面向三维工艺的作业指导书设计.doc

本科毕业设计说明书（论文） 第 33 页 共 33页1 绪论1.1 课题研究背景及意义伴随着信息化时代的来临，全球进入了数字化时代。在迅猛发展的信息技术、网络技术的推动下，制造业正经历着革命性的变革。数字化制造技术应运而生，从产品的设计、制造、销售、维护到报废等阶段，均是归属于数字化制造的范围。但是目前只是对设计、销售、维护阶段的研究比较多，比如数字化模拟、数字化设计、数字化资源管理等都是一些耳熟能详的名词。然而在生产制造阶段，特别是车间现场对数字化技术的应用则相对比较薄弱。数字化制造需要均衡的发展，因此融合数字化技术和制造技术，面向车间生产现场的数字化制造技术，有待研究与突破。生产工艺对于制造企业来说至关重要1，它是连接产品设计和产品生产的桥梁，是指导作业人员完成加工任务的大纲蓝本，是实现企业增值的关键所在，对生产制造有着举足轻重的地位和作用。工艺工作贯穿于制造企业的整个生产流程2，主要包括工艺设计和工艺应用两方面。目前，工艺设计方面的研究较多，特别是三维工艺的出现，带来了基于三维模型工艺设计的研究热潮，如三维工艺规划与仿真技术3, 4、三维工艺中的特征识别技术5, 6、三维工艺信息表达技术7等。对于工艺应用方面的研究，特别是面向生产制造的工艺文件下发和展示的文献相对较少。工艺文件记录如何在过程中实现成最终产品的操作文件，是指导劳动者如何利用生产工具对各种原材料、半成品进行增值加工或处理，最终使之成为成品的方法与过程说明。其最终落脚点是指导作业人员更好更快地进行加工作业，完成零部件的生产任务。因此，工艺文件能否以更合理、更便捷、更友好的方式呈现给作业人员，是能否最大化地实现其价值的关键。传统二维环境下，工艺信息依托二维工程图，以纸质工艺卡片或图册跟随流转单下发至工位，加之配套的操作说明、安全规程等纸质文件，形成指导作业人员加工作业的文件体系。此方式广泛应用于我国大中小企业。然而其存在工艺更改滞后、工艺知识系统化困难、资源浪费等弊端，不利于企业和环境的可持续发展。同时，随着信息化时代的来临，数字化趋势不断冲击着此种落后的模式，随着ERP、MES等信息化系统的不断推进，企业纷纷开始加入数字化、无纸化的行列。特别是在“全三维”8概念提出之后，要求工艺指导信息在制造各个环节之间的传递从二维平面、纸质的模式转向三维立体、数字的模式，传统纸质方式与数字化之间的矛盾正激化着人类制造工程历史上的一次必要革命。因此如何在“全三维”这一全新的生产方式下为作业人员提供优于传统模式的基于工艺信息的作业指导，具有广阔的应用前景和深厚的现实意义。1.2 国内外相关研究综述1.2.1 三维工艺的研究现状a) 三维工艺的兴起二维平面工程图是制造业用于描述产品生产制造相关信息的重要依据，且曾经是唯一依据。然而人的思维是多维的，产品信息在全生命周期过程中流动时，传递过程的二维需求和人们理解过程的三维需求产生巨大矛盾，不断的转换造成了巨大的思维浪费，同时也容易出现表达不清或表达错误的情况。如图1.1 所示，产品设计师以三维的方式设计出产品，将其转化为二维图之后传递给制造阶段；工艺人员拿到二维图纸之后，首先在思维中转化为三维模型以理解设计，从而编制出使用于生产作业指导的二维工程图纸；作业人员拿到二维工程图之后，通用首先要在思维中将其转化为三维模型以理解产品和工艺。过程中四次转化将产生四次不必要的浪费，同时伴随着潜在理解错误的危险。然而这种浪费和错误的代价却已在制造业存在了百年之久。图1.1 产品描述信息传递与转化过程自此，基于三维模型的概念应运而生，它将产品整个生命周期中的产品信息和工艺信息均以数字化的方式呈现。特别是对于工艺信息的呈现，基于三维模型的三维工艺免除了大量的3D 和2D 的转换，在降低脑力浪费、体力浪费和资源浪费的同时最大化了生产制造的效率和效能。三维工艺相关技术是目前制造业研究的热点问题。b) 三维工艺相关技术研究现状三维工艺同传统工艺最根本的区别是两者基于不同的模型。传统的二维工艺建立在二维工程图的基础上，而三维工艺的基础是三维模型9-11。不同于传统的产品三维模型，三维工艺所依赖的三维模型在包含精确几何模型的同时，也包含了尺寸、公差、基准、属性等信息，以满足工艺设计和检验设计的要求， 从设计、工艺、生产、运营到服务实现“全三维”，替代原二维工程图样的功能。基于模型的定义（Model Based Definition，MBD）可以全面描述产品/零部件的性能模型、几何模型、工艺模型和维护模型，为“全三维”的实现提供了基础技术支持，是该领域国内外研究的热点技术。1）产品定义的发展随着信息技术、计算机技术的迅猛发展，结合三维CAD 技术的成熟和普及， 数字化产品定义将经历从二维工程图到三维模型发展的三个阶段，从过去的仅依赖于2D 工程图进行产品形状的定义和注释，到现在的2D 和3D 并存阶段， 产品定义的手段不断丰富化、人性化，未来，将脱离2D 工程图的表现形式， 通过3D 独立模型，以三维的方式定义产品形状和包含制造特征在内的三维注释标注，实现全三维，如图1.2 所示。图1.2 产品定义的发展美国波音公司是飞机研究无纸化设计的典范公司，早在1994年波音777的研制中全面采用了数字化技术12。自此，各国纷纷采取举措开展相关产品定义标准的研究和制定工作。美国关于三维模型的标注标准的起草工作由机械工程师协会于1997年1月发起，于2003年7月成为美国国家标准，以实现图纸与信息系统之间的传输13。在欧洲，ISO以ASME Y14.41标准为蓝本，制定了ISO16792标准。在日本，标准的制定始于汽车行业，并基于ASME Y14.41标准和ISO16792标准于2006年底出台了相关行业标准。在英国，于2006年颁布了军用标准。我国对MBD的应用自国家标准GB/T24734-20095颁布实施后成为国家行为。然而，这些标准仍未完全脱离二维工程图，处于三维和二维共存的状态，因此，要真正实现全三维，仍需努力。2）MBD技术是三维工艺实现的基础(1)MBD概述MBD（Model Based Definition，MBD），即基于模型的定义，是波音公司在20世纪90年代中期提出的一种产品数字化定义技术。该技术以三维实体模型为核心，在一系列规范标准的支撑下，将产品几何、尺寸及工艺信息等完整的产品信息集成，定义于一个三维实体模型，在确保了数据唯一性的同时，有效搭建了设计和制造过程之间的信息交换通道，实现设计与制造一体化。(2)MBD研究现状在国外，对于MBD的研究起源较早，应用相对成熟。如波音公司的787项目，全机的工程信息都是通过MBD定义的，从设计开始，全面在合作伙伴中推行了MBD技术，并依托达索软件基于三维模型完成工艺设计，同时在生产加工和装配过程中均依据该单一化的数据流和信息流。此外，如由日本三菱重工主导研发的新世代喷气客机MRJ等均采用了MBD技术。 在国内，20世纪末期启动的新飞豹研制计划标识着三维设计规模化应用的开始，同美国相差了10年。新飞豹设计全面采用三维设计技术，其全机电子样机是国内第一架全机电子样机，也是首次用电子样机替代物理样机进行协调设计，用数字量代替模拟量进行设计信息的传递。另外，中航工业成飞公司在枭龙飞机和ARJ21飞机机头的制造过程中也应用了全数字量传递的协调工作法。沈阳飞机设计研究所某型飞机研制中全面应用了全机电子样机协调、全三维建模的方法，并取得了显著的效益。 目前，我国航天产品研制正在由基于模拟量传递的研制模式向基于数字量传递的数字化研制模式转变，在航天工业新研项目中几乎全部进行了MBD技术的研究和应用。但是在生产过程的主要依据仍然是二维数字化模型，还未实现三维模型的全面推广和应用，在生产制造过程中仍需要将三维转化成二维并输出成图纸指导生产作业。1.2.2 三维工艺信息应用系统研究现状MBD技术的特点是采用三维数字化模型作为飞机零件制造、部件装配的依据，生产现场不再发放二维图纸。因此在摒弃沿用了百年的二维图纸之后，以何种方式指导现场进行有效生产成为该领域学者研究的热点。目前，研究主要集中在三维工艺设计和现场可视化技术方面，且偏重于三维工艺设计系统的研究，如西门子闫太生提出了一种利用Teamcenter实现基于三维中间工序模型的新型工艺设计模式；武汉理工王飞飞等对基于三维的工艺变型设计进行了深入研究，对工艺建模和工艺设计中的相关工艺参数和工艺流程变量进行了定义，研究了变量驱动生成工艺模型以及该零件加工工艺的工艺设计方法14。而针对三维工艺现场应用技术的研究相对较少，且研究主要集中在部件装配领域，如北航张魁等人开发了面向MBD制造环境的装配工艺数据集成系统；中航工业陕飞搭建了基于Windchill审签和管理装配仿真视频、装配大纲和三维工步视图的用于指导现场装配作业的解决方案。而未见面向零件制造（如机加车间、钣金车间、铸造车间等）现场应用方面的研究。然而零件制造是装配的基础，只有在确保零部件生产制造快速高效的基础上，才可能实现装配的高效可控15。此外从实现“全三维”的角度来看，必须重视产品生命周期的每一环节，任一环节的忽视都将阻碍“全三维”实现的进程，研究必须均衡。因此，建立一个面向生产车间，且能随车间性质的变化而实现系统定制化的三维工艺信息应用系统具有现实需求和时代意义。1.3 课题主要研究内容及组织结构本文主要研究面向三维工艺的作业指导书设计，以钢格板制造业为对象，研究三维作业指导书的内容、构成以及如何在生产现场展示。最终实现三维工艺信息在生产现场的应用，达到指导生产作业、提高生产效益的目的。本文分为5个章节，各章节具体内容和相互关系如图1.3所示。图1.3 文章结构示意图2 面向三位工艺的作业指导书总体设计2.1 需求分析2.1.1 钢格板制造企业现状分析钢格板向来是中国的优势产业，特别是最近十年里，钢格板得到了很好的发展，如今广泛用于精练油厂，轻化工，矿业及精练，发电厂，海上工程，建材业，农牧业，军工工程，园林，机场工程，自来水厂，废弃物处理，食品加工，纸浆及造纸业，水产养殖，运输业，制药工业。 可以说是各行各业中无不涉及到钢格板，随着中国的工业需求不断的上升，钢格板的需求量也会越来越大，而钢格板的质量要求也要比以前更高。在飞速发展过程中往往机遇与挑战并存，钢格板的被应用越来越广泛，在各个行业中的运用日趋成熟，市场需求量也不断增加，这些发展趋势都给钢格板制造企业提出了新的要求，要求其为满足产业发展需要必须快速提升能力。为适应钢格板制造业的发展形势，钢格板制造企业迫切需要解决车间生产过程中存在的诸多问题，特别是在工艺管理、现场可视化及信息化方面，存在如下几个比较显著问题。a) 工艺文件现场应用模式古老工艺文件是指导工人进行生产作业的依据，其现场应用模式的好坏将直接影响其指导效果。当前的工艺文件应用多采用纸质下发方式进行，通过条码技术将工艺文件和进度信息关联，在编制流转单时，通过扫描条码将各道工序与相应的工艺文件关联起来，跟随流转单下发至相应工位，供作业人员浏览。若有临时工艺文件需要修改，都要通过纸质文件的形式提交给工艺人员，反馈速度慢，响应滞后，易导致生产周期的延长。同时大量的纸质文件无法进行重用，造成资源的浪费，违背环境保护原则。b) 信息化效果不佳在车间信息化方面，虽已实施了制造执行系统（MES），但效果不尽如人意。突出问题是，MES所提供的信息量不能充分满足需求，容易遗漏；且一些重要信息不够实时准确，作业人员只能将其列为参考数据，而无法按其要求执行，反而增加了作业人员的工作量，违背了信息化的初衷。 当前，钢格板制造企业正大力推广三维工艺的应用，上述问题在三维工艺环境下尤为突出。特别是在工艺下发至车间的过程中，脱离二维、纸质文件后，如不革新车间生产模式，将难以进行。因此汽车制造企业迫切需要一种符合其行业特点面向三维工艺环境的全新的车间生产模式，实现三维工艺的现场应用。2.1.2 钢格板制造业功能需求三维作业指导书是基于MBD这种全新的产品定义方式的工艺信息车间应用载体，它基于钢格板产品的设计模式和流程，在设计和制造部门紧密联系的基础上，将车间纳入三维数字化行列，将为汽车制造企业的工艺、检验、零件、装配等各个部门带来全新的理念与工作模式。结合上文对钢格板制造企业生产特点的描述和对企业现状的分析，从钢格板制造企业现实需求出发，提出了面向钢格板制造企业的三维作业指导书的功能需求。a) 三维工艺展示信息完整钢格板产品结构复杂、精度要求高，三维工艺指导信息作为指导作业人员进行生产制造的最主要甚至唯一依据，必须保证其携带信息的准确性和完整性，保证其展示效果的直观性和可读性，同时将一些操作规范、安全要求等通用信息展示出来。因此需要建立实现与三维工艺设计系统的关联，通过专用工艺模块将需要的工艺相关信息接入系统，为三维工艺指导信息的展示提供专用工艺的数据来源，保证与设计同步的同时，提高了三维模型的重用程度；需要建立记录操作规范等通用工艺的管理模块，提供通用工艺的录入和维护功能。b) 三维工艺展示方式差异化钢格板制造企业生产的产品品种多、批量大，工艺路线有冲压工艺、焊装工艺、机加工工艺、涂装工艺和总装工艺等多方面。由于每个产品所对应的工艺信息、每个工位所需要的工艺指导形式均不尽相同，因此为了提高工艺信息的指导效果，需要建立可实现有针对性、差异化展示三维工艺指导信息的功能。加之任务多样，工艺展示方式需实现实时动态生成，以适应生成需求。c) 工艺更改响应快速及时在钢格板制造企业生产模式下，工艺更改和计划变更是导致生产周期延长的主要原因之一。因此为了缩短加工中遇到问题所带来的工艺文件临时更改周期，实现临时工艺修改快速反馈、及时下发的功能，需要建立工艺临时更改模块，提供工艺更改反馈通道和更改通知接收通道，使车间层能快速、便捷地将更改需求上传至工艺层，工艺层也能及时、有效地将更改通知传达到工位或个人，从而大大缩短因工艺更改带来的延时周期。 总之，本课题通过对三维作业指导书的研究，设计一套面向钢格板制造企业现实需求、适用于三维工艺环境的现场作业指导书。充分利用三维工艺的优点，发挥指导书的现场指导作用，提高现场信息化水平和快速响应能力。2.2 钢格板制造企业现行作业指导书的研究分析2.2.1 作业指导书对企业的作用与意义作业指导书是企业项目工程施工组织技术文件中必不可少的一个组成部分，同时也是满足顾客要求，达到顾客满意，确保工程质量目标实现的一个关键控制环节。它是一个企业质量手册与程序文件的支持性文件，又是组成企业质量管理体系文件（质量手册、程序文件和作业指导书三个层次中）基础层次，对一个企业质量管理体系的完善、有效运行起到关键性的作用；它是根据设计文件、施工图纸、项目技术标准、规范规程、专业技术人员的施工经验以及成熟实用的施工工艺进行编写的，主要是进一步阐明施工过程中或施工活动中的具体技术要求、质量标准、工艺要求和施工方法，用于规范工程技术人员和现场作业人员的活动行为与进一步明确工序质量标准，对指导施工和确保工作质量与工程质量具有重要意义。2.2.2 作业指导书的编写目的a)从格式、内容、发放及管理等方面进一步规范企业作业指导书编写使用等工作，进而完善和健全企业的质量管理体系；b)使作业指导书更贴近现场实际情况，切实起到指导工程施工的作用，以确保作业人员的工作质量和项目工程的工程质量，进而确保企业质量方针的执行和项目质量目标的实现。2.2.3 现行纸质作业指导书实例钢格板制造业的核心技术是机加工，包括车削、洗削、磨削、刨削以及划线等工艺，下面展示一份钢格板制造业的通用机加工车间的作业指导书。钢格板制造业机加工作业指导书：a）操作者应细心看清、看完图纸和工艺文件的各项阐明，坚持图纸和工艺文件的卫生与完好，并应严厉按描绘图纸、工艺规程和技能标准进行零部件的加工，不得随意自行更改。b)操作者依照工艺需求查看借用的工、夹、量、刀具能否契合工艺及运用需求，应有自校量具的习气，若有疑问，应当即与组长或车间出产管理者联络。c)操作者应将工、夹、量、刀具别离规整地放置在东西箱上或其它恰当的当地，但禁绝直接放在机床上，并应妥善保管好，不得恣意拆开而改动本来尺度或形状。d)在加工前，操作者首要应查看、查看毛坯或经由上道工序加工并和本工序有关的尺度，以断定余量能否契合工艺需求，余量不敷时，加工时注重保存黑皮。e)在加工铸件和锻件等零配件时，加工者应注重查看每次进刀后加工面的质量状况，发现有铸造或铸造等缺点时应中止加工并反应给质检等关联人员。f)操作者应依照工艺规则的定位基面装置零件。工艺未规则定位基面的，答应操作者自行挑选定位基面和装夹办法，可是有必要包管加工出来的工件契合图纸和工艺上的尺度和精度需求。在装夹东西前，应将夹具和工件整理洁净，在定位基面上不得有铁屑、毛刺、污物及磕碰表象。g)预压紧工件后，应按工艺需求进行工件的校对，若工艺未作出规则时，可按下列办法校对工件：1)当在本工序或本工步中加工到制品尺度，且今后该加工面不再加工，安装时也不再调整或刮研时，可以按图纸加工部位技能需求的1/3值校对，最终加工完结后应包管图纸中的技能需求。2)在本工序或本工步中加工的加工面今后尚需加工或刮研，则按该加工面名义尺度公役的1/3值校对，加工后要按此查验。3)在本工序或本工步中加工的加工面若工艺及图纸未指定需求，加工后应到达通用技能标准。h)按工艺需求进行压紧，如工艺上无需求，零件压紧时注重压紧力的方位、巨细和方向，并答应自加各种辅佐支承，以增强刚性。压紧前与压紧后都要丈量，防止变形和磕碰。i)凡加工面末到制品尺度而工艺卡片又未规则工序的粗糙度时，粗车、粗铣、粗刨、粗镗的外表粗糙度应为Ra6.3(4)，磨削前的各种外表粗糙度应为Ra3.2(5)，粗磨时外围的外表粗糙度应为Ra1.6(6)，线切割外表粗糙度应为Ra3.2。j)当工艺未规则时，工件的首件查验应该在自在状况下进行，不得压紧在夹具上。换刀后及替换夹具后的首件也应首检。k)对钻模等夹具的对刀部位（钻套、对刀块等）加工运用前应查看其磨损状况，磨损严峻的应及时向质检、技能部门反映，以采纳相应办法。l)对连续加工的工序或工步，为防止最终成批作废，操作者应分工序及工步进行自检，必要时进行互检或请查验员合作查验。m)加工时呈现失误或原材料有缺点时，应及时向质检人员反映，禁止私自代料加工或补焊。n)图纸或工艺中未规则的棱边处一概倒钝（工艺指明不倒钝的在外），且通常状况下应在加工有关面时进行。车内外螺纹时口端都要倒成和螺距的巨细及牙形角相同的成形角，零件倒毛刺应由操作者在本工序完结。o)工件在各工序加工后应由操作者坚持卫生，到达无屑、无水、无脏物，并在恰当的工位用具上摆放规整，颠末研磨后的精细合作面有必要清净研磨剂，不当即进行下道工序加工的工件，加工面应采纳防锈办法。p)工件各加工面除图纸及工艺规则的尺度公役外，均应按未注尺度公役制作(包罗形状和方位公役)。q)作业前应首要查看机床各部位能否正常，机床应空转510分钟，然后使转数逐步升高，以消除传动有些的空隙，并坚持杰出的光滑状况。关于磨床磨头应点动和疾速行程45次，作业台应以最大行程往复1020次。r)机床开动时，不得擅离作业岗位，作业时应严厉遵守安全操作规程的规则，合理穿戴好劳动维护用品。s)用作精细加工的机床，禁止强力切削或进行粗加工，通常机床应按规则动作操作，根绝粗野操作。t)严厉遵守机床阐明书中所规则的加工规模，不答应超标准、超负荷运用机床。u)运用砂轮机应细心查看砂轮有无裂纹，身体或头部应违背砂轮。磨削时用力不要过大，以防砂轮决裂。挡板空隙应常常调整，避免发作事端。加工状况向下一班告知清晰。v)交接班时，有必要把本班的机床、工、夹、量、刀具的运用及加工状况向下一班告知清晰。w)操作者应对工件数量担任，按签收数量交检，不得私自找料替代或丢失。x)零件转运时要注重维护已加工面及油漆面等外观面，不得粗野操作，损伤零件或损坏零件精度。2.2.4 现行作业指导书的类型与不足a)作业指导书的类型根据项目工程的施工特点，作业指导书可分为以下三类：1）操作性施工作业指导书,就是对某一活动，或工序，或工种来制定怎样操作、实施的专业指导书。2）检验性施工作业指导书,就是针对某一活动，或工序，或工种来制定检验方法、措施、标准的专业指导书。3）综合类施工作业指导书,就是针对某一活动，某一工序，或某一工种制定的即有怎样操作实施的技术方法，又有怎样检验控制的措施和标准的技术性指导书。目前钢格板的生产加工车间中所使用的是操作性施工作业指导书，涉及到操作者（现场作业人员）、机器设备、原材料以及操作方法。钢格板制造的核心技术是机械零件的生产与加工，现在国内钢格板生产车间现场发放给工人的作业指导性文件一般是以纸质的工艺卡片为主，如图2.1所示，其由车间设计部设计制定。b)作业指导书的不足可以看出该车间是以纸质文件跟随流转单下发至工位，加之配套的操作说明、安全规程等纸质文件，形成指导作业人员加工作业的文件体系。此方式广泛应用于我国钢格板制造企业。可以看出其缺少信息化效果，若有需要修改的工艺其就会延长反馈时间，工艺修改就会滞后，不能及时上传与下达，同时车间作业的工艺知识也不能系统的整合，缺乏系统化，其纸质文件会造成大量资源浪费等弊端，不利于钢格板制造企业和环境的可持续发展。因此，工艺文件能否以更合理、更便捷、更友好的方式呈现给作业人员，是能否最大化地实现其价值的关键。机加工工艺过程卡片产品型号零件图号产品名称零件名称共页第页材 料 牌 号毛 坯 种 类毛坯外形尺寸每毛坯件数每 台 件 数备 注 工 序 号 工 名 序 称 工 序 内 容 车 间 工 段设 备工 艺 装 备 工 时 夹具刀具量具 准终 单件检 设 计（日 期） 校 对（日期） 审 核（日期） 标准化（日期） 会 签（日期）标记处数更改文件号签 字 日 期标记处数更改文件号签 字 日 期图2.1 机加工工艺卡片3 三维作业指导书的内容3.1 三维作业指导书的作用生产车间摒弃了传统的纸质工艺文件，而使用三维作业指导书的时候，车间便实现了三维工艺的现场应用。其具体作用如下：a) 提高生产效率作用。作业人员使用三维作业指导书之后无需二维向三维的转换，减少了思维转换的时间浪费。并且，三维作业指导书一般情况下是经过专业的工艺人员对产品的结构，材料属性，加工方法，加工步骤，加工要点，加工的经济性等作了较全面的分析而编写出来，它综合以上加工因素，对生产中易造成各种浪费：如多余的动作引起的作业时间浪费，作业方法错误而引起不良品，造成材料浪费和加工时间浪费，工具设备操作不规范而引起的机器损坏，人身伤残等经济上的损失等问题，IE 一般都会在作业指导书内提出一些预防方法及措施；故正确作业可减少或避免这些对作业本身没效，但又会引起严重后果的时间及经济上的损失。IE一般都会对作业内容进行优化，所以按预订好的作业方法作则可消除工时及不良品方面上的浪费，而提高产出，也就达到提高生产效率目的。b) 起指导正确作业作用。对一个新产品或新员工来说，有一份明确的数字化作业指导文件至关重要。它可避免盲目作业，减少摸索时间；因有三维作业指导书而有方法可循，则可迅速正确地完成相应作业内容。c) 在生产中保证产品质量作用。因每人操作都按相应作业指导书内容与步骤操作，就相当于不同的作业人员按同一个模式作业，结果就是做出的产品象一个模子印出来一样，产品质量就达到统一，也就产生了标准化效果。所以产品质量就有了保证。d)提高公司的形象。三维作业指导书是客户对我们公司制造工艺水平了解的一个主要窗口，通过对它的了解就可知道该公司制造工艺水平状况，也可预见到产品的质量可达到怎么样的效果。一份好的作业指导书是会让客户对公司的制造工艺有直观的认识，并产生好感，也对我们制造工艺潜力更加信任与放心。3.2 三维作业指导书的构成3.2.1 车间工艺信息分类生产车间内所涉及的信息要素包括：生产资源信息、机械零件信息、工艺路线信息、工艺方法信息、机加工方法信息、工步信息、岗位规范信息以及人员信息。a)生产资源信息生产资源即是制造资源，是机械产品的物质基础和加工基础。根据资源类型、资源用途等，建立如图3.1所示的资源分类。 第一层，根据制造资源的类型不同，将其分为物料资源、设备资源和工装资源。第二层，根据制造资源的用途不同，将其再次进行细分，物料资源分为原材料、毛坯、半成品和成品；设备资源分为加工设备、运输设备、检验设备和包装设备；工装资源分为刀具、夹具、量具和辅具。 第三层，根据制造资源的特征不同，将其再次进行细分，如毛坯分为锻件毛坯、铸件毛坯、型材毛坯和焊件毛坯；加工设备分为车床、铣床、磨床等；夹具分为通用夹具、专用夹具、组合夹具等。图3.1 生产资源分类b)机械零件信息机械零件是机械的基本单元，也是工艺信息的基本对象。按照机械零件的加工属性、特征属性、功能属性，建立如图3.2所示的机械零件分类。 第一层，根据机械零件加工属性的不同，将其分为回转类零件和非回转类零件。 第二层，根据机械零件特征属性的不同，将其再次进行细分，回转类零件分为轮盘类、环套类、销杆轴类、齿轮类、异型类、专用类；非回转零件分为杆条类、板块类、座架类、箱壳体类。图3.2 机械零件分类c)工艺路线信息工艺路线是描述零部件的生产制造过程，由一个个工序组成。一般生产车间里的工艺路线为“下料刨车铣热处理钳表面处理”，具有7个工艺阶段，每个工艺阶段均拥有各自的描述文件，概念同二维环境下的工序卡片；为了描述一个流程的关系，每个工艺阶段均标明了其前、后工艺阶段；此外应具备删除、插入等操作功能。因此，将工艺阶段分为当前工艺阶段描述、前一工艺阶段、后一工艺阶段三个部分，如图3.3所示为工艺路线的分类。图3.3 工艺路线分类d)工艺方法工艺方法是将原材料加工成产品的方法，根据加工方法的不同，将工艺方法分为铸造工艺、锻造工艺、机加工艺、焊接工艺、热处理工艺和装配工艺等。如图3.4所示。图3.4 工艺方法分类e)岗位规范信息岗位规范主要是指与当前岗位密切相关的指导性文件、规范，一般是在工艺文件的基础上强化生产作业指导的文档，在岗位/工位既定的情况下，其不会应生产加工对象的变化而变化，仅随岗位/工位的变化而变化。一般包括岗位职责、工作规范、岗位安全规程、设备操作与维护规范和应急预案，如图3.5所示是岗位操作规范的分类。图3.5 岗位规范分类f)人员信息人员是车间生产的主体，按照工作职责的不同将车间人员分为车间管理人员、车间工艺人员和车间作业人员三类，如图3.6所示。图3.6 人员角色分类3.2.2 三维作业指导书多视图表达 随着作业进度的深入，现场作业人员对作业指导信息的需求是不同的，例如，对钢格板的氧气切割车间来讲，作业指导信息包含设备信息、操作信息、质量要求信息和安全注意事项信息等等。其中，操作信息又包括准备工作、具体作业方法步骤等文字和图片信息。如果将不同车间、不同作业阶段的作业指导信息展示在同一页显示屏上，则这些信息将会混乱不堪，不方便于现场作业人员的查找、阅读和理解，这样反而起不到三维作业指导书的作用效果了。因此，要求三维作业指导信息能够按照不同的作业车间和作业进度进行展示。为了避免将大量与当前无关的作业指导信息显示出来，本文采用多视图的表达方法，分别将三维作业指导信息按照车间类型和作业进度进行划分和管理，并在特定的阶段进行显示。如图3.7所示，视图的划分主要根据车间类型和作业进度过程进行标识。为了完整、清晰地对三维作业指导书进行表达，本文又将作业进度进一步划分为工艺阶段层、人员角色层和指导类型层三层，如图3.8所示。图3.7 三维作业指导书多视图表示结构（1）图3.8 三维作业指导书多视图表示结构（2）a）指导类型层 指导类型描述了三维工艺指导信息的不同类型，主要分为三类，一是专用工艺指导信息，二是通用工艺指导信息，三是综合前两者的综合工艺指导信息。由于工艺类型的不同，如专用工艺强调的是工艺规程，通用工艺强调的是设备操作规程等，综合工艺则是两者的结合，所需展示内容不同则展示方法也需“因地制宜”，因此，必须为每类指导类型提供最佳的展示形式，达到最优的人机交互效果。b）人员角色层 人员角色描述了三维工艺指导信息的使用主体，可以定位到生产作业所涉及的不同人员角色，如工艺人员、车间管理人员、普通作业人员等。由于不同角色人员所负责的工作职责是不同的，其对系统执行的操作是不同的，因而所需的三维工艺指导信息的展现形式也有所区别，如工艺人员需要制定工艺参数、管理工艺信息，甚至是由他来设定每类人员的所能看到的指导信息，因此这类人员需要管理类形式；车间管理人员需要对车间进行宏观把握，其所需的指导信息应该站在宏观的角度展示；普通作业人员是进行车间现场生产作业的人员，也是三维工艺指导信息的最终应用主体，该类人员需要通过作业指导信息的指导完成生产作业，其所需的指导信息应该是相对细化的展现形式。因此，必须建立针对不同人员角色的展示形式，为其工作提供便捷，达到系统预期目的。c）工艺阶段层 工艺阶段描述了加工对象的工艺路线，可以定位到工艺过程的不同阶段，即每道工序。由于每个不同的工艺阶段所对应的工艺信息是不同的，其所需的展示方式也有所区别，如普通机加阶段强调加工参数，数控机加阶段强调程序代码，装配阶段强调装配动作的指导等。因此，必须建立不同工艺阶段下差异化、个性化、符合特定用户需求的展示形式。3.2.3 三维作业为指导书的组成结构三维作业指导书主要由如图3.9所示的模块/子系统组成：a）现场可视化管理模块；b）专用工艺管理模块；c）通用工艺管理模块；d）工艺临时更改模块；e）员工管理模块；f）数据管理模块。图3.9 三维作业指导书组成结构a）可视化管理模块 现场可视化模块主要负责三维作业指导信息的可视化浏览和配置。可视化浏览模块主要面向车间应用，为现场作业人员提供三维作业指导信息的可视化浏览界面，该模块根据现场作业人员信息搜索与之相关的作业指导信息，并以一定规则展现，响应并反馈用户请求；可视化配置模块主要服务于车间管理人员，为其提供可视化展示配置平台，车间管理人员可通过该模块实现对展示形式、展示内容的调整和定制，从而实现为不同工艺配置相适应的展示形式，更好地发挥其作业指导的作用。 b）专用工艺管理模块 专用工艺管理模块主要负责专用工艺预设置和数据接口管理功能。专用工艺即为传统意义上的产品工艺，随零部件的变化而变化。专用工艺预设置模块主要提供专用工艺的预定义功能，车间工艺人员、车间管理人员均可通过该模块建立专用工艺与作业人员之间的关系；通用工艺维护功能提供通用工艺的增、删、改等维护性功能，车间管理人员可通过该模块对通用工艺库进行管理维护。 c）通用工艺管理模块 通用工艺管理模块主要负责通用工艺预设置和维护功能。通用工艺是相对于专用工艺而言的，随岗位的变化而变化，而不随零部件改变，主要指与岗位或工位密切相关的岗位职责和工作规范、岗位安全规程、设备操作与维护规范以及一些经验数据等。通用工艺预设置模块主要提供通用工艺的预定义功能，车间工艺人员、车间管理人员均可通过该模块建立通用工艺与专用工艺之间的关系；通用工艺维护功能提供通用工艺的增、删、改等维护性功能，车间管理人员可通过该模块对通用工艺库进行管理维护。 d）工艺临时更改模块 工艺临时更改模块主要负责工艺临时更改通知和反馈功能。工艺临时刚改通知模块提供工艺更改的通知功能，当工艺发生变更时，工艺人员将通过该模块下发更改通知，通知将以弹出框的形式出现，提醒作业人员注意最新工艺的获取，并提供更新链接，作业人员仅需点击该链接，即可完成工艺的更新；工艺临时更改反馈模型提供更改请求功能，当车间层发现工艺问题并需要请求更改时，可通过该模块提起更改请求，等待工艺层响应：若工艺层认可该更改，则返回请求被接受，等待工艺更改通知即可；若工艺层认可该更改，则返回请求被拒绝，车间仍按照当前工艺进行生产制造。 e）员工管理模块 员工管理模块主要负责员工工时管理、员工绩效管理、员工档案管理和员工组织管理四个模块。员工工时管理主要提供员工个人工作时间统计管理功能，主要是指在线作业时间的统计，通过获取员工登录信息，记录其工作时间，从而对其工作进行统计分析，为绩效管理提供依据；员工绩效管理主要负责对员工工作效率、贡献情况等绩效相关数据的统计与分析，如出勤率、合格品率等，其中需特别强调的是对知识库的贡献，即经验数据的提供。通过对这些数据的分析处理，结合车间绩效管理相关规章制度，获得该员工绩效的参考考核结果，以指导其更好地投身于车间作业中；员工档案管理主要提供员工个人基本信息的管理功能；员工组织管理主要提供员工所在部门、所属职务、主要职责等组织信息的管理功能。 f）数据管理模块数据管理模块主要负责对整个系统的相关数据进行预定义、设定及管理等操作，主要包括参数管理、报表管理、历史数据管理三个模块，是一个便捷化数据操作入口。4 三维作业指导书界面设计4.1 指导书主界面根据上文的分析与设计，以制造业为对象，设计了三维作业指导书的主界面，如图4.1所示。图4.1 三维作业指导书主界面三维作业指导书的主界面大体可分为三部分：人员登录区、功能导航区和功能应用区人员登录区主要提供给车间人员的操作入口，包括当前用户信息、在线人数、该用户最后登录时间信息，以及用户设置、修改密码和注销操作入口。功能导航区提供系统各模块的操作入口，包括上述所有功能模块，根据登录用户的权限情况，该区将根据系统参数动态显示相应的可操作模块。功能应用区是进行系统主要的人机交互区域，根据各模块功能的不同显示不同的应用界面，以供用户使用。4.2 可视化浏览界面设计本文主要是以车间现场作业人员为对象进行三维作业指导书的设计，所以这里只对可视化管理模块的可视化浏览界面进行设计，至于其他模块的界面这里暂不讨论研究。可视化浏览是三维作业指导书面向用户的最重要的窗口，也是现场作业人员的最终需求体现。如图4.2和4.3所示是可视化浏览的结构展示图（图4.2是专用工艺示意图，图4.3是通用工艺示意图）。图4.2专用工艺示意图图4.3 通用工艺示意图如图4.4所示是专用工艺作业指导书的可视化浏览界面，零件基本信息部分是基本标识要素，包括：零件图号、零件名称、工序号、工序名称等基本要素；零件工序完成示意图部分向作业人员显示的三维工艺模型图，是让员工对作业内容有较直观，明了的理解，达到易明白之目的；工序描述部分是作业上的具体操作方法及必要的步骤。它是为了达到品质要求及生产效率要求而作出的一个详细的作业内容及避免作业混乱、错误的作业步骤，起保证产品质量及生产效率的作用；物料信息部分包含：材料牌号、厚度、长*宽、材料消耗和样板号，是让员工明确使用材料的要求，可避免作业上的用料错误问题；设备信息部分包含：设备型号、设备操作和检具号，它是表明在生产作业过程中为了保证品质或效率而须要的必备工具或设备。图4.4 专用工艺作业指导书的可视化浏览界面如图4.5所示是通用工艺作业指导书的可视化浏览界面，岗位规范部分包括：岗位职责、工作规范、安全规章、设备操作与维护和应急预案5块内容。现场作业人员可以根据登录的用户信息来确定相关的岗位信息从而获得该岗位的通用工艺作业指导信息，来指导作业。图4.5 通用工艺作业指导书的可视化浏览界面5 总结与展望5.1 全文工作总结作业指导书是指导车间现场作业人员完成作业任务的标准文件，对生产作业有着举足轻重的地位和作用。三维作业指导书是在车间数字化的基础上将车间的作业以可视化的方式展现给现场工作人员，达到更合理，更便捷，更舒适的效果，提高作业效率。本文重点研究了传统纸质作业指导书所存在的弊端和钢格板企业对三维作业指导书的功能需求，以及钢格板车间的工艺信息，进而对三维作业指导书的组成结构作了研究，最后进行了三维作业指导书的可视化界面设计。现将本文所作的主要研究工作和取得的成果总结如下：a) 通过对钢格板制造企业的车间生产现状尤其是工艺方面的现状的分析，对三维作业指导书进行了需求分析，建立了面向三维工艺的功能需求。b) 重点研究了钢格板制造企业现行的作业指导书，分析了其对企业的作用与意义，然后归纳出现行作业指导书的类型和其存在的不足之处，为三维作业指导书的设计奠定了良好的基础。c) 基于对三维作业指导书的需求，对钢格板车间工艺信息作了分类归纳，提出了多视图的表达方式，在此基础上架构了三维作业指导书的组成结构。d) 基于对三维作业指导书的的功能需求、钢格板车间工艺信息、多视图表达方式以及三维作业指导书的组成结构，结合钢格板企业的需求，设计了面向三维工艺的作业指导书的可视化浏览界面。5.2 不足和展望三维作业指导书是在三维工艺环境下提出来的应用系统，本文虽在三维作业指导书的组成结构和可视化界面设计取得了一些成果，但是对于一个系统而言还缺少许多关键技术的研究，最终是要开发出一个三维工艺信息应用系统，因此还存在一定的不足之处，还有许多需要进一步研究和完善的地方。下一步工作可以从以下几个方面展开：a) 进一步研究三维工艺系统的在线自组织方式，以实现系统的在线应用。以及研究逻辑推理的理论和方法，这是研究的重点和难点