基于全生命周期管理的产品异地协同研制模式探索与应用

赵振杰、闫月晖、王刚、王浩、王新泉 /北京航天长征飞行器研究所

航天产品是需要多专业、多部门协同配合、共同完成的大型复杂产品，产品研制从设计、生产、交付、运维至报废涉及部门多、区域跨度大，传统的“三维设计+ 二维工艺”研制模式下的MBD 模型在后续工艺设计中利用困难，且三维设计模型与二维工程图并存会导致产品的技术状态管理进一步复杂化，已远远无法满足当今型号产品高密度发射形势下的产品质量精细化管理需求。在型号产品推广智能制造的大趋势下，产品研制过程的科学化管理愈来愈引起科研单位的重视，产品全生命周期管理正是在这样的背景下产生的，它是以企业的产品为中心、以提高企业的产品创新能力为目标、以信息技术和应用软件为手段、以企业的知识型资产为重要资源而建立的一个运营体系，支持从概念、开发、生产到维护整个产品生命周期。

北京航天长征飞行器研究所作为从事航天飞行器设计研制、空间智能飞行和返回研究开发、机电一体化技术研究开发等集多专业、多学科于一体的综合性高新技术研究所，多年来产品生产制造以外协为主，且外协制造单位不唯一、分布地域不同、数据管理模式不统一，导致设计数据只能靠人工、摆渡等方式进行传递，存在设计与工艺协同效率低、产品技术状态控制困难、设计数据在工艺设计过程中利用率不高等问题。为满足型号产品在现阶段条件下的设计与工艺三维协同研制需求，提高设计与工艺异地协同的效率，笔者基于全生命周期管理平台对产品异地协同研制模式进行探索，以实现产品设计、数据协同、工艺设计、生产制造等研制过程的全生命周期管理。

一、业务策划

基于全生命周期管理的产品异地协同研制主要是针对目前产品设计与制造单位开展航天产品的异地协同研制现状，提出了一种基于全生命周期管理平台的异地协同研制解决方案，包括产品自顶向下设计、数据技术状态管理、数据分发、PBOM重构、三维工艺、三维制造等功能，以实现设计单位航天产品三维数字化异地协同研制的目标，为研究所飞行器产品研制向“协同化、知识化、智能化”方向发展提供技术支撑，项目业务策划如图1 所示。

图1 异地协同业务流程策划

二、实施内容

1.基于自顶向下的协同设计

满足型号产品自顶向下设计要求，以产品任务书设计要求为依据建立产品总体控制模型，包括整弹坐标系、象限标记、各个部段的位置接口等参考基准，总体控制模型在Teamcenter 平台中受控并以邮件方式下发至各专业部段设计人员，部段设计人员进行详细设计时作为设计输入。

总体控制模型作为各专业部段产品详细设计的基准，即采用WAVE 技术将参考特征（坐标、点、线、面等）链接到各个零（组）件中作为设计的参考基准进行详细设计，使各个零（组）件始终与总体控制模型保持链接关系。当总体控制模型发生更改时，与其关联的零（组）件自动发生变更，减少了部段设计人员由于频繁更改模型带来的重复性工作，大大提高了设计效率。

2.数据技术状态管理

数据技术状态管理主要包括首次检入设计数据受控与更改设计数据受控2 种模式。当设计数据在NX 设计软件中完成设计后，通过NX 与Teamcenter集成接口将设计数据检入到Teamcenter 平台中，首次检入后的数据在系统中状态为“正在工作”，所有者用户可以将数据检出以进行修改，当设计数据达到一定成熟度时，由所有者用户对设计数据发起审签流程，按“设计→校对→审核→工艺→会签→标审→批准”的顺序进行签署，数据签署完毕后，其状态由“正在工作”变为“已受控”。同时，系统自动对审签数据生成审签快照，用于多版本技术状态管理，受控后的设计数据只允许系统授权用户对其进行查看，任何用户（包括所有者用户）都没有权限对其进行修改。

当受控的设计数据需要发生更改时，由所有者用户依据QJ1714.11B-2011 确定更改类别后启动更改流程，并对欲更改的设计数据批量修订出新版本。所有者用户对新版本设计数据进行更改并生成更改单后，发起更改设计数据审签流程，按“设计→校对→审核→工艺→会签→标审→批准”的顺序进行签署，签署完成后新版本变为受控状态。更改的过程以电子流程的形式进行管理，更改的结果以结构化的形式进行管理，并提供更改过程的监控以及历史版本查询功能。

3.数据异地协同

由于设计与制造单位所处的地理区域不同，且属于不同的集团公司，导致内部局域网络不能直接互联。鉴于实际应用的特殊性，考虑到协同数据的准确性等因素，采用离线的多站点数据协同模式，即设计数据在设计部门以多站点的方式进行打包后，采用离线方式将数据包发送至制造厂，并由数据管理人员将数据包导入到制造单位的Teamcenter 平台开展后续应用，导入后的设计数据为原始设计数据的副本，除所有者权限保留在设计部门以外，副本与原始设计数据包含的信息完全一致，包括模型、属性、状态等。

数据异地协同可实现数据的双向交互，既可以实现设计数据同步至制造单位，也可以实现工艺设计、质量等数据同步至设计单位，主要应用于设计数据工艺会签、设计数据分发、工艺更改（偏离）单设计会签、质疑单设计签署等几个方面。

4.三维工艺规划

以BOM 为主线，开展PBOM构建、工艺分工、汇总统计等工作。首先，PBOM 构建基于设计部门分发的EBOM 在多结构管理器中进行，对EBOM结构进行调整或替换，体现工艺中的拆分件以及工艺过程对BOM 结构的调整，最终将形成的PBOM 与EBOM 以协同关联的形成保存在Teamcenter 平台中，便于EBOM 和PBOM 的关联展现。PBOM 形成后，根据PBOM 进行工艺分工策划，针对PBOM 中的自制件策划自制件的主制工艺和辅制工艺，并分工下发到具体的工艺人员。其次，通过系统功能二次开发，对PBOM 的零件进行来源指派，区分自制件、外购/外协件、标准件、弹上设备、材料件、配套件、借用件。通过定制化程序开发，结合汇总表模板快速形成备料表、标准件汇总表、外购外协件汇总表等报表内容，提升产品负责人报表汇总的效率和报表的准确性。

5.三维结构化工艺设计

三维结构化工艺设计是产品异地协同研制的重要功能，主要包括基于模型的零件工艺设计和基于模型的装配工艺设计。基于Teamcenter 平台制造工艺规划器的基本功能和制造单位工艺编制需求，定义特定的工艺类型和工艺属性，以满足工艺编制的需要。结合工艺分工信息，实现结构化工艺编制任务中工艺任务的创建、工序模型的构建、工艺资源的指派等功能。

基于模型的零件工艺可以实现真正意义上的协同设计与制造，直接利用设计分发的三维设计模型进行结构化工艺设计，关联产品、资源、工厂数据。工艺文档可以进行客户化定制，紧密集成CAM，实现NC 程序、刀具、工装、操作说明与工序/工步的关联。零件工艺编制包括产品设计数据浏览、3PR 工艺结构建立、关联刀具/量具等制造资源、生成工序/工步模型、填写结构化工艺内容等步骤，其中基于NX软件的WAVE 和同步建模功能实现关联工序模型的创建，重复使用设计模型和设计的PMI三维标注信息，快速形成工艺设计过程中的工序模型，提升工艺人员构建工序模型的效率。

基于模型的装配工艺由装配工艺设计、装配路径优化与动态展现等部分组成，并实现各个环节的数据管理。编制装配结构化工艺包括建立装配工艺结构、分配消耗件、关联工装/工厂制造资源等步骤。针对协同平台在装配路径优化与动态展现时需集成Tecnomatix 软件才能实现，且具有成本高昂、操作复杂、工序/ 工步模型查看不便的弊端，结合产品装配工艺设计实际需求，利用协同平台的二次开发技术集成三维CAD 可视化应用软件SView，实现工序/ 工步模型的静态查看及装配过程的动态路径显示，提高了装配工艺的设计效率，增强了系统的易用性。

三维结构化工艺设计完成后，发起工艺审签流程对编制的结构化工艺进行受控，然后通过Teamcenter 与MES 系统的集成接口开发，采用WebService 方式与MES 系统进行数据传递，将PBOM、结构化工艺设计等数据下发到MES 系统，并作为生产制造的依据。

6.三维制造

基于MES 系统中实现生产任务数据与工艺规程和技术通知单绑定，并通过系统信息进行领料和齐套操作，系统可以记录领料时间、数量、完成时间、代料信息，自动计算未领料信息以方便查看，同时在领料和齐套完成后提供入库申请功能。调度员依据下发的车间计划进行生产任务派工，现场操作人员依据MES 系统接收到的生产任务和工艺文件数据开展产品的生产与制造。

7.质量管理

通过流程设计实现不合格品流程的电子化管理，记录不合格品的详细信息及处理意见，系统中可以方便快捷地查看流程状态、当前节点及处理人，系统提供代办功能，方便流程审签人员快速进入流程进行审签。

三、创新点

一是探索基于Teamcenter平台的设计与工艺协同研制模式，实现研制模式创新。通过Teamcenter 平台应用，实现了基于网络的设计工艺并行协同、基于产品结构树的三维数据受控、三维工艺设计与更改，打通了基于Teamcenter 平台的设计制造模式链路，构建出统一、高效的协同环境，保证设计与设计间、设计与工艺间共同参与设计、更改、分发、工艺等全三维研制流程。

二是优化三维装配工艺功能，增强装配工艺易用性。基于协同平台提供的二次开发功能，以视图模式集成具备三维模型浏览、轻量化装配、动画仿真、干涉检查等功能于一体的第三方三维可视应用软件，实现装配工艺设计过程中工序/工步模型的显示及零件装配路径、工装/工具应用的动态展示，解决了原平台解决方案中工序/工步模型只能以图片或三维视图查看的方式以及应用Tecnomatix 软件进行路径动画演示的问题，极大地提高了三维装配工艺的易用性及应用效率。

三是开展基于多站点的异地数据协同，确保工艺与设计数据源一致。将优化后的设计数据异地分发流程与Teamcenter 平台的多站点功能相结合，开辟了适合设计与制造单位异地、断网条件下的数据异地分发模式，保证了数据源的唯一性、数据分发准确性与高效性及接收数据反馈的及时性。

四、实践效果

基于全生命周期管理的产品异地协同研制模式充分继承和借鉴了以往三维型号在推进三维数字化协同研制过程中的经验，在研制流程、协同模式和平台功能等方面进一步创新，实现了基于Teamcenter 协同平台的三维数字化异地协同设计、数据异地协同、三维工艺设计与制造等功能，通过在型号研制中开展应用，推动了厂所异地协同研制模式变革，提升了型号总体三维研制能力，已被中国航天科技集团有限公司作为航天产品生产流程精细化再造工作的成功案例进行推广，具有极大的示范性效应。

一是异地协同高效化。设计与制造部门基于统一协同平台开展基于模型的关联设计、多专业在线并行设计和设计工艺协同，适应“要求多、变化快、进度急”的产品研制特点，避免由于数据集成转换带来的数据技术状态改变的风险，协同效率比现有模式提高15%以上。

二是数据管理及权限控制统一化。产品在研制过程中产生的数据统一在Teamcenter 平台中进行管理，设计与制造部门的产品研制数据在数据管理、权限控制等方面采用统一模式，数据管理规范性提升明显，数据传递准确性基本达到100%，权限控制进一步加强，严格按角色权限、人员密级等条件查看和浏览产品研制数据。

三是工艺设计最优化。制造部门直接基于三维设计数据进行PBOM 重构、结构化工艺设计等三维工艺设计工作，三维设计数据在工艺规划和工艺设计过程中得到全面应用，节约了工艺人员将三维模型转换二维工程图的时间，工艺编制效率提升近一倍。通过二次开发技术优化装配工艺，节约了购买Tecnomatix 仿真动画软件的成本近百万元，且易用性提升显著。

四是厂所协同业务网络化。厂所协同业务使设计数据传递、工艺会签等协同业务基于网络在厂所间实时开展，省去了大量的出差、打印晒图等工作时间，每年可减少差旅费、会议费等支出数十万元。图纸、工艺、生产计划的下发，工艺更改、不合格品审理、质量检验等业务可以部分或全部摆脱手工纸质方式，减少了资源消耗，每年可节约打印成本几万元。同时，采用并行协同设计模式，工艺人员提前介入设计，减少产品设计因制造工艺问题导致的设计更改，在提升设计质量的同时大幅提高产品的可制造性与一次成功率。

后续，研究所将在巩固已有产品异地协同模式的基础上深入开展协同平台在型号产品研制中的应用，同时依据型号应用需求扩展协同平台的业务功能。主要包括以下2 个方面的内容：一是扩展协同平台与Creo 设计软件的集成接口，实现Creo 格式的设计数据技术状态管理及在结构化工艺、生产制造中的集成应用；二是开展基于协同平台的产品验收数据包自动生成与传递工作，确保产品研制过程中质量验收数据能及时、准确地反馈到设计部门，以开展制造过程质量追溯。