浅析离散型制造企业结构化工艺设计方法

郑奇 李凤岐 邹彦纯 朱洪明 吴美萱

摘要：为了保持工艺数据传输的一致性，对离散型制造业企业的结构化工艺设计方法进行研究，通过基于产品订单的需求分析，在产品设计过程以产品结构树设计为基准，再通过结构化的工艺设计，完成从图纸到实体的实现过程，从而将复杂的工艺进行结构化改进和优化，并结合产品工艺信息进行数据优化，以解决离散型制造业企业工艺信息处理和管理中面临的信息管理问题。

关键词：工艺结构;结构化工艺;工艺流程;工序;工步。

1引言

随着制造业的高质量发展，市场对产品的要求日益提升，企业对新技术、新工艺的迭代速度也不断加快，产品从设计到生产出实物的过程也变得尤为重要，需要持续不断与客户的需求进行对标，保证产品的一致性、可靠性及高精密度。工艺是产品到实物的转化过程，在该过程中，工艺路线起着至关重要的作用，指引了产品从设计到实物的整个变化过程。如何将工艺进行结构化管理和设计，是通过工艺实现产品与设计一致性的关键。因此，本文以产品设计为出发点，对标产品结构进行结构化工艺设计，旨在通过研究一套结构化工艺模型，搭建以工序、工步、工装夹具等为核心的桥梁，使工艺数据进行有序流通，继承产品结构信息的有效信息，保证工艺数据传输的一致性。

本文通过对某离散型制造企业涡轮增压产品的工艺路线进行研究，将工艺信息进行结构化设计及标准化统一，为企业实施智能制造打下坚实的基础。

本文以结构化工艺为核心，分析了其对离散型制造业企业发展的重要性。首先，本文以某涡轮增压器企业的工艺信息为切入点进行研究分析，发现了该类企业在工艺信息管理上的结构化需求。其次，本文对标该企业的工艺管理现状和问题，深入研究了其工艺信息和工艺流程，提出了基于涡轮增压器产品的结构化工艺设计，同时，提出了本设计的重要意义。

2 研究与方法

2.1 国内外结构化工艺研究现状、存在问题及研究的重要性

2.1.1国内外结构化工艺研究现状及研究的重要性

工艺作为设计和制造的核心枢纽，起着上传下达的作用，而结构化工艺则是实现工艺数据结构化管理的重要手段，是基于传统工艺信息的升级和迭代。随着国内外离散型制造业的快速发展，企业规模和产品类型也在不断扩大尤其是装备制造业企业已将工艺研究作为研究的重点方向，以期通过工艺信息的结构化和数据化，从而更好的对研发、设计、制造等过程进行约束和协同，以提升产品的质量和生产效率。

结构化工艺作为一种高效的工艺数据管理方式，在一些发达国家和一些国内的外企，已经开始应用，但受限于数据模型的复杂性，其使用的覆盖范围不太广泛。

在我国的离散型制造企业中，也只有少量企业开始引入结构化工艺的模型进行管理，仍没有达到普及。截至目前，我国多数离散型制造业在工艺设计和现场实施中，仍继续延用工艺卡片等方式进行过程管理。随着企业新产品数量和新产品设计图纸数量的持续增加，越来越多的企业对工艺过程的数据及过程管理提出了强大的需求，也对工艺过程的管理效率提出了更高的要求。

2.1.2存在问题

离散制造业企业的生产过程往往需要多个车间、生产线来完成，且每一项生产任务均需要多个生产部门、工段、小组共同完成，加工和装配的工序也较为复杂。从产品设计的视角来看，由于产品种类和型号复杂，图纸类型和数量较多，在产品结构信息管理与工艺信息管理上存在一定的信息损耗，缺少数据传递的衔接性;从工艺管理的视角来看，不同产品的工艺信息不同，随着产品类型的增加，工艺信息查阅和检索的难度日益增加;从生产执行的视角来看，不同工序的生产节拍不一致，检验检测难度不同，导致工艺管理难度加大。

2.1.3重要性

结构化工艺是顺应企业数字化、网络化、智能化发展的变革的重要基础，在承接设计和生产的过程中，将工艺信息进行结构化、数据化，通过工艺信息的结构化关联，确保在设计端图纸更新和结构更新的情况下，生产端的各项相关信息能同步实现更新，从而实现从工艺到生产过程的数据闭环，提升生产效率、降低运行成本，同时帮助企业在资源配置、生产过程管理及产品质量控制等方面实现价值提升。

2.2 从产品结构（设计）-中间形态转换（制造）-实物建立工艺结构树模型

从离散制造业企业的客户需求出发，对产品需求进行分解，并对产品的技术可行性进行分析，编制《产品初步策划方案》，在成本与收益可满足的情况下，确定销售订单和产品报价。依托产品订单和功能需求展开产品設计，包括结构设计、参数设计和功能设计等方面，其中，产品结构设计包括搭建产品结构树模型、编制产品物料清单、构建产品结构信息编码并输出产品设计图文档。

依托产品结构信息和产品设计图文档，制定生产制造的工艺路线，规范从毛坯件、零部件到机械加工、组装等全过程的操作路径，并结合工艺路线制定工序、工步、工位及工装夹具的具体流程和要求，明确相关产品和工艺、工序及相关制造资源的结构化逻辑关系，将各类工艺信息进行对象化管理和结构化存储，构建工艺结构树模型。

3 结构化工艺管理应用案例

下图为某离散型制造企业涡轮增压器从图纸到产品的实物转化过程。物料从订单下达开始，由设计研发端构建了产品结构树，输出了产品图纸等信息，再通过工艺信息转化到生产过程，指导产品的生产执行的全过程，实现了产品从图纸到实体的有效转化。

结合产品结构树的体现，每一个产品都分为大类、中类、小类和细类，其中，大类是产品的系列名称，中类是结合产品结构的大分类，如上图，包含增压器零部件、精铸两轮和其他部件，小类则包含一系列构成中类的组件、轴系件、铸件等标的，细类则是在小类的基础上继续进行划分，包括涡轮转轴、压气机叶轮等更小的单元体零部件。其中，每一个部件、组件、零件都有一套专属的工艺规程，其中在每一套专属的工艺规程中也都包含了工序、工步、工装及设备等信息，所有的零部件的工艺规程组成了产品的工艺规程，产品中每一个零部件与它的工艺也都是一一对应，最终使得图纸编号和物料实体编号一一对应，如下图：

接下来，以其中的叶轮加工工艺为例，先对其工艺进行结构化，再结合工艺信息和步骤对结构化工艺的模型进行详细说明，如下图所示：

（1）叶轮加工工艺：对于该离散制造业企业来说，叶轮从设计图纸转化为实物的全部工序构成该工艺的顺序工序集合，可表示为Process={Process1，Process2，...，ProcessNP}，式中，表示该涡轮增压器叶轮的工艺所包含的工序数目。

（2）叶轮加工工序：针对该离散制造业企业叶轮加工工艺的特点，统计在一台加工中心上通过一次安装，连续完成的全部加工程序有序集合称为一道涡轮增压器叶轮的生产工序。在叶轮生产工序内往往需要采用不同的刀具、切削用量等其他工具，对不同的表面进行加工，在工序内又细分为工步。因此，一道叶轮工序中就会包含多个工步，可以说，叶轮工序的全部工步构成了叶轮工序的顺序工步集合，可以表示为

Processi={Step1，Step2，...，StepN}，式中，N表示工序Processi所包含的工步数目。

（3）叶轮加工工步：叶轮加工过程中，使用一把刀具连续完成的切削加工过程，被命名为一个叶轮加工工步。在一个工步中，同时会顺序切削多个加工元，则工步可表示为：

Step={T，Element1，Element2，...Elementn}，式中，T、n分别表示该工步所使用的刀具、该工步所包含的加工元总数目。

通过将复杂的工艺信息进行结构化之后，可以很清晰的看出产品结构与每一部分零部件的工艺规程之间的关系，通过对工艺信息进行分类之后，在图纸变更后可以及时的对工艺信息进行变更，保证产品的生产效率和及时交付。

同时，结构化工艺并非简单的工艺结构化，而是需要和企业的ERP、MES、PDM等系统进行紧密结合来应用，它的核心是在工艺信息的基础上，通过数据管理和信息编码等方式，建立工艺数据管理中心，搭建工艺数据支撑平台，在产品不断优化迭代的过程中，能及时为生产加工制造提供最新的工艺信息，如下图：

结构化工艺伴随着信息化系统的实施，将会对企业的数据管理、知识管理等方面起到强大的支撑作用，在结构化工艺实施过程中，也应结合企业信息化系统实际情况，遵循整体规划、分步实施的原则，助力企业数字化、网络化、智能化发展。

4 结语

随着新一代信息技术与制造业深度融合，市场对新产品的研制周期、新产品的质量等方面都提出了更高的要求，本文通过对离散型制造企业结构化工艺的设计研究，为离散型制造业智能化转型提出了一种新的思路，以核心的工艺管理为突破口，构建结构化工艺模型，再通过与信息化系统进行有效融合，可大量减少工艺流程中的数据冗余，解决企业在工艺管理中所出现的诸多问题，助力企业提质、降本、增效。

参考文献：

[1]邵理.基于特征和加工元的三维工序模型构建方法研究：[D]. 陕西：西北工业大学，2017.

[2]邱凯飞.基于 PLM 平台的结构化工艺系统开发：[D]. 上海：东华大学，2017.

[3]王怀明.面向制造企業的集成化工艺与生产管理系统的研究：[D]. 天津：天津大学，2010

作者简介：郑奇（1979.09-），男，满，研究生，研究方向：人工智能。