面向離散型數(shù)控車間的無紙化制造技術(shù)研究*

□ 王 成 □ 許建新 □ 余劍英 □ 簡 粉

西北工業(yè)大學(xué) 機電學(xué)院制造軟件研究所 西安 710072

近年來，在國家的大力支持以及廣大企業(yè)的積極參與下，我國制造業(yè)的信息化工作開展得如火如荼，CAD、CAM、PDM、ERP 以及辦公、財務(wù)、電子商務(wù)等信息系統(tǒng)在企業(yè)得到了廣泛的實施，取得了顯著的成效。通過信息化的推進，帶動了我國制造企業(yè)設(shè)計、制造、管理和市場等多方面的變革［1］。

一些自動化程度較高的連續(xù)型制造企業(yè)，如汽車行業(yè)，已經(jīng)實現(xiàn)了管控一體化的水平，實現(xiàn)了無紙化制造，而離散型企業(yè)，如航空、航天，由于管理的復(fù)雜性、工藝和自動化水平的限制，距離無紙化制造還有很大的差距。隨著企業(yè)信息化程度的不斷提高，陸續(xù)出現(xiàn)了各類生產(chǎn)制造信息化系統(tǒng)。這些系統(tǒng)都是在各自的范圍內(nèi)實現(xiàn)了無紙化制造，消除了紙質(zhì)文件的傳遞，但系統(tǒng)之間沒有進行緊密的集成，部分業(yè)務(wù)過程仍然通過紙質(zhì)文件的方式進行信息傳遞。因此，為了消除紙質(zhì)文件在企業(yè)的信息傳遞，全面采用無紙化制造技術(shù)已成為一種發(fā)展趨勢。

所謂無紙化制造技術(shù)，是指在整個設(shè)計制造過程中，不需要二維圖紙來傳遞信息，全面采用三維數(shù)模作為制造依據(jù)，通過數(shù)字化的方式進行信息傳遞，同時運用數(shù)字化制造信息系統(tǒng)進行全面管控，實現(xiàn)工藝設(shè)計、加工、裝配和檢驗，制造出符合要求的產(chǎn)品。在三維建模、數(shù)控加工、三維檢測和電子樣機技術(shù)的推動下，實現(xiàn)無紙化制造技術(shù)成為了現(xiàn)實。美國波音公司在波音767-X的研制中，采用的無紙化制造技術(shù)實現(xiàn)了100%的三維數(shù)字化產(chǎn)品定義、100%的三維預(yù)裝配等，而且采用了并行工程的方法，同時開展工作，在電子樣機技術(shù)的支撐下，進行模擬力學(xué)分析、裝配、試飛，從而大大縮短了飛機的研發(fā)周期，提高了飛機質(zhì)量并降低了研制成本［2］。

無紙化制造技術(shù)以數(shù)字信息傳遞為核心，以精密加工為關(guān)鍵，進行高自動化程度的加工制造。無紙化制造技術(shù)出現(xiàn)后，改變了工程設(shè)計的方式、信息的傳遞方式、試驗、制造、檢驗方法，節(jié)省了大量的人力、物力和財力，使新產(chǎn)品的設(shè)計制造周期縮短，大大降低了成本，是人類制造工程歷史上的一次重大的革命。

1 企業(yè)現(xiàn)狀分析

在離散型企業(yè)中，數(shù)控加工類企業(yè)的信息化程度最高，容易實施無紙化制造技術(shù)。企業(yè)現(xiàn)有信息化系統(tǒng)， 如 CAD、CAPP、CAM、PDM、MES、IQS、DNC等主流的信息化系統(tǒng)一應(yīng)俱全，加工以數(shù)控加工為主，從信息化程度和硬件設(shè)施來看，具備實施無紙化制造的條件。但在實施無紙化應(yīng)用過程中，企業(yè)仍存在一些問題。

（1）工藝無紙化部分。工藝業(yè)務(wù)過程沒有進行控制，工藝數(shù)據(jù)分散管理，部分過程數(shù)據(jù)有待信息化處理，工藝臨時更改仍采用紙質(zhì)更改的方式進行，不利于數(shù)據(jù)的追溯和存檔。

（2）生產(chǎn)管理無紙化部分。當(dāng)前生產(chǎn)部分以MES系統(tǒng)為主導(dǎo)進行生產(chǎn)管理，計劃排產(chǎn)部分已基本實現(xiàn)無紙化。生產(chǎn)現(xiàn)場部分，仍然以紙質(zhì)的形式進行控制加工，缺乏加工過程精細化管理，生產(chǎn)指令仍以紙質(zhì)的二維工藝做指導(dǎo)。

（3）生產(chǎn)物流無紙化部分。企業(yè)目前已配備物流管理系統(tǒng)，如工具、物料、刀具系統(tǒng)等，僅對其做了簡單的結(jié)果狀態(tài)管理，如出庫、入庫、在用等簡要信息，沒有對物流的整個過程信息進行跟蹤。

綜上所述，企業(yè)為了改變現(xiàn)有的制造模式，提高產(chǎn)品的競爭力，實施無紙化制造技術(shù)已非常迫切。無紙化制造技術(shù)是一個系統(tǒng)化工程，不單單指某一部分，本文重點就工藝無紙化、生產(chǎn)管理無紙化和生產(chǎn)物流無紙化及三者之間的信息集成作為研究目標(biāo)，將企業(yè)從工藝設(shè)計到生產(chǎn)制造進行全程管控，全面實現(xiàn)無紙化應(yīng)用，統(tǒng)一數(shù)據(jù)源，實現(xiàn)產(chǎn)品制造全生命周期數(shù)據(jù)管理，建立產(chǎn)品數(shù)字化制造質(zhì)量檔案。

2 無紙化制造平臺搭建

▲圖1 車間無紙化制造應(yīng)用平臺

為了改善企業(yè)管理狀態(tài)，順應(yīng)無紙化制造技術(shù)發(fā)展的趨勢，提出了無紙化總體思路，建立數(shù)字化制造管理模式，搭建車間無紙化制造集成平臺，對工藝無紙化、生產(chǎn)管理無紙化、生產(chǎn)物流無紙化及三者之間的信息集成進行深入研究，實現(xiàn)以BOM為導(dǎo)航的統(tǒng)一制造數(shù)據(jù)管理體系，建立產(chǎn)品全生命周期制造數(shù)據(jù)質(zhì)量檔案，為產(chǎn)品的生產(chǎn)加工及信息追溯提供數(shù)據(jù)支撐。圖1為車間無紙化制造技術(shù)應(yīng)用平臺的框架設(shè)計。

采用車間無紙化制造技術(shù)平臺，可統(tǒng)一制造業(yè)務(wù)管理，統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理，全過程以無紙化制造應(yīng)用為主線，從工藝無紙化、生產(chǎn)管理無紙化、生產(chǎn)物流無紙化和電子質(zhì)量檔案管理等方面對整個產(chǎn)品的制造過程進行管控，從而保證數(shù)據(jù)的完整性、一致性和可追溯性，為產(chǎn)品的高效生產(chǎn)、質(zhì)量保障提供堅實的基礎(chǔ)。

無紙化制造技術(shù)是一種制造理念，是一種全新的設(shè)計和制造模式［3］，它要求在制造過程中對所有的數(shù)據(jù)都進行數(shù)字化管理，減少或消除紙質(zhì)文件的存在，實現(xiàn)全三維結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計和生產(chǎn)制造。本文從4個方面分別闡述離散型企業(yè)的無紙化制造過程。

2.1 工藝無紙化

工藝無紙化主要由工藝設(shè)計集成管理和工藝業(yè)務(wù)管理兩部分組成，以工藝業(yè)務(wù)管理為控制主線，同時將工藝設(shè)計集成管理模塊集成到業(yè)務(wù)過程控制當(dāng)中，通過模型驅(qū)動開展工藝無紙化設(shè)計過程（如圖2所示）。

（1）工藝業(yè)務(wù)管理。以BOM數(shù)據(jù)為源頭進行項目管理，通過任務(wù)管理驅(qū)動工藝準(zhǔn)備過程管理和工藝更改過程管理，同時集成現(xiàn)有數(shù)字化工具和數(shù)字化系統(tǒng)，全面管控工藝無紙化設(shè)計過程，對工藝無紙化過程中產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理，包括靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行技術(shù)狀態(tài)管理、版本管理和有效性管理，實現(xiàn)工藝業(yè)務(wù)過程的閉環(huán)控制，保障工藝數(shù)據(jù)的完整性、一致性、可控性和過程數(shù)據(jù)的可追溯性［4］。

▲圖2 工藝無紙化系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

（2）工藝設(shè)計集成管理。包括工藝規(guī)劃管理和工藝設(shè)計工具集。工藝規(guī)劃管理主要對多工藝結(jié)構(gòu)、工藝路線、材料定額、多工藝方案、產(chǎn)品工藝配置和產(chǎn)品發(fā)布等方面進行管理，為工藝的總體規(guī)劃提供了保障。工藝設(shè)計工具集主要包括基于MBD的三維多視圖工藝設(shè)計平臺（工藝圖表設(shè)計工具、工藝流程圖設(shè)計工具、三維工藝設(shè)計工具、基于知識的工藝設(shè)計工具）、工裝物料申請及材料定額設(shè)計、工藝指令文件編輯工具、與CAD/CAM/仿真等工具集成，為快速進行工藝設(shè)計提供了基礎(chǔ)。

2.2 生產(chǎn)管理無紙化

生產(chǎn)管理無紙化由生產(chǎn)管理、現(xiàn)場加工、檢驗檢測、信息采集與處理四大部分組成，采用高級計劃排程技術(shù)進行生產(chǎn)排產(chǎn)，全面加強生產(chǎn)過程控制，減少人為干預(yù)，實時處理現(xiàn)場反饋，保證生產(chǎn)進度按計劃順利完成，如圖3所示。

（1）生產(chǎn)管理。采用高級計劃排程技術(shù)進行生產(chǎn)排產(chǎn)，在充分考慮設(shè)備生產(chǎn)能力和不同物料制造時間的條件下，根據(jù)物料BOM和裝配件開工需求時間點，快速計算加工訂單的計劃開始時間，對生產(chǎn)執(zhí)行狀態(tài)、物料配套狀態(tài)及制造資源狀態(tài)進行實時監(jiān)控，提高生產(chǎn)效率和設(shè)備利用率。

（2）現(xiàn)場加工。為了實現(xiàn)可視化加工制造，減少生產(chǎn)執(zhí)行錯誤，消除或減少紙質(zhì)文件的存在，必須對生產(chǎn)現(xiàn)場加工過程進行有效控制，通過三維工藝信息交互式瀏覽、工序級過程控制（開工條件的定制和檢查）、工步級過程控制（刀具的檢查和NC程序自動下載）、工藝更改管控（現(xiàn)場部分配合）以及現(xiàn)場問題反饋等方面加強管理，實現(xiàn)加工過程的可視化瀏覽及精細化管理。

（3）檢驗檢測。采用基于三維模型的質(zhì)量檢驗規(guī)劃技術(shù)進行檢驗檢測，構(gòu)建三維統(tǒng)一檢測模型，實現(xiàn)檢測模型與設(shè)計模型、工藝模型的關(guān)聯(lián)與銜接，將檢測報告和檢測信息進行統(tǒng)一規(guī)范化管理。

（4）信息采集與處理。要進行生產(chǎn)過程控制，實現(xiàn)無紙化生產(chǎn)，必須配套相應(yīng)的信息采集與處理工具，如DNC系統(tǒng)、RFID和條碼系統(tǒng)等，同時要做好制造過程數(shù)據(jù)采集規(guī)劃與標(biāo)識、多源數(shù)據(jù)的采集與集成以及制造過程信息實時現(xiàn)場展示與集成。

2.3 生產(chǎn)物流無紙化

生產(chǎn)物流無紙化主要由物流計劃、物流執(zhí)行和物流監(jiān)控3部分組成，通過集成采集設(shè)備，實時獲取物流信息，并與SCM、ERP及生產(chǎn)管理無紙化系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互，如圖4所示。

▲圖3 生產(chǎn)管理無紙化系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

▲圖4 生產(chǎn)物流無紙化系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

▲圖5 數(shù)據(jù)集成交互

▲圖6 電子質(zhì)量檔案管理數(shù)據(jù)組織圖

主要功能有：根據(jù)物流計劃，分解下達物流運輸指令；通過電子看板，指導(dǎo)現(xiàn)場物流作業(yè)；通過RFID/PLC/智能傳感器等硬件設(shè)備，實時采集現(xiàn)場運輸設(shè)備、加工部件、工具的物流狀態(tài)；對采集的物流信息進行跟蹤、匯總、分析，并為SCM/ERP等業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)車間物流的可視化控制；通過電子看板，實時顯示物流過程狀態(tài)，指導(dǎo)和優(yōu)化現(xiàn)場生產(chǎn)。

2.4 數(shù)據(jù)集成交互

由圖5可知，無紙化系統(tǒng)內(nèi)部各模塊之間緊密相連，兩兩相關(guān)，數(shù)據(jù)之間形成閉環(huán)管理，使整個系統(tǒng)形成一體化管理，提高數(shù)據(jù)的綜合利用率，保證數(shù)據(jù)的完整性和一致性。

2.5 電子質(zhì)量檔案管理

以BOM為核心，組織產(chǎn)品全生命制造數(shù)據(jù)，建立產(chǎn)品全生命周期制造質(zhì)量檔案，從零件工藝數(shù)據(jù)檔案、零件生產(chǎn)數(shù)據(jù)檔案、零件物流數(shù)據(jù)檔案3方面進行管理，全程跟蹤產(chǎn)品制造數(shù)據(jù)，如圖6所示。

（1）零件工藝數(shù)據(jù)檔案。將零件的三維模型、工藝數(shù)據(jù)、技術(shù)狀態(tài)信息和制造資源信息進行記錄和匯總，按照格式要求，形成零件工藝數(shù)據(jù)檔案。

（2）零件生產(chǎn)數(shù)據(jù)檔案。為了細化生產(chǎn)數(shù)據(jù)，對每個工件建立一套生產(chǎn)數(shù)據(jù)檔案，包括工藝數(shù)據(jù)實例、生產(chǎn)計劃、工序級過程控制信息報告、工步級過程控制信息報告、檢驗檢測信息報告和現(xiàn)場問題記錄等，按照格式要求，形成零件生產(chǎn)數(shù)據(jù)檔案。

（3）零件物流數(shù)據(jù)檔案。將零件加工中使用的物料、工裝、刀具等物流狀態(tài)信息進行記錄并匯總，按照格式要求，形成零件物流數(shù)據(jù)檔案。

3 工程實例驗證

根據(jù)本文提出的思想，開發(fā)了數(shù)控車間無紙化制造系統(tǒng)，成功應(yīng)用于某航空企業(yè)數(shù)控加工廠。以業(yè)務(wù)管理為控制主線，用無紙化制造技術(shù)的理念整合現(xiàn)有信息系統(tǒng)，如 CAD、CAPP、CAM、PDM、MES、IQS、DNC以及信息采集系統(tǒng)，搭建具有數(shù)控車間特色的無紙化制造系統(tǒng)門戶，加強過程控制，減少人為干預(yù)，全面采用數(shù)據(jù)流進行系統(tǒng)間集成交互，消除或減少紙質(zhì)文件的存在。建立產(chǎn)品全生命周期制造質(zhì)量檔案管理，實時跟蹤產(chǎn)品制造狀態(tài)，嚴(yán)格保證產(chǎn)品制造質(zhì)量。

實踐證明，該系統(tǒng)的實施在一定程度上有效地消除或減少了紙質(zhì)文件在企業(yè)的傳遞，全面采用數(shù)字化方式進行業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)交互，整合了企業(yè)現(xiàn)有系統(tǒng)，充分利用企業(yè)現(xiàn)有的各種信息資源，加強內(nèi)部系統(tǒng)間的緊密交互、業(yè)務(wù)間的過程控制和閉環(huán)管理控制，減少人為失誤，保證產(chǎn)品的制造質(zhì)量。

4 結(jié)束語

無紙化并非無一片紙，它是一種制造理念，一種新的生產(chǎn)模式，就連波音飛機制造現(xiàn)場也依然存在紙質(zhì)文件。無紙化制造技術(shù)以數(shù)字信息傳遞為核心，以精密加工為關(guān)鍵，進行高度自動化的加工制造。本文按照無紙化制造技術(shù)的思想，結(jié)合企業(yè)現(xiàn)有的信息系統(tǒng)資源，搭建了適合企業(yè)需求的車間無紙化制造系統(tǒng)，從工藝、生產(chǎn)、物流等方面全面進行信息化管理，全程加強過程控制，生產(chǎn)加工采用精細化管理的方式進行，加強工藝設(shè)計到生產(chǎn)加工的閉環(huán)控制，全程跟蹤產(chǎn)品的制造狀態(tài)，建立產(chǎn)品的全生命周期制造質(zhì)量檔案，為產(chǎn)品的高效生產(chǎn)和高質(zhì)量品質(zhì)提供保證。無紙化制造技術(shù)的應(yīng)用，必定會提高企業(yè)的競爭力，為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟效益。

［1］ 楊海成,祁國寧．制造業(yè)信息化技術(shù)的發(fā)展趨勢［J］．中國機械工程,2004（19）:74-76．

［2］ 侯守峰,王桂錄，劉引．無紙化制造技術(shù)［J］．煤礦機械，2012（3）:128-129．

［3］ 張倫彥．面向離散型車間的無紙化MES研究［J］．航空制造技術(shù)，2012（12）:44-47．

［4］ 王成,許建新,董思洋,等．飛機結(jié)構(gòu)件數(shù)控工藝業(yè)務(wù)管理平臺技術(shù)研究［J］．航空制造技術(shù),2012（1）:133-137．