复杂电子装备CAM标准体系构建研究*

吕 辉，冯展鹰，赵永波，吴 欣

（1. 南京电子技术研究所，江苏 南京 210039；2. 中国电子科技集团公司第十四研究所，国家 级工业设计中心，江苏 南京 210039）

引 言

复杂电子装备规模大，集成度高，软硬件系统相互耦合，是高端制造领域的典型代表。推进复杂电子装备计算机辅助制造（Computer-Aided Manufacturing,CAM）技术发展，是我国制造业从“大”向“强”转型升级战略在电子行业的落地[1-3]。为了在高端制造领域转型升级过程中抢占先机，欧美、日本等工业发达国家和地区均提出了与技术应用体系相协调的标准体系架构，将标准化作为推进行业发展的加速器和助推剂[4]。当前，我国在智能制造标准体系构建方面进行了积极的尝试且成效显著[5-6]，但针对复杂电子装备CAM标准体系缺失等问题暂无针对性的解决方案，迫切需要开展复杂电子装备CAM标准体系研究工作，填补国内空白。

1 国内外相关标准研制现状

标准化在制造业数字化转型升级进程中发挥着引领、保障的作用，国外发达国家或地区高度重视标准化体系构建工作，将标准制定作为首要任务之一[7]。为推动标准化工作高效有序地开展，相关国家和组织结合需求开展了先进制造体系标准架构研究，同时基于架构落实具体标准制定工作[8]。

1.1 国外标准化现状

1.1.1 美国标准化现状

2016年2月，美国国家标准与技术研究院NIST发布了智能制造生态系统（Smart Manufacturing Ecosystem，SME）。SME架构包含产品（Product）、生产（Production）和业务（Business）三个维度，每个维度均表示独立的生命周期，如图1所示[9]。

图1 美国智能制造生态系统

制造金字塔是SME的核心，是三个维度生命周期的融合交汇点。标准体系架构在促进设备、车间和企业资源管理系统的信息化集成方面发挥了关键的作用。基于该标准架构建立完善了制造管控系统，实现了基于数据的快速决策、智能有序排产、质量数据可控及物料资源高效周转利用，保障了制造管理系统数据安全，大大促进了企业高质量、可持续发展。

1.1.2 德国标准化现状

2015年4月，德国发布《德国“工业4.0”标准化路线图》2.0 版，系统介绍了工业4.0 参考架构模型（Reference Architecture Model of Industry 4.0, RAMI 4.0），如图2所示[10]。

图2 德国工业4.0参考架构模型

RAMI 4.0体系架构给小批量商品的定制化服务提供了极大的便捷，在该架构的规范下，所有生产要素充分交互，深度交织成一个融会贯通的网络，用户可以直接参与到产品的全生命周期策划中，提供的产品个性化特质凸显，满足不同方面的需求。

1.1.3 日本标准化现状

2016年12月，日本推出了智能工厂的三维基本架构《工业价值链参考架构（IVRA）》（图3）。架构中的每一个块即为一个智能制造单元（Smart Manufacturing Unit, SMU），从资产、活动和管理三个维度对生产现场进行全面诊断。SMU通过各制造单元的互联互通，实现精益生产，大幅提高投入产出率，适应了制造业向多样性和个性化转变的趋势[11]。

图3 工业价值链参考架构IVRA

1.2 国内标准化现状

2021年11月，工业和信息化部和国家标准化管理委员会颁布了《国家智能制造标准体系建设指南（2021年版）》，提供了我国智能制造系统架构，如图4所示。该架构主要分为系统层级、生命周期和智能特征三个维度，对现代制造行业的活动、装备、特征等内容进行规范，明确了智能制造标准化的需求、对象及范围等，指导国家智能制造标准体系建设[12-13]。

图4 智能制造系统架构

国家智能制造标准体系框架涵盖了基础共性、关键技术和重点行业三类标准。在行业应用部分规划了高档数控机器人和机床、新材料等行业应用相关标准，但各行业具体的体系架构及标准明细梳理工作还有待进一步开展。在该架构的指引下，我国智能制造行业涌现出一批标杆企业和高质量标准文件[14-15]，但针对复杂电子装备CAM领域的标准较少，且不成体系，急需开展复杂电子装备CAM标准体系构建及关键标准研究。

2 复杂电子装备CAM技术分析

标准体系依附于相关领域的关键技术发展和产业应用情况，因此在构建复杂电子装备CAM标准体系前对其结构组成、关键技术及行业应用情况进行梳理归纳，为体系构建提供参考依据。

2.1 复杂电子装备结构组成

不同领域的复杂电子装备在外形、体积、重量及复杂度方面有所差别，但其系统组成及制造技术基本类似：信息功能材料通过微系统集成制造等工艺制备出电子元器件；电子元器件（互联基板、电缆导线等）与支撑结构件通过电气互联、机械装配等工艺组成具有独立功能的模块/分系统；模块/分系统与单元屏蔽盒和机箱机柜等结构件再通过机械装配、电气互联等形成完整的电子整机或系统，如图5所示。

图5 复杂电子装备组成

2.2 CAM技术应用方向

CAM是利用计算机技术手段处理产品从设计到成品过程的所有生产活动信息。随着制造执行系统（Manufacturing Execution System, MES）、企业资源规划（Enterprise Resource Planning, ERP）等技术概念的普及推广，目前CAM的狭义概念已逐步缩小，渐渐成为计算机数控（Computer Numerical Control,CNC）技术的同义词[16]。

本文基于CAM 的广义定义，从计算机软件维度对CAM技术方向进行梳理，归纳出其在制造领域的4个主要应用方向：有工艺设计、数控加工、数字化装配及质量检验，典型技术领域有CNC、分布式数控（Distributed Numerical Control, DNC）、柔性制造系统（Flexible Manufacturing System, FMS）、计算机辅助工艺设计（Computer-Aided Process Planning, CAPP）、计算机辅助测试（Computer Aided Test, CAT）等，如图6所示。

图6 CAM技术的应用方向

2.3 复杂电子装备CAM技术特点

不同于常规批量化生产的产品，复杂电子装备的高质量研制面临更多的挑战：复杂电子装备产品结构组成复杂，规模大，集成度高，精度和可靠性要求高；以多品种、小批量、定制化模式组织生产，生产线柔性要求高；需满足短周期交付，过程管控可视、可控、可追溯要求高。

复杂电子装备制造业在产品全生命周期精细化管控、数字化协同研发、智能生产手段、质量追溯管控等方面提出了更高需求。为了有效缩短产品研制周期，提高复杂电子装备研制效率和水平，提升市场竞争力，迫切需要通过CAM标准化来推动行业的转型升级，实现复杂电子装备行业的高质量发展。

3 复杂电子装备CAM标准体系

3.1 标准体系构建原则

标准体系构建是从顶层布局，统筹考虑，全面梳理一定范围内的标准，按其内在规律和相互间的联系构成一个层次鲜明、脉络清晰、和谐统一的整体。

（1）需求引领，问题导向

紧密围绕复杂电子装备研发对CAM的迫切需要，认真研究当前复杂电子装备CAM面临的问题，保证标准体系全面覆盖，构成一个完整全面的有机整体，重点支撑复杂电子装备CAM技术提升。

（2）共性先立，急用先行

在标准制修订方面，主要从需求和技术成熟度两个角度来识别急需制（修）订的关键标准。要重点关注复杂电子装备CAM测试等基础标准，关注复杂电子装备CAM的工艺设计、加工装配、质量检验等关键支撑技术标准。

（3）技术引导，特色突出

遵循“技术 标准 应用”逻辑路线图，通过复杂电子装备CAM技术研究和技术体系构建，结合技术发展现状和应用需求，构建标准体系，基于复杂电子装备研制特点，形成特色鲜明、指导性强的标准体系框架。

（4）开放兼容，强化实施

对国内外复杂电子装备CAM标准化发展现状及需求进行调研和讨论，充分借鉴国内外已有的复杂电子装备CAM标准化成果，结合复杂电子装备CAM应用需求构建标准体系框架，注重标准验证与推广。

3.2 标准体系结构

通过调研分析国内外制造业标准体系发布及复杂电子装备CAM相关技术及应用情况，梳理出通用、安全等基础共性技术，工艺设计、加工、装配等关键支撑技术，模块、整机等专业应用方面的技术，从而明确复杂电子装备CAM对象类别和边界范畴。然后分析复杂电子装备CAM技术与标准的发展趋势及现有需求，构建复杂电子装备CAM标准体系结构图。复杂电子装备CAM标准体系结构图包括“A 基础共性”、“B关键支撑技术”和“C 专业应用”3个部分，主要反映标准体系各部分的组成关系，如图7所示。

“A 基础共性”标准位于标准体系结构最底层，是关键支撑技术和专业应用标准的基础；“B 关键支撑技术”包括计算机辅助工艺设计、计算机辅助加工、计算机辅助装配、计算机辅助质量检验4大部分；“C 专业应用”标准位于结构图的最顶层，面向整机装备、功能模块、元器件、信息材料等专业领域的具体需求，对“A 基础共性”标准和“B 关键支撑技术”标准进行细化完善和针对性的落地应用。

3.3 标准体系框架构建

以复杂电子装备应用领域及CAM技术应用方向为基础，由体系结构图向下映射，构建了复杂电子装备CAM标准体系框架，包括“A 基础共性”、“B 关键支撑技术”和“C 专业应用”3个部分，如图8所示。

图8 复杂电子装备CAM标准体系框架

3.3.1 基础共性标准

基础共性标准是复杂电子装备设计、加工、装配、检验的基础共性支撑标准，用于统一复杂电子装备CAM相关要求，解决基础共性关键问题。结合复杂电子装备行业的自身特点，基础共性标准主要包括通用、安全、可靠性、检测和评价5个部分，如图9所示。

图9 基础共性标准子体系

（1）通用标准

通用标准用于统一复杂电子装备CAM相关概念，在术语定义、参考模型及数据格式等方面达成一致共识，为复杂电子装备CAM资源管理提供参考依据。

（2）安全标准

安全标准用于保证复杂电子装备CAM领域相关信息系统的连续稳定运行，具备一定的鲁棒性以抵御意外状况及恶意侵袭。

（3）可靠性标准

可靠性标准用于对复杂电子装备CAM系统的可靠性活动进行规划、组织、协调与监督，开展具体的可靠性设计、分析与试验工作。

（4）检测标准

检测标准用于指导复杂电子装备系统的测试过程管理和性能评判，为各类产品、系统的测试过程提供支撑。

（5）评价标准

评价标准用于对复杂电子装备CAM开展评估，规范评价过程，提供一致的评判依据，督促企业形成数字化转型意识，提高竞争力。

3.3.2 关键支撑技术标准

关键支撑技术标准结合复杂电子装备的应用领域、结构组成、制造工艺等特点，对装备研制过程中不同阶段的CAM关键技术进行规范，主要包括计算机辅助工艺设计、计算机辅助加工、计算机辅助装配和计算机辅助质量检验4个部分，如图10所示。

图10 关键支撑技术标准子体系

（1）计算机辅助工艺设计标准

计算机辅助工艺设计标准主要规定了基于模型定义的复杂电子装备产品数字化工艺设计的内容、数据组织方式和工艺数据（工艺模型数据、制造孪生数据、工艺文件数据和工艺资源数据）传递管理等要求，包括工艺与孪生模型构建、基于知识的三维工艺规程设计、工艺过程几何仿真及工艺数据管理方面的要求。

（2）计算机辅助加工标准

计算机辅助加工主要是指在机械制造业中，利用计算机实现数控编程、加工仿真、生产控制及管理等功能，自动完成离散产品的加工制造过程。复杂电子装备计算机辅助加工标准主要包括数控编程和分布式数控2个部分。数控编程标准包括模型处理、程序编制、数控代码生成、数控程序输出等要求；分布式数控标准规定了控制网络架构、基本要求、性能要求及信息安全要求。

（3）计算机辅助装配标准

结合复杂电子装备的应用领域、结构组成和工艺技术特点，计算机辅助装配标准主要包括电子装联和机械装配2个部分。电子装联标准主要用于规范混合集成电路、表面安装、多芯片组件及系统组装等电子装联方面的标准化问题。机械装配主要用于复杂电子装备机械装配设备的数字化设计、信息交互、应用和运维。

（4）计算机辅助检验标准

复杂电子装备计算机辅助检验以产品生命周期的数据为基础，制定检测方案，开展数字化检测，采集评价质量数据，反馈改进。检验规划标准主要用于复杂电子装备质量检验的模型完善、路径优化和过程仿真。检验执行标准用于复杂电子装备质量检验的信息交互、应用和运维规范。质量分析与评价标准主要规范产品质量评价、质量信息分析及质量知识传递与管理的技术要求。

3.3.3 专业应用技术标准

基于基础共性标准和关键支撑技术标准，围绕电子整机、零部件与模块、电子元器件、信息功能材料等复杂电子装备典型CAM对象，优先在各自急需专业率先实现突破，并相互借鉴完善，逐步覆盖复杂电子装备CAM全应用领域，如图11所示。

图11 专业应用标准子体系

（1）电子整机标准

复杂电子装备整机包括军用/民用雷达、通信导航、电子对抗、指挥控制等复杂电子装备。电子整机CAM标准主要包括整机工艺设计与仿真、整机装调、整机质量检验等标准，主要用于规范整机装备制造及质量检验。

（2）零部件与模块标准

零部件与模块是复杂电子装备的重要机械电子结构组成。零部件与模块标准主要包括零部件与模块的工艺设计与仿真、零部件与模块的加工与装配以及零部件与模块的质量检验等标准，主要用于规范零部件与模块的制造与质量检验。

（3）电子元器件标准

电子元器件是复杂电子装备发展的基础，包括微电子、光电子、真空电子、传感器、微电子机械系统、微系统、物理和化学电源等基础元器件。元器件CAM标准主要包括元器件工艺设计与仿真、元器件智能加工与检测、集成电路制造等标准，主要用于规范电子元器件的工艺设计及检验。

（4）信息功能材料标准

电子信息功能材料是指具有电、磁、声、光、热等物理效应并通过这些效应实现对信息的变换、传输、处理、存储等功能的材料。电子信息功能材料CAM标准主要包括材料制造工艺仿真、材料加工、材料性能检验等标准，主要用于规范信息材料的工艺设计与制造。

4 结束语

本文对复杂电子装备CAM标准体系构建开展了研究，调研分析了航空、航天、电子等行业相关技术及标准化的现状，充分借鉴国内外成果和实践经验，结合复杂电子装备CAM特点，制定标准体系布局，完成体系框架构建。梳理标准明细表，识别出当前重要且急需的标准，并完成了部分急需标准草案的编制及验证工作。相关成果将有效推进复杂电子装备行业的标准化进程，引导企业在研发、生产、管理等环节对标达标，发挥了标准的支撑和引领作用，助力复杂电子装备CAM转型升级。为适应新时期高质量发展需求，所构建的复杂电子装备CAM标准体系在促成行业“双碳”达标、推动“数字孪生”有效应用等方面还需进一步完善。