以定制生产模式为导向的数字化技术探究★

李 昕，马志凯，张 艺，孔德刚

（河北农业大学机电工程学院，河北 保定 071001）

随着新时代生产力的高度发展和大众生活水平的提高，传统大批量生产方式不能适应多样化和多变的市场，在这样的形势下，要求企业设计、生产人员能够迎合消费者需求，且做到快速响应。随着计算机技术、网络技术、生产管理技术的发展，生产方式的革新，传统的固定不变的流水线作业方式被取代，以数字化为基础的设计与生产方式悄然而生，并逐步扩展到生产企业的各个领域。

当今工业社会正处于工业信息化发展时代，自1946 年，第一台电子计算机诞生，随后数字化设计与制造便逐步发展起来了。数字化是将复杂多变的设计与生产信息转变为数据代码，建立一套适当的有效的产品数字化控制模型，由计算机对生产过程中采用数字化存储和管理，充分利用计算机大存储量、高速运算、快速检索性能，以及互联网的传输与共享性能，具有稳定、高效、可靠的特点。数字化设计与制造主要包含了CAD、CAPP、CAM等主要单项技术。

CAD 即计算机辅助设计，是在以计算机硬件为基础，各类工程软件支撑作用下，完成三维建模、工程分析、模拟仿真、工程绘图等工作。其中，建模技术是产品数字化信息化建设的基础和前提，为企业进行工艺案例分析、工艺优化设计、数控编程等提供决策依据。网络信息技术为消费者和企业建立了良好的沟通桥梁。面对消费者小批量、多样化的需求，需要采用模块化单元、参数化建模等技术进行快速整合设计，从而避免产品开发过程中重新建立设计方案模型，节省开发时间，方便与生产相对接。

零件的工艺过程设计是企业生产运行过程中十分重要的加工准备工作，其作用是将设计信息转换为制造信息，是承上启下的过度环节。工艺设计的目标是编制工艺件，基于零件的设计信息决策出加工制造方法、加工工艺装备、加工技术路线及加工参数，是企业组织车间生产的指导性文件[1]。编制工艺文件过程中要依据设计信息和制造信息，设计信息包含零件形状信息、尺寸数据、公差信息、粗糙度、材料、热处理、生产批量等，制造信息主要涉及加工工艺参数的计算和选择，还要熟悉车间的设备和生产条件。

传统的工艺设计由手工方式进行查阅、制表、绘图、计算等工作，工序繁多，工作量大，时间长。而当今市场具有复杂、多变的特点，传统的工艺设计方式不能对当今市场做出快速响应，并且对工艺人员的专业知识和经验要求高，工艺规程设计的质量不稳定。当今，市场由大批量，少品种转向少批量，多样化的需求形势，产品更新换代日益频繁，在以客户为中心的理念下，传统的工艺设计方式不能满足市场需求。而计算机此时已运用到生产和设计环节，CAPP（计算机辅助工艺过程设计）就这样产生了。工作时将零件的设计信息和制造要求传达给CAPP 系统，系统通过检索、编辑、决策编制出工艺规程，以人机交互的形式传达给操作者。CAPP 工作过程如图1 中所示。

CAM即计算机辅助制造，为加工零件编制数控程序。以工艺规程为依据，输入加工参数，选择加工路径，通过前置处理生成刀位文件，借助加工仿真验证工艺设计的合理性，再进行后置处理，转换成面向特定数控加工设备的NC 代码。传统手工编程的方法，需要手工计算节点坐标，人工书写和检查程序，工作量大，容易出错，零件的编程时间远大于加工时间。图形化自动编程系统比如MasterCAM、UG 等在制造企业中应用广泛，整个编程过程是交互进行的，方便、直观、速度快，检查和修改方便，借助于加工仿真，可以在软件上对毛坯进行虚拟加工检验，以避免人力和物力的损失。

数字化设计与制造系统借助工程数据库、网络通信技术、标准化格式的数据接口，将CAD、CAPP、CAM等单项技术集成，能够在各模块之间进行信息传递。

参数化设计环境中，模型的形态、结构特征、几何要素的拓扑关系不变，产品模型的尺寸由一组可变尺寸参数决定，设计时赋予不同的尺寸参数即可生成新的产品规格。参数化设计为产品零部件设计的标准化提供了高效率的方法[2]。

特征建模技术归纳了有限的具有工程语义的造型要素，包含了形状信息和功能、材料、热处理、公差、粗糙度、尺寸、装配等工艺、管理信息，是面向设计和制造的造型方法，也是数字化设计和制造系统的一项重要技术。基于特征的参数化建模技术是尺寸参数驱动下的基础特征和辅助特征的有序组合，包含了特征模型尺寸参数和位置参数。参数序列与特征尺寸序列应具有对应关系，对参数的定义不能出现干涉和过约束。除了常量参数之外，可变参数按照其是否具有独立性分为两类，一类参数的赋值不受其他参数影响，称之为关键尺寸或自变量参数；另外一类参数，可以由自变量参数的函数式表达。零件的尺寸规格是由关键参数决定的，只要改变关键参数，其他参数会随之改变，从而引起模型的重构。将零件按照其连接关系逐层组合形成装配体。

实际应用中的模型复杂、多样，不能建立适合于所有产品的通用化的数学模型，因此，不能用于通用系统的设计，仅能应用于特定环境下专用系统的设计。一些企业根据具体对象开发了图形化的基于特征的参数化设计系统，最初设置默认尺寸，建立系列化自变量取值表，用户可以根据取值范围修改，实时显示模型。

模块化设计是在满足单个产品功能特性的前提下，将产品分解为相对独立的标准化的功能模块，通过对模块进行选择和重构，组合搭建为全新的设计。以模块为单位的产品设计方式的特点是结构单元标准化、通用化，以单元为核心的加工方式将变化的设计方案转变为不变的生产规程，以不变应万变，大大缩短了生产加工的时间和成本，并且便于产品维修和更换[3]。

根据市场需求调查，分析用户对产品性能要求，确定性能设计的功能目标，将分解后的功能划分层次，按照功能与模块的映射关系，选择模块。在详细设计阶段，将模块单元具体化，依据主要参数限定范围选择合理参数，并确定模块规格和接口类型。最后进行可视化组装与测试。图2 所示为产品模块化设计工作流程。

为了便于设计和生产，模块具有生产标准化和可互换性的特点，通用接口将不同模块单元进行连接。对模块的生产和管理也是以模块为单位，从而将多品种、小批量生产，甚至单件生产还原为大批量生产，便于科学组织专业化生产，提高集约化生产效率。

在汽车行业，采用模块化定制，客户能够根据自身需求打造专属车型，通过定制平台，用户可以对汽车外观子模块和内饰部件等进行选择配置，通过虚拟现实技术，用户可以在定制系统中实时看到数字化模型，并进行交互编辑。汽车模块化定制组合模式如图3 所示。模块化定制方式充分体现了客户为中心，让用户体验到新的消费方式，并且成为了企业和用户沟通的重要载体[4]。

柔性生产技术与传统的刚性生产线相比，能够在较大范围内适应加工对象的变化。工艺规程设计是制造过程中的重要阶段。对于传统的工艺设计，已有零件的工艺规程不能再次利用，对于新零件必须重新制定新的工艺文件。CAPP 诞生后，派生式CAPP 被广泛应用于零件工艺规程的编制。成组技术理论为CAPP的产生奠定了理论基础和前提条件。利用零件在形状、材料和结构方面的相似特征，零件被分类成组，形成独立的零件组，也称零件族，比如盘类零件、轴类零件、箱体类零件等。同族中的零件在加工过程和方法上也具有相似性。每个零件组都制定了典型样件的工艺规程文件。零件族中所有零件的工艺特征都涵盖于典型样件的工艺规程之中[5-6]。主样件可以是真实存在的，也可以是人为设计的虚拟零件。

对于新零件的工艺规程设计，需要借助于零件分类编码系统，按照规则对零件进行编码，常见的有德国阿亨大学Opitz 教授提出的Opitz 编码系统，我国机械工业部为推行成组技术而开发的JLBM-1 系统等，来描述零件的设计属性和制造属性，形成GT 码。将零件的特征编码与零件组的特征矩阵进行比对，如果零件特征码位的代码位于特征矩阵区域内，则该零件隶属于该零件族。根据新零件与典型样件的特征差别，对典型工艺文件进行编辑、修改，从而得到新零件的工艺规程[7-8]。

采用成组加工柔性制造单元，对加工设备进行调整，将长期闲置不用的机床设备充分利用，加工设备规划在特定区域，方便管理和运输。柔性制造生产线依照成组工艺建立，包含了多台数控加工设备，根据零件的生产工艺过程进行组织，工序节拍基本一致。传统流水线加工的是单一零件，而柔性制造生产线加工的是零件族中的相似零件，加工生产线可变。采用柔性制造系统能够以不变的布局应对千变万化的零件，有利于生产过程中的自动化控制和管理，增强应对市场的能力。

借助于数字化设计与制造系统及其关键技术，能够实现高效定制生产，顺应消费者多变的个性化要求，让企业获得最大效益。以定制为目标的数字化设计和生产系统是集控制、管理、运储、检测为一体的多层次系统，要从计算机集成制造系统的高度统筹规划和运营，根据企业内部与外部环境变化而不断调整，逐步完善企业数字化生产模式，推动企业技术创新，提高市场综合竞争力。