離散型智能制造模式研究

陳魯敏，黃 梁，王加興

（杭州汽輪機(jī)股份有限公司 信息管理中心，杭州 310022）

0 引言

汽輪作為中國最強(qiáng)、最大的工業(yè)汽輪機(jī)研制基地，是國內(nèi)唯一能按用戶的特殊需要，非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和制造工業(yè)汽輪機(jī)的廠家。杭汽輪機(jī)是典型的離散制造型企業(yè)，由于特殊的市場定位和獨(dú)特的技術(shù)體系，杭汽輪的產(chǎn)品呈現(xiàn)出需求個(gè)性化，設(shè)計(jì)差異化，小批量多品種的特點(diǎn)，生產(chǎn)模式是典型的多品種、單件、小批量的訂單式生產(chǎn)，生產(chǎn)周期較長，生產(chǎn)組織復(fù)雜，難度大。面對當(dāng)前國內(nèi)外日益激烈的市場競爭，只有優(yōu)化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造流程，提高生產(chǎn)效率，增強(qiáng)企業(yè)創(chuàng)新能力，縮短交貨期，提升企業(yè)競爭力，才能搶占市場的有力先機(jī)。

智能制造貫穿在產(chǎn)品創(chuàng)新、制造技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)模式創(chuàng)新的各個(gè)方面，是杭汽輪轉(zhuǎn)型升級的突破口和主攻方向。

1 智能制造架構(gòu)

智能制造涵蓋了產(chǎn)品、制造、服務(wù)全生命周期，是一個(gè)大概念[2]。杭汽輪的智能制造針對離散型裝備制造業(yè)需求個(gè)性化、設(shè)計(jì)差異化、小批量多品種的業(yè)務(wù)模式，研究設(shè)計(jì)和工藝仿真、制造數(shù)字化和自動(dòng)化、用戶遠(yuǎn)程服務(wù)智能化中的關(guān)鍵技術(shù)，并針對關(guān)鍵零部件建立具有柔性、精益、自動(dòng)化生產(chǎn)線的數(shù)字化加工車間，主要從設(shè)計(jì)、制造、管理和服務(wù)四個(gè)方向來實(shí)現(xiàn)智能化，如圖1所示。

圖1 智能制造四個(gè)方向

杭汽輪智能制造在原有的ERP的基礎(chǔ)上，進(jìn)行PLM及MES的建設(shè)，加上汽輪機(jī)遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)、制造、服務(wù)過程的全覆蓋，其總體軟件架構(gòu)如圖2所示。

圖2 智能制造總體軟件架構(gòu)

2 智能制造平臺(tái)建設(shè)

2.1 PLM產(chǎn)品研發(fā)協(xié)同平臺(tái)

PLM系統(tǒng)是實(shí)施智能制造的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，PLM實(shí)施采用PTC的WindChill系統(tǒng)，從項(xiàng)目管理、產(chǎn)品研發(fā)數(shù)據(jù)管理、選型委托單管理進(jìn)行和三維設(shè)計(jì)工具集成進(jìn)行，其總體功能模型如圖3所示。

圖3 PLM系統(tǒng)建設(shè)總體功能模型

1）選型委托管理

對選型委托數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化，按照選型委托數(shù)據(jù)的維護(hù)單位不同，對現(xiàn)狀選型委托進(jìn)行對象結(jié)構(gòu)化，分為：選型委托申請和選型技術(shù)方案。將選型內(nèi)容作為對象的屬性，可以將選型相關(guān)的任何已經(jīng)定義的參數(shù)，作為檢索的條件，能夠快速定位到相關(guān)技術(shù)方案。除了參數(shù)屬性內(nèi)容，對選型的關(guān)聯(lián)其他所有內(nèi)容進(jìn)行廣義結(jié)構(gòu)化，在同一平臺(tái)中管理所有和選型相關(guān)的資料及其關(guān)聯(lián)關(guān)系。

2）項(xiàng)目管理

分別實(shí)現(xiàn)杭汽合同產(chǎn)品類項(xiàng)目、課題研發(fā)類項(xiàng)目的管理，利用WindChill Projectlink功能分別與PMIS系統(tǒng)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理功能和其他工具進(jìn)行對接，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的創(chuàng)建與啟動(dòng)、項(xiàng)目執(zhí)行與反饋、項(xiàng)目計(jì)劃變更以及項(xiàng)目的監(jiān)控與反饋功能。

3）產(chǎn)品研發(fā)數(shù)據(jù)管理

建立通知單管理、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則管理、設(shè)計(jì)管理、工藝管理、PMIS集成管理和變更管理。

建立結(jié)構(gòu)關(guān)系，關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)零件和通知單零件、關(guān)聯(lián)零件圖紙與結(jié)構(gòu)；建立EBOM和PBOM；實(shí)現(xiàn)零件部件、工藝資源、工序、工藝路線之間的結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)管理；將原先停留在紙質(zhì)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則融入到設(shè)計(jì)系統(tǒng)中；建立每一類型的零件特定描述，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分類管理和精細(xì)化管理；打通設(shè)計(jì)與上下游業(yè)務(wù)的溝通，將流程信息及時(shí)下達(dá)與反饋。

4）三維設(shè)計(jì)工具集成

為了滿足數(shù)字化制造的要求，設(shè)計(jì)平臺(tái)必須實(shí)現(xiàn)三維設(shè)計(jì)與仿真功能，WindChill平臺(tái)能夠很好的集成SolidWorks等三維產(chǎn)品設(shè)計(jì)工具，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的三維設(shè)計(jì)與仿真功能。

2.2 MES系統(tǒng)

杭汽輪MES系統(tǒng)基于生產(chǎn)實(shí)際狀況和智能制造建設(shè)需求，建立了一套遵循現(xiàn)代管理理念的生產(chǎn)制造管理流程，起到生產(chǎn)管理精細(xì)化源動(dòng)力的作用。MES系統(tǒng)以生產(chǎn)制造為中心，涵蓋計(jì)劃與排產(chǎn)，生產(chǎn)作業(yè)管理，制造物流管理，刀具管理，質(zhì)量管理，設(shè)備管理，生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集，設(shè)備信息采集，系統(tǒng)集成等，再加上工廠建模、組織架構(gòu)管理、權(quán)限管理、工作流管理、接口管理、報(bào)表工具等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)做支撐，形成全面，可靈活配置的MES管理平臺(tái)。MES系統(tǒng)功能模型如圖4所示。

圖4 MES系統(tǒng)功能模型

借助MES系統(tǒng)在生產(chǎn)過程智能化的巨大作用，使計(jì)劃、生產(chǎn)、資源三者密切配合，從而確保決策者和各級管理者可以在最短的時(shí)間內(nèi)掌握生產(chǎn)現(xiàn)場的變化，做出準(zhǔn)確的判斷并制定快速的應(yīng)對措施，保證生產(chǎn)計(jì)劃得到合理而快速的修正、生產(chǎn)流程暢通、資源充分有效地得到利用，進(jìn)而最大限度地發(fā)揮生產(chǎn)效率。

2.3 服務(wù)平臺(tái)建設(shè)

杭汽輪的遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)采用博華信智提供的BH500C搭建。在杭汽監(jiān)測中心，可以統(tǒng)一地實(shí)時(shí)掌握上線機(jī)組的運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的監(jiān)測和遠(yuǎn)程分析診斷，從而促進(jìn)杭汽機(jī)組的信息化、智能化管理工作，并使專家的經(jīng)驗(yàn)?zāi)芨奖?、有效的運(yùn)用到更廣泛的領(lǐng)域，提升杭汽輪對機(jī)組的技術(shù)服務(wù)能力。通過BH5000系統(tǒng)對汽輪機(jī)組振動(dòng)、瓦溫、位移等參數(shù)進(jìn)行24小時(shí)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，結(jié)合杭汽輪強(qiáng)大的技術(shù)力量進(jìn)行相關(guān)診斷分析，最大限度的確保汽輪機(jī)組的長久安全可靠運(yùn)行，減少減輕事故的發(fā)生，為用戶創(chuàng)造最大化的經(jīng)濟(jì)效益。遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)的功能如圖5所示。

圖5 遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)功能

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的建設(shè)，使得杭汽輪的服務(wù)智能化更加豐富和完整。通過統(tǒng)一完整的、基于業(yè)務(wù)互聯(lián)的產(chǎn)品編碼識(shí)別系統(tǒng)，建立起內(nèi)部信息化和外部信息化的整合通道，從而對公司產(chǎn)品流向進(jìn)行有效管控，追蹤產(chǎn)品狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品追溯、防偽仿冒，同時(shí)建立起有效的售后服務(wù)體系，構(gòu)建用戶、公司的云端服務(wù)直連，提高服務(wù)質(zhì)量，管控產(chǎn)品市場。

3 汽輪機(jī)核心零部件智能制造過程

經(jīng)過智能制造平臺(tái)的搭建以及對汽輪機(jī)核心零部件智能制造流程的研究，目前已能夠完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝、仿真、計(jì)劃、加工的完整流程，智能制造過程如圖6所示。

圖6 智能制造過程

3.1 智能化設(shè)計(jì)過程

積木塊工業(yè)汽輪機(jī)技術(shù)是杭汽輪智能設(shè)計(jì)和制造的關(guān)鍵，它將汽輪機(jī)分為三個(gè)主要區(qū)段：進(jìn)汽區(qū)段、中間區(qū)段和排氣區(qū)段，然后根據(jù)用戶技術(shù)條件，通過熱力和強(qiáng)度驗(yàn)算，將所需的不同規(guī)格的區(qū)段組合起來，再配上相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)部套，即像搭積木般地組合成了滿足用戶需求的汽輪機(jī)裝置。

杭汽輪采用了30多個(gè)專有行業(yè)智能設(shè)計(jì)和出圖軟件組成的工業(yè)汽輪機(jī)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)程序包。新模塊研發(fā)的結(jié)果加入專有設(shè)計(jì)程序中，其中結(jié)構(gòu)化的特征數(shù)據(jù)、氣動(dòng)數(shù)據(jù)、推力數(shù)據(jù)、強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)入設(shè)計(jì)流程程序中，三維、二維等模塊圖紙進(jìn)入智能出圖程序。在設(shè)計(jì)階段采用專有設(shè)計(jì)程序調(diào)用相關(guān)數(shù)據(jù)模塊和圖形模塊即可實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)所需的智能設(shè)計(jì)和出圖工作。

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子是汽輪機(jī)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的核心部件，以汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子為例，其積木塊式的智能設(shè)計(jì)流程如圖7所示。

圖7 積木塊式的智能設(shè)計(jì)流程

3.2 智能化工藝過程

針對該離散制造的特點(diǎn)，智能化工藝過程采用工藝結(jié)構(gòu)化的方式，即把每道工序、工步以及需要用到的刀具、工裝、加工設(shè)備等以模塊形式進(jìn)行有序的組合而成。這種模式的優(yōu)點(diǎn)是使生產(chǎn)車間能夠提前合理的安排加工設(shè)備，并準(zhǔn)備好各種工藝資源供加工所需，同時(shí)也能夠使公司能夠準(zhǔn)確的掌握產(chǎn)品的生產(chǎn)周期以及加工成本核算等信息。

工藝部門接受到設(shè)計(jì)部門的圖紙后，將設(shè)計(jì)BOM轉(zhuǎn)換成工藝BOM，參數(shù)化各生產(chǎn)用機(jī)床、工裝，使加工工藝文檔能與之剝離，形成模塊式的生產(chǎn)工藝文件，當(dāng)結(jié)構(gòu)化工藝完成后，將加工過程中需要用到的工藝資源信息推送至MES系統(tǒng)來進(jìn)行調(diào)度。此外，需要數(shù)控加工的工序，生成數(shù)控編程任務(wù)書，推送至數(shù)控編程人員進(jìn)行數(shù)控程序的編制。結(jié)構(gòu)化工藝如圖8所示。

圖8 結(jié)構(gòu)化工藝

結(jié)構(gòu)化工藝的建立使工藝過程具有工步離散化、機(jī)床/工裝數(shù)據(jù)化、零件工藝工步信息可直接調(diào)取等新特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了全部門可調(diào)用、讀取工藝部門設(shè)計(jì)文檔與相關(guān)參數(shù)，賦予了生產(chǎn)計(jì)調(diào)環(huán)節(jié)、成本核算環(huán)節(jié)、設(shè)備管理/維護(hù)環(huán)節(jié)極大的合理化操作的能力。

3.3 智能化的編程仿真過程

結(jié)構(gòu)化工藝完成后，將產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)控編程任務(wù)，數(shù)控編程人員收到任務(wù)后，利用UG軟件、TDM軟件進(jìn)行智能數(shù)控編程，具體的三維智能數(shù)控編程步驟如下：

通常，杭汽輪的產(chǎn)品交貨周期較短，而核心零部件的成本高，加工周期卻較長且要求的精度極高，因此，數(shù)控程序及刀具清單生成后，需要件對各程序進(jìn)行仿真驗(yàn)證，具體步驟如下：

零件三維模型、UG編程源文件、三維工藝卡片、刀具清單及NC數(shù)控程序發(fā)布后通過DNC進(jìn)行統(tǒng)一管理，這樣即可提高NC程序等文件傳輸?shù)男屎蜏?zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)車間的網(wǎng)絡(luò)化、無紙化管理，同時(shí)在加工過程中，操作工對程序的改進(jìn)處理等均可通過DNC反饋到上游部門，供技術(shù)人員參考及優(yōu)化處理。

3.4 智能化的生產(chǎn)過程

杭汽輪是典型的邊設(shè)計(jì)邊生產(chǎn)模式，這種模式需要制造企業(yè)多部門快速協(xié)作，是“牽一發(fā)而動(dòng)全身”的生產(chǎn)模式，對計(jì)劃排程的要求高。上線MES系統(tǒng)后，杭汽輪的智能生產(chǎn)計(jì)劃過程通過計(jì)劃拉動(dòng)和排程形成一條貫穿各職能部門和生產(chǎn)環(huán)節(jié)的計(jì)劃主線，結(jié)合工廠的工作日歷、資源、BOM、工序、訂單時(shí)限等信息綜合排定生產(chǎn)計(jì)劃，并根據(jù)物料齊套準(zhǔn)備和實(shí)際生產(chǎn)執(zhí)行情況的實(shí)時(shí)追蹤反饋對生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行優(yōu)化，快速應(yīng)對生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)的異常情況，保證生產(chǎn)過程有序進(jìn)行。

杭汽輪將工零件類型分別大件、關(guān)重件及滾動(dòng)件三種類型。制造部計(jì)劃人員根據(jù)PLM中的項(xiàng)目信息、機(jī)組制造BOM、技術(shù)準(zhǔn)備通知單，在ERP中編制機(jī)組的需求計(jì)劃，機(jī)組期量及大件、關(guān)重件、滾動(dòng)件的工序加工期量，生成大件需求計(jì)劃、關(guān)重件需求計(jì)劃、滾動(dòng)件需求計(jì)劃、外協(xié)訂單計(jì)劃。MES從ERP中同步計(jì)劃、倉庫實(shí)績庫存數(shù)據(jù)及訂單BOM明細(xì)數(shù)據(jù)。MES每天根據(jù)年度大綱交付日期和訂單BOM明細(xì)信息進(jìn)行計(jì)劃排程，最終生成大件訂單計(jì)劃、關(guān)重件訂單計(jì)劃、外協(xié)訂單計(jì)劃、滾動(dòng)件訂單計(jì)劃、滾動(dòng)計(jì)劃排程順序，并在MES開出制造工票發(fā)放到實(shí)際加工車間。計(jì)劃排程的整體實(shí)現(xiàn)如圖9所示。

圖9 MES計(jì)劃排程的整體實(shí)現(xiàn)

制造工票轉(zhuǎn)入車間后，MES會(huì)根據(jù)商品交貨期、優(yōu)先級和零件的期量標(biāo)準(zhǔn)，對零件的制造過程進(jìn)行排序，為車間實(shí)際加工提供參考。

在毛坯到料后，零部件就進(jìn)入加工過程，車間計(jì)劃人員將計(jì)劃按照PLM中傳過來的結(jié)構(gòu)化工藝進(jìn)行展開，派工，開出首道操作工票，并下發(fā)到車間調(diào)度人員中。車間調(diào)度人員根據(jù)車間的實(shí)際生產(chǎn)狀況安排生產(chǎn)任務(wù)。在開出操作工票的同時(shí)，車間一體機(jī)終端上就會(huì)接收轉(zhuǎn)子軸的加工任務(wù)、刀具清單、三維工藝卡片、三維加工視頻等信息，數(shù)控機(jī)床的控制面板上接收DNC傳輸過來的NC程序。

工人在接到操作工票后，根據(jù)工藝指導(dǎo)書及工藝人員通過DNC傳輸?shù)较鄳?yīng)機(jī)床的數(shù)控程序進(jìn)行加工。在每道工序的加工中都需要由加工人員匯報(bào)實(shí)際的開工、完工過程，并在工序完成后，由相應(yīng)的質(zhì)檢人員進(jìn)行實(shí)時(shí)檢驗(yàn)。車間調(diào)度人員在接到檢驗(yàn)合格的信息后，開出下一道工序的轉(zhuǎn)道工序，進(jìn)行下一道工序的加工。通過CAPTO刀柄系統(tǒng)智能化對刀系統(tǒng)、在線檢測技術(shù)、ToolScope加工過程監(jiān)控系統(tǒng)、機(jī)床監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)核心零件加工過程的智能化。

通過MES及DNC的建設(shè)，可對生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和傳輸，包括加工設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息及生產(chǎn)現(xiàn)場的人員、設(shè)備、物料、加工狀態(tài)等數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后，可實(shí)現(xiàn)對車間生產(chǎn)過程的可視化管控，如圖10所示。

圖10 生產(chǎn)過程管控

4 結(jié)語

本文通過對離散型智能制造模式的研究和實(shí)踐，建立了一套適用于離散制造行業(yè)的智能制造模式，在設(shè)計(jì)、制造和服務(wù)過程中做了很多方面的改進(jìn)。目前，智能化流程已經(jīng)在汽輪機(jī)核心零部件上完成測試和應(yīng)用，收效良好，取得了階段性的成果，也為杭汽輪全面實(shí)現(xiàn)智能制造打下良好的基礎(chǔ)。