軍工電子裝備企業(yè)數(shù)字化工廠研究

摘要：數(shù)字化工廠是智能制造的重點(diǎn)研究方向，是裝備制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要內(nèi)容。該文根據(jù)軍用電子裝備企業(yè)研制生產(chǎn)特點(diǎn)，聚焦未來(lái)智能工廠目標(biāo)，研究數(shù)字化工廠相關(guān)技術(shù)在軍用電子裝備制造領(lǐng)域的應(yīng)用，包括數(shù)字化工廠整體架構(gòu)、制造運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)功能組成、自動(dòng)化物流與立體倉(cāng)庫(kù)管理和自動(dòng)化脈動(dòng)生產(chǎn)線管理。通過(guò)這些技術(shù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵部件多品種、小批量制造的自動(dòng)化、柔性化和可視化管理，為智能制造打下良好基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化工廠;制造運(yùn)營(yíng)系統(tǒng);自動(dòng)化;柔性化

中圖分類號(hào)：TN05;TP278? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2021）07-0146-05

Research on Digital Factory of Military Electronic Equipment Enterprise

PAN Hongwei

（Nanjing Research Institute of Electronics Technology，Nanjing? 210039，China）

Abstract：Digital factory is the key research direction of intelligent manufacturing and an important content of digital transformation of equipment manufacturing industry. According to the development and production characteristics of military electronic equipment enterprises，focusing on the goal of future intelligent factory，this paper studies the application of relevant technologies of digital factory in the field of military electronic equipment manufacturing，including the overall architecture of digital factory，the functional composition of manufacturing operation system，automatic logistics，three-dimensional warehouse management and automatic pulsating production line management. Through the application of these technologies，the automation，flexibility and visual management of multi variety and small batch manufacturing of key components are realized，which lays a good foundation for intelligent manufacturing.

Keywords：digital factory;manufacturing operation system;automation;flexibility

收稿日期：2021-02-12

0? 引? 言

制造業(yè)是其他產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，對(duì)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和綜合國(guó)力提升至關(guān)重要，在21世紀(jì)全球化競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境中，制造業(yè)是大國(guó)競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)，直接決定國(guó)家興衰成敗。為了縮短產(chǎn)品研制生產(chǎn)周期，同時(shí)應(yīng)對(duì)產(chǎn)品制造復(fù)雜性和不確定性日益增加的形勢(shì)，數(shù)字化工廠（Digital Factory）概念應(yīng)運(yùn)而生。數(shù)字化工廠技術(shù)由德國(guó)為代表的西方國(guó)家在1999年首次提出[1]，并在歐美日等西方發(fā)達(dá)國(guó)家得到快速響應(yīng)和發(fā)展[2，3]。2013年，德國(guó)在漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上首次提出“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略后，我國(guó)多個(gè)行業(yè)協(xié)會(huì)和多家企業(yè)也開(kāi)啟了數(shù)字化工廠技術(shù)研究，近幾年在國(guó)家主導(dǎo)下，取得了一系列成果和形成了若干示范數(shù)字化工廠[4]，如中航工業(yè)的總裝數(shù)字化工廠、華為智能手機(jī)數(shù)字化工廠等。

數(shù)字化工廠既是產(chǎn)品全生命周期的重要環(huán)節(jié)，也是企業(yè)價(jià)值鏈的重要組成部分，它是連接項(xiàng)目管理、設(shè)計(jì)、工藝、設(shè)備與操作人員的橋梁。它集成各生產(chǎn)要素，協(xié)同各專業(yè)和環(huán)節(jié)，可以降低產(chǎn)品制造的不確定性，同時(shí)工廠規(guī)劃與布局可以對(duì)固定資產(chǎn)投資的成本及風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行事前分析、預(yù)警與控制[2]。主要數(shù)字化工廠技術(shù)包括虛擬制造、高級(jí)作業(yè)排程、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、自動(dòng)化生產(chǎn)線、智能物流等技術(shù)[3]。當(dāng)前數(shù)字化工廠在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用主要集中在批量離散制造行業(yè)，包括汽車總裝生產(chǎn)線、通信設(shè)備裝配線等[5]。本文對(duì)多品種、小批量的軍工電子裝備行業(yè)的數(shù)字化工廠進(jìn)行應(yīng)用性研究，運(yùn)用數(shù)字化和自動(dòng)化技術(shù)改造傳統(tǒng)制造模式。

1? 軍用電子裝備制造數(shù)字化工廠

目前，基于產(chǎn)品全生命周期流程，工業(yè)界聚集客戶、供應(yīng)商、合作伙伴和服務(wù)商等相關(guān)方，形成了完整產(chǎn)品價(jià)值鏈的敏捷性組織管理網(wǎng)絡(luò)。狹義數(shù)字化工廠以自動(dòng)化、柔性化生產(chǎn)線為中心，集成制造資源、工藝、生產(chǎn)作業(yè)和硬件設(shè)備，將數(shù)字化產(chǎn)品定義、工藝和制造等模型數(shù)據(jù)貫穿產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)全過(guò)程，實(shí)現(xiàn)制造企業(yè)全鏈條信息化管理。

與傳統(tǒng)離散制造業(yè)相比，軍工電子裝備制造行業(yè)的產(chǎn)品組成和工藝復(fù)雜，具有新技術(shù)多、品種多、批量小、技術(shù)狀態(tài)不確定等特點(diǎn)，這就造成管理難度大大增加。本文根據(jù)軍工電子裝備制造行業(yè)特點(diǎn)，重點(diǎn)研究與實(shí)踐以制造為中心的狹義數(shù)字化工廠。

軍工電子裝備制造主要涉及計(jì)劃、工藝執(zhí)行管理和設(shè)備運(yùn)行等職能，分別對(duì)應(yīng)PLM（含精益設(shè)計(jì)平臺(tái)）、ERP、MOM和自動(dòng)化產(chǎn)線等數(shù)字化管理平臺(tái)。他們之間邏輯關(guān)系如圖1所示。

2? 制造運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)

2.1? 制造運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)主要功能

制造運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)（Manufacturing Operations Management，MOM）是數(shù)字化工廠的核心管理平臺(tái)，啟動(dòng)承上啟下的作用，向上接收ERP生產(chǎn)指令和PLM設(shè)計(jì)與工藝模型和數(shù)據(jù)，向下控制物流系統(tǒng)和生產(chǎn)線。在車間資源約束下，MOM根據(jù)ERP下達(dá)的生產(chǎn)計(jì)劃和物料配套計(jì)劃進(jìn)行車間作業(yè)排程，形成作業(yè)計(jì)劃并派工到班組、設(shè)備或產(chǎn)線，同時(shí)讀取PLM設(shè)計(jì)模型，獲取工藝規(guī)程、檢驗(yàn)規(guī)程和物料配套表等。MOM通過(guò)與班組、倉(cāng)儲(chǔ)、物流和產(chǎn)線等資源無(wú)縫集成，對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施集成管控，同步采集并管理現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和質(zhì)量數(shù)據(jù)等，通過(guò)對(duì)制造大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析，動(dòng)態(tài)顯示制造狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化工廠可視、智能管理。

MOM系統(tǒng)主要由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、工藝規(guī)程管理、作業(yè)計(jì)劃與調(diào)度、物料與配送管理、生產(chǎn)線管理、現(xiàn)場(chǎng)管理、可視化看板和統(tǒng)計(jì)分析等功能組成，如圖2所示。

2.2? MOM運(yùn)行組織方式

MOM在產(chǎn)品中的應(yīng)用場(chǎng)景，首先編制工藝規(guī)程、設(shè)定生產(chǎn)線、作業(yè)計(jì)劃排程與派工等步驟，其次進(jìn)行物料齊套與配送及現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，最后對(duì)制造數(shù)據(jù)、質(zhì)量數(shù)據(jù)和物流數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示生產(chǎn)狀態(tài)。MOM運(yùn)行流程的主要功能及角色如圖3所示。

3? 電子裝備自動(dòng)化生產(chǎn)

3.1? 自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)與物流系統(tǒng)

軍用電子裝備元器件品種多、配套難度大，為保證電子裝備的高效高質(zhì)量制造，物資要求齊套效率高、配送速度快和差錯(cuò)率低，因此需要建設(shè)自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)與物流系統(tǒng)。它由立體庫(kù)、緩沖庫(kù)和傳送線組成，庫(kù)與庫(kù)、庫(kù)與車間工位之間通過(guò)堆垛機(jī)和穿梭車等自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行物料流轉(zhuǎn)與配送。倉(cāng)儲(chǔ)與物流系統(tǒng)設(shè)備如圖4所示。

物料周轉(zhuǎn)以通用料箱或?qū)Ｓ霉ぱb作為載體，工位間使用專用工裝周轉(zhuǎn)半成品，入庫(kù)存儲(chǔ)物料則使用通用料箱存放與配送。

3.2? 自動(dòng)化流水線生產(chǎn)

電子裝備制造采用推拉結(jié)合的脈動(dòng)流水生產(chǎn)方式，生產(chǎn)節(jié)奏由瓶頸工序節(jié)拍控制，給產(chǎn)品工藝規(guī)程設(shè)計(jì)、MBOM（制造物料清單）和工序合并與分批提出了挑戰(zhàn)。

MOM中根據(jù)生產(chǎn)訂單需求和制造現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)，結(jié)合資源能力負(fù)荷情況，自動(dòng)計(jì)算裝配節(jié)拍，首先，確定制件進(jìn)入制造工位的開(kāi)始時(shí)間與完工時(shí)間差為該工序的單次節(jié)拍;然后，根據(jù)制件令號(hào)、圖號(hào)、批號(hào)、生產(chǎn)線和時(shí)間區(qū)間等參數(shù)算出工序平均節(jié)拍。工藝人員根據(jù)制造對(duì)象工藝特點(diǎn)，參照工序的節(jié)拍，對(duì)工藝路線和工藝方法進(jìn)行優(yōu)化，形成優(yōu)化后的MBOM。對(duì)于電子裝備中篩選、三防和拷機(jī)等特殊工序，通過(guò)立體庫(kù)或緩沖庫(kù)進(jìn)行中轉(zhuǎn)。

3.3? 自動(dòng)化裝配與焊接生產(chǎn)線

為提高裝備生產(chǎn)質(zhì)量與效率，降低人力資源投入，將傳統(tǒng)手工制造工藝改進(jìn)成數(shù)控設(shè)備或自動(dòng)化生產(chǎn)線，優(yōu)化裝配焊接工藝，結(jié)合數(shù)字化設(shè)備或生產(chǎn)線需求，規(guī)劃、設(shè)計(jì)和應(yīng)用系列化、模塊化和組合化工裝，實(shí)現(xiàn)基于工藝全流程的自動(dòng)化與敏捷化制造，如圖5所示。通過(guò)制造自動(dòng)化和可視化，大幅縮減生產(chǎn)加工人員數(shù)量，同時(shí)提高制造柔性、質(zhì)量和效率。

自動(dòng)化流水線對(duì)內(nèi)實(shí)現(xiàn)裝配自動(dòng)化，對(duì)外與MOM系統(tǒng)和物流系統(tǒng)集成，通過(guò)MOM平臺(tái)驅(qū)動(dòng)物流及生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)物料配套、配送與轉(zhuǎn)工全流程自動(dòng)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)ERP生產(chǎn)訂單下發(fā)和制造任務(wù)的一體化集成管控。自動(dòng)化生產(chǎn)線與MOM的業(yè)務(wù)流、數(shù)據(jù)流和控制流的集成信息化流程如圖6所示。

MOM與生產(chǎn)線管理系統(tǒng)通過(guò)制造數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)集成，采用任務(wù)接口單下達(dá)制造任務(wù)和反饋執(zhí)行狀態(tài)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)料箱和取料信息兩種接口實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線物料需求與倉(cāng)儲(chǔ)物流系統(tǒng)集成。MOM驅(qū)動(dòng)物料配送系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)任務(wù)的多工位綜合調(diào)度配料和單工位自動(dòng)化配料。

4? 電子裝備工廠的信息化管理

4.1? MBOM及質(zhì)量追蹤

EBOM（Engineering BOM）是工程物料清單，只描述了產(chǎn)品組成，缺少工藝和制造信息。為實(shí)現(xiàn)數(shù)字化環(huán)境下的物料自動(dòng)化管理，在工藝規(guī)程設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)線特點(diǎn)，對(duì)EBOM進(jìn)行變形設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)換成PBOM（Process BOM），再轉(zhuǎn)換成MBOM（Manufacturing BOM），即按裝配工藝路線定義物料組成，生成工序級(jí)配套表，同時(shí)依據(jù)物料形狀、尺寸大小和特殊要求（如防靜電等）優(yōu)化物料組箱策略。

基于工序/工位的物料配套單，記錄加工/裝配過(guò)程的質(zhì)量信息和異常事件，確保產(chǎn)品全過(guò)程質(zhì)量可追溯，裝配制件中關(guān)鍵元器件的質(zhì)量數(shù)據(jù)管理流程如圖7所示。在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，產(chǎn)品負(fù)責(zé)人識(shí)別關(guān)鍵元器件，工藝師在MBOM中標(biāo)識(shí)關(guān)鍵元器件;在生產(chǎn)環(huán)節(jié)，關(guān)鍵元器件在物料配套組箱時(shí)，物料配送人員對(duì)批次信息初始化，作業(yè)人員在工位物料接收并實(shí)施裝配，記錄物料批次裝入信息;上述批次信息記錄通過(guò)MBOM進(jìn)行整合與結(jié)構(gòu)化顯示，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量可追溯。

在物料配套環(huán)節(jié)，依據(jù)MBOM及物料組箱策略，將物料按工序/工位的配套單進(jìn)行組箱，并將料箱存放到庫(kù)房中。根據(jù)制造作業(yè)計(jì)劃節(jié)點(diǎn)要求，物料自動(dòng)配送到對(duì)應(yīng)工位，大大提高多品種、小批量的物流效率。

4.2? 產(chǎn)品三維工藝

三維設(shè)計(jì)可模擬和優(yōu)化裝備制造過(guò)程，提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)差錯(cuò)和制造風(fēng)險(xiǎn)，大幅減少制造過(guò)程中的設(shè)計(jì)更改，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期、降低質(zhì)量損失。在產(chǎn)品三維結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上，進(jìn)行工藝規(guī)劃與設(shè)計(jì)、模型拆解與工藝過(guò)程仿真，釋放結(jié)構(gòu)裝配干涉和接口差錯(cuò)，運(yùn)用三維動(dòng)畫(huà)形式，制作工藝全流程指導(dǎo)書(shū)，提高操作人員對(duì)新任務(wù)的消化和理解效率，如圖8所示。

4.3? 制造可視化管理

制造可視化是數(shù)字化管理的重要組成部分，包括虛擬樣機(jī)技術(shù)、三維輕量化顯示技術(shù)、設(shè)備調(diào)度監(jiān)控技術(shù)和執(zhí)行看板等方面，顯著提高設(shè)計(jì)、制造和管理效率。制造可視化生產(chǎn)看板如圖9所示。

5? 結(jié)? 論

數(shù)字化工廠是智能制造的基礎(chǔ)，是一項(xiàng)新興生產(chǎn)組織方式。數(shù)字化工廠在電子裝備制造企業(yè)的應(yīng)用，促進(jìn)裝備制造的產(chǎn)能提升、計(jì)劃精細(xì)化管理、成本控制、質(zhì)量全過(guò)程管控和管理持續(xù)改進(jìn)，發(fā)展前景非常廣闊。筆者后續(xù)將繼續(xù)研究脈動(dòng)生產(chǎn)線、高級(jí)作業(yè)排程、生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制（SPC）等技術(shù)，進(jìn)一步推動(dòng)電子裝備制造的數(shù)字化和信息化水平，推動(dòng)企業(yè)信息化轉(zhuǎn)型工作，為企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展助力。

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作者簡(jiǎn)介：潘紅偉（1978.04—），男，漢族，江蘇南京人，工程師，本科，研究方向：軍工科研生產(chǎn)管理。