装配制造企业智慧研发工具设计探索与实践

苏 雷 ，和 帅

（1.东南大学，江苏 南京 210096；2.常州博瑞电力自动化设备有限公司，江苏 常州213025）

1 背景

如今严峻的市场竞争环境、多样化和个性化的客户需求以及经济与环境效益的均衡等问题[1]，给装配制造业带来了新的挑战，迫使企业寻求一种更加智能化、柔性化和绿色的发展模式。德国在“Hannover Messe 2011”上首次提出了工业4.0战略，美国智能制造联盟于2011年发表了“实现21世纪智能制造”的报告，首次提出智能制造的概念，我国于2015年发布了中国制造2025报告，这些战略的发布从政策上为智能制造、智慧工厂与数字化车间建设、以及前后端配套环节转型升级发展指明了方向[2-3]。

企业各个环节都在争相采用信息化与设备技术手段来“武装”自己，达到降本增效、提升质量满足不断变化的需求。

生产环节精益生产模式构建、机器人/机械手取代人工、数字化产线建设、生产管理信息化系统（如：MES）升级改造等；仓储运输环节采用立体料库、AGV自动引导运输车等提升仓储配送能力等[4]。

细分到产品研发方向，目前很多企业已经采用全三维（CAD）设计建模，配合多种事前仿真模拟（CAE）验证，设计、验证手段逐步丰富，质量也在飞速提升。但是设计工具操作便捷性差，规则要求复杂，设计阶段必须进行很多重复性低价值劳动等问题普遍存在。相比生产环节很多低价值劳动被机器设备取代，研发环节尤其是按单定制的产品研发却很难被工具取代。如本文主要描述的电力装备制造行业，多数以客户需求为主，多品种小批量按单生产模式。与传统制造业大批量精益化生产模式不同，按单生产需要快速响应需求，在时间、成本、质量上都有更高的要求。在目前激烈的市场竞争模式下，电力设备制造行业很多公司都在寻求在产品研发环节更多的管理思路以及工具选择，来应对研发时间不断压缩，数字化样机质量要求逐步升级的需求。

2 企业智慧研发工具应需而生

设计工具不同于管理工具，管理工具因为需要按照企业实际的管理需求模式定制很多实际业务场景，所以多数软件企业采用提供工具和提供开发服务的企业合作，或者部分企业可以同时提供工具售卖与软件开发定制服务的模式。这类管理软件企业往往及时掌握着客户以及所在行业的需求特点以及最新需求变化。但是设计工具因为其功能很多为共性，只要提供基础软件以及必要的培训就可以基本上完成设计工作，所以软件企业与客户面对面，深度挖掘企业实际使用需求的机会较少。随着企业对工具的应用逐步深入，管理工具的定制开发模式逐步增多，企业逐步开始萌生了针对设计工具使用体验不佳，与企业工作思路与模式不符的点进行定制开发的思路。

近几年国内以华为为首的很多大型企业都在探索通过设计工具进一步改造的方式来提升设计效率，如：格力、海尔、美的、布勒、森源电器、海康威视等公司先后启动智慧设计项目，以需求为主导，由软件工作人员按照企业需求进行主流设计工具功能定制的模式正在悄然崛起。在离散型按单定制的电力设备制造型企业，因其多品种小批量设计变更频繁的工作特点，对设计工具的改造需求十分迫切。

3 企业智慧研发工具应用实践

3.1 智慧研发知识库构建

知识库是智慧研发工具的基础，是推动企业迈入智慧时代的必然手段。指的是将每一位员工多年以来积累的经验、设计方法等认知、规划有效管理起来，并实现共享。企业广义的知识库可以包含标准、设计规范、经验教训库、专利与软件著作权等知识产权等。智慧研发知识库特指从上述内容中提取出可以被软件读取或者“学习”的设计经验及规范。构建企业级智慧研发知识库的目标为切实的将每个个体的知识转化为集体知识，并不断的扩大覆盖范围，迭代累积。借助信息化工具，让知识库程序化、信息化、流程化，让传统的只能靠人脑完成的设计过程，部分通过软件工具自动设计完成，提升设计的质量与效率，降低了企业新人培养成本，让高端人才从繁杂的低水平重复性工作中解脱出来，有更多的时间与热情去做前瞻性、创造性的设计工作。

智慧研发知识库构建思路，首先，可以从企业的快速设计需求出发，统计哪些重复性工作具备可被提取明确设计规则的条件，并且这些规则具备可以被软件编译的可能性。其次，将提取的设计规则分类，通过实践开发验证规则的准确性，逐步优化。最后，在现有的设计规则基础上，不断迭代发现功能在企业其他产品上或者有共性的结构上扩展的可能性，类比其他工作通过工具自动处理的可能性，以此不断鼓励员工发现与拓展新的设计规则，迭代新的工具功能。“问渠那得清如许，为有源头活水来”，只有不断的迭代更新的机制，才能更好的与行业、企业最新的发展诉求相适应，才能更好的服务于企业。

图1为企业智慧研发知识库实践基本架构示意。

图1 智慧研发知识库实践基本架构

3.2 智慧研发工具定制开发实践

笔者所在企业主要在以下几个典型方向进行了探索，并且实践验证取得了良好的效果。

首先，铜排快速设计。铜排为电力设备产品间及产品内部常见的载流零部件，因为其受到元器件布局影响，模型尺寸、折弯等很难做到标准化，导致模型种类繁杂、变形设计多、重用度几乎为零、设计及调整耗时长等一系列问题。本工具插件旨在助力铜排快速设计与改型设计，解决铜排自动查重借用等问题。提出解决方案流程图详见图2。

图2 铜排设计流程图

通过上述开发思路，定制插件，将传统建模设计规范固化，设计过程简化，操作便捷化，实现快速建模、快速调整。颠覆原有标准化设计思路，由软件系统通过模型几何特征与参数信息自动对比，完成自动查重借用过程。见图3。

图3 铜排快速设计界面

其次，柜式产品快速设计。因电力装备制造行业定制化柜式产品逐步增加，更新迭代速度快，建模细节较多，建模周期长等特点，建模周期与质量挑战逐步增加、建模质量要求逐步提升等问题越来越凸显。本工具旨在总结存在人脑中的柜体设计经验、设计规则，降低人为重复计算建模过程耗时。提出解决方案为：1）从产品研发实际需求出发，梳理具备快速生成约束关系的系列化柜体结构；2）柜体结构参数化联动规则，并将参数联动关系写入软件后台；3）将全自动生成与选装选配零组件分类，定制快速生成规则；4）设定参数查重规则，约定柜体规则选择前，可以软件自动调取、重用历史产品零组件。通过上述一系列功能开发，将人脑设计过程全部搬迁至软件后台处理，极大的节约的设计人力投入，设计周期与质量明显提升。见图4。

图4 柜体参数化快速建模界面

再次，元器件快速布局。本工具旨在实现元器件柜体内部快速布局过程，通过坐标系装配快速约束关系，解放传统装配速度慢、定位调整复杂等问题。提出解决方案为：1）提取产品布局基本规则，并将元器件大类与对应的位置关系定制进系统；2）开发“点装”功能，鼠标在面上点到哪里，即元器件定位到哪里；3）开发快速面对面调整功能，可以快速定位目标面之间的距离，并快速调整等。通过上述一系列功能，颠覆传统定位布局耗时长，调整操作步骤复杂等问题，实现改型设计快速响应。

最后，钣金件自动出图。本工具旨在实现简单钣金件快速标注，自动出二维工程图。提出解决方案为：梳理企业制图习惯约束规则、标准，定制软件自动实现规则。并且通过自动出图的契机，反过来约束员工统一制图习惯，约定哪些制图方法与模式为企业推荐采用的模式等，综合提升企业制图效率与质量。

上述主要功能，通过信息化、智能化与传统研发设计过程的融合，切实地解决了企业产品研发过程效率、质量、标准化重用等诸多问题。

4 智慧研发工具功能拓展设想

在大数据、人工智能与传统行业加速融合的大背景下，配套的生产加工手段以及软件算法、解决方案逐步丰富，传统电力装备制造行业产品研发过程或许有更多的可能性。

针对产品多品种小批量定制型企业，如铜排产品设计，可以构建产品模型设计大数据平台，累积工程师铜排设计路径规划、载流量计算等一系列过程数据，引入基于Apriori的数据挖掘法等数据挖掘算法，细致分析学习需求趋势、设计习惯等历史数据[5-7]。当平台数据足够丰富时，软件自动分析、设计铜排产品。以此类推，从简单产品入手，逐步拓展到复杂产品。这对于传统制造业产品研发过程，将是一次颠覆式的革命，当然，这目前还只是功能设想，能否在企业实践应用，还需要有需求的制造企业与软件公司的开发手段强强联合，创造大数据与人工智能与传统制造业融合的又一个壮举。