基于MRO的重型機(jī)床閉環(huán)PLM模型及關(guān)鍵技術(shù)研究

摘 要：重型機(jī)床裝備具有種類多、生命周期長(zhǎng)、設(shè)計(jì)驗(yàn)證難度大、針對(duì)性強(qiáng)、數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)性強(qiáng)、運(yùn)行環(huán)境與狀態(tài)復(fù)雜等特點(diǎn)，現(xiàn)有PLM（Product Lifecycle Management）系統(tǒng)難以滿足重型機(jī)床反饋設(shè)計(jì)、運(yùn)行和MRO（Maintenance，Repair and Overhaul/ Operation）管理的需求。對(duì)此，提出基于MRO的重型機(jī)床裝備閉環(huán)全生命周期管理系統(tǒng)，建立由維護(hù)閉環(huán)、運(yùn)行閉環(huán)及基于MRO的設(shè)計(jì)閉環(huán)組成的智能化三重閉環(huán)PLM模型；建立閉環(huán)PLM系統(tǒng)架構(gòu)，包括基礎(chǔ)資源層、數(shù)據(jù)集成層、系統(tǒng)功能層和產(chǎn)品應(yīng)用層；分析系統(tǒng)實(shí)施的基礎(chǔ)技術(shù)、智能化運(yùn)行的專項(xiàng)技術(shù)。

關(guān)鍵詞：閉環(huán)PLM MRO 知識(shí)資源 制造服務(wù)

中圖分類號(hào)：TH17 TP315

0.引言

重型機(jī)床是高端裝備的重要組成部分，是振興裝備制造的重點(diǎn)之一，廣泛應(yīng)用于能源、交通、船舶、工程機(jī)械、冶金、航空航天、軍工等重點(diǎn)行業(yè)和領(lǐng)域。重型機(jī)床種類多、數(shù)量多、生命周期長(zhǎng)、階段復(fù)雜；機(jī)床數(shù)據(jù)包括設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行環(huán)境、狀態(tài)、使用等數(shù)據(jù)；機(jī)床數(shù)據(jù)在生命周期各階段不斷變化，特別是運(yùn)行過(guò)程和運(yùn)行環(huán)境。重型機(jī)床數(shù)據(jù)數(shù)量大、種類多、動(dòng)態(tài)性強(qiáng)，具有大數(shù)據(jù)特點(diǎn)[1]。近年來(lái)，我國(guó)重型機(jī)床行業(yè)在設(shè)計(jì)制造能力和產(chǎn)品智能化方面都有長(zhǎng)足進(jìn)步，但是在全生命周期管理方面還有很大不足，如重型機(jī)床生命周期數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)利用效率，運(yùn)行維護(hù)管理以及基于數(shù)據(jù)的反饋設(shè)計(jì)等。

通過(guò)行業(yè)分析與典型企業(yè)調(diào)研，重型機(jī)床業(yè)在設(shè)計(jì)、運(yùn)行、維護(hù)維修和大數(shù)據(jù)管理等方面還存在五個(gè)方面的顯著需求：（1）管理生命周期數(shù)據(jù)，反饋到設(shè)計(jì)端，驗(yàn)證原始設(shè)計(jì)的正確性，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)；（2）提取制造過(guò)程中的關(guān)鍵要素，形成加工資源庫(kù)，為重型機(jī)床加工使用提供參考；（3）建立MRO數(shù)據(jù)平臺(tái)，分析健康度、診斷故障，實(shí)現(xiàn)MRO智能化管理；（4）追蹤和回溯自身信息，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、制造、使用維護(hù)、服務(wù)一體化集成；（5）建立面向重型機(jī)床的共性知識(shí)服務(wù)體系，整合行業(yè)創(chuàng)新資源，解決重型機(jī)床發(fā)展中的共性、關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

為有效管理重型機(jī)床生命周期大數(shù)據(jù)，用生命周期后期階段數(shù)據(jù)反饋于生命周期前期階段，指導(dǎo)重型機(jī)床設(shè)計(jì)、加工服務(wù)和MRO智能服務(wù)，需要研究與構(gòu)建重型機(jī)床閉環(huán)產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng)模型及其關(guān)鍵技術(shù)。

1.智能閉環(huán)PLM模型

國(guó)內(nèi)外的專家學(xué)者對(duì)閉環(huán)PLM系統(tǒng)做了一些研究，Kiritsis以通訊技術(shù)和智能產(chǎn)品為基礎(chǔ)，提出了相應(yīng)閉環(huán)管理的框架[2]。Matsokis建立了以本體為基礎(chǔ)的支持閉環(huán)PLM的產(chǎn)品數(shù)據(jù)和知識(shí)管理語(yǔ)義對(duì)象模型[3]。重慶大學(xué)的王旭教授對(duì)此進(jìn)行過(guò)綜述研究，提出：閉環(huán)PLM是一種有效管理產(chǎn)品生命周期活動(dòng)的信息化戰(zhàn)略，通過(guò)獲取全生命周期內(nèi)與產(chǎn)品相關(guān)的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的集成、轉(zhuǎn)化和分享實(shí)現(xiàn)全生命周期內(nèi)跨組織間信息流的閉環(huán)管理[4]?，F(xiàn)階段，針對(duì)閉環(huán)PLM系統(tǒng)的研究也集中于綜述以及階段性的閉環(huán)系統(tǒng)，沒(méi)有建立從產(chǎn)品MRO到產(chǎn)品設(shè)計(jì)的大閉環(huán)模型，更沒(méi)有相關(guān)的技術(shù)研究，提出實(shí)際的企業(yè)應(yīng)用方案。

結(jié)合重型機(jī)床裝備的行業(yè)需求、PLM發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)，本文提出一種新型的基于MRO的閉環(huán)PLM系統(tǒng)模型（如圖1所示），實(shí)現(xiàn)基于知識(shí)的產(chǎn)品全生命周期過(guò)程精細(xì)化、智能化管控。集成機(jī)床全生命周期大數(shù)據(jù)，進(jìn)行分類管理和使用目標(biāo)性管理。

圖1 基于MRO的三重閉環(huán)PLM模型（1） 重型機(jī)床運(yùn)行智能閉環(huán)模型

針對(duì)重型機(jī)床運(yùn)行工況復(fù)雜、環(huán)境對(duì)產(chǎn)品性能影響大、產(chǎn)品對(duì)環(huán)境感知能力差、自適應(yīng)和自調(diào)整能力不足的特點(diǎn)，建立運(yùn)行智能閉環(huán)。通過(guò)有效的反饋機(jī)制，機(jī)床數(shù)據(jù)反作用于機(jī)床運(yùn)行過(guò)程，根據(jù)加工環(huán)境和加工狀態(tài)，進(jìn)行自調(diào)整和自適應(yīng)，保證設(shè)備和人員安全以及加工精度和加工質(zhì)量，提高重型機(jī)床的加工穩(wěn)定性。

（2） 重型機(jī)床維護(hù)智能閉環(huán)模型

針對(duì)重型機(jī)床裝配調(diào)試難度大、故障損失影響大、使用壽命長(zhǎng)、可靠性要求高、故障診斷困難、人工干預(yù)能力差、故障預(yù)警能力低等特點(diǎn)，建立維護(hù)智能閉環(huán)。整理融合機(jī)床生命周期各階段數(shù)據(jù)、故障診斷知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)以及機(jī)床運(yùn)行數(shù)據(jù)，形成基于知識(shí)的MRO服務(wù)體系，進(jìn)行健康度分析和故障診斷，提供機(jī)床維護(hù)維修計(jì)劃，提高機(jī)床運(yùn)行可靠性及無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間，延長(zhǎng)使用壽命。

（3） 基于MR的設(shè)計(jì)閉環(huán)模型

重型機(jī)床產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段對(duì)運(yùn)行使用、維護(hù)維修及故障分析考慮不足，缺少對(duì)原始設(shè)計(jì)的驗(yàn)證和結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)，難以滿足重型機(jī)床單臺(tái)套定制化設(shè)計(jì)、高精度和高可靠性要求；缺少對(duì)機(jī)床使用階段的工藝設(shè)計(jì)和指導(dǎo)，缺乏機(jī)床操作使用標(biāo)準(zhǔn)和工藝規(guī)劃參考。針對(duì)這一特點(diǎn)，建立基于MRO數(shù)據(jù)反饋的設(shè)計(jì)閉環(huán)。機(jī)床數(shù)據(jù)反作用于機(jī)床設(shè)計(jì)，支持機(jī)床優(yōu)化和創(chuàng)新，更好地為機(jī)床開(kāi)發(fā)服務(wù)。

2.閉環(huán)PLM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)上述基于MRO的重型機(jī)床裝備閉環(huán)PLM系統(tǒng)，提出了如圖2所示的面向重型機(jī)床裝備的閉環(huán)PLM系統(tǒng)構(gòu)架，包括基礎(chǔ)資源層、數(shù)據(jù)集成層、平臺(tái)功能層和產(chǎn)品應(yīng)用層。

圖2 閉環(huán)PLM系統(tǒng)架構(gòu)基礎(chǔ)資源層。系統(tǒng)構(gòu)架的最底層，由數(shù)據(jù)采集設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和集成開(kāi)發(fā)環(huán)境組成。采集機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)集成層。提供數(shù)據(jù)和知識(shí)支持。運(yùn)用數(shù)據(jù)處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集成，并采用知識(shí)獲取、知識(shí)識(shí)別等技術(shù)，提取機(jī)床的各階段知識(shí)并與專家系統(tǒng)有效地整合在一起，形成覆蓋機(jī)床全生命周期的知識(shí)體系。平臺(tái)功能層。將知識(shí)數(shù)據(jù)功能化，提供各項(xiàng)服務(wù)功能，包括機(jī)床狀態(tài)監(jiān)控、運(yùn)行環(huán)境監(jiān)控、機(jī)床知識(shí)服務(wù)、機(jī)床設(shè)計(jì)反饋、遠(yuǎn)程故障診斷、維修維護(hù)計(jì)劃、維修執(zhí)行監(jiān)控、機(jī)床操作指導(dǎo)和加工工藝制定等。產(chǎn)品應(yīng)用層。將閉環(huán)PLM系統(tǒng)付諸實(shí)踐的過(guò)程，結(jié)合機(jī)床共性和不同機(jī)床的特性，構(gòu)建不同機(jī)床系列的閉環(huán)PLM體系，實(shí)現(xiàn)機(jī)床全生命周期的數(shù)據(jù)管理以及數(shù)據(jù)反饋，提高運(yùn)行質(zhì)量和運(yùn)行穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1系統(tǒng)開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)技術(shù)

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)技術(shù)包括數(shù)據(jù)接入與感知技術(shù)、數(shù)據(jù)融合與處理技術(shù)、產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)管理技術(shù)和知識(shí)服務(wù)技術(shù)。獲取重型機(jī)床生命周期各階段的復(fù)雜、動(dòng)態(tài)以及分散的數(shù)據(jù)；根據(jù)數(shù)據(jù)特性，分析處理后實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理；結(jié)合云計(jì)算和云制造的思想，整合機(jī)床業(yè)分布的知識(shí)資源，將整合后的知識(shí)資源發(fā)布出去，提供知識(shí)服務(wù)。

3.2系統(tǒng)開(kāi)發(fā)專項(xiàng)技術(shù)

1.運(yùn)行智能閉環(huán)關(guān)鍵技術(shù)

應(yīng)用傳感器和ECU模塊，感知機(jī)床所處環(huán)境狀態(tài)和運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)自檢測(cè)技術(shù)、自調(diào)整與自適應(yīng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行閉環(huán)功能。

重型機(jī)床ECU自監(jiān)測(cè)技術(shù)。針對(duì)實(shí)時(shí)故障診斷難、安全預(yù)警需求強(qiáng)、突發(fā)狀況處理及時(shí)性要求高等特點(diǎn)，運(yùn)用嵌入式ECU系統(tǒng)，實(shí)時(shí)獲取機(jī)床加工狀態(tài)，鑒別機(jī)床當(dāng)前工作狀態(tài)，對(duì)非安全狀態(tài)提出預(yù)警；對(duì)處于突發(fā)異常狀態(tài)的機(jī)床采取自處理措施，智能控制機(jī)床的啟停狀態(tài)，切換機(jī)床的工作模式。

重型機(jī)床ECU自調(diào)整與自適應(yīng)技術(shù)。重型機(jī)床的加工性能受到工作環(huán)境、工作狀態(tài)及加工對(duì)象的影響較大，通過(guò)分析機(jī)床所處環(huán)境信息、運(yùn)行信息、關(guān)鍵零部件壽命信息，形成基于設(shè)備ECU智能控制系統(tǒng)，根據(jù)環(huán)境情況調(diào)整機(jī)床參數(shù)。

2.維護(hù)智能閉環(huán)關(guān)鍵技術(shù)

基于知識(shí)的健康狀態(tài)分析與故障診斷技術(shù)。提取設(shè)備狀態(tài)特征，確定狀態(tài)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)及健康度，預(yù)測(cè)其變化和發(fā)展趨勢(shì)。及時(shí)正確地對(duì)異常狀態(tài)或故障狀態(tài)做出預(yù)警，診斷出引起狀態(tài)變化的本質(zhì)原因，定位故障位置和失效模型，并提出合理的維修方案。

基于知識(shí)的MRO管理體系與技術(shù)。將MRO各管理模塊結(jié)合起來(lái)，形成管理框架，調(diào)用診斷知識(shí)數(shù)據(jù)，為MRO決策提供數(shù)據(jù)支持；同時(shí)，決策產(chǎn)生的維修數(shù)據(jù)也可以反饋到知識(shí)庫(kù)，使知識(shí)不斷豐富。主要包括MRO需求管理模塊、MRO過(guò)程管理模塊、過(guò)程優(yōu)化模塊、服務(wù)評(píng)價(jià)模塊和備品備件管理模塊。

3.基于MRO反饋的設(shè)計(jì)閉環(huán)關(guān)鍵技術(shù)

從產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工程設(shè)計(jì)兩個(gè)方面對(duì)重型機(jī)床進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)可靠性，同時(shí)提高重型復(fù)雜機(jī)床的無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間，延長(zhǎng)使用壽命。

基于故障數(shù)據(jù)反饋的d-FMEA產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)，通過(guò)對(duì)故障數(shù)據(jù)的分析，確定產(chǎn)品故障的類型：由設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致的故障、由產(chǎn)品壽命導(dǎo)致的故障、由顧客誤用所導(dǎo)致的故障，根據(jù)不同的故障類型，采取相應(yīng)的措施，進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，避免故障再次發(fā)生。基于運(yùn)行數(shù)據(jù)反饋的工程設(shè)計(jì)技術(shù)，針對(duì)運(yùn)行環(huán)境和機(jī)床加工對(duì)象的差異性，進(jìn)行輔助工藝編制和產(chǎn)品加工，提供關(guān)鍵工藝的工程設(shè)計(jì)服務(wù)，保證設(shè)備的最佳運(yùn)行狀態(tài)。

4.結(jié)束語(yǔ)

隨著重型機(jī)床設(shè)備業(yè)的不斷發(fā)展，用戶對(duì)于機(jī)床的定制化、個(gè)性化需求越來(lái)越強(qiáng)烈，同時(shí)對(duì)于機(jī)床大數(shù)據(jù)管理、維護(hù)維修要求也越來(lái)越高，基于MRO的閉環(huán)PLM系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品大數(shù)據(jù)管理，運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控，提供維護(hù)服務(wù)，反饋產(chǎn)品設(shè)計(jì)，將越來(lái)越受企業(yè)的青睞。本文在深入分析重型機(jī)床的行業(yè)大數(shù)據(jù)管理、智能設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)需求，行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，提出基于MRO的重型機(jī)床裝備閉環(huán)PLM系統(tǒng)；描述了閉環(huán)PLM理論模型和系統(tǒng)架構(gòu)；然后詳細(xì)闡述了實(shí)施閉環(huán)PLM系統(tǒng)的基礎(chǔ)技術(shù)和專項(xiàng)技術(shù)。為重型機(jī)床生命周期管理提供新的方向，同時(shí)也為閉環(huán)PLM系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)實(shí)踐提供了詳細(xì)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

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