则扩展了工艺标准化的工作范畴，突出了工艺信息化标准的制定需求。

数字（化）制造，标准先行。数字化制造的产品定义、信息传递和数据交换等都是建立在标准基础上的。鉴于工艺工作在生产环节的数据源作用，工艺信息化标准对生产企业资源要素的互联互通起着牵一发动全身的作用，是两化融合、智能制造的重要推手。当前，生产企业应结合自身的工业软件、产品特点等基本情况，以工艺标准化为抓手，重点解决工艺设计信息的贯通，系统推进与工艺工作相关的信息分类与编码标准、数据元和元数据标准、信息模型标准、活动模型标准、软件工程标准等信息化基础技术标准的制定工作；全面建设三维工艺模型设计的业务流程标准、产品及特征的分类与编码标准、数据文件命名标准、工序建模通用要求标准、标注规范、装配规范、模型审批发放管理标准等；制定智能工艺装备、数字化检测设备相关的数据采集、处理标准。

目前，航天科技集团虽然制定了《航天专用工艺装备分类与代码》《航天专用工艺装备数字化管理要求》等工艺信息化方面的通用技术标准，起到了一定的示范、牵引作用，但操作应用层面的厂所级工艺信息化标准总体缺口还较大，尚不足以支撑工艺数据的互联互通，急需生产单位加强专项建设。

五、工艺数据管理

工艺数据指工艺设计过程中使用和产生的数据，包括支持工艺设计过程的加工材料数据、加工工艺数据、机床数据、工 / 夹 / 量具数据、工时定额数据、成组分类特征数据、典型工艺规程及工艺术语等静态数据，以及工艺设计过程中产生的中间过程数据、零件图形数据、工序图数据、产品工艺规程，以及数字控制（Numerical Control，NC）代码等动态数据。传统的工艺数据以工艺规程等工艺文件为载体，数据的重用性、集成性不足；CAPP的应用则推动了结构化工艺数据管理，主要生产单位结合工艺规程结构化设计需求，开展了工艺知识库、工艺资源库建设，提升了工艺数据的重用性；数字化制造则进一步提出了基于单一数据源的全寿命周期工艺数据管理的要求，工艺数据要实现与上游产品设计数据集成、与制造资源数据集成，以期为生产组织实施提供精准数据服务。

要实现基于单一数据源的全寿命周期工艺数据管理，生产单位首先应针对设计数据协同、工艺路线规划、三维工艺设计、工装工具设计、材料定额编制、电子文件规程编制等重点工艺工作，解构本单位的典型产品结构及对应的工艺数据需求，进而明确产品数据管理结构，实现工艺信息在 MBD 模型中有效的组织和表达；生产单位还应梳理本单位的工艺工作流程，结合三维数字化环境下接收的工程物料清单（Engineering Bill of Material，EBOM），划分工艺分离面、添加工艺组件、设计工艺流程，划分装配工序，构建工序模型等制造物料清单（Manufacturing Bill of Material，MBOM）重构任务，明确 EBOM/ MBOM 的映射及关联关系，建立基于 BOM 的工艺设计过程的工艺数据组织及驱动机制；建立基于网络授权机制的工艺知识库、工艺资源库等数据库建设与维护工作体制，确保工艺数据安全、有效存储。

数字化制造模式下，工艺工作的地位和作用显著提升，数字化制造的关键技术（如 MBD 工艺模型、单一数据源、工艺结构化、BOM 转换等）也与工艺工作紧密相关，毫不夸张地说，工艺工作的数字化决定着数字化制造的成败。当前，航天科研生产单位应集中力量，以工艺数字化为主攻方向，结合科研生产实际，压紧压实设计工艺协同、精益工艺设计、工艺标准化、工艺数据管理等方面的数字化工作，为实现航天科研生产的数字化转型奠定技术基础。

作者：孙升 任伟 林海波 杨晓明 刘明全 来源：《航天工业管理》