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1、模具开发中的协同设计与科学管理王辉,程玲玲,姚晓东0 前言随着车灯市场的快速发展，对新型车灯要求越来越多。由以前的小模具、修理模具业务，发展到如今的双色模、大规模复杂型腔模具等，并向国外出口模具。对模具数量和质量都提出了很多新的要求。在这种情况下，如何协作模具开发，使整个模具制作过程更有成效，保证模具按质按量准时完成？协同各方面要素，充分发挥各相关部门的职能和潜力，是我们在实践中摸索出来的好方法。与VDA64质量认证系统相配合，贯彻协同设计和科学管理思想，是新模具生产走向未来的必由之路。协同设计的实质是项目进行各方通力合作，达到资源的最大整合；同时，对项目进行中出现的冲突，进行合理的消解和处理
2、，以实现整体最优。1 协同设计背景资料11 协同设计协同设计是实现并行工程的有利手段，也是实现并行工程的关键，协同设计强调设计者采用群体工作方式，从而不同程度地改善了传统设计中项目管理与设计之间、设计与生产之间的脱节，设计与设计之间，以及设计周期过长、设计费用高、设计质量不易保证等弊病。它注重为多功能小组提供多种信息交流方式和设计过程监控，强调设计决策过程是一个动态的群体协同行为，并注重研究设计活动的动态特性。12 协同系统设计的功能及特点协同设计系统功能概括3个层次，即通讯、合作和协调。通讯：通讯使各设计单位在设计过程中能够方便地交流信息；合作：合作是协同设计的工作方式，是在共享产品模型的基
3、础上，使不同的设计单位能够同步或异步参与到一个产品的设计过程中；协调：协调通过控制各设计单位的合作速度，保证设计的准确性，提高设计效率，使设计过程或结果达到最优。协同设计过程具有以下特点：（1）分布性：参加协同设计的人员可能位于相同地方，也可能位于不同地方。（2）交互性：协同设计中人员之间经常进行交互。交互方式可能是实时，可能是异时。（3）动态性：在整个协同设计过程中，产品开发的进度、工作人员的任务安排、设备状况等皆在发生动态变化。（4）协作性与冲突性：在协同设计中，开发人员之间需要密切合作。同时，由于产品开发的多样性以及实际情况的复杂性，合作过程中的冲突不可避免，需要进行冲突消解。（5）活动
4、的多样性：协同设计中的活动多种多样，除了产品造型、工艺设计、NC编程等活动外，还有项目管理、设计评审等。协同设计就是这些活动组成的有机整体。（6）网络环境：协同设计一般建立在网络环境基础之上，具有计算机软硬件的异构性等特点。13 协同设计的藕荷方式由于一个复杂项目的各个子任务间联合方式的不同，导致信息交流的水平也不尽相同。根据协同设计信息交流的深度，即设计的协同程度可将协同设计分为3类：松散、适度和紧密耦合，如图1所示。松散耦合的特点是小组间信息直接交流，信息阻抗大；适度耦合的特点是通过共享数据库交流信息，信息阻抗适中：紧密耦合的特点是通过约束网络建立小组间的联系，信息阻抗小。图1 3种协同设
5、计耦合组织方式在紧密耦合的协同方式中，问题的解决通常是分层次的，各子任务间紧密耦合，信息阻抗也非常低，甚至没有。设计者、管理程序组成一层，并在这一层上对产品的描述进行创建和修改。下一层由约束网络、规则、实例库等组成，表示了各子任务间内在联系。2 协同设计与科学管理过程21 协同设计和科学管理产能的急剧扩大是新模具开发采取协同方式的最主要原因。特别是通过VDA64质量评审后，如何将VDA64质量管理要求和模具开发的具体实践密切结合起来，创造出适合部门发展的设计和管理模式？是一个必须面对的问题。图2是上海小糸车灯厂模具部新产品开发流程图。从图2可以知道，新产品开发所涉及到的主要部门有CAM科、CA
6、D科及模具工装车间；而技术管理科在其中处于协调作用。如果套用协同理论，模具新产品开发过程完成可以作为一个紧密藕荷的协同设计系统来处理。其中所涉及到的协同小组有CAM和CAD相关人员、NC班组及钳修人员以及技术管理科。模具部内部网络、DNC系统、CATIA软件设计局域网、Dr工程及Dr，成本软件构成了紧密藕荷协同系统的网络环境。模具协同开发的上游是产品设计（技术开发部），下游是注塑生产（生产部）。与模具协同设计体系有密切的联系。图2 新产品开发过程在整个协同设计及管理过程中，技术管理科是重要的协调者，在模具协同开发环境中，居于核心地位。所有相关信息及标准均由它备案。22 与上游产品设计部门的合作
7、与协调产品设计部门是模具开发的上游，与其合作和协调主要通过3种途径：（1）产品开发部数据到模具部，为避免模具开发中出现错误，必须对产品数据进行检测。为此，专门制定了3D数据检测单。3D数据检测单有2种版本：一种只有单一模式，主要从模具加工工艺上考虑；另一种经过发展，综合各主要职能部门如模具部CAD、CAM、机加工及钳修和生产部反馈意见，分大灯配光镜、饰圈、反射镜、双色模以及有无内抽芯结构等。数据检测单由技术管理科负责制定和管理，CAM科相关人员负责执行。拔模分析、壁厚检测、抽芯结构、分型面R角是数据检测重点（见图3）。图3 模具开发前的数据检测流程（2）与产品开发部门的前期协溜会议是一个重要的
8、途径。模具部门提前参与到产品开发部门，对减少由于产品设计不合理导致的模具开发困难、工期延长及设计反攻等具有积极的作用。23 模具2D/3D协同设计模具2D/3D协同设计是模具开发中最重要的一步。协同过程涉及模具CAM和CAD科，见图4。图4 模具2D/3D协同设计过程3D造型人员（CAM科）和2D结构设计人员（CAD科）的密切协同配合，是实现模具开发科学管理的最根本保障。CATIA软件和AUTOCAD软件平台的互通，是实现协同管理的软件基础。设计过程中需要CAD科与CAM科人员的通力合作。由图4可见，前后道工序相互关联，需要双方人员的协商合作，与技术管理科配合，共同完成。由于CAM科在模具开发
9、过程中的特殊地位，模具CAM科为协同设计的基础，以CAM科所涉及的上下游管理及CAM科内部的技术管理过程，模具开发协同设计和科学管理的应用。24 模具CAM科协同设计和科学管理241 模具3D设计与2D设计及产品开发的协同（1）当拿到产品3D数据后，CAM科除了检测数据外，依据产品材质，放收缩率，生成产品3D实体，以方便后续模具造型，同时可将此实体数据生成STL格式传输给CAE分析人员，利用Moldflow软件进行流动、冷却、浇注等辅助分析。CAE分析结果可以反馈给产品设计部门，同时也可以给模具CAD人员作参考。实现模具CAD/CAB/CAM与产品CAD之间的协同合作。（2）对生成的3D实体模
10、型，拉模具分型面，2D结构设计人员可以对产品数据投影，完成模具初步设计（Auto CAD）。整个拉分型面与生成动定模框架过程，是在与2D结构设计人员的反复协商中实现。随后，按基本结构简图，3D设计人员完成模具实体生成、模具各种结构3D造型。（3）同时按照CAM加工要求，对模具3D模型进行修饰，如放低外分型面、导工艺圆角等。由于模具3D造型与NC编程都属于模具科工作范畴，造型时的加工针对性很强，可以避免以后模具加工时可能出现的问题。（4）等待CAD人员提供模具冷却回路信息图，确定3D冷却水管深度；同时3D造型人员给2D结构设计人员各种相关设计信息，辅助完成模具结构设计工作。（5）在整个过程中，如
11、果碰到一些问题，技术管理科协助处理。整个协同设计过程见图5。图5 模具CAM科3D协同设计过程协同控制方法：（1）3D设计错误防止。通过与模具2D设计图5 模具CAM科3D协同设计过程人员的交互，确认3D造型。由于3D设计中，很容易发生槽、抽芯尺寸等数据错误，专门制定了造型互检制度。即3D设计数据需要其它设计人员检查，并签字（有专门的模具3D造型互检单）。（2）3D数据草图和正式图的严格管理。只有经过确认的图纸才能下发模具制造车间。（3）模具3D设计和NC编程的协同管理。以前模具3D设计人员与NC编程人员是同一个人，这样可以避免3D设计与NC的不协调；由于模具部开发任务日趋繁重。现在由不同人处
12、理。因此，我们制定了严格的模具3D设计标准：这些标准是依据以前的NC编程经讨论决定：（4）当3D数据出现设计变更后，模具3D设计将及时通知NC编程人员，以保持数据的唯一性。目前，主要是通过晨会方式传达。以后，将建立统一的公共数据账户，使最新数据统一保存在公共数据库中，杜绝新旧文件不一致的现象。242 模具CAM科NC编程协同管理过程NC编程是CAM科的重要任务。当模具3D数据完成后，紧接着是任务分配。任务是按照动模、定模、其他零部件完成的，CAM科每个人员的工作性质都比较笼统，零部件编程工作经常互换。但随着模具开发量的日趋繁重，形成了目前流水线式的NC任务分配方式（见图6）：即按照模具零部件类
13、型分类，如动模、定模、型芯/抽芯等机加工由专人负责，同时，所有涉及到电极加工的部位，也有专人负责。由于每个人工作任务的相对单一，保证了其NC程序的“精”。相对提高了模具开发效率，从而保证了大批量模具开发任务的顺利完成。但是，也给协同管理带来了一定困难，通过以下方式可以保证协同的有效性。（1）NC编程时，必须采用最新数据。图6 模具CAM科NC编程协同设计（2）NC编程前，对数据3D模型的处理要细化；做符合加工实际情况的3D造型（考虑模具切削现状）。不同类型NC编程人员，对加工造型/编程有不同特点要求。在CAM科内部制定相应的动模、定模、型芯、抽芯、电极及花纹加工/造型标准，形成手册。由技术管理
14、科负责保管。每个NC编程人员，都要严格按照标准要求编写程序，从而保证了NC程序质量的稳定性。（3）在正式NC程序下发前，程序互查，只有经过确认的数据才能下发，从而最大幅度减少出错的概率。（4）每个NC程序都要模拟（TRYCUT软件）。要求每个程序单背后，都附TRYCUT模拟效果图。（5）在NC编程前，碰到比较特殊的工艺问题，技术管理科协同制定工艺方案。目前已形成了对每个型芯/抽芯复合结构定工艺方案的制度；同时，NC编程人员感到比较复杂的问题，也需要和工艺人员协商处理。从而杜绝了NC完成后出现问题的可能性。（6）NC编程依据技术管理科制定的工艺计划完成。每个NC编程人员都可以得到一份相当详细的工
15、艺计划流程图，此图由技术管理科制定。这样做有利于CAM人员理解整个流程和NC程序的关键点。（7）NC编程人员依据工艺规划员制定的工艺规划动态确认自己的编程进度，保证不延误工期。同时任务分配时，填写工作计划单，确保任务按时完成。同时，此计划单也可以作为监查工作效率的依据。243 模具CAM科与模具NC班组的协同管理模具NAM科与NC组的协同管理见图7。图7 模具CAM科NC班组的协同管理（1）协同管理机制。通过DNC系统传输NC数据；机床操作人员不能随意更改CAM员设置的NC参数，以达到标准化管理的目的。此参数按照已制定的标准设置，由技术管理科保存：（2）优点。减少机床操作人员出错的援率；通过工程数据管理软件Dr工程Dr成本的衔接，实现对模具开发过程的适时
