數(shù)字化集成技術(shù)在航空復(fù)雜產(chǎn)品制造過(guò)程中的應(yīng)用

楊 海，李 凱，白代敏，馬光輝

（1.西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，西安 710072；2.西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限公司，西安 710021；3.中國(guó)航空規(guī)劃建設(shè)發(fā)展有限公司，北京 100120）

0 引言

數(shù)控加工是航空復(fù)雜產(chǎn)品加工的重要手段之一[1]。加工過(guò)程涉及數(shù)控工藝文件、數(shù)控程序等多項(xiàng)加工信息。在數(shù)控技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的相互融合下，DNC(Distributed Numerical Control)技術(shù)的概念也不斷地發(fā)展和外延，已逐漸演變成一種生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)信息集成與管理平臺(tái)[2～4]。如何在車間管理模式中將DNC系統(tǒng)與MES、PDM等其他應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行有效的集成，實(shí)現(xiàn)DNC與MES、PDM間的信息共享，對(duì)于制造車間的信息化建設(shè)具有重要的意義。

制造企業(yè)數(shù)字化集成技術(shù)的研究與應(yīng)用表現(xiàn)為兩方面，一方面是面向產(chǎn)品全數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造的CAD/CAE/CAM/CAPP/PDM集成。如趙娜[5]提出了基于PDM平臺(tái)的3C集成框架和模型，分析了基于PDM平臺(tái)的CAD/CAPP/CAM集成實(shí)現(xiàn)過(guò)程，這一方法對(duì)航空制造企業(yè)實(shí)現(xiàn)信息化和異地協(xié)同制造具有一定的指導(dǎo)意義?？娦》降萚6]闡述了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、分析仿真、工藝規(guī)劃、數(shù)控加工、質(zhì)量控制及生產(chǎn)管理的PLM信息化集成平臺(tái)開(kāi)發(fā)與實(shí)施的關(guān)鍵技術(shù)及技術(shù)路線，提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量、縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期。杜福洲等[7]針對(duì)如何實(shí)現(xiàn)真正的無(wú)圖化、無(wú)紙化的三維數(shù)字化集成檢測(cè)，研究了三維數(shù)字化集成檢測(cè)中的關(guān)鍵技術(shù)。另一方面是為實(shí)現(xiàn)整機(jī)制造企業(yè)信息化，進(jìn)行的CAD/CAE/CAM/CAPP/PDM與企業(yè)資源計(jì)劃ERP、供應(yīng)鏈管理SCM(Supply Chain Manage-ment)、客戶關(guān)系管理CRM(Customer Relationship Management)的集成。如周秋忠等[8]將數(shù)字化管理平臺(tái)劃分成經(jīng)營(yíng)、工程和生產(chǎn)三大系統(tǒng)，提出了實(shí)現(xiàn)三大系統(tǒng)之間集成互操作的方法，使數(shù)字化管理平臺(tái)符合制造企業(yè)實(shí)際業(yè)務(wù)的應(yīng)用需求。

生產(chǎn)數(shù)據(jù)集成方面的研究，有效地推動(dòng)了企業(yè)信息化平臺(tái)的構(gòu)建，但由于航空復(fù)雜零件的數(shù)控加工工作量大，涉及DNC/PDM/MES系統(tǒng)，現(xiàn)有的數(shù)字化數(shù)據(jù)集成方法不能滿足航空復(fù)雜產(chǎn)品制造對(duì)信息集成的需求。因此，提出數(shù)字化集成技術(shù)在航空復(fù)雜產(chǎn)品制造過(guò)程中的應(yīng)用研究，通過(guò)建立面向航空復(fù)雜產(chǎn)品制造過(guò)程的制造數(shù)據(jù)集成模型，實(shí)現(xiàn)DNC/PDM/MES系統(tǒng)的集成。

1 制造數(shù)據(jù)集成模型建立

1.1 數(shù)字化集成技術(shù)在航空復(fù)雜產(chǎn)品制造中應(yīng)用的必要性

航空復(fù)雜產(chǎn)品的典型代表是航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件，目前我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)擁有一套完整的生產(chǎn)體系和數(shù)千臺(tái)（套）現(xiàn)代化高精尖生產(chǎn)加工設(shè)備，其設(shè)備管理秉承與之相配套的先進(jìn)、科學(xué)的管理模式和方法。隨著企業(yè)新的精密數(shù)控廠房的建成，數(shù)控設(shè)備逐漸增多，如何加強(qiáng)對(duì)數(shù)控設(shè)備的管理，使其發(fā)揮出最大的經(jīng)濟(jì)效益成了車間乃至企業(yè)的重要議程。為達(dá)到上述目標(biāo)，需要解決以下六個(gè)問(wèn)題：

1）生產(chǎn)管理模式亟待突破；

2）MES工具集和產(chǎn)品功能亟待豐富；

3）優(yōu)化決策關(guān)鍵技術(shù)亟待攻關(guān)；

4）MES配套規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和管理制度亟待建立；

5）MES實(shí)施推廣亟待加強(qiáng)；

6）DNC系統(tǒng)的建設(shè)迫在眉睫。

這些問(wèn)題，對(duì)建立集成化的MES系統(tǒng)、DNC系統(tǒng)與PDM系統(tǒng)提出了迫切的需求，以支持航空發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)數(shù)控車間數(shù)字化長(zhǎng)效、穩(wěn)定、健康和可持續(xù)的發(fā)展需求。

1.2 制造數(shù)據(jù)集成模型建立

目前，由于NC代碼分散存儲(chǔ)于各工藝人員的計(jì)算機(jī)，管理比較混亂，導(dǎo)致NC文件的傳輸、管理和準(zhǔn)備效率方面均存在問(wèn)題。同時(shí)MES系統(tǒng)、PDM系統(tǒng)與DNC系統(tǒng)缺乏有效集成，致使MES系統(tǒng)的計(jì)劃指令無(wú)法下達(dá)到DNC系統(tǒng)，DNC系統(tǒng)無(wú)法獲取準(zhǔn)確的開(kāi)工指令，從而無(wú)法進(jìn)行有效的生產(chǎn)準(zhǔn)備；DNC系統(tǒng)不能從PDM系統(tǒng)中引用相應(yīng)加工代碼，造成加工代碼的來(lái)源不唯一、不規(guī)范；同時(shí)DNC系統(tǒng)對(duì)數(shù)控設(shè)備的監(jiān)控信息無(wú)法準(zhǔn)確、及時(shí)地傳遞給MES系統(tǒng)，導(dǎo)致MES系統(tǒng)無(wú)法在第一時(shí)間掌握現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)情況，從而影響計(jì)劃安排的準(zhǔn)確性和敏捷性。針對(duì)這些問(wèn)題，航空企業(yè)通過(guò)對(duì)多年信息化建設(shè)的理解以及對(duì)國(guó)內(nèi)外先進(jìn)生產(chǎn)企業(yè)的學(xué)習(xí)，提出的制造數(shù)據(jù)集成模型如圖1所示。涉及的范圍涵蓋四部分，即生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用層、DNC傳輸層、MES控制層和PDM數(shù)據(jù)管理層。

圖1 制造數(shù)據(jù)集成模型

1）PDM數(shù)據(jù)管理層

PDM數(shù)據(jù)管理層能夠有效組織和管理企業(yè)制造過(guò)程的工藝數(shù)據(jù)、三維數(shù)模及刀具清單、質(zhì)量文件和數(shù)控程序等生產(chǎn)作業(yè)文檔。不僅為各個(gè)系統(tǒng)提供共享、一致的數(shù)據(jù)來(lái)源，并且對(duì)各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和存儲(chǔ)，在制造數(shù)據(jù)集成模型中，通過(guò)PDM向DNC系統(tǒng)發(fā)放數(shù)據(jù)。

2）MES控制層

MES控制層是企業(yè)CIMS信息集成的紐帶，為DNC系統(tǒng)發(fā)放加工指令，并接收DNC系統(tǒng)數(shù)據(jù)的反饋，及時(shí)掌握生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)情況。

3）DNC傳輸層

DNC系統(tǒng)傳輸?shù)牟粌H包括NC程序，而且包括執(zhí)行特定生產(chǎn)任務(wù)所需的制造數(shù)據(jù)，如刀具數(shù)據(jù)、作業(yè)計(jì)劃、機(jī)床配置信息等。所涉及到的數(shù)據(jù)實(shí)體包含四類：與制造設(shè)備硬件相關(guān)的數(shù)據(jù)實(shí)體（如機(jī)床等）；與人機(jī)通訊相關(guān)的數(shù)據(jù)實(shí)體（如通訊協(xié)議實(shí)體）；數(shù)控?cái)?shù)據(jù)實(shí)體（如NC程序號(hào)、刀具號(hào)、工序號(hào)）；操作指令或派工單實(shí)體。

2 基于Webservice的制造數(shù)據(jù)集成方法

2.1 系統(tǒng)集成模式下制造數(shù)據(jù)流分析

PDM系統(tǒng)作為數(shù)字化集成系統(tǒng)唯一的數(shù)據(jù)源，承擔(dān)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息、數(shù)控程序及其清單的管理與存儲(chǔ)。DNC/MES/PDM系統(tǒng)集成模式下制造數(shù)據(jù)流分析如圖2所示。

圖2 DNC/MES/PDM集成模式下制造數(shù)據(jù)流分析

PDM系統(tǒng)完成車間級(jí)制造BOM的生成及數(shù)控程序的有效管理。PDM系統(tǒng)向DNC系統(tǒng)傳遞NC程序文件屬性信息，其內(nèi)容包括：產(chǎn)品號(hào)、零件號(hào)、CAPP工藝規(guī)程編號(hào)、工藝版本、工序號(hào)、設(shè)備型號(hào)、控制系統(tǒng)類型、設(shè)備編碼、部門(mén)名稱（車間代號(hào)）、工序名稱、PDM工序編號(hào)、NC程序編號(hào)等，DNC將接受到的信息呈現(xiàn)給制造現(xiàn)場(chǎng)。MES系統(tǒng)將生產(chǎn)計(jì)劃發(fā)送到DNC系統(tǒng)的管理模塊，DNC管理系統(tǒng)根據(jù)開(kāi)工零件號(hào)、工序號(hào)以及設(shè)備型號(hào)等屬性在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)中進(jìn)行檢索，篩選出需要的數(shù)控文件，并發(fā)送至機(jī)床設(shè)備樹(shù)中，如沒(méi)有檢索到該程序，則反饋給MES系統(tǒng)，以便重新指定計(jì)劃。在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)傳送成功后，操作工通過(guò)觸摸屏瀏覽加工計(jì)劃及相關(guān)技術(shù)文檔，并下載對(duì)應(yīng)數(shù)控程序到機(jī)床。在數(shù)控程序被機(jī)床執(zhí)行的過(guò)程中，DNC系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)控每臺(tái)機(jī)床的狀態(tài)參數(shù)（運(yùn)行時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、機(jī)床的開(kāi)機(jī)狀態(tài)等），形成加工信息采集資源庫(kù)。MES系統(tǒng)通過(guò)讀取該資源庫(kù)，進(jìn)行零件的加工進(jìn)度情況及現(xiàn)場(chǎng)機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)等信息的匯總，及時(shí)對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行安排和調(diào)整，以保證計(jì)劃的科學(xué)性及可行性。

根據(jù)系統(tǒng)集成模式下的數(shù)據(jù)流分析，可分解出數(shù)據(jù)信息服務(wù)，如DNC與PDM系統(tǒng)集成模式下制造數(shù)據(jù)服務(wù)如圖3所示。

2.2 系統(tǒng)集成模式下制造信息服務(wù)的發(fā)布

當(dāng)制造數(shù)據(jù)服務(wù)的提供者想讓其他集成系統(tǒng)的客戶端（即服務(wù)請(qǐng)求者）發(fā)現(xiàn)并使用其所提供的制造數(shù)據(jù)信息服務(wù)時(shí)，可使用發(fā)布操作將自己提供的制造數(shù)據(jù)服務(wù)注冊(cè)到制造數(shù)據(jù)信息注冊(cè)中心UDDI，也可以通過(guò)該操作刪除那些已經(jīng)在注冊(cè)中心上注冊(cè)但還沒(méi)有使用的制造數(shù)據(jù)信息服務(wù)，其操作步驟如下：

圖3 DNC/PDM系統(tǒng)集成模式下制造數(shù)據(jù)服務(wù)示意圖

1）首先，制造數(shù)據(jù)信息服務(wù)提供者運(yùn)行一個(gè)客戶端的應(yīng)用程序，然后選擇服務(wù)發(fā)布操作步驟。

2）若制造信息服務(wù)提供的部門(mén)還沒(méi)有在注冊(cè)中心中注冊(cè)，則需要首先注冊(cè)該部門(mén)的信息。注冊(cè)完部門(mén)信息以后，需要在客戶端的應(yīng)用程序界面上輸入部門(mén)的名稱和服務(wù)關(guān)鍵字、服務(wù)的名稱及相關(guān)信息。

3）填完這些信息后，將信息提交給注冊(cè)中心，注冊(cè)中心將為這個(gè)注冊(cè)的部門(mén)生成相應(yīng)的關(guān)鍵字，并把這些制造信息服務(wù)信息保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，從而完成發(fā)布操作。

4）如果要?jiǎng)h除某個(gè)制造信息服務(wù)，需要輸入該制造信息服務(wù)所對(duì)應(yīng)的服務(wù)關(guān)鍵字和服務(wù)名稱，并提交給注冊(cè)中心就可以完成刪除操作。

注冊(cè)中心發(fā)布制造信息服務(wù)的UML時(shí)序圖如圖4所示。

圖4 制造信息服務(wù)發(fā)布的操作時(shí)序圖

2.3 系統(tǒng)集成模式下制造信息服務(wù)的調(diào)用

傳輸層將XML格式的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和超文本傳輸協(xié)議HTTP進(jìn)行組合形成一個(gè)新的標(biāo)準(zhǔn)，制造信息服務(wù)根據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn)調(diào)用SOAP消息，以此達(dá)到使用網(wǎng)絡(luò)上各種不同服務(wù)提供者所提供制造信息服務(wù)目的。SOAP主要由以下四個(gè)部分組成：

1）SOAP信封：定義了一個(gè)框架結(jié)構(gòu)，該框架描述了消息中的內(nèi)容有什么，誰(shuí)處理它，它是可選擇的還是必須的。

2）SOAP編碼規(guī)則：定義了一種序列化的機(jī)制，用于交換應(yīng)用程序所定義數(shù)據(jù)類型的實(shí)例。

3）SOAP RPC表示：定義了用于表示遠(yuǎn)程調(diào)用和應(yīng)答的協(xié)定。

4）SOAP綁定：定義了一種使用底層傳輸協(xié)議來(lái)完成在節(jié)點(diǎn)間交換SOAP封裝的約定。

DNC與PDM系統(tǒng)集成模式下，制造數(shù)據(jù)Webservice服務(wù)調(diào)用過(guò)如圖5所示。

圖5 制造數(shù)據(jù)Webservice服務(wù)調(diào)用過(guò)程

制造數(shù)據(jù)信息服務(wù)請(qǐng)求者創(chuàng)建SOAP請(qǐng)求消息，發(fā)送到UDDI服務(wù)注冊(cè)中心。UDDI注冊(cè)中心接收到服務(wù)請(qǐng)求者發(fā)來(lái)的SOAP請(qǐng)求后，解讀請(qǐng)求信息；然后從服務(wù)器端的綁定文件中找到與SOAP請(qǐng)求相應(yīng)的制造數(shù)據(jù)信息，并作進(jìn)一步處理；最后以SOAP響應(yīng)的形式返回給制造數(shù)據(jù)信息服務(wù)請(qǐng)求者。制造數(shù)據(jù)信息服務(wù)請(qǐng)求者將接收到SOAP響應(yīng)消息反序列化并取得結(jié)果，SOAP客戶端與SOAP服務(wù)器端通過(guò)HTTP協(xié)議進(jìn)行通訊，傳輸數(shù)據(jù)是XML格式的純文本字符串。在制造數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)服務(wù)接口，按照功能進(jìn)行封裝，然后用Web服務(wù)調(diào)用，以實(shí)現(xiàn)對(duì)制造數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中的制造數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，從而達(dá)到制造數(shù)據(jù)的服務(wù)化。傳送請(qǐng)求消息代碼如下：

Object return Value=service Client.invoke Blocking(o pAddEntry,opAddEntryArgs, classes)[0];

classid=selectedTI.getData().toString();

System.out.println(classid);

if(nFlag == 1)

{

listObj(group_1,classid);

}

else if(nFlag == 2)

{

listObj(group_1,classid);

}

圖6 盤(pán)軸零件制造過(guò)程數(shù)字化集成應(yīng)用模式

(Exception ex)

{

out.println(ex);

}

在客戶端需要建立一個(gè)對(duì)象，用來(lái)負(fù)責(zé)HTTP的連接。其中要設(shè)定一些頭部信息。若網(wǎng)絡(luò)連接需要帶服務(wù)器，也需在客戶端設(shè)定相關(guān)的信息。接著需要?jiǎng)?chuàng)建SOAP對(duì)象，用來(lái)生成SOAP消息。按照WSDL的定義，將所有的參數(shù)按序列進(jìn)行序列化，得到完整的SOAP請(qǐng)求消息。該消息將通過(guò)HttpConnector發(fā)生到服務(wù)端。最后生成一個(gè)SOAPRead對(duì)象，該對(duì)象負(fù)責(zé)讀取服務(wù)端所返回的SOAP消息，取得消息中的返回值。解析WSDL文檔就會(huì)得到所有的調(diào)用方法，然后根據(jù)此調(diào)用執(zhí)行操作。其開(kāi)發(fā)部分代碼如下：

public static void main(String[]args) {

try {

IcmDialog window = new IcmDialog();

clientdir=window.getProperties(“clientdir”);

if(clientdir.compareTo(“”)==0)

……

window.deleteFile();//gao add 獲取jar包調(diào)用時(shí)傳入的參數(shù)

String str = new String();

for (int i = 0; i < args.length; i++)

{//System.out.println(args[i]);

str += args[i];

}

window.open(str);

}

3 應(yīng)用實(shí)例

以某航空制造企業(yè)制造數(shù)據(jù)集成平臺(tái)構(gòu)建為例，采用所提方法建立的航空發(fā)動(dòng)機(jī)盤(pán)軸零件制造過(guò)程數(shù)字化集成應(yīng)用模式如圖6所示。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)盤(pán)軸制造過(guò)程數(shù)字化集成應(yīng)用模式主要包括PDM（Teamcenter）數(shù)據(jù)管理平臺(tái)、ERP系統(tǒng)、MES系統(tǒng)和DNC系統(tǒng)。通過(guò)PDM數(shù)據(jù)管理平臺(tái)的多側(cè)面多站點(diǎn)與DNC、MES等各子系統(tǒng)有效集成，實(shí)現(xiàn)制造數(shù)據(jù)的有效傳遞。設(shè)計(jì)工藝師、NC程序員和工藝工程師將編制完成的工具清單、工裝設(shè)計(jì)清單、NC程序、操作說(shuō)明和工作文件等發(fā)送到PDM數(shù)據(jù)管理平臺(tái)；生產(chǎn)調(diào)度員將加工指令發(fā)放到MES系統(tǒng)；在ERP系統(tǒng)的支持下，MES系統(tǒng)對(duì)DNC發(fā)送加工指令，此時(shí)，工具安裝人員從工作包提供的工具清單中選擇加工工具，從資源數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇測(cè)量工具；NC機(jī)床操作員下載NC程序包。在加工過(guò)程中將刀具實(shí)際偏移量反饋到數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，用于優(yōu)化NC程序；同時(shí)通過(guò)DNC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)及生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集，為生產(chǎn)計(jì)劃安排與優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。

以Teamcenter2007為平臺(tái)，通過(guò)二次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)盤(pán)軸零件制造過(guò)程數(shù)據(jù)的有效集成，軟件實(shí)現(xiàn)如圖7所示。

圖7 DNC/PDM/MES數(shù)字化集成的軟件實(shí)現(xiàn)

DNC/PDM/MES系統(tǒng)在數(shù)字化集成平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了唯一的數(shù)據(jù)源傳遞。圖中PDM數(shù)據(jù)管理平臺(tái)集成了工具信息、加工設(shè)備信息、夾具信息和生產(chǎn)計(jì)劃信息等多項(xiàng)制造數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了制造數(shù)據(jù)的多系統(tǒng)集成。

4 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)有的數(shù)字化集成技術(shù)不能滿足航空復(fù)雜產(chǎn)品制造對(duì)DNC/PDM/MES集成的需求，利用信息技術(shù)建立了制造數(shù)據(jù)集成模型。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)研究DNC/PDM/MES系統(tǒng)集成模式下制造數(shù)據(jù)流，基于Webservice實(shí)現(xiàn)了各類生產(chǎn)制造信息的共享、過(guò)程信息的采集分析等，有效減少了設(shè)備空閑時(shí)間、提高了零部件的產(chǎn)出率，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控設(shè)備的集成增效，長(zhǎng)期制約航空企業(yè)數(shù)控車間增產(chǎn)增效的瓶頸問(wèn)題得到了初步解決。

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