基于CAXA PLM的數(shù)字化工廠平臺(tái)的構(gòu)建及應(yīng)用

李 疆，楊 波，楊秋萍，石文昌

LI Jiang，YANG Bo，YANG Qiu-ping，SHI Wen-chang

（貴陽學(xué)院 數(shù)控技術(shù)工程應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室，貴陽 550005）

0 引言

“十二五”規(guī)劃綱提出要在工業(yè)企業(yè)升級(jí)換代過程中構(gòu)建現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)體系及提高自主創(chuàng)新能力，從而逐步提高在全球化產(chǎn)業(yè)鏈中的位勢(shì)，因此工業(yè)與信息化融合走新型工業(yè)化道路是必然趨勢(shì)。

數(shù)字化工廠（Digital Factory,簡(jiǎn)稱DF）是以PLM(product lifecycle management)產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境中，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行仿真、評(píng)估和優(yōu)化，并進(jìn)一步擴(kuò)展到整個(gè)產(chǎn)品生命周期的新型生產(chǎn)組織方式[1]。它主要借助計(jì)算機(jī)技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)，通過虛擬環(huán)境模擬制造、裝配、物流等各環(huán)節(jié)，最大限度地確定產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造之間的不確定因素，并作出評(píng)估、檢驗(yàn)及修改，從而縮短產(chǎn)品由設(shè)計(jì)到生產(chǎn)的轉(zhuǎn)化時(shí)間，并且提高產(chǎn)品的可靠性與試制成功率。

貴陽學(xué)院數(shù)字化工廠是一個(gè)產(chǎn)學(xué)研合作平臺(tái)，不僅承擔(dān)了機(jī)電專業(yè)、計(jì)算機(jī)專業(yè)、管理專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)工作，還承擔(dān)了大學(xué)產(chǎn)業(yè)園校企合作項(xiàng)目的新產(chǎn)品試制工作。本文以平臺(tái)的軟、硬件構(gòu)建及新產(chǎn)品試制在平臺(tái)上的運(yùn)作為例，對(duì)數(shù)字化工廠的構(gòu)建及應(yīng)用作一個(gè)簡(jiǎn)述。

1 數(shù)字化工廠硬件平臺(tái)的構(gòu)建

1.1 平臺(tái)背景

數(shù)字化工廠是貴陽學(xué)院大學(xué)科技產(chǎn)業(yè)園區(qū)的組成部分，由創(chuàng)新設(shè)計(jì)室、數(shù)控車間、云存儲(chǔ)中心組成，是以CAXA工業(yè)軟件為基礎(chǔ)，綜合應(yīng)用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、云存儲(chǔ)技術(shù)構(gòu)建的創(chuàng)新設(shè)計(jì)平臺(tái)、數(shù)字化工藝平臺(tái)和生產(chǎn)過程管理平臺(tái)，在數(shù)據(jù)源統(tǒng)一管理的前題下，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、工藝、生產(chǎn)一體化流程，形成無紙化、數(shù)字化的生產(chǎn)過程管理。

1.2 平臺(tái)硬件構(gòu)建

1）創(chuàng)新設(shè)計(jì)室：創(chuàng)新設(shè)計(jì)室承擔(dān)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)任務(wù)，由設(shè)計(jì)組和工藝組組成，所有訂單信息、產(chǎn)品技術(shù)文件、管理文件均統(tǒng)一存儲(chǔ)在云存儲(chǔ)中心進(jìn)行管理，設(shè)計(jì)人員、工藝人員通過創(chuàng)新設(shè)計(jì)室網(wǎng)絡(luò)從云存儲(chǔ)中心調(diào)用技術(shù)資料，實(shí)現(xiàn)協(xié)同設(shè)計(jì)并在修改后實(shí)現(xiàn)同步更新。

2）數(shù)控車間：數(shù)控車間主要承擔(dān)制造任務(wù)，車間內(nèi)擁有數(shù)控車、數(shù)控銑、加工中心、線切割、電火花等數(shù)控設(shè)備，所有數(shù)控設(shè)備通過智能終端和無線網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接到數(shù)控車間的交換機(jī)上，加工數(shù)據(jù)和信息通過DNC (Distributed Numerical Control)分布式數(shù)控網(wǎng)絡(luò)從云存儲(chǔ)中心獲取，設(shè)備信息及加工過程信息也通過DNC網(wǎng)絡(luò)回饋到云存儲(chǔ)中心，供相關(guān)部門調(diào)用。這種數(shù)據(jù)資源協(xié)同共享的方式，有效地解決了過去單機(jī)工作時(shí)由于信息不通，設(shè)計(jì)或工藝更改造成的錯(cuò)誤及浪費(fèi)。

3）云存儲(chǔ)中心：云存儲(chǔ)中心主要承擔(dān)所有技術(shù)資料數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理任務(wù)，通過PDM（Product Data Management）產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理軟件將訂單信息以及創(chuàng)新設(shè)計(jì)室、數(shù)控車間的技術(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類管理，建立圖紙數(shù)據(jù)庫、工藝數(shù)據(jù)庫、制造代碼數(shù)據(jù)庫，對(duì)外提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和業(yè)務(wù)訪問功能。

圖1 貴陽學(xué)院數(shù)字化工廠硬件架構(gòu)圖

數(shù)字化工廠硬件構(gòu)架如圖1所示。

2 數(shù)字化工廠軟件系統(tǒng)的構(gòu)建

貴陽學(xué)院數(shù)字化工廠平臺(tái)主要承擔(dān)新產(chǎn)品的研發(fā)及試制，屬于多品種、小批量，面向訂單的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。樣機(jī)試制對(duì)設(shè)計(jì)、工藝要求高，生產(chǎn)周期短，必須在PLM軟件系統(tǒng)的配合下才能發(fā)揮出硬件的最大生產(chǎn)能力，滿足市場(chǎng)的需要。

貴陽學(xué)院數(shù)字化工廠PLM軟件系統(tǒng)由數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件、數(shù)字化工藝軟件、數(shù)字化制造軟件及協(xié)同管理軟件所組成。軟件架構(gòu)圖如圖2所示。數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件包括CAXA電子圖板和實(shí)體設(shè)計(jì)兩個(gè)軟件；數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)軟件包括CAXA工藝圖表和工藝匯總兩個(gè)軟件；數(shù)字化制造軟件包括CAXA數(shù)控車、制造工程師、線切割、編程助手、網(wǎng)絡(luò)DNC軟件組成； PDM協(xié)同管理軟件作為產(chǎn)品數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)過程的管理平臺(tái)。

3 數(shù)字化工廠的工程應(yīng)用

3.1 應(yīng)用過程

貴陽學(xué)院數(shù)字化工廠與某企業(yè)合作研發(fā)一個(gè)機(jī)械產(chǎn)品，以該產(chǎn)品的研發(fā)和樣機(jī)試制過程為任務(wù)，在PLM系統(tǒng)的框架下，完成設(shè)計(jì)、工藝、制造諸環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品各類信息的統(tǒng)一管理，規(guī)范包括圖紙數(shù)據(jù)、文檔、業(yè)務(wù)流程、操作規(guī)范等在內(nèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、工藝、制造過程的并行、高效的協(xié)同工作和信息共享，從而達(dá)成產(chǎn)品工藝數(shù)據(jù)與工藝資源的立體管理，最終形成完整的產(chǎn)品技術(shù)文件及樣機(jī)試制目標(biāo)的全過程。

1）數(shù)字化設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)

（1）數(shù)字化工廠在接到企業(yè)合作研發(fā)訂單后，由總工程師將對(duì)研發(fā)工作進(jìn)行立項(xiàng)，并確定總體設(shè)計(jì)方案；

（2）由總工程師確定項(xiàng)目經(jīng)理，項(xiàng)目經(jīng)理分配創(chuàng)新設(shè)計(jì)室內(nèi)設(shè)計(jì)員、工藝員，數(shù)控車間內(nèi)施工員、制造工人等，并按角色的不同分配工作權(quán)限；

（3）設(shè)計(jì)員從云存儲(chǔ)中心電子倉庫中查詢是否有類似產(chǎn)品的記錄，并調(diào)用可重用的技術(shù)資料；

（4）設(shè)計(jì)員根據(jù)訂單中的具體要求，用CAXA電子圖板軟件設(shè)計(jì)二維工程圖；

（5）設(shè)計(jì)員以二維工程圖為基礎(chǔ)，作用CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)軟件生成三維模型并進(jìn)行產(chǎn)品模擬裝配，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程中可能出現(xiàn)的干涉和錯(cuò)誤，避免樣機(jī)試制過程中造成的損失，同時(shí)三維圖為為關(guān)鍵零部件的有限元分析提供了三維數(shù)據(jù)模型，也為產(chǎn)品外觀造型設(shè)計(jì)提供了直觀的效果；

（6）在項(xiàng)目經(jīng)理和總工程師審核批準(zhǔn)后，PDM系統(tǒng)將所有設(shè)計(jì)圖紙資料納入統(tǒng)一的設(shè)計(jì)資料庫中。

2）數(shù)字化工藝環(huán)節(jié)

（1）工藝員根據(jù)審核后的工程圖紙使用CAXA工藝圖表軟件完成各加工零件的工藝過程卡、工序卡、材料定額、工時(shí)定額等一系列工作，并匯總出生產(chǎn)所需的各種BOM信息；

圖2 貴陽學(xué)院數(shù)字化工廠軟件架構(gòu)圖

（2）工藝員使用CAXA工藝匯總軟件對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯總，從而生成產(chǎn)品明細(xì)表、材料定額報(bào)表、管理用工藝表格，大大減輕了人工統(tǒng)計(jì)的工作量，提高了生產(chǎn)效率；

（3）在項(xiàng)目經(jīng)理和總工程師審核批準(zhǔn)后，PDM系統(tǒng)將所有工藝資料納入統(tǒng)一的工藝資料庫中；

（4）采購人員可從工藝資料庫中調(diào)取標(biāo)準(zhǔn)件明細(xì)表、外購件明細(xì)表、材料采購表進(jìn)行配套采購。

3）數(shù)字化制造環(huán)節(jié)

（1）工藝員根據(jù)工藝路線的要求，使用數(shù)控車、制造工程師、線切割等制造軟件進(jìn)行加工數(shù)控編程，輸出G代碼，通過對(duì)生成的代碼進(jìn)行校驗(yàn)及加工仿真，避免加工過程中造成的浪費(fèi)；

（2）工藝員根據(jù)加工仿真情況，將存在工藝缺陷的圖紙反饋給設(shè)計(jì)員，進(jìn)行圖紙修改。在此過程中PDM系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)修訂過程進(jìn)行記錄和標(biāo)識(shí)；

（3）數(shù)控車間制造工人可通過DNC網(wǎng)絡(luò)將數(shù)控加工程序直接調(diào)用至數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行生產(chǎn)，通過DNC網(wǎng)絡(luò)還可在車間顯示屏上查看生產(chǎn)用圖紙和工藝，實(shí)現(xiàn)無紙化生產(chǎn)；

（4）車間管理人員可通過DNC網(wǎng)絡(luò)它可對(duì)數(shù)控車間內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)通訊及管理，總工程師、項(xiàng)目經(jīng)理能及時(shí)掌握設(shè)備狀態(tài)、作業(yè)進(jìn)度及質(zhì)量問題等信息，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，從而提高數(shù)字化工廠的生產(chǎn)自動(dòng)化水平以及關(guān)鍵設(shè)備的綜合利用率；

（5）所有加工數(shù)據(jù)、生產(chǎn)進(jìn)度等制造信息PDM系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)記錄；

（6）零件加工完畢檢驗(yàn)合格后，由裝配工人根據(jù)圖紙進(jìn)行裝配、試機(jī)；設(shè)計(jì)員根據(jù)試機(jī)情況進(jìn)行設(shè)計(jì)修改及產(chǎn)品定型。PDM系統(tǒng)根據(jù)修改情況進(jìn)行各次版本的記錄；

（7）PDM系統(tǒng)可把產(chǎn)品分類，建立通用零部件庫，按照合理的結(jié)構(gòu)規(guī)范進(jìn)行管理，以便設(shè)計(jì)時(shí)快速借用。

3.2 應(yīng)用效果

由于貴陽學(xué)院數(shù)字化工廠承擔(dān)工作的局限性，新產(chǎn)品試制案例只使用了PLM系統(tǒng)中設(shè)計(jì)和制造環(huán)節(jié)的功能，但通過其設(shè)計(jì)、制造手段和管理模式已極大地提高了設(shè)計(jì)和制造效率。

1）電子圖板與實(shí)體設(shè)計(jì)的有機(jī)結(jié)合，不僅使設(shè)計(jì)更加直觀，而且三維模擬裝配可在實(shí)際生產(chǎn)前驗(yàn)證工程圖紙的正確性，并進(jìn)行裝配干涉檢查，降低產(chǎn)品試制失敗的風(fēng)險(xiǎn)。另外實(shí)體設(shè)計(jì)為關(guān)鍵零部件的有限元分析提供了三維數(shù)據(jù)模型，從而使產(chǎn)品設(shè)計(jì)更加優(yōu)化。

2）由工藝圖表和工藝匯總組成的CAPP工藝管理系統(tǒng)，不僅使工藝文檔標(biāo)準(zhǔn)化，解決了傳統(tǒng)工藝編制效率不高、信息統(tǒng)計(jì)匯總不準(zhǔn)確的問題，而且使工藝人員可以將企業(yè)的工藝信息和工藝經(jīng)驗(yàn)加以積累和延用，因此能快速處理各種工藝信息，并匯總出生產(chǎn)所需的各種BOM信息；各類產(chǎn)品明細(xì)表、材料定額報(bào)表、管理用工藝表格可自動(dòng)生成，大大減輕了人工統(tǒng)計(jì)的工作量，提高了生產(chǎn)效率。

3）數(shù)控車、制造工程師、線切割等制造軟件實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)編程，而且可對(duì)生成的代碼進(jìn)行校驗(yàn)及加工仿真，避免加工過程中造成的浪費(fèi)。

4）網(wǎng)絡(luò)DNC將管理、設(shè)計(jì)、工藝、制造通過內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)連接起來，管理層可實(shí)時(shí)了解設(shè)計(jì)、工藝、制造各環(huán)節(jié)的進(jìn)度以及存在的問題；設(shè)計(jì)、工藝、制造環(huán)節(jié)也可在統(tǒng)一的產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上通過DNC網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行溝通，避免各環(huán)節(jié)信息不暢造成的錯(cuò)誤和浪費(fèi)；網(wǎng)絡(luò)DNC還為實(shí)現(xiàn)無紙化生產(chǎn)提供了的基礎(chǔ)，從而使數(shù)字化工廠更加環(huán)保和高效。

5）PDM系統(tǒng)以數(shù)據(jù)管理和流程管控為核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品從訂單、設(shè)計(jì)、工藝編制、紅線批注、審核、批準(zhǔn)、打印、歸檔、發(fā)圖、維護(hù)等整個(gè)產(chǎn)品生命周期中相關(guān)數(shù)據(jù)的集中有效管理，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品各類信息的統(tǒng)一管理，規(guī)范了圖紙數(shù)據(jù)、工藝文檔、業(yè)務(wù)流程、操作規(guī)范等設(shè)計(jì)過程和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)、工藝、制造過程的并行、協(xié)同工作，極大地提高了生產(chǎn)效率，有效保障了設(shè)計(jì)、工藝、制造數(shù)據(jù)的適時(shí)交流和共享，在對(duì)角色劃分并進(jìn)行權(quán)限控制的基礎(chǔ)上，保障了數(shù)據(jù)的安全。

4 結(jié)束語

CAXA PLM在貴陽學(xué)院數(shù)字化工廠的建設(shè)和應(yīng)用，通過PDM使所有技術(shù)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了集中管理； 在網(wǎng)絡(luò)DNC平臺(tái)上，所有技術(shù)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了無紙化交流；通過數(shù)字化設(shè)計(jì)和工藝軟件的應(yīng)用，使用設(shè)計(jì)、工藝及管理得以規(guī)范化和數(shù)字化，使設(shè)計(jì)水平、工藝水平和制造水平得以提升，從而帶動(dòng)了管理水平和管理質(zhì)量的提升。

要充分發(fā)揮PLM的作用，不僅要靠高質(zhì)量的軟、硬件，更重要的要靠企業(yè)負(fù)責(zé)人、各級(jí)管理人員對(duì)企業(yè)信息化的理解、執(zhí)行的力度，只有各生產(chǎn)環(huán)節(jié)以高度責(zé)任心，在產(chǎn)品的全生命周期中實(shí)施數(shù)字化管理，才能保證統(tǒng)一產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫中的內(nèi)容真實(shí)、可靠，并逐步建立起具有企業(yè)自身特色的數(shù)據(jù)庫，最終實(shí)現(xiàn)信息化與工業(yè)化融合，構(gòu)建數(shù)字化企業(yè)的目標(biāo)。

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