船用柴油机开发流程

船用柴油机开发流程

江苏科技大学现代制造技术研究所 [email protected]

1. 研究问题的提出

随着船舶产品性能的不断提高，对船用柴油机设计制造技术提出了越来越高的要求。柴油机是船舶产品中非常关键的装备，其质量的好坏直接影响到船舶的工作效率、运行可靠性和寿命等。

船用柴油机集成新材料、现代设计制造、先进动力、电子信息、自动控制、计算机等多领域的关键技术，具有信息量庞大、产业链长、辐射面宽、联带效应强等特点。这些新技术的高速发展和船用柴油机的不断更新换代，不仅促进了当代机械设计制造水平的进步，也对当代设计制造技术提出了新的挑战。因此，如何利用信息化时代的新技术加速柴油机的研制速度，提高柴油机产品质量，己经成为制约我国船舶产品发展的瓶颈。

近些年来船用柴油机设计制造企业从多个视角、多个侧面和不同的深度来认识研究柴油机研制企业的信息化问题，也涉及到各种各样的概念和应用系统，如计算机集成制造

(Computer Integrated Manufacturing CIM)、并行工程 (Concurrent Engineering, CE)、精良生产 (Lean Production，LP)、敏捷制造(Agile Manufacturing，AM)、虚拟制造(Virtual Manufacturing，VM)、柔性制造 (Flexible Manufacturing，FM)和逆向工程(Reverse Manufacturing，RE)等，在一定程度上促进了柴油机设计制造业的发展与进步，但这些研究和应用给船用柴油机企业信息化带来便利的同时，也带来了新的问题。例如，这些概念和应用系统的处理方式，需要以不影响柴油机研制企业各个过程的相互协作为前提，即众多概念和应用系统之间是交叉和重叠的，并不能互相取代，导致不能与其它应用系统协调和相互支持。从当前的研究现状和软件产品看，这些问题并没有很好的解决。

要从根本上解决柴油机企业面临的这些困难和挑战，只有从网络化和数字化入手，通过高新技术与传统产业相结合，才能推动船用柴油机企业信息化技术不断走向成熟。船用柴油机的网络化和数字化就是将船用柴油机企业的一切数据、信息、过程和产品进行数字化，尤其在船用柴油机内部实体间、内外部实体间的协作和服务过程的数字化和网络化。

支持面向柴油机的计算机协同设计的工作流管理系统正是针对这一问题而提出的。协同设计技术涉及的领域很多，是计算机软硬件技术、行为科学、认知科学、网络通讯、分布式处理、人工智能等多学科的综合交叉。而企业物理位置的分散性和决策制定过程的分散性特征日益明显，对日常业务活动详细信息的需求日益提高。在这种大规模的分布式环境下高效运转相互关联的任务，并且对执行任务进行密切监控已成为一种发展趋势。工作流管理系统的应用，使企业能够轻松地对信息进行跟踪和捕捉，实现了业务流程的自动执行，减少市场分析的反映时间、降低成本，缩短了产品开发时间，满足了市场的需要，提高了企业的竞争力。因此，为了满足建立灵活的企业内部信息处理系统的需求，开发面向协同的工作流管理系统具有十分重要的意义。 2．协同设计与工作流管理系统 2.1 柴油机网络化协同设计的特点 网络化协同工作系统是一个基于因特网的协作系统，它涉及到企业内及企业间各个环节的多种活动，各种专业人员相互合作、协同工作共同完成一个产品的开发过程，它具备以下几个主要特点:

（1） 复杂、多学科、多领域交叉及异地协同

船用柴油机结构很复杂，如下图所示，有活塞、连杆、曲轴、飞轮、十字头、机座、机体、轴承、汽缸套、汽缸盖等组成，使涉及到热力、动力、结构强度、材料和先进制造工艺

等多种专业领域、多种学科、异地的协同完成。 （2） 成本高且周期长

由于船用柴油机的复杂性，船用柴油机的研制经费相当高，即使采用了协同研制，研制周期也可达数年以上。此外，由于技术的封锁，我国没有办法获取国外先进技术，所以船用柴油机的研制都是在探索中前进，这也是导致研制周期长原因之一。 （3） 异构性

柴油机研制任务由多个协同企业、多个学科共同完成，由于历史的原因，这些企业数据平台各异，多种异构产品数据的存在，造成船用柴油机企业现有的信息化软件系统的工作效能无法最大限度的发挥。因此必须研制适合这种特点的协同设计平台。 （4） 高保密性和高安全等级

船用柴油机协同设计紧密依赖于网络中的数据信息，加上船用柴油机协同设计基于军工的特点，协同信息的安全就显得尤为重要。 （5） 单件小批量

船用柴油机在定型之前，往往根据多个方案设计制造样机，这些样机通常只生产一台或者几台，产量小，而且每个样机又存在差别，采用现有的方法很难缩短研制周期。 （6） 协同的特殊性

基于目前国内企业的设计制造水平和船用柴油机的特点，船用柴油机设计和制造的协同与普通的产品存在很大差异。 （7） 迭代反复

船用柴油机在初步确定总体方案后，要进行详细设计。在此阶段，要完成各部件、各系统和零构件的设计，并进行大量的计算和试验，所得数据又成为进一步修改和完善总体方案的依据。根据这些数据，才能最终完成船用柴油机的整体工作。因此，船用柴油机是一个反复迭代、逐渐逼近的过程。 2.2 工作流技术及相关特点 2.2.1 工作流定义

工作流的英文解释为Workflow，是由Work和Flow两个单词组合而成。Work表示工作或者任务；Flow的含义是流动、流程或者流量等，在企业的经营管理与生产组织中，Flow则表示为物料传输过程的物料流、资金流动的资金流、反映信息处理和传递过程的信息流等。依此可以推理，用活动及活动之间的过程表示的业务流程即为工作流。

工作流管理联盟(Workflow Management Coalition，WfMC)的成立标志着工作流技术开始进入相对成熟阶段。并对的工作流及工作流管理系统的定义是：工作流(Workflow)是一类能够完全或部分自动执行的经营过程，它根据一系列过程规则、文档、信息或任务能够在不同的执行者之间传递和执行。工作流管理系统(Workflow Management System，WfMS)是一个软件系统，它完成工作流的定义和管理，并按照在计算机中预先定义好的工作流逻辑推进工作流实例的执行。

面向船用柴油机的协同设计过程实质是信息流和资源流的物化，而作为网络化协同工作系统的关键支撑技术，工作流管理在其中起到了“过程总线”的重要作用。因此，面向协同工作的工作流管理系统应该满足如下的需求。

2.2 面向船用柴油机的协同工作环境下的工作流模型的建立

工作流是船用柴油机协同设计产品数据管理的引擎，它反映协同设计业务流程计算机化的模型，是协同人员之间按照某种预设好的规则传递设计文档、设计信息或设计任务的过程在计算机支持下执行的全自动化或半自动化，既工作流管理系统在面向船用柴油机的协同设计中起到了“过程总线”的重要作用。而工作流模型的建立及正确性的分析，是建立有效地协同支持系统和环境的重要环节，也是设计过程管理成败的关键。

从上文分析面向船用柴油机的协同设计复杂性出发，结合组成工作流的三要素：任务、组织和资源，建立项目分解规则并以船用柴油机的活塞设计为例进行分解，建立空间三位分布的工作流模型，最后利用层次、时间和有色Petri网对模型进行仿真分析。

协同设计过程实际就是信息流、资源流和人流的物化，协同设计工作流模型应对这三方面进行分析和描述，因此，面向船用柴油机的协同设计工作流应具有以下特点： （1） 工作流模型是阶段性的。

即船用柴油机设计问题往往是由方案设计、初步设计、详细设计、装配、试制、定型等分阶段、逐步逼近的过程，必须按照阶段性求解协同问题。 （2） 工作流模型是层次的。

船用柴油机协同设计项目一般都很复杂，单一的团队多数情况下不能解决，这就需要对项目进行分解，由协同企业和协同人员组成一定的组织结构共同解决，这样分解的项目就具有了层次性。

（3）工作流模型是并行的。

即在广义上，是CAD/CAPP/CAD的并行，而实际上是经过层次分解后多个任务子集的并行。协同设计就是充分利用IPT（Integrated Product Team）团队内各种设计人员，使他们并行协同工作。

（4）工作流是协同耦合的。

分解的大量任务之间并不是孤立的，而是存在各种依赖关系，各个设计团队必须保持协同，才能使设计任务协调进行。 （5）工作流是迭代反复的。

协同设计过程往往不能保证一次成功，需要设计活动的多次反馈、再设计、协商、„„，才能获得满意的设计信息。 3．柴油机设计开发流程

3.1 柴油机产品设计流程分析

1）需求分析：

产品的需求分析要生成一个产品需求的报告，确定柴油机整体的技术参数基本取值。柴油机整体技术参数，是在市场需求调研的基础上得到的，因此可以说是市场需求调研的输出之一，另外市场需求调研的输出应该有一个市场需求调研报告。产品的需求分析还可能包括其它方面的内容：如用户需求分析、市场需求分析等。柴油机主要参数如下图所示：

2）项目可行性分析：

分析项目的可行性，主要包括公司现有的技术条件、生产条件等。输出：项目建议书。 3）产品策划：

主要包括产品基本要求、产品标准化要求、研发阶段的划分、改进分析和风险分析。其中产品基本要求和产品标准化要求如下图所示，研发阶段划分主要用于划分设计和开发活动的阶段。必要时，要编制产品改进的计划和产品的风险分析。

4）产品设计：

主要包括总体方案设计、系统设计、零部件设计和零部件工艺设计。其中不同的设计过程的分解图如下图所示：

依据整体技术参数进行总体方案设计，应形成明确的技术参数，作为项目设计人员的设计依据以及项目验收小组的验收依据。在该任务完成后应输出：顶层设计报告。并对该报告进行评审。

系统方案设计依据总体方案设计进行，系统方案设计完毕之后要进行评审。

零部件设计依据系统方案设计进行，每个零件应该有具体的设计参数。部件结构设计包括三方面：部件类型（外购件和自制件）、部件数目和部件的布局。标准件设计：零件类型（自制件和外购件）和设计变量。特殊件设计包括三方面内容：几何特征数量、关联尺寸和零件布局。如曲轴应有的参数有：强度、刚度、承压面、硬度、耐磨性（设计参数是在柴油机本体中设置，还是在柴油机设计本体中设置？）。设计完毕之后要进行专家评审。在功能分析过程，应对明确分析的对象（以及需要分析的参数）、涉及到的学科、选用的软件，还应输出分析的结果。

依据零部件设计方案进行零部件工艺设计。总体工艺方案设计→系统工艺设计→零部件工艺设计。每阶段设计完毕之后都需要与其对应的设计方案进行评审。

在毛坯的选择中，常用的‘毛坯种类’有以下四种：铸件、锻件、型材和焊接件。 定位基准分为：工序基准、定位基准、测量基准和装配基准；

工艺路线的拟定主要包括如下几部分：选择表面加工方法、确定加工顺序、划分工序、确定各工序的工艺基准、确定工序尺寸、选择加工设备、选择工艺装备、确定切削用量、工时定额。

工艺路线的选择一般根据工厂的实际情况，考虑到各种新工艺、新技术的可行性和经济性，提出多种方案，通过分析对比，从中选择最佳方案。

5）设计输出：主要包括设计信息、设计文件、接收规则、性能设计报告。其中各个阶段包含的具体内容如下图所示：

技术文件应该包括：采购件的技术要求、零部件设计中各种分析的结果文件以及零部件工艺设计中各种可能的输出文件：如零件的工艺过程和工艺卡片、误差分析的结果、夹具图等。必须品特性输出是指对产品的安全和正常使用所必需的产品特性；保障方案和资源要求规定产品使用所必需的备附件清单、工具清单以及培训资料等；性能报告是根据客户要求给出。

6）零部件加工

零部件加工结束之后应该对加工的零部件进行检查，检查的项目主要包括：尺寸、公差、强度、硬度等。在此任务中将会使用设计资源中的设备。 7）新产品的试制

在产品试制前，应当进行试制前的状态检查，主要包括以后几方面的内容：

试制检查结束之后，进行柴油机的整机装配。（装配的要求） 8）整机测试

对装配好的柴油机进行各项性能的测试：如烟度测试、颗粒物测试、安全性测试、质量测试、零件合格性测试等。（测试还要确定测试的时间、地点、人物等方面的内容，以及测试的技术要求） 9）辅助信息

（1）零件的结构：包括标准件和特殊零件；标准件具有的属性有：设计变量和类型（自制件和外购件）；特殊零件具有的属性有：几何特征的数量、关联尺寸和布局 （2）设计资源：设计专家、设计工具（决策分析工具、相关软件）、设备（测试设备、快速成型机、其他设备）

（3）产品设计阶段结束之后会产生：成本预算、物料清单、CAD图形等；

（4）工艺设计会产生：设备布置图；可能会使用计算机辅助工艺设计、企业资源计划； （5）设计团队：设计团队用以执行各项设计任务的进行。生产车间：用以执行加工任务的进行。

10）审查与核实

审查与核实始终贯穿这产品设计的整个过程，从产品的需求分析开始一直到柴油机产品的整机测试，是保证柴油机产品开发顺利进行的一项重要措施。在审查与核实中，主要有三方面的内容：设计和开发的评审、验证、确认。这三个步骤主要的属性有：对象、时间、方式、参与人员、形成的见证材料、目的等。 3.2 柴油机整机的开发流程 根据以上柴油机产品的开发流程，得出柴油机整机的开发流程，具体如下图所示：

4. 工作流模型的建立

根据柴油机设计开发的流程，船用柴油机的设计项目结构可分为三类：层次结构、串行结构和平行结构。层次结构指在逻辑上和物理上是层次分布的，即每个项目由子项目组成，而子项目由若干个任务组成，每个任务又可能由若干个子任务组成；平行结构指协同设计中的设计是由计算机辅助设计、计算机辅助工艺设计和计算机辅助制造等组成，而协同指这些设计在时间和空间上是平等分布的，整个项目的求解依赖于与之相关的各个任务；串行结构指设计任务随着开发时间的推进，上一个设计任务完成后下一个任务才能开始。对于复杂的船用柴油机产品协同设计过程，它的工作模型一般采用上述三种结构的混合体。因此对于船用柴油机异地协同设计项目来说，可从以下三个方面进行分解： 1） 从项目粒度上进行划分

从技术角度分析，不管协同设计过程有多复杂，都可以应用项目管理中的工作分解结构对其进行分解。以船用柴油机活塞设计研发为例，活塞的结构由顶面、环槽、裙部、油孔、销孔、止口等六个部分组成，具体如下图所示：

2） 从项目开发时间周期划分

在柴油机项目开发周期内，不管是项目，子项目还是具体的任务，CAD活动都可以分解为方案设计设计、初步设计、(装配设计)和详细设计；相应地，CAPP活动可以划分为初始工艺分析、初步工艺设计、(装配工艺设计)和详细工艺设计等阶段，如下图所示：

3） 从并行度划分

为了实现船用柴油机的协同设计，需要及时把有关设计信息交与工艺/制造人员，工艺/制造人员再根据设计信息及早处理工艺和工装信息，从而最大限度地减少设计反复，缩短设计、生产准备和制造时间。因此工作流必须采用并行的模式，即 CAD/CAPP的并行，甚至与CAM的并行。

4.2 船用柴油机协同设计的工作流模型

综上分析，一个复杂的协同设计项目最终可分解为一个设计任务集合体和多个流程相互嵌套的层次工作流模型。在设计流程时，就可以以项目工作流程为主线，嵌套子项目和任务的流程(分层、分页)，在设计的各个阶段建模，形成一个在空间上以时间、项目粒度和并行度三维分布的、以工作流为主线的多层次模型。由于船用柴油机过于庞大，在以活塞为例，建立工作流模型如下图所示。

模型在项目粒度上分为四层，第一层为项目层，在接收到船用柴油机活塞开发项目后， 任务信息分解为设计任务和工艺任务，随着时间的推移，当系统时间过了该任务执行所需的

时间后，设计任务和工艺任务信息并行向前推进到方案设计和初始工艺分析，如此循环经过各自的运转流程，最终获得CAD结果和CAPP结果。

第二层为子项目层，在顶层的基础上根据项目的复杂性和人员配置进行分解，从项目粒度上分解可知，分解为顶面、环槽、裙部、油孔、销孔、止口等的设计任务。

第三层继续进行分解，如环槽比较复杂，则该任务可继续分解为气环槽、油环槽和锁环槽的初步设计任务。

第四层为团队实际执行的任务层。

可以看到，最终活塞的设计项目在项目粒度上分为四层、在并行度上实现CAD/CAPP 并行、在开发周期上实现从概念性设计、初步设计、再到详细设计的三维空间分布的工 作流程。