为研发具有自主知识产权和国际竞争力的高速列车产品，提高高速铁路装备技术水平，我国启动了国家“十一五”科技支撑计划，其子任务“高速列车车体工艺流程数字化平台”主要研究如何在一体化平台支持下采用结构化工艺设计模式开展高速动车组车体工艺设计。
长期以来，企业的产品设计数据管理系统和工艺设计数据管理系统是完全不同的两套系统，系统之间没有进行紧密的集成，工艺设计只能在产品设计结束后才能开展，这种数据孤岛和串行设计模式导致了整个产品的设计效率低下，周期加长；工艺设计数据管理系统采用非结构化方式组织数据，无法对典型工艺高效借用。高速动车组因其产品结构复杂、零部件数据量庞大等特点，急需搭建一套能够实现协同设计、数据源统一、设计效率高、管理功能强的管理平台，解决数据孤岛、串行设计等问题，缩短动车组的研发设计周期，承担起企业级的PLM系统的职责，支撑动车组产品的全生命周期管理。
1 设计、工艺一体化平台
Teamcenter是西门子公司的全生命周期管理PLM系统，系统基于SOA架构设计，具有很好的系统开放性。能够以完全SOA架构的方式，提供PLM系统所要求的功能，包括文档管理、产品结构管理、配置管理、零部件分类管理、工作流程管理、更改管理、项目管理、需求管理等的产品全生命周期管理，是一套全球制造业应用比较广泛的整体解决方案。
根据高速列车工艺设计的特点，结合Teamcenter的TCM（Teamcenter Manufactunng）功能模块，基于单一数据源，利用OOTB功能和二次客户化定制开发，来实现企业自己的业务需求，其平台功能架构如图1所示。
图1 Teamcenter平台架构
Teamcenter系统平台实现了设计工艺的一体化管理，在功能上不但可以完全取代产品设计数据管理系统和工艺设计数据管理系统，而且还发挥了Teamcenter系统在产品全生命周期信息管理上的优势：
首先，产品设计和工艺设计在统一数据源下工作，工艺设计师可以基于基线管理很方便地和产品设计师进行协同工作；在产品设计过程中工艺设计可以提前进行零部件的工艺性审查，准备工艺设计资源等，开展并行设计。
其次，结构化工艺搭建的MBOM结构树，可以将班组、台位、工装、夹具等资源和工序关联，设计完成的卡片、文档等挂在结构树上，方便后续的工艺整体借用等。
第三，能够形成工艺设计的典型知识，把典型工艺、原型产品工艺设计保存为模板，为后续快速工艺设计提供快速支撑。
2 一体化平台下结构化工艺设计
2.1 高速列车车体工艺设计流程
高速列车车体是车辆主要的承载部件，因其选用的材质为轻量化合金铝型材、零部件数量多、运营速度等级高、运行环境复杂等各方面因素，决定了高速动车组的工艺更为复杂。本文以项目中某一高速列车车体工艺设计实施过程为基础，论述如何基于Teamcenter设计、工艺一体化平台开展高速动车组车体工艺设计。其车体示意模型如图2所示。
图2 高速列车车体模型示意
基于平台的工艺设计流程如图3所示。
图3 工艺设计流程图
2.2 结构化工艺数据组织
高速列车车体工艺采用结构化工艺设计，其结构为：总工艺/子工艺/工序三层结构或者多层，子工艺按大的工序组织，总工艺/装配子工艺/装配工序下均可以挂虚拟件（虚拟件是指因工艺设计需要，在EBOM中不存在，由工艺设计师添加到PBOM中的虚拟零部件），各子工艺完成后，需将车体组成发给整车总装配工艺师，由总装配工艺师将其指派到对应的整车装配工序上，工艺数据结构如图4所示。SFPbody：车体总工艺。SFPSubProcessessAsm：装配子工艺。SFVPat：装配虚拟件。SFFixture：工装。
图4 工艺数据组织
2.3 工艺资源管理
在工艺设计时，指派工艺资源完成相关工艺设计是必不可少的，使用Teamcenter提供的分类管理功能，对工艺设计过程中用到的工厂、设备、工装、工具、台位、班组、工具等各种资源进行管理，其中设备、工装、工具等与三维数模进行关联，指派工艺资源可以查看资源是否满足工艺要求。图5为分类管理中的资源结构树。
图5 资源结构树
2.4 基于可视化环境的三维结构化工艺设计
应用结构化工艺设计模式进行车体工艺设计时，整个工艺设计过程都是基于三维环境完成的。从产品设计阶段开始，工艺设计师便提前介入参与，对产品的工艺可行性进行充分的评估；在设计完成后，工艺设计师进行产品工艺的最后审查。
2.4.1 工艺性审查
在产品设计过程中，可以根据不同阶段，把整个产品设计过程分成不同的成熟度，基于系统的基线管理功能，对达到一定成熟度的产品发起流程，进行工艺性审查，以便工艺设计能够提前开始，实现与设计的并行工作。对未达到成熟度的产品，工艺设计师提前对部分零部件可制造性进行评估，提出针对工艺的产品改进意见，最大化地减少返工。
在对产品的工艺性审查时，工艺设计师无需用三维设计工具打开原始模型，而是可以直接在Teamcenter中用浏览器查看由原始三维模型转换来的JT轻量化模型，JT模型的特点是去除了参数化建模的特征信息，保留了模型的几何信息，同时缩小了模型的数据量。工艺设计师按照EBOM结构，可以选择加载查看需要审查的对象。
2.4.2 分派工艺设计任务
项目负责工艺师首先在Teamcenter系统创建总工艺节点，然后建立工艺设计任务书（如图6所示），根据不同部类工艺设计任务要求，再建立各个子工艺节点，这些子工艺需要分配到不同的部类负责工艺师。按照工艺设计任务书，项目负责人把各子工艺的操作所有权转移给负责工艺师，同时通过系统的信封功能，把子工艺以超链接形式放到信封内容中，并对工艺设计的要求进行描述后分发各个部类负责人。任务接收工艺师接到需要设计子工艺的任务后，通过超链接可以快速打开需要的子工艺节点，把子工艺发送到制造工艺规划器中进行下一步的工艺设计。
图6 工艺设计任务书
2.4.3 零件工艺设计
高速列车的车体生产是根据工序来组织的，零部件的工艺是跟工序相关的。工艺设计师选择相应的装配工艺节点如下料工序或者一般工序，创建工序的方式如图7所示。
图7 新建工序
工序创建后，从EBOM中指派需要设计工艺的零件，根据零件制造特点，同时在工序下指派相应的工艺资源：施工班组、使用设备等，如图8所示。
图8 工序和模型等信息的关联
通过在创建工序时填写的如下料尺寸、加工工时等信息，可以生成用于生产现场使用的工艺卡片，工艺卡片上的信息都是通过提取工序的相关信息后生成的，而不需要通过手工填写信息。生成的工艺卡片，可以通过批量打印的方法输出，指导生产现场的施工。工艺卡信息如图9所示。
图9 生成的工艺卡信息
2.4.4 装配工艺设计
子工艺中的装配工艺设计，首先需要到系统的典型工艺模板库中查找是否有适合的典型工艺，如果有合适的典型工艺，借用典型工艺，快速在工序下生成相应的工艺结构，修改工序参数，指派需要装配的零部件，更新装配工艺卡片、工作图等；如果没有合适的典型工艺借用，那么就需要在工序下新建装配工艺，指派装配零部件，设计装配流程，指派装配班组、台位、设备等工艺资源，创建装配工艺卡片，编制操作规程等。对于装配工艺来说，如果存在没有设计过工艺的零件，那么装配工艺师需要把零件用系统信封发送到零件工艺师处；零件工艺师开始零件的工艺设计，同时装配工艺师检查EBOM中的各个零件是否完全指派到各工序的装配工艺中；如果全部指派，检索是否有未发布的零件工艺，只有所有的零件工艺走电子签审流程发布后，装配工艺才能发起电子签审流程，发布装配工艺为正式版本。所有的电子签审流程结束后，由各大部类负责工艺师生成MBOM，提取工艺卡片明细、工艺文件目录等，为MES提供数据。
对于装配工艺，根据工艺设计项目管理中对时间节点、提交物的要求，还需要编写各种其他工艺文件，如作业指导书、工作图等。这些工艺文件也需要进行电子签审后正式发布。
2.4.5 电子签审
对于工艺设计中的各个业务点，都有相应的电子签审流程与其对应，完成工艺设计后，选中需要走流程的内容，如装配工艺、零件工艺或者其他的工艺文件等，新建工作流程，选择对应的流程，指派流程中各个节点的签审人员，即可发起签审流程。需要签审的工艺内容会附带在流程中，签审节点中的人员可以很方便地对待签审工艺内容进行查看。完成电子签审后，流程中的工艺内容即自动发布，生成正式的版本数据用于指导现场生产。
3 在一体化平台下进行工艺设计实施的建议
a.项目实施需要得到领导的支持。
在一体化平台下实施工艺设计，产品设计部门和工艺设计部门需协同工作，设计部门如何及时地为工艺设计输出数据，使工艺设计能够尽早地获得数据，提前开始工作，并提高并行度等问题，均需要领导的强力支持；对于各设计环节中的一些定义（如成熟度、变更量等）和部门间争议较大的问题，更需要领导的决策支持。只有获得决策层的大力支持和协调，才能确保项目成功实施。
b.项目实施是一个长期的工作。
Teamcenter一体化平台，实施初期的数据积累、功能完善优化是一个长期的过程，初期很多典型模板等可直接使用的数据很少，存在整个系统的实施和前期工程师的工作不能很好地融合等问题，只有直面和解决各种问题，一体化平台才能得以完善。
c.团队建设。
在实施过程中，需要技术力量雄厚的供应商的支持，开始实施的时候，企业内部的工程师不具备实施经验和二次开发能力，需要结合企业的实践共同开发和完善。同时要结合工程师自己的工作流程，重视培训，强化操作。
4 结束语
通过对高速动车组基于一体化平台下的结构化工艺设计的研究，规范了产品设计与工艺设计的并行协同设计，在统一数据源下工作，实现了数据的共享和数据的高效应用，为工艺知识的积累提供了基础平台。通过系统对各种工艺资源的有效管理，提高了工艺设计的正确性、规范性和效率。使用结构化工艺数据组织形式，为下游ERP、MES等系统提供合格的基础数据成为可能，实现了系统间的紧密集成。
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