為研發具有自主知識產權和國際競爭力的高速列車產品，提高高速鐵路裝備技術水平，我國啟動了國家“十一五”科技支撐計劃，其子任務“高速列車車體工藝流程數字化平臺”主要研究如何在一體化平臺支持下采用結構化工藝設計模式開展高速動車組車體工藝設計。
長期以來，企業的產品設計數據管理系統和工藝設計數據管理系統是完全不同的兩套系統，系統之間沒有進行緊密的集成，工藝設計只能在產品設計結束后才能開展，這種數據孤島和串行設計模式導致了整個產品的設計效率低下，周期加長；工藝設計數據管理系統采用非結構化方式組織數據，無法對典型工藝高效借用。高速動車組因其產品結構復雜、零部件數據量龐大等特點，急需搭建一套能夠實現協同設計、數據源統一、設計效率高、管理功能強的管理平臺，解決數據孤島、串行設計等問題，縮短動車組的研發設計周期，承擔起企業級的PLM系統的職責，支撐動車組產品的全生命周期管理。
1 設計、工藝一體化平臺
Teamcenter是西門子公司的全生命周期管理PLM系統，系統基于SOA架構設計，具有很好的系統開放性。能夠以完全SOA架構的方式，提供PLM系統所要求的功能，包括文檔管理、產品結構管理、配置管理、零部件分類管理、工作流程管理、更改管理、項目管理、需求管理等的產品全生命周期管理，是一套全球制造業應用比較廣泛的整體解決方案。
根據高速列車工藝設計的特點，結合Teamcenter的TCM（Teamcenter Manufactunng）功能模塊，基于單一數據源，利用OOTB功能和二次客戶化定制開發，來實現企業自己的業務需求，其平臺功能架構如圖1所示。
圖1 Teamcenter平臺架構
Teamcenter系統平臺實現了設計工藝的一體化管理，在功能上不但可以完全取代產品設計數據管理系統和工藝設計數據管理系統，而且還發揮了Teamcenter系統在產品全生命周期信息管理上的優勢：
首先，產品設計和工藝設計在統一數據源下工作，工藝設計師可以基于基線管理很方便地和產品設計師進行協同工作；在產品設計過程中工藝設計可以提前進行零部件的工藝性審查，準備工藝設計資源等，開展并行設計。
其次，結構化工藝搭建的MBOM結構樹，可以將班組、臺位、工裝、夾具等資源和工序關聯，設計完成的卡片、文檔等掛在結構樹上，方便后續的工藝整體借用等。
第三，能夠形成工藝設計的典型知識，把典型工藝、原型產品工藝設計保存為模板，為后續快速工藝設計提供快速支撐。
2 一體化平臺下結構化工藝設計
2.1 高速列車車體工藝設計流程
高速列車車體是車輛主要的承載部件，因其選用的材質為輕量化合金鋁型材、零部件數量多、運營速度等級高、運行環境復雜等各方面因素，決定了高速動車組的工藝更為復雜。本文以項目中某一高速列車車體工藝設計實施過程為基礎，論述如何基于Teamcenter設計、工藝一體化平臺開展高速動車組車體工藝設計。其車體示意模型如圖2所示。
圖2 高速列車車體模型示意
基于平臺的工藝設計流程如圖3所示。
圖3 工藝設計流程圖
2.2 結構化工藝數據組織
高速列車車體工藝采用結構化工藝設計，其結構為：總工藝/子工藝/工序三層結構或者多層，子工藝按大的工序組織，總工藝/裝配子工藝/裝配工序下均可以掛虛擬件（虛擬件是指因工藝設計需要，在EBOM中不存在，由工藝設計師添加到PBOM中的虛擬零部件），各子工藝完成后，需將車體組成發給整車總裝配工藝師，由總裝配工藝師將其指派到對應的整車裝配工序上，工藝數據結構如圖4所示。SFPbody：車體總工藝。SFPSubProcessessAsm：裝配子工藝。SFVPat：裝配虛擬件。SFFixture：工裝。
圖4 工藝數據組織
2.3 工藝資源管理
在工藝設計時，指派工藝資源完成相關工藝設計是必不可少的，使用Teamcenter提供的分類管理功能，對工藝設計過程中用到的工廠、設備、工裝、工具、臺位、班組、工具等各種資源進行管理，其中設備、工裝、工具等與三維數模進行關聯，指派工藝資源可以查看資源是否滿足工藝要求。圖5為分類管理中的資源結構樹。
圖5 資源結構樹
2.4 基于可視化環境的三維結構化工藝設計
應用結構化工藝設計模式進行車體工藝設計時，整個工藝設計過程都是基于三維環境完成的。從產品設計階段開始，工藝設計師便提前介入參與，對產品的工藝可行性進行充分的評估；在設計完成后，工藝設計師進行產品工藝的最后審查。
2.4.1 工藝性審查
在產品設計過程中，可以根據不同階段，把整個產品設計過程分成不同的成熟度，基于系統的基線管理功能，對達到一定成熟度的產品發起流程，進行工藝性審查，以便工藝設計能夠提前開始，實現與設計的并行工作。對未達到成熟度的產品，工藝設計師提前對部分零部件可制造性進行評估，提出針對工藝的產品改進意見，最大化地減少返工。
在對產品的工藝性審查時，工藝設計師無需用三維設計工具打開原始模型，而是可以直接在Teamcenter中用瀏覽器查看由原始三維模型轉換來的JT輕量化模型，JT模型的特點是去除了參數化建模的特征信息，保留了模型的幾何信息，同時縮小了模型的數據量。工藝設計師按照EBOM結構，可以選擇加載查看需要審查的對象。
2.4.2 分派工藝設計任務
項目負責工藝師首先在Teamcenter系統創建總工藝節點，然后建立工藝設計任務書（如圖6所示），根據不同部類工藝設計任務要求，再建立各個子工藝節點，這些子工藝需要分配到不同的部類負責工藝師。按照工藝設計任務書，項目負責人把各子工藝的操作所有權轉移給負責工藝師，同時通過系統的信封功能，把子工藝以超鏈接形式放到信封內容中，并對工藝設計的要求進行描述后分發各個部類負責人。任務接收工藝師接到需要設計子工藝的任務后，通過超鏈接可以快速打開需要的子工藝節點，把子工藝發送到制造工藝規劃器中進行下一步的工藝設計。
圖6 工藝設計任務書
2.4.3 零件工藝設計
高速列車的車體生產是根據工序來組織的，零部件的工藝是跟工序相關的。工藝設計師選擇相應的裝配工藝節點如下料工序或者一般工序，創建工序的方式如圖7所示。
圖7 新建工序
工序創建后，從EBOM中指派需要設計工藝的零件，根據零件制造特點，同時在工序下指派相應的工藝資源：施工班組、使用設備等，如圖8所示。
圖8 工序和模型等信息的關聯
通過在創建工序時填寫的如下料尺寸、加工工時等信息，可以生成用于生產現場使用的工藝卡片，工藝卡片上的信息都是通過提取工序的相關信息后生成的，而不需要通過手工填寫信息。生成的工藝卡片，可以通過批量打印的方法輸出，指導生產現場的施工。工藝卡信息如圖9所示。
圖9 生成的工藝卡信息
2.4.4 裝配工藝設計
子工藝中的裝配工藝設計，首先需要到系統的典型工藝模板庫中查找是否有適合的典型工藝，如果有合適的典型工藝，借用典型工藝，快速在工序下生成相應的工藝結構，修改工序參數，指派需要裝配的零部件，更新裝配工藝卡片、工作圖等；如果沒有合適的典型工藝借用，那么就需要在工序下新建裝配工藝，指派裝配零部件，設計裝配流程，指派裝配班組、臺位、設備等工藝資源，創建裝配工藝卡片，編制操作規程等。對于裝配工藝來說，如果存在沒有設計過工藝的零件，那么裝配工藝師需要把零件用系統信封發送到零件工藝師處；零件工藝師開始零件的工藝設計，同時裝配工藝師檢查EBOM中的各個零件是否完全指派到各工序的裝配工藝中；如果全部指派，檢索是否有未發布的零件工藝，只有所有的零件工藝走電子簽審流程發布后，裝配工藝才能發起電子簽審流程，發布裝配工藝為正式版本。所有的電子簽審流程結束后，由各大部類負責工藝師生成MBOM，提取工藝卡片明細、工藝文件目錄等，為MES提供數據。
對于裝配工藝，根據工藝設計項目管理中對時間節點、提交物的要求，還需要編寫各種其他工藝文件，如作業指導書、工作圖等。這些工藝文件也需要進行電子簽審后正式發布。
2.4.5 電子簽審
對于工藝設計中的各個業務點，都有相應的電子簽審流程與其對應，完成工藝設計后，選中需要走流程的內容，如裝配工藝、零件工藝或者其他的工藝文件等，新建工作流程，選擇對應的流程，指派流程中各個節點的簽審人員，即可發起簽審流程。需要簽審的工藝內容會附帶在流程中，簽審節點中的人員可以很方便地對待簽審工藝內容進行查看。完成電子簽審后，流程中的工藝內容即自動發布，生成正式的版本數據用于指導現場生產。
3 在一體化平臺下進行工藝設計實施的建議
a.項目實施需要得到領導的支持。
在一體化平臺下實施工藝設計，產品設計部門和工藝設計部門需協同工作，設計部門如何及時地為工藝設計輸出數據，使工藝設計能夠盡早地獲得數據，提前開始工作，并提高并行度等問題，均需要領導的強力支持；對于各設計環節中的一些定義（如成熟度、變更量等）和部門間爭議較大的問題，更需要領導的決策支持。只有獲得決策層的大力支持和協調，才能確保項目成功實施。
b.項目實施是一個長期的工作。
Teamcenter一體化平臺，實施初期的數據積累、功能完善優化是一個長期的過程，初期很多典型模板等可直接使用的數據很少，存在整個系統的實施和前期工程師的工作不能很好地融合等問題，只有直面和解決各種問題，一體化平臺才能得以完善。
c.團隊建設。
在實施過程中，需要技術力量雄厚的供應商的支持，開始實施的時候，企業內部的工程師不具備實施經驗和二次開發能力，需要結合企業的實踐共同開發和完善。同時要結合工程師自己的工作流程，重視培訓，強化操作。
4 結束語
通過對高速動車組基于一體化平臺下的結構化工藝設計的研究，規范了產品設計與工藝設計的并行協同設計，在統一數據源下工作，實現了數據的共享和數據的高效應用，為工藝知識的積累提供了基礎平臺。通過系統對各種工藝資源的有效管理，提高了工藝設計的正確性、規范性和效率。使用結構化工藝數據組織形式，為下游ERP、MES等系統提供合格的基礎數據成為可能，實現了系統間的緊密集成。
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本文標題：基于Teamcenter的動車組車體工藝設計研究及應用
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