上海世科嘉車輛技術(shù)研發(fā)有限公司 唐堯

產(chǎn)品數(shù)據(jù)質(zhì)量控制在汽車行業(yè)PLM系統(tǒng)中的應(yīng)用

上海世科嘉車輛技術(shù)研發(fā)有限公司 唐堯

隨著汽車行業(yè)競爭的日益激烈，國內(nèi)各個汽車廠商都開始通過不斷提高研發(fā)階段的投入來縮短研發(fā)周期，提升虛擬化、數(shù)字化和模塊化在產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng)的應(yīng)用，加快產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度并提升產(chǎn)品質(zhì)量。論文以所在汽車企業(yè)研發(fā)中心為例，研究了如何在整車研發(fā)流程體系中建立數(shù)據(jù)檢查流程，提出了如何集成現(xiàn)有產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng)，并最終提升了設(shè)計數(shù)據(jù)質(zhì)量，保證下游系統(tǒng)、流程的有效性和整個產(chǎn)品研發(fā)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

一、引言

2015年5月8日，國務(wù)院印發(fā)《中國制造2025》，這是實施我國制造業(yè)強(qiáng)國戰(zhàn)略的第一個十年綱領(lǐng)，同樣也是“十三五”期間制造業(yè)升級的重要指導(dǎo)文件。《中國制造2025》提出，堅持“創(chuàng)新驅(qū)動、質(zhì)量為先、綠色發(fā)展、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、人才為本”的基本方針，所謂質(zhì)量為先，就是要在提升智能制造水平的同時，確保產(chǎn)品的最終質(zhì)量。

汽車行業(yè)作為制造業(yè)的代表，始終走在技術(shù)的前沿，通過近十年的高速發(fā)展，產(chǎn)銷雙雙突破2000萬，研發(fā)能力也不斷提升，計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）、計算機(jī)輔助工程（CAE）及計算機(jī)輔助制造（CAM）等虛擬開發(fā)（Virtual Development）工具已被大多數(shù)汽車企業(yè)廣泛使用。在虛擬開發(fā)階段，三維產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型作為工程信息的核心載體，不僅在公司內(nèi)部被工程部門，工藝部門，設(shè)計部門等相互引用和互為參考，而且在公司外部，更作為供應(yīng)商設(shè)計、開發(fā)和模具設(shè)計的基礎(chǔ)。因此，合格的、有效的數(shù)據(jù)是虛擬開發(fā)的基礎(chǔ)，在提升工作效率方面起到至關(guān)重要的作用，公司也對數(shù)據(jù)模型提出了很高的要求。

但是，在實際工作中，尤其是在工程師對三維數(shù)據(jù)的建模過程中，由于工程師經(jīng)驗不足，數(shù)據(jù)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，或者一時疏忽大意等各種原因，會造成產(chǎn)品數(shù)據(jù)質(zhì)量上的一些缺陷（或潛在風(fēng)險），這些缺陷和潛在風(fēng)險，會對下游系統(tǒng)，下游流程造成很大的損失和風(fēng)險。例如，在三維數(shù)據(jù)中，外觀面數(shù)據(jù)存在微小的破面，在實體零件數(shù)據(jù)中存在微小的空隙，這些在設(shè)計階段，往往憑肉眼很難被發(fā)現(xiàn)，如果在研發(fā)設(shè)計階段不能及時被發(fā)現(xiàn)并有效改正，由此引起的質(zhì)量問題可能到供應(yīng)商開模階段或試制試驗樣車驗證階段甚至到產(chǎn)品使用階段才被發(fā)現(xiàn)，這會給企業(yè)帶來產(chǎn)品開發(fā)周期延長，成本和安全隱患增加等等諸多不可估量的負(fù)面影響和直接經(jīng)濟(jì)損失。

因此，在設(shè)計開發(fā)階段，通過計算機(jī)輔助工具對產(chǎn)品數(shù)模檢查和把關(guān)，顯得尤為重要。

二、產(chǎn)品數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的意義

1.從設(shè)計源頭確保產(chǎn)品質(zhì)量

近年來，數(shù)字化、虛擬化在汽車開發(fā)設(shè)計和制造階段被廣泛使用，其優(yōu)點是可以縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)費(fèi)用。在虛擬開發(fā)環(huán)境下，產(chǎn)品數(shù)據(jù)（包括2D和3D）是信息的源頭，一個高質(zhì)量的數(shù)據(jù)模型，對下游的CAE（計算機(jī)輔助工程）分析、工藝設(shè)計、造型面優(yōu)化和CAM計算機(jī)輔助加工等流程起到至關(guān)重要的影響。如果數(shù)據(jù)源出現(xiàn)質(zhì)量問題，可能造成下游環(huán)節(jié)分析失效，設(shè)計周期延長、零件加工精度降低，供應(yīng)商磨具受損，以及最終銷售產(chǎn)品質(zhì)量出現(xiàn)問題等一系列潛在風(fēng)險。因此，需要再設(shè)計初期就對產(chǎn)品數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行控制，圖1中表示了產(chǎn)品3D數(shù)據(jù)源在下游系統(tǒng)中的應(yīng)用。

圖1

2.保證數(shù)據(jù)交換中數(shù)據(jù)的有效性和一致性

在設(shè)計開發(fā)階段，隨著分工越來越細(xì)，常常需要對外發(fā)布數(shù)據(jù)和接收供應(yīng)商提供的外來數(shù)據(jù)，在此過程中由于雙方使用的設(shè)計軟件不同，往往容易造成數(shù)據(jù)偏差，尺寸精度下降，細(xì)微數(shù)據(jù)丟失，需要工程師花費(fèi)大量時間和精力進(jìn)行重復(fù)溝通或者重復(fù)建模。

例如，目前流行的數(shù)據(jù)交換接口可分為3類，即：標(biāo)準(zhǔn)接口、業(yè)界接口和專用接口。標(biāo)準(zhǔn)接口是已經(jīng)被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織或某些國家的標(biāo)準(zhǔn)化部門所采用，是具有開放性、規(guī)范性和權(quán)威性的標(biāo)準(zhǔn)，其中最具有代表性的是IGES和STEP標(biāo)準(zhǔn)。業(yè)界接口是具有相當(dāng)影響力，并被業(yè)界認(rèn)可的通用接口規(guī)范，如AutoCAD公司的DXF、Spatial Technology公司的ACIS和EDS公司的Parasolid。專用接口是CAD軟件為了導(dǎo)入/導(dǎo)出其它CAD軟件的模型專門開發(fā)的接口。如NX軟件為能直接導(dǎo)入CATIA和Pro/E模型開發(fā)的CATIA V4/V5和Pro/E接口。

3.規(guī)范設(shè)計方法，提高工作效率

同一產(chǎn)品，不同公司的不同設(shè)計人員的設(shè)計過程、建模思路可能完全不一樣，這種不一致性將影響工作效率，降低數(shù)據(jù)質(zhì)量。設(shè)想一下，某一產(chǎn)品的設(shè)計人員突然離職或者休假，但是開發(fā)過程卻不能停止，需要新來的工程師繼續(xù)對原來的數(shù)模進(jìn)行設(shè)計，或者往往耗費(fèi)大量時間精力去理解前者的設(shè)計思路，甚至需要重新建模。對企業(yè)而言，這是資源的極大浪費(fèi)。如果能建立統(tǒng)一的設(shè)計規(guī)范，建模規(guī)范，那么不僅僅能節(jié)約寶貴的開發(fā)時間，還能讓年輕工程師通過數(shù)模結(jié)構(gòu)了學(xué)習(xí)到零件的開發(fā)過程，引導(dǎo)和約束設(shè)計人員按照自覺養(yǎng)成規(guī)范地建模習(xí)慣，積累了設(shè)計經(jīng)驗。（圖2顯示同一零件在有規(guī)范設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求下，在CAD設(shè)計軟件CATIA中的結(jié)構(gòu)樹與無標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計下的CATIA結(jié)構(gòu)樹）而數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查工具正是可以根據(jù)企業(yè)的要求量身定做檢查標(biāo)準(zhǔn)，對不符合企業(yè)規(guī)范的數(shù)據(jù)不予接受，從而減少了因數(shù)據(jù)建模不規(guī)范等低層次問題對模型進(jìn)行頻繁修改的次數(shù)，促使數(shù)據(jù)能更有效地和PLM系統(tǒng)集成。

圖2

三、數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查工具在PLM環(huán)境中的集成與應(yīng)用

1.產(chǎn)品數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查工具簡介

Q-CHECKER是Quality-Check的縮寫，字面意思是質(zhì)量檢查者，為德國TRANSCAT公司基于CATIA開發(fā)的CAD數(shù)據(jù)質(zhì)量控制軟件。Q-CHECKER根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合企業(yè)自身的標(biāo)準(zhǔn)融合到檢查中，形成具有企業(yè)特色的標(biāo)準(zhǔn)文件，依據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)來檢查數(shù)模中包括裝配件、零件和二維圖紙為主的數(shù)據(jù)缺陷，把產(chǎn)品質(zhì)量控制提前到了CATIA設(shè)計建模階段，幫助我們找到提高數(shù)模質(zhì)量、消除缺陷的方法。Q-checker for CATIA V5的檢查項目分三類：標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范檢查、設(shè)計方法檢查和幾何檢查。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范包括數(shù)模歸檔的狀態(tài)、文件及元素的命名、層的使用規(guī)范等；設(shè)計方法包括記錄設(shè)計方法的結(jié)構(gòu)樹的組織、保證并行關(guān)聯(lián)設(shè)計的元素定義、針對具體結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法、造成工藝問題的設(shè)計方法等；幾何檢查項目包括對線、面、實體及二維元素的檢查，如線不連續(xù)就不能生成面或不能生成高質(zhì)量的面，面體與片體間有間隙就無法生成實體等等。其中有許多的缺陷Q-checker能夠自動修復(fù)。

2.Q-CHECKER 在PLM環(huán)境中的集成與應(yīng)用

Q-CHECKER雖然功能強(qiáng)大，在很大程度上提升了數(shù)據(jù)質(zhì)量，但是如果沒有產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理平臺進(jìn)行集成，則需要工程師線下自查，很容易出現(xiàn)遺漏，不利于數(shù)據(jù)的整個生命周期的管理。企業(yè)應(yīng)該將Q-CHECKER的檢查流程融入到整個PLM流程中，使其為在PLM系統(tǒng)凍結(jié)的數(shù)據(jù)進(jìn)行最終的質(zhì)量檢查，根據(jù)數(shù)據(jù)不同的成熟狀態(tài)進(jìn)行不同質(zhì)量檢查，結(jié)合PLM系統(tǒng)中數(shù)據(jù)凍結(jié)流程，形成設(shè)計數(shù)據(jù)的閉環(huán)管理。

以某企業(yè)為例，將達(dá)索公司的CATIA V5作為CAD設(shè)計軟件，將 TRANSCAT公司的Q-CHECKER軟件作為數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查工具一起集成于西門子公司的TEAMCENTER-PLM數(shù)據(jù)管理平臺。

在數(shù)據(jù)創(chuàng)建完成之后的數(shù)據(jù)檢查與存儲流程中：在保存到PLM系統(tǒng)之前，系統(tǒng)會要求進(jìn)行Q-CHECKER檢查，并顯示檢查結(jié)果。依據(jù)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果可分為錯誤，缺陷和正確三種類型（缺陷意味著數(shù)據(jù)有潛在風(fēng)險但無質(zhì)量問題），當(dāng)檢查結(jié)果為錯誤時，需要工程師在CATIA中重新修改或優(yōu)化數(shù)據(jù)質(zhì)量，直到檢查結(jié)果為缺陷或者正確。如果工程師堅持將顯示結(jié)果為錯誤的問題數(shù)據(jù)保存到PLM系統(tǒng)中，在保存時，TEAMCENTER會自動提示彈出警告窗口，并將錯誤記錄為QCHECKER FAIL（不通過），其余兩種情況均記錄為QCHECKER PASS（通過），圖3顯示了與CAD/PLM系統(tǒng)集成的數(shù)據(jù)檢查工具的數(shù)據(jù)檢查與存儲流程。

圖3

當(dāng)工程師需要在PLM系統(tǒng)中發(fā)布數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查工具再次發(fā)揮作用：根據(jù)項目要求，在發(fā)布數(shù)據(jù)時候需要先進(jìn)行內(nèi)部發(fā)布（Publish）后進(jìn)行外部發(fā)布凍結(jié)數(shù)據(jù)（Release）。

在進(jìn)行內(nèi)部發(fā)布時，根據(jù)PLM系統(tǒng)中記錄（PLM中記錄為通過或者不通過）當(dāng)使用TEAMCENTER向內(nèi)部發(fā)布數(shù)據(jù)（Publish）時，如果PLM中記錄為通過，則順利完成Publish流程，若為不通過則彈出警告，此時工程師可以選擇放棄發(fā)布流程，回到CATIA中重新修改數(shù)據(jù)或者繼續(xù)發(fā)布（Publish）。

在進(jìn)行外部發(fā)布凍結(jié)數(shù)據(jù)時（Release），如果PLM中記錄為通過，則順利完成Release， 若為不通過則彈出警告，此時工程師可以選擇放棄發(fā)布流程，在PLM中升級新的版本后重新回到CATIA中對數(shù)據(jù)進(jìn)行修改后繼續(xù)完成流程，如果選擇繼續(xù)發(fā)布，TEAMCENTER 將會終止發(fā)布，圖4顯示了與CAD/PLM系統(tǒng)集成的數(shù)據(jù)檢查工具的數(shù)據(jù)檢查與發(fā)布流程。

圖4

由于在企業(yè)CAD/PLM環(huán)境中集成了質(zhì)量檢查工具QCHECKER，沒有經(jīng)過Q-CHECKER檢查、檢查不通過或不符合數(shù)據(jù)的檢查標(biāo)準(zhǔn)均無法在PLM系統(tǒng)中發(fā)布，從設(shè)計源頭確保了數(shù)據(jù)的質(zhì)量，為下游系統(tǒng)提供了可靠的輸入。

四、結(jié)語

三維產(chǎn)品模型在開發(fā)周期中會涉及多個企業(yè)、部門和平臺的交換與共享，幾何模型存在質(zhì)量缺陷會造成各個部門工作的拖延甚至制造返工；同時設(shè)計是制造的準(zhǔn)則，所以數(shù)模質(zhì)量好壞直接影響最終產(chǎn)品質(zhì)量。數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查工具在CAD系統(tǒng)和PLM系統(tǒng)中的集成應(yīng)用，大大地提高了數(shù)據(jù)質(zhì)量、提升了工程師的設(shè)計效率，實現(xiàn)了設(shè)計數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查及凍結(jié)的閉環(huán)管理，為下游系統(tǒng)和流程提供了可靠的數(shù)據(jù)質(zhì)量保證，縮短正常虛擬開發(fā)的周期，降低了開發(fā)成本，同時，由于采用了統(tǒng)一的設(shè)計和檢查標(biāo)準(zhǔn)，工程師的設(shè)計經(jīng)驗得意積累和保留在企業(yè)內(nèi)部，為企業(yè)形成規(guī)范化的設(shè)計流程培養(yǎng)一流設(shè)計人員打下了堅實的基礎(chǔ)。