離散型制造業(yè)工藝智能化實(shí)施方案

嚴(yán)衛(wèi)春

(上海電氣電站設(shè)備有限公司汽輪機(jī)廠，上海 200240)

人類工業(yè)化進(jìn)程從生產(chǎn)方式上經(jīng)歷了以蒸汽機(jī)為代表的機(jī)械時(shí)代、以電力為代表的電氣時(shí)代、以計(jì)算機(jī)為代表的信息時(shí)代，以及以互聯(lián)網(wǎng)為代表的智能時(shí)代。從科學(xué)研究范式上經(jīng)歷了實(shí)驗(yàn)科學(xué)、理論科學(xué)、計(jì)算科學(xué)和數(shù)據(jù)密集型科學(xué)4個(gè)階段[1]。隨著產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的復(fù)雜多變和性能的日益精細(xì)，工藝及制造數(shù)據(jù)也隨之劇增。目前工業(yè)制造正處在數(shù)據(jù)信息的洪流中，如果不對數(shù)據(jù)加以重視，必然導(dǎo)致信息的散亂和缺失，跟不上產(chǎn)品制造快節(jié)奏的社會需求。因此，需要通過智能制造技術(shù)改進(jìn)傳統(tǒng)工業(yè)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級。

智能化是指機(jī)器能解決人腦所能解決的問題，比如分析、推理、演算、構(gòu)架、判斷和決策等。智能制造是指通過一定的方式，讓機(jī)器實(shí)現(xiàn)智能化，使其能部分代替、擴(kuò)展人類在制造過程中的重復(fù)性勞動(dòng)，甚至是創(chuàng)造性的腦力勞動(dòng)，實(shí)現(xiàn)制造的自動(dòng)化，柔性化和智能化[2]。毫無疑問，智能化是制造技術(shù)的未來發(fā)展方向，是自動(dòng)化縱深發(fā)展的必然結(jié)果。

近年來，中國制造業(yè)已進(jìn)入從產(chǎn)量高速增長到產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)高質(zhì)量發(fā)展的階段。但與世界先進(jìn)水平相比，中國制造業(yè)仍存在資源使用效率低、信息化程度低和質(zhì)量效益低等突出問題。國務(wù)院提出的“中國制造2025” 戰(zhàn)略方針，就是通過智能制造的推進(jìn)，加快信息技術(shù)與制造技術(shù)的深度融合，實(shí)現(xiàn)新一代制造業(yè)的更新升級[3]。

汽輪機(jī)行業(yè)作為離散型制造行業(yè)，產(chǎn)品由多個(gè)零件經(jīng)過不連續(xù)的工序加工，部分裝配后再總體裝配而成。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上，汽輪機(jī)產(chǎn)品由上千種零件裝配而成，零件多且具有復(fù)雜裝配關(guān)系。產(chǎn)品系列上，針對不同的用途和原料原理，以及私人定制的發(fā)展趨勢，汽輪機(jī)產(chǎn)品有多個(gè)系列和類型。制造過程上，不同零件的排產(chǎn)計(jì)劃，同一零件的工序串、并聯(lián)關(guān)系，都互相交叉，錯(cuò)綜復(fù)雜。因此，汽輪機(jī)加工具有排產(chǎn)計(jì)劃不固定、生產(chǎn)節(jié)奏不連續(xù)、成本管理不可控等特點(diǎn)。

汽輪機(jī)產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到制造是全周期過程，工藝在其中承上啟下，其重要性不言而喻。目前的工藝流程以人工決策、分配和傳遞為主，導(dǎo)致工藝流程不連續(xù)，節(jié)點(diǎn)不清晰，過程不可控，反饋不及時(shí)。目前的工藝數(shù)據(jù)以表格或文檔等方式編輯、存儲、下發(fā)，導(dǎo)致工藝數(shù)據(jù)查詢困難，重復(fù)引用性差，不能根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)靈活調(diào)整加工道序，工藝質(zhì)量和工作效率較低，文件更新遲緩。目前的生產(chǎn)制造過程原則上由工藝指導(dǎo)，但是實(shí)際缺乏有效監(jiān)管手段，不能保證制造過程是否嚴(yán)格按照工藝執(zhí)行。

針對上述工藝流程、工藝數(shù)據(jù)和工藝管控等方面存在的問題，本文結(jié)合信息技術(shù)和工藝技術(shù)，提出工藝智能化思維及規(guī)劃方案，開發(fā)結(jié)構(gòu)化工藝平臺和制造管控平臺，旨在通過平臺的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)工藝流程有序推進(jìn)、工藝數(shù)據(jù)靈活使用、工藝管控透明有效。

1 工藝智能化思維及規(guī)劃

工藝是指通過各種加工設(shè)備或加工手段將原材料、半成品加工為成品的方法與過程。一個(gè)完整的工藝應(yīng)具備標(biāo)準(zhǔn)定額計(jì)算、工藝過程控制文件、工藝裝備、作業(yè)指導(dǎo)書和數(shù)控程序。工藝工作的一般順序?yàn)椋簩υO(shè)計(jì)部門傳遞的產(chǎn)品圖紙進(jìn)行工藝性會審；劃分零件或部套的屬性及工藝路線，標(biāo)示零件的分工和流轉(zhuǎn)順序，指導(dǎo)排產(chǎn)計(jì)劃；計(jì)算零件的材料定額和原材料選用，指導(dǎo)報(bào)價(jià)和原材料采購；編制各專業(yè)性工藝卡，包括工步內(nèi)容、工藝裝備、標(biāo)準(zhǔn)引用等，嚴(yán)格控制制造過程；編制數(shù)控程序，控制機(jī)床加工作業(yè)；計(jì)算工時(shí)定額，指導(dǎo)企業(yè)的成本核算。

從本質(zhì)上看，工藝工作是通過生成工藝知識來指導(dǎo)生產(chǎn)制造。知識以文件為載體進(jìn)行傳遞，而文件是信息的集合。因此，工藝工作的質(zhì)量和效率取決于信息化程度，信息化程度高，則工藝工作質(zhì)量和效率高，反之，則質(zhì)量和效率低下。信息化是指發(fā)展以計(jì)算機(jī)為主的智能化工具，以提高生產(chǎn)力，而智能化的本質(zhì)是機(jī)器能像人一樣解決人腦所能解決的問題。與連續(xù)型制造業(yè)的產(chǎn)能由硬件設(shè)備所決定不同，離散型制造業(yè)的產(chǎn)能由加工要素配置的合理性決定，即需要通過軟件提升效率。因此，智能化即軟件的應(yīng)用。在軟件中，信息以數(shù)據(jù)的方式呈現(xiàn)，由此，我們可以定義工藝智能化即為軟件和數(shù)據(jù)的合理應(yīng)用，數(shù)據(jù)是本質(zhì)，軟件是數(shù)據(jù)的載體和流通工具。

智能制造的全流程是以“人、機(jī)、料、法、環(huán)”為核心，通過生產(chǎn)全過程的數(shù)據(jù)采集、傳遞、分析、決策、反饋，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，有序流動(dòng)。結(jié)構(gòu)化工藝平臺的輸入端信息是由產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng)(Product Lifecycle Management，PLM)傳來的圖紙、產(chǎn)品物料清單(Bill of Material，BOM)及零件信息，輸出端信息是傳遞至制造管控平臺的工藝數(shù)據(jù)，用以指導(dǎo)物料的配送和制造過程的管控。結(jié)構(gòu)化工藝平臺還與采購平臺、企業(yè)管理解決方案軟件(SAP)、計(jì)劃平臺等發(fā)生數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)工藝數(shù)據(jù)的建立、管理和流通，如圖1所示。

圖1 軟件數(shù)據(jù)流

2 結(jié)構(gòu)化工藝平臺

2.1 結(jié)構(gòu)化工藝平臺構(gòu)架

結(jié)構(gòu)化工藝是以層級關(guān)系展現(xiàn)、結(jié)構(gòu)化存放的工藝數(shù)據(jù)，分為規(guī)劃層、工藝層、知識層和資源層。規(guī)劃層用于快速響應(yīng)車間投料、排產(chǎn)、轉(zhuǎn)訂單需求等，包括工藝走向、材料定額、毛坯BOM。工藝層能全面支撐加工制造需求，主要為路線卡、工序卡、數(shù)控程序和工時(shí)定額。知識層存放典型的工藝數(shù)據(jù)和規(guī)范，實(shí)現(xiàn)工藝標(biāo)準(zhǔn)化和數(shù)據(jù)重用。資源層存放工藝物料數(shù)據(jù)和管控實(shí)物。結(jié)構(gòu)化工藝平臺構(gòu)架如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)化工藝平臺構(gòu)架

2.2 結(jié)構(gòu)化工藝平臺數(shù)據(jù)和流程

2.2.1 規(guī)劃層

PLM中電子圖紙和產(chǎn)品BOM傳遞至結(jié)構(gòu)化工藝平臺，觸發(fā)規(guī)劃層工作，然后圖紙會審節(jié)點(diǎn)和反饋信息再傳回PLM，兩個(gè)平臺數(shù)據(jù)相互讀取并修改，完成圖紙會審工作。

圖紙入庫至SAP，結(jié)構(gòu)化工藝平臺無延遲讀取圖紙入庫狀態(tài)，自動(dòng)觸發(fā)工藝走向、材料定額、毛坯BOM等工作，分別用于定義零件的下料和流轉(zhuǎn)狀態(tài)、材料消耗和原材料尺寸。具體流程如圖3所示。

圖3 規(guī)劃層流程

用特定的信息表示零件的下料狀態(tài)，如毛坯件、冷作件、鍛件、外購件等，零件的工藝規(guī)劃數(shù)據(jù)自動(dòng)傳遞至采購平臺，指導(dǎo)原材料采購和成本計(jì)算。

規(guī)劃層數(shù)據(jù)主要與其他業(yè)務(wù)軟件互聯(lián)互通，形成有序和自發(fā)的數(shù)據(jù)流動(dòng)，打通部門間的業(yè)務(wù)信息壁壘，保證數(shù)據(jù)的有效性和及時(shí)性。

2.2.2 工藝層

工藝層主要針對自制類零件，編制路線卡、工序卡、數(shù)控程序、工藝裝備和工時(shí)定額。具體流程如圖4所示。

圖4 工藝層流程

工藝卡分為路線卡和工序卡，路線卡是零件從毛坯到成品的工序路徑簡要描述，包括冷作路線卡、金工路線卡、裝焊裝配路線卡；工序卡是對路線卡某一工序的具體展開和詳細(xì)內(nèi)容描述，包括金工工序卡、裝配工序卡、焊接工序卡。零件、路線卡、工序卡按父子層級關(guān)系逐條展開。部分僅通過路線卡即可描述清楚的簡單物料就不需要觸發(fā)工序卡。

對于不需要展開的工序，工時(shí)定額在路線卡編制完成后計(jì)算；對于需要展開的工序，工時(shí)定額在工序卡或數(shù)控程序中計(jì)算。平臺將工序卡或數(shù)控程序中的工時(shí)數(shù)據(jù)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)、反饋并補(bǔ)充至路線卡中。

結(jié)構(gòu)化工藝平臺上編制的工藝內(nèi)容以數(shù)據(jù)的方式展現(xiàn)、存儲和傳遞，每一條工序描述、每一個(gè)技術(shù)要求都是獨(dú)立的數(shù)據(jù)。因此，可根據(jù)不同的需求，按某一零件、某一機(jī)床、某一工序自動(dòng)生成合適的工藝卡，并能分項(xiàng)統(tǒng)計(jì)工時(shí)定額、工藝裝備等，指導(dǎo)生產(chǎn)和成本核算。可通過建立工序間的串、并聯(lián)關(guān)系，根據(jù)排產(chǎn)計(jì)劃和實(shí)際生產(chǎn)情況，自動(dòng)計(jì)算并生成最優(yōu)的工序順序，保證生產(chǎn)節(jié)奏的連續(xù)性。圖5為結(jié)構(gòu)化工藝平臺工藝層界面。

2.2.3 知識層

工藝知識庫用來存放典型的工藝特征、工藝規(guī)范和指導(dǎo)性文件，目的是提高工藝數(shù)據(jù)的重用性，實(shí)現(xiàn)工藝標(biāo)準(zhǔn)化，提高工作效率。工藝知識庫可粗略劃分為工藝模版庫和工藝信息庫。工藝模版庫是各類工藝卡模版和工藝術(shù)語的標(biāo)準(zhǔn)。工藝信息庫是工序、工步或程序中引用的規(guī)范信息，包括廠級規(guī)范和部門規(guī)范，類型有工藝規(guī)范、操作規(guī)程和編程守則。

圖5 結(jié)構(gòu)化工藝平臺工藝層界面

在平臺中建立工藝知識庫數(shù)據(jù)模型，當(dāng)工藝編制內(nèi)容與模型匹配時(shí)，系統(tǒng)可自動(dòng)調(diào)用工藝知識庫數(shù)據(jù)。隨著數(shù)據(jù)量的積累，系統(tǒng)能不斷學(xué)習(xí)，深度優(yōu)化模型，主動(dòng)提供數(shù)據(jù)判斷和決策，實(shí)現(xiàn)工藝標(biāo)準(zhǔn)化。

2.2.4 資源層

工藝資源庫用來存放所有的工藝物料數(shù)據(jù)，包括刀具、工夾具、量具等。工藝資源庫主要包括物料主數(shù)據(jù)模塊、工藝管理模塊和倉庫管理模塊，工藝主數(shù)據(jù)模塊用于展現(xiàn)物料的關(guān)鍵參數(shù)，可通過多種信息條件，快速查詢并選取目標(biāo)物料。工藝管理模塊用于規(guī)范化定義物料分類、屬性參數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)圖示等信息。倉庫管理模塊用于物料實(shí)體管理，包括物料的存放位置和移動(dòng)操作。利用激光標(biāo)刻技術(shù)和條形碼自動(dòng)識別技術(shù)，在工藝物料上標(biāo)刻二維碼作為唯一的身份識別標(biāo)志，將物料與數(shù)據(jù)信息一一匹配，實(shí)現(xiàn)工藝物料的全生命周期管理、全流程追蹤和追溯，以及全要素透明化管控。

通過工藝資源庫能快速找到工藝資源，動(dòng)態(tài)管控工藝物料，實(shí)現(xiàn)配送物料、分析庫存數(shù)據(jù)、支持采購決策等。圖6為工藝資源庫物料主數(shù)據(jù)管理界面。

圖6 工藝資源庫界面

3 制造管控平臺

為了保證制造過程中工藝執(zhí)行的一致性、全過程管控和異常事件的及時(shí)響應(yīng)，在制造現(xiàn)場安置終端，開發(fā)制造管控平臺。

制造管控平臺以結(jié)構(gòu)化工藝平臺數(shù)據(jù)為唯一數(shù)據(jù)源，通過計(jì)劃平臺下發(fā)的排產(chǎn)計(jì)劃，觸發(fā)工藝道序走向。結(jié)合數(shù)控機(jī)床管理系統(tǒng)和裝配臺位管理系統(tǒng)，建立制造過程綜合管控模塊，進(jìn)行工藝物料及產(chǎn)品物料配送，執(zhí)行加工及裝配工序中工藝資源、計(jì)劃、物流、質(zhì)量的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)。建立制造現(xiàn)場的質(zhì)量檢查數(shù)據(jù)管理模塊，完成質(zhì)量檢查，包括自檢和專檢。建立異常事件管理系統(tǒng)，包括制造過程中發(fā)生的異常事件的分類、異常事件的工藝數(shù)據(jù)管理、異常事件的快速響應(yīng)和異常事件的發(fā)布。

3.1 零件配送及配送監(jiān)測

在裝配過程中，零件配送選取目標(biāo)零件對應(yīng)的托盤，勾選具體的零件和正確的數(shù)量，完成零件上托過程。如果零件勾選錯(cuò)誤，則可以通過刪除功能修正；如果數(shù)量填寫錯(cuò)誤，則可重新編輯數(shù)量。

零件配送監(jiān)測系統(tǒng)是在托盤從零件庫進(jìn)入預(yù)裝區(qū)域的一個(gè)入口安裝的射頻識別 (Radio Frequency Identification，RFID)系統(tǒng)，它通過射頻信號自動(dòng)識別目標(biāo)對象，快速識別并追蹤物品，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。RFID系統(tǒng)由RFID讀寫器、RFID天線和一體機(jī)組成。該系統(tǒng)將標(biāo)簽與托盤綁定，當(dāng)托盤進(jìn)入預(yù)裝區(qū)時(shí)，系統(tǒng)可自動(dòng)識別該托盤，確認(rèn)托盤中的零件已進(jìn)入預(yù)裝區(qū)。零件配送流程如圖7所示。

3.2 加工和裝配過程管控

以裝配過程為例，在裝配前啟動(dòng)裝配臺位一體機(jī)終端，制造管控平臺會自動(dòng)啟動(dòng)。在清單列表中選擇本次加工的工單號，進(jìn)入系統(tǒng)界面。系統(tǒng)主界面分為工藝文件、工單及工序信息、生產(chǎn)控制和生產(chǎn)資源4個(gè)模塊，工藝文件包含零件清單、工藝資源、工藝清單和工序明細(xì)，顯示裝配需要的工藝數(shù)據(jù)及配送情況。工單及工序信息包含生產(chǎn)工單單號、項(xiàng)目號、加工內(nèi)容、目前加工的工序、工作中心以及加工開始和完成時(shí)間、目前網(wǎng)絡(luò)狀況。生產(chǎn)控制用于對加工的狀態(tài)進(jìn)行控制，有開始、暫停、完成、準(zhǔn)備、異常、自檢。生產(chǎn)資源包括零件清單、生產(chǎn)資源、人員和崗位、環(huán)境要求、指導(dǎo)文件，界面如圖8所示。

圖7 零件配送流程圖

圖8 裝配系統(tǒng)主界面

選擇工藝清單中將要加工的工序，點(diǎn)擊開始，裝配工人刷員工卡并點(diǎn)擊確認(rèn)，當(dāng)前工作狀態(tài)就會由“等待新裝配”變?yōu)椤吧a(chǎn)中”。該工序完成后，點(diǎn)擊完成，當(dāng)前工作狀態(tài)就會顯示為“完工”。在裝配過程中遇到異常時(shí)，可以點(diǎn)擊異常并選擇異常類型提交，管控端會收到異常信息并做出處理。

4 結(jié) 論

本文針對離散型制造業(yè)因零件被分解為多個(gè)加工中心制造，導(dǎo)致生產(chǎn)過程控制困難、同一工序可由多類加工中心完成、排產(chǎn)計(jì)劃隨意性大、工藝路線不唯一的問題，介紹了結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)平臺和制造管控平臺的開發(fā)及應(yīng)用。其重點(diǎn)內(nèi)容為在工藝端建立了層級化工藝流程及工藝數(shù)據(jù)，在制造端建立了綜合管控系統(tǒng)，始終以工藝端數(shù)據(jù)為源頭進(jìn)行管控。其優(yōu)勢為通過軟件的應(yīng)用，用算法實(shí)現(xiàn)靶向目標(biāo)，用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)工藝走向信息化和智能化發(fā)展，可以實(shí)現(xiàn)工藝全要素的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化、顯性化和流程化，并與其他業(yè)務(wù)軟件互聯(lián)互通，打通“人、機(jī)、料、法、環(huán)”的生產(chǎn)全過程數(shù)據(jù)流，創(chuàng)造物料的全配送條件，實(shí)現(xiàn)加工或裝配工位的連續(xù)性作業(yè)。并能對所有采集或輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提供決策，根據(jù)反饋不斷優(yōu)化，進(jìn)一步提升制造過程的管控能力和工藝能力，為提高生產(chǎn)效率和制造質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，產(chǎn)能升級和數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型提供技術(shù)支持和可實(shí)施方案。工藝作為設(shè)計(jì)和制造的紐帶，是產(chǎn)品從圖紙到成品全周期過程中重要的一環(huán)，未來工作可以朝更深入的智能制造方向發(fā)展。