基于可制造性设计规范的工艺检查系统研发分析

唐 波

（益阳职业技术学院，湖南 益阳 413055）

由于现代科学技术的持续发展，工艺检查流程从人工检查逐步转变成计算机辅助检查，开展这项工作能够有效促进信息平台的建设。笔者在武汉某制造信息化管理的上市企业学习调研时，接触到可制造性设计 （Design For Manufacturability，DFM）概念与基于信息化的工艺检查理念，目前，信息化管理手段已广泛应用在产品设计、制造以及现场管理的各个方面，而使用制造执行系统 （Manufacturing Execution System，MES）、计算机辅助设计(Computer Aided Design，CAD）、计算机辅助工程（Computer Aided Engineering，CAE）、计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）、企业资源计划 （Enterprise Resource Planning，ERP）等各种技术和系统，能够有效减少产品制作与开发的周期，并且还能够有效提高产品质量。然而，即使使用了先进的产品数据管理（Product Data Management，PDM）系统，企业内部也并未创建知识规则库，因而缺乏良好的继承关系[1]。此外，工艺检查在ERP 系统中是由工艺设计师审查的，模具行业企业技术含量高，一般是单件生产，工艺复杂，流程众多，常规工艺检查容易忽略某些细节，需要进行辅助工艺检查以排除一般工艺错误。

通过使用企业构建的数字平台，并使用CAX，PDM 等技术，能够有效地对产品功能与作用、工作数据管理、工艺等各方面的问题进行处理。但是，在设计的可制造性以及成本等各方面通常仍然使用传统的工作方法开展分析，这种方式不能与目前的信息系统相一致，在设计的最初不能有效落实对产品的可制造性与成本约束的考虑。为了能够有效加快型号研制工期，对其质量与成本进行控制，优化研制的系统应该不断推广面向工艺的结构设计方式，对其研制系统进行优化与完善，同时还应该对设计技术的基础数据及建设信息进行积累与审核。

1 自动工艺检查系统与可制造性设计的介绍

1.1 自动工艺检查系统的介绍

常规的工艺检查是由经验丰富的工艺设计师进行的，在CAX 技术日益普及的今天，零件的设计图纸与加工图纸可能并不一致，这些由人工检查容易出错。工艺检查一般可分为结构工艺性检查和制造工艺性检查两类。一方面，对结构工艺性检查而言，主要检查其对加工质量、生产效率和经济效益的影响，包括结构特征的尺寸、位置、精度及与其他结构的尺寸、位置、精度之间的关系； 另一方面，对制造工艺性检查而言，主要检查其制造工艺过程的经济性、可行性和可靠性，一般机械零件制造的工艺有其固定工艺过程，如常规的车削、铣削、钻削、电加工等，都有很成熟的加工工艺。

针对复杂模具制造，可由三维模型的加工特征，按一定规则构建其通用加工模板，如钻孔工序、型腔开粗工序、等高加工工序等，对不同的工艺路线，可二次开发定制其检查规则，新的工艺手段也可添加到知识系统，实现工艺的自动检查。自动工艺检查系统可与企业的信息化平台实现交流与共享，促进企业信息化水平的提高。

1.2 可制造性设计的概念

DFM 是面向产品生命周期设计的一种，也称为零件的可制造性要求。工程师一般认为产品设计就是在三维软件中绘制出产品模型，但是可以设计出来不一定就能制造出来，或制造出来成本过高、时间过长或质量达不到要求。而DFM 团队通常由设计师、制造工程师、市场代表、财务经理、研发人员、原材料供应商和其他项目利益有关者 （包括客户）共同组成。由于其中涉及到各个方面的人员，因此能够有效推动计划的完成，并且能够对传统生产方式中有可能出现的制造问题进行规避[2]。其通常是对产品自身的物理特性与制作系统各部分之间的相互联系进行研究，并在产品设计中进行使用，以优化整个生产系统和工艺流程，使其更加标准化，节约成本，减少生产时间，提高产品的可制造性以及工作效率。DFM 的主要核心是在不影响产品功能的基础上，参与产品的前期规划再到产品生产的整个设计过程，使其更加标准化、简化，使设计能够帮助生产和应用。节约产品的生产生本，减少工艺流程，选择成熟度较高的工艺技术、标准零件，并对加工复杂度和成本进行简化[3]。

2 应用可制造性设计的意义

1）节约成本，提高企业产品市场竞争力。低成本、高收益是企业永恒的追求，利用DFM 技术，可生产出低成本、高质量、高效率的产品。

2）促进生产过程更加标准、自动，优化生产效率。面向制造的设计将设计部门与生产部门有效结合起来，以实现信息交流的目的，让设计开发和生产协调一致。标准统一，易于完成自动化，强化生产效率。

3）促进技术转移，优化产品转移过程，强化企业内部协作交流。通过DFM 技术能够让企业与外协加工企业实现技术的顺利转移，快速组织生产，DFM 的普遍应用能够让企业产品全球化生产[4]。

4）提高新产品开发和测试的效率。如果不采用合适的DFM 规范控制产品设计，则可装配性与可制造性问题有可能在产品开发最后阶段或生产时才会发现。这种情况下想要利用设计变更来纠正，会导致开发成本的加大和产品生产周期的延长。

5）能够解决制造与装配工艺越来越复杂的问题。制造与装配工艺趋于复杂化，为了能够获得市场先机，节约生产成本和开发成本，有必要采用最新与最快的制造与装配工艺技术，并利用DFM 技术使其标准化，才能紧跟技术发展步伐。

3 工艺检查系统的可行性分析与关键研究内容

3.1 自动工艺检查实现的可行性分析

工艺性检查工作就是工艺人员对产品制造工艺以及产品结构的工艺性开展分析，并提出有效的修改建议，设计部门所设计出的产品，应符合机械制造标准与工艺要求。工艺性检查的基础是产品信息的标准化，核心是结构工艺性检查和制造工艺性检查。因此，自动工艺检查实现的可行性包括产品信息标准化实现的可行性、结构工艺性自动检查的可行性、制造工艺性自动检查的可行性3 个方面。

1）产品信息标准化实现的可行性方面。在CAD/CAM 软件中建立以特征为单元的全参数化三维模型后，可统一装配、制图、层等产品信息的技术规范。以UG NX 为例，可用其Checkmate 功能模块来实现，它是基于知识熔接技术的质量保证实用工具，开启Checkmate 功能后就能完成三维零件、装配件和制图的检查，实现初步信息标准化。

2）结构工艺性自动检查的可行性方面。UG 的特征就是以产品结构为单元来组织的，如产品设计中圆角、倒角、抽壳、筋、凸台、垫块等特征的结构，其设计有相关的标准，其关键参数信息通过UG 表达式或二次开发工具，如KF 编程、OPEN C++等来提取和引用，再构建基于OPEN C++的MYSQL 结构工艺性数据库，通过关键参数与数据库的对比与分析，达到结构工艺自动检查的目的。

3）制造工艺性自动检查的可行性方面。UG 的CAM 模块以 “操作” 为工序组织单元，在工序导航器组成工序序列，实现基于机床的加工顺序序列，对典型的数控车、铣、钻、线切割工艺，都要遵循粗加工、半精加工、精加工的加工路线，刀具、材料、切削用量等工艺要素可以通过加工数据库来实现知识熔接，构建针对不同加工特征的加工模板。数控编程员所编制的“工序操作” 参数，可通过与加工数控库的比对与分析，实现对工艺参数合理性的检查。

3.2 工艺检查系统的关键研究内容

参考产品设计原则、零件结构设计原则、制造工艺性规范要求、机械设计标准等，关键研究内容可分为以下4 个部分： 一是模具加工DFM 标准；二是模具典型零件制造工艺的数字化形式； 三是结构工艺性数据库与加工数据库的数据结构； 四是自动工艺检查系统与数据库的通信与连接。

3.3 工艺检查系统的技术要求

一是自动工艺检查软件可与已有三维软件直接无缝集成； 二是软件可方便人机交互的便利开展；三是加工制造和结构工艺性数据库应具有智能学习功能； 四是对三维模型的加工特点开展智能识别、分析和判断； 五是根据数据库的信息，对产品设计三维模型的工艺检查软件可以将检查结论用文件的形式输出，详细列出结构工艺性与制造工艺性问题，并提出改进建议。

4 可制造性设计的工艺检查规则

针对不同的产品，符合DFM 的工艺检查规则也不同。对于注塑模具而言，DFM 应包括注塑成型工艺性检查和模具部件制造工艺检查两个方面。一方面，对注塑成型工艺性检查，应包括壁厚、拔模斜度、BOSS 柱、筋、孔等参数的设计规则； 另一方面，对模具部件制造工艺性检查，应包括机床的选择 （普通或数控，三轴或多轴）、材料、刀具、切削参数、工序划分等显性的因素，也包括成本、效率、工时等隐性的因素。因此，企业应让企业中的设计、工艺、制造等部门具有丰富经验的技术专家采取反复讨论和总结经验的方式，明确工艺检查规则参数，并将其转变为相应的设计与制造经验数据，创建设计与制造的数据库。

5 与ERP 系统的集成与应用

从企业信息化管理的全局来看，自动工艺检查系统应融入ERP 系统中，并在设计过程的不同阶段开展。完成设计图样以后，有必要利用工艺检查软件开展评审工作，生成评审报告。修改评审报告中的否决项，对错误的问题进行逐一修改，在完成修改以后应该重新生成报告并传递给下游的工艺设计师。工艺设计师对图纸进行评审，并对工艺评审报告中数据的正确性进行检查，检查图纸的制造精度的经济性，及时反馈给上游的设计师[5-6]。

6 结束语

发展先进的制造技术并实现信息化管理，是加速我国由制造大国向制造强国转变的重要保证。在制造智能化、信息化发展的今天，融入DFM 规范的自动工艺评审技术已是制造企业信息化建设的重要组成部分。对一般企业的信息化建设，要摒弃原有的人工评审方法，构建符合企业本身实际的工艺评审系统平台。良好的信息化工艺评审系统，能够提高技术人员的工艺检查工作效率，降低生产成本，促进企业向信息化制造方向转型发展。