面向無紙化制造的工藝現(xiàn)場更改模式探索與實(shí)踐

中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 鄒光勇 劉 翔 白 雪

隨著基于模型的工藝指令（MBI）技術(shù)的應(yīng)用普及，我國新一代航空產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)已實(shí)現(xiàn)了三維化、數(shù)字化和無紙化。這促使制造過程中的現(xiàn)場裝配指令/制造指令（AO （Assembly Order）/FO（Fabrication Order））等工藝文件無紙化成為發(fā)展的必然趨勢。目前，我國航空制造業(yè)在借助制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）推進(jìn)制造過程無紙化的同時(shí)，把現(xiàn)場工藝文件無紙化作為一項(xiàng)重要內(nèi)容來推進(jìn)，并取得了重要進(jìn)展，基本實(shí)現(xiàn)了AO/FO現(xiàn)場無紙化。但在無紙化條件下，如何實(shí)現(xiàn)工藝文件現(xiàn)場更改，做到既簡單快捷，又控制有序，一直是一個(gè)技術(shù)難題。想要實(shí)現(xiàn)制造過程無紙化，工藝現(xiàn)場更改無紙化是一個(gè)不可逾越的重要環(huán)節(jié)。本文目的在于探索通過對AO/FO工藝文件實(shí)例化，構(gòu)建一種在數(shù)字化條件下現(xiàn)場工藝更改的工作模式，滿足現(xiàn)場更改無紙化要求，為實(shí)現(xiàn)制造過程全面無紙化奠定基礎(chǔ)，同時(shí)也為構(gòu)建數(shù)字化單機(jī)質(zhì)量檔案提供數(shù)據(jù)支撐。

應(yīng)用環(huán)境分析

AO/FO工藝文件是生產(chǎn)過程和技術(shù)信息的載體，制造部門根據(jù)AO/FO信息進(jìn)行飛機(jī)零部件制造以及產(chǎn)品裝配[1]。AO/FO工藝更改有3種，即先行更改、修訂換版和現(xiàn)場更改。先行更改就是要對AO/FO底圖更改，其版本號和有效起止架次均不變。這類更改在涉及在制品時(shí)，必須重新打印紙質(zhì)AO/FO，用來替換生產(chǎn)現(xiàn)場的AO/FO。修訂換版與前者類似，唯一區(qū)別就是對底圖的更改涉及有效起止架次變化，需要換版。由此可見，以上兩種更改模式都需要更改底圖，故又可統(tǒng)稱為底圖更改。現(xiàn)場更改是直接對現(xiàn)場使用的紙質(zhì)AO/FO做更改，無需更改底圖，更無需換版，可多次更改。由于這種更改是由工藝員到生產(chǎn)現(xiàn)場直接用鋼筆在紙質(zhì)AO/FO上進(jìn)行涂改并簽字，故這種更改方式又被形象地稱為現(xiàn)場墨更。在紙質(zhì)時(shí)代，現(xiàn)場墨更倒也簡單快捷，但沒有審簽流程，隨意性太強(qiáng)、不嚴(yán)謹(jǐn)，容易出現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量問題，技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)也較大。當(dāng)今，文字+二維工藝簡圖的AO/FO逐步被基于MBI的三維工藝數(shù)模+文字替代，現(xiàn)場用紙質(zhì)AO/FO已經(jīng)開始朝數(shù)字化、無紙化方向轉(zhuǎn)變[2]。沒有了紙質(zhì)的AO/FO，現(xiàn)場墨更這種現(xiàn)場更改的具體表現(xiàn)形式，也就自然消亡。

引發(fā)現(xiàn)場更改的原因很多，有因設(shè)計(jì)變更影響到在制品，需要通過現(xiàn)場更改立即落實(shí)設(shè)計(jì)變更的；有因工藝自身原因，如交接狀態(tài)變化，需要立即更改現(xiàn)場用工藝文件的；還有就是因排故處理，需要對在制品進(jìn)行特殊一次性補(bǔ)償/補(bǔ)充加工，必須立即更改相關(guān)現(xiàn)場工藝文件的。由此可見，現(xiàn)場更改航空產(chǎn)品制造過程中，是一個(gè)經(jīng)常性的必然事件。雖然現(xiàn)場墨更消失了，但現(xiàn)場更改這種應(yīng)急工藝處理方式卻始終存在。要想實(shí)現(xiàn)制造過程無紙化，現(xiàn)場更改數(shù)字化和無紙化是一個(gè)不可逾越的重要環(huán)節(jié)。

因?yàn)锳O/FO底圖只包含有相對靜態(tài)的技術(shù)信息內(nèi)容，沒有與現(xiàn)場生產(chǎn)信息、制造資源信息和質(zhì)量信息發(fā)生關(guān)聯(lián)，所以電子AO/FO底圖更改都封閉在相對獨(dú)立的系統(tǒng)中完成。對于現(xiàn)場墨更而言，變化卻是很大。首先，更改的載體變了，MES系統(tǒng)通過與相關(guān)系統(tǒng)集成，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)在生產(chǎn)現(xiàn)場使用電子化、無紙化AO/FO。工藝現(xiàn)場更改的載體從紙質(zhì)變成電子數(shù)據(jù)；其次，更改的方式變了。在無紙化制造中，所有的產(chǎn)品制造信息都是以數(shù)字化的形式存在，數(shù)據(jù)之間相互關(guān)聯(lián)，體現(xiàn)了整個(gè)企業(yè)信息系統(tǒng)集成的最高水平[3]?，F(xiàn)場在用電子AO/FO，都不是孤立存在、單獨(dú)使用的。它不但是技術(shù)信息載體，而且還是制造過程中管理、質(zhì)量、資源等信息載體，這些數(shù)據(jù)之間相互關(guān)聯(lián)，不能簡單地在數(shù)據(jù)庫中隨意更改，必須受流程控制，授權(quán)更改，確保電子數(shù)據(jù)的合法性、準(zhǔn)確性和一致性。在推進(jìn)制造過程無紙化的過程中，如何實(shí)現(xiàn)數(shù)字化條件下現(xiàn)場更改成為我們亟待解決的問題。

工藝文件實(shí)例化原理

借用統(tǒng)一建模語言（UML）中的類和對象關(guān)系來描述現(xiàn)實(shí)模式下電子AO/FO底圖和紙質(zhì)AO/FO的關(guān)系，即一份電子AO/FO底圖相當(dāng)于一個(gè)AO/FO類，打印一份紙質(zhì)AO/FO并填寫上具體的批架次號、質(zhì)量編號等代表實(shí)物唯一性的生產(chǎn)信息就相當(dāng)于從AO/FO類中創(chuàng)建一個(gè)新對象，一個(gè)新對象就是一個(gè)類的實(shí)例。對象實(shí)例化是使用它的類作為模板創(chuàng)建新對象[4]，打印紙質(zhì)AO/FO過程就是AO/FO實(shí)例化過程。同理，映射到無紙化模式下（圖1），數(shù)據(jù)庫中一份電子AO/FO底圖可視為1個(gè)AO/FO類，一旦系統(tǒng)中的某個(gè)圖號生產(chǎn)計(jì)劃通過AO/FO號、架次號等信息匹配數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)的AO/FO類，便從這個(gè)類中復(fù)制出一份AO/FO與生產(chǎn)計(jì)劃關(guān)聯(lián)，并通過賦予一些特征值后產(chǎn)生一份用于現(xiàn)場生產(chǎn)的電子AO/FO實(shí)例。由此可見，在這種模式下，實(shí)例化的AO/FO與對應(yīng)類的AO/FO相互獨(dú)立，兩者之間實(shí)質(zhì)成為一種關(guān)系解耦，無論對實(shí)例進(jìn)行多少次更改，都不會影響到類的變化，即底圖不會發(fā)生變化?，F(xiàn)場更改就是通過對AO/FO實(shí)例進(jìn)行更改來實(shí)現(xiàn)。因此，在數(shù)字化條件下，從數(shù)據(jù)邏輯的角度，我們可以構(gòu)建兩個(gè)數(shù)據(jù)庫，一個(gè)是底圖庫，用來組織管理電子工藝文件底圖；另外一個(gè)就是實(shí)例庫，用來組織管理從底圖庫中復(fù)制出來的用于生產(chǎn)現(xiàn)場的工藝文件實(shí)例。

圖1 現(xiàn)實(shí)模式與無紙化模式映射關(guān)系

工藝文件實(shí)例化觸發(fā)機(jī)制

實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場更改無紙化，現(xiàn)場AO/FO等工藝文件數(shù)字化、無紙化是前提，實(shí)例化是基礎(chǔ)。所以無紙化制造過程中，首先要進(jìn)行電子AO/FO的實(shí)例化處理，即根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃對象的技術(shù)狀態(tài)、有效性范圍到底圖類庫中去匹配相應(yīng)的電子AO/FO底圖，一旦配套到符合條件的底圖，便從底圖類庫中復(fù)制一份AO/FO，并將批（架）次號/質(zhì)量編號、版本號等特征值填入到該電子AO/FO中，形成實(shí)例放入到實(shí)例庫中，生產(chǎn)信息、配套信息、質(zhì)量信息、操作記錄等過程信息都是以該實(shí)例作為載體進(jìn)行記錄，這些過程信息將來是單機(jī)數(shù)字質(zhì)量檔案的組成部分。AO/FO實(shí)例化，選擇好觸發(fā)實(shí)例化的時(shí)機(jī)非常關(guān)鍵。前面所述，引起工藝更改的原因很多，其中設(shè)計(jì)更改引起的工藝變更，大多數(shù)情況下都是立即生效。為了盡量減少這類工藝更改給在制品帶來的影響和對在制生產(chǎn)節(jié)拍帶來的沖擊，在AO/FO實(shí)例化之前，最大程度地完成工藝更改，也就是通過更改底圖的方式完成工藝更改，這樣可以有效降低受工藝更改影響的在制品數(shù)量，減少現(xiàn)場更改的次數(shù)。底圖更改有嚴(yán)格的審簽流程，完成工藝更改有一定的時(shí)間周期，如果實(shí)例化在生產(chǎn)過程中觸發(fā)時(shí)間點(diǎn)選擇靠前，留給工藝更改的周期就越短，未完成工藝更改的可能性越大，還有實(shí)例化時(shí)刻與開工時(shí)刻間隔越大，期間再次發(fā)生工藝變更的概率越大，特別是在新機(jī)研制階段，對在制品的影響程度相應(yīng)增加。所以實(shí)例化觸發(fā)時(shí)機(jī)必須遵守最遲原則，即將工藝文件實(shí)例化選在正式開工時(shí)刻來觸發(fā)。一旦開工，通過關(guān)聯(lián)最新狀態(tài)的AO/FO完成實(shí)例化，生成AO/FO實(shí)例。從此刻起，以后所需作用于現(xiàn)場的AO/FO工藝更改，必須通過現(xiàn)場更改方式實(shí)現(xiàn)，通過底圖更改的工藝內(nèi)容就只能對有效范圍內(nèi)的下個(gè)批（架）次生產(chǎn)起作用。以裝配生產(chǎn)為例，通過分析裝配生產(chǎn)業(yè)務(wù)流程（圖2）可以看出，在生產(chǎn)計(jì)劃階段，不涉及AO內(nèi)容本身，無需關(guān)聯(lián)AO。在開工準(zhǔn)備階段，需要從AO中提取裝配所需的資源清單，包括零（組）件、標(biāo)準(zhǔn)件、鉚釘、成品件、耗材以及工裝、設(shè)備、工具、人力等制造資源信息，進(jìn)行預(yù)分配、預(yù)安排。這個(gè)階段的工作結(jié)果是定性的，還沒有固化定量，可隨時(shí)從底圖類庫中調(diào)用對應(yīng)的最新版本的AO進(jìn)行動態(tài)關(guān)聯(lián)，與資源庫中的資源動態(tài)匹配，檢查配套情況。一旦現(xiàn)場工人檢查完開工條件，認(rèn)為可以開工時(shí)，便可進(jìn)行實(shí)例化，生成AO實(shí)例，同時(shí)實(shí)際配套的物料信息加入到實(shí)例AO中，生產(chǎn)進(jìn)入執(zhí)行反饋階段。

圖2 裝配生產(chǎn)流程

基于實(shí)例化的現(xiàn)場更改模式

在生產(chǎn)進(jìn)入執(zhí)行反饋階段后，只要有作用于現(xiàn)場AO的任何工藝改動，都是由工藝員通過現(xiàn)場更改來完成。任何現(xiàn)場更改，都是通過對實(shí)例的更改來實(shí)現(xiàn)。數(shù)字化條件下，一個(gè)典型的基于實(shí)例化的現(xiàn)場更改模式如圖3所示。為規(guī)避操作工人使用正在變更中的AO進(jìn)行加工制造而造成故障的風(fēng)險(xiǎn)，現(xiàn)場更改模式引入了工序“凍結(jié)”、“解凍”的機(jī)制對工序的執(zhí)行進(jìn)行控制?！皟鼋Y(jié)”即不能進(jìn)行開工、完工操作，“解凍”即是解除“凍結(jié)”約束，恢復(fù)執(zhí)行工序。為有效控制實(shí)物質(zhì)量狀態(tài)，工藝體系文件規(guī)定，已執(zhí)行完成并關(guān)閉的AO工序和正在執(zhí)行的工序，不能進(jìn)行現(xiàn)場更改。無紙化現(xiàn)場更改模式分為4個(gè)階段。第一階段是發(fā)起，即由工藝員在制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）中發(fā)起現(xiàn)場更改，系統(tǒng)自動凍結(jié)所有未開工工序，通過消息機(jī)制告知工人，該AO 實(shí)例正在被更改，暫停工序執(zhí)行，同時(shí)生成更改任務(wù)發(fā)送給工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)（CAPP）；第二階段是更改，即工藝員在CAPP中接收更改任務(wù)后，系統(tǒng)自動調(diào)用在用AO實(shí)例，工藝員進(jìn)行更改，自動生成“現(xiàn)場更改記錄”，完成后提交電子審簽；第三階段是審簽，即被更改的AO實(shí)例在產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）系統(tǒng)中通過校對、審簽環(huán)節(jié)后，正式發(fā)布，并用消息通知MES系統(tǒng)；最后一個(gè)階段是執(zhí)行，即MES系統(tǒng)由消息觸發(fā)，自動重新獲取最新的AO實(shí)例，并“解凍”工序，現(xiàn)場工人繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)加工，完成工藝現(xiàn)場更改，形成閉環(huán)控制。在制造過程中，同一份AO實(shí)例，可進(jìn)行多次現(xiàn)場更改，但只保留最新的AO實(shí)例，可不保存歷史記錄，現(xiàn)場更改記錄則必須記錄每一次更改的內(nèi)容、原因、時(shí)間、更改者等內(nèi)容。整份AO等執(zhí)行完成后由檢驗(yàn)人員對其進(jìn)行電子歸檔。

圖3 基于實(shí)例化的現(xiàn)場更改模式

應(yīng)用集成框架

圖4 應(yīng)用集成框架

面向制造過程無紙化的制造模式是以數(shù)字化技術(shù)為基礎(chǔ)，通過綜合集成ERP、CAPP/PDM、MES等企業(yè)級應(yīng)用系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的，就現(xiàn)場更改而言，要想實(shí)現(xiàn)全過程無紙化，需要有MES、CAPP以及PDM等3個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)協(xié)同工作才能完成，如圖4所示。其中，MES系統(tǒng)是工藝文件的執(zhí)行端，也是現(xiàn)場更改的發(fā)起端，CAPP是AO/FO編輯和更改的工具，PDM是工藝文件審簽發(fā)布平臺。CAPP將新編制的工藝文件發(fā)送到PDM系統(tǒng)進(jìn)行審簽，通過審簽后發(fā)布到底圖類庫中；當(dāng)MES端觸發(fā)工藝文件實(shí)例化時(shí)，向CAPP系統(tǒng)傳遞生產(chǎn)的AO/FO號、批（架）次號信息，CAPP系統(tǒng)以此自動在底圖類庫中匹配對應(yīng)的AO/FO底圖并生成AO/FO實(shí)例至AO/FO實(shí)例庫中，同時(shí)將生成的實(shí)例號反饋MES中，MES以此從實(shí)例庫中自動調(diào)用新生成的實(shí)例，開始制造執(zhí)行；當(dāng)MES發(fā)起現(xiàn)場更改時(shí)，首先將需要更改的AO/FO實(shí)例號傳遞給CAPP系統(tǒng)，由CAPP系統(tǒng)根據(jù)實(shí)例號調(diào)用實(shí)例庫中對應(yīng)工藝文件實(shí)例進(jìn)行修改，并經(jīng)PDM審簽后發(fā)布到實(shí)例庫中覆蓋原來的實(shí)例數(shù)據(jù)，同時(shí)系統(tǒng)自動將審簽結(jié)果反饋給CAPP和MES，以此觸發(fā)MES根據(jù)實(shí)例號自動更新實(shí)例，完成現(xiàn)場更改。

工程應(yīng)用實(shí)踐

根據(jù)某航空新產(chǎn)品研制要求，飛機(jī)裝配制造要實(shí)現(xiàn)無紙化，其中最重要、最基礎(chǔ)性的內(nèi)容就是現(xiàn)場AO無紙化以及工藝現(xiàn)場更改無紙化。為此，將本文提出的應(yīng)用模式和應(yīng)用集成框架思想融入到支撐裝配制造無紙化的應(yīng)用系統(tǒng)當(dāng)中，通過裝配MES系統(tǒng)與ERP、3D-CAPP及PDM等企業(yè)級應(yīng)用系統(tǒng)的集成開發(fā)，實(shí)現(xiàn)該模式落地，并成功應(yīng)用于新產(chǎn)品的實(shí)際生產(chǎn)中，率先在新產(chǎn)品部裝制造全過程實(shí)現(xiàn)了無紙化。生產(chǎn)現(xiàn)場完全取消了紙質(zhì)AO，工藝現(xiàn)場更改完全在應(yīng)用系統(tǒng)中完成，系統(tǒng)中的電子AO實(shí)例數(shù)據(jù)成為工藝信息和過程信息的唯一載體，徹底改變了以前實(shí)施裝配MES系統(tǒng)工藝技術(shù)文件“兩張皮”現(xiàn)象，即由于生產(chǎn)過程中一些工藝?yán)馇闆r的處理是在應(yīng)用系統(tǒng)之外的紙質(zhì)AO上進(jìn)行的，應(yīng)用系統(tǒng)中的AO數(shù)據(jù)不是最新有效的，系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)不真實(shí)，只能作為參考，紙質(zhì)AO才是制造和質(zhì)量歸檔的依據(jù)，造成MES實(shí)施效果不好。為保證應(yīng)用系統(tǒng)中電子AO實(shí)例數(shù)據(jù)的權(quán)威性、有效性和合法性，還針對現(xiàn)行質(zhì)量保證體系和工藝體系不適應(yīng)無紙化的內(nèi)容，專門作了修訂，以適應(yīng)數(shù)字化制造要求。工程應(yīng)用驗(yàn)證表明，該模式能夠滿足數(shù)字化條件下無紙化制造要求，強(qiáng)化和規(guī)范了現(xiàn)場更改過程控制，完全消除了現(xiàn)場紙質(zhì)工藝文件。

結(jié)束語

數(shù)字化制造是航空制造業(yè)的發(fā)展方向，無紙化制造是數(shù)字化制造的必然結(jié)果。無紙化現(xiàn)場更改作為無紙化制造過程中一種常見的工藝臨時(shí)處置手段，是無紙化制造的重要內(nèi)容之一。本文探索了基于工藝文件實(shí)例化的無紙化工藝現(xiàn)場更改模式和技術(shù)途徑，并通過MES/CAPP/PDM系統(tǒng)集成應(yīng)用，較好解決了數(shù)字條件下工藝文件實(shí)例化、更改流程控制、消息觸發(fā)和工序控制等技術(shù)問題，既強(qiáng)化了現(xiàn)場更改的可控性，又提升了現(xiàn)場更改的效率，同時(shí)也為面向特定架次、特定狀態(tài)的零備件生產(chǎn)提供了無紙化制造依據(jù)。通過在某新產(chǎn)品裝配制造無紙化實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，結(jié)果表明該模式簡單可行，效果較好，能滿足制造無紙化要求，具有在行業(yè)推廣使用的價(jià)值。

當(dāng)前，三維工藝文件已取代二維工藝文件成為主流，三維工藝文件除了結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)外，還包含輕量化數(shù)模等附件。當(dāng)在MES端執(zhí)行批處理實(shí)例化時(shí)，產(chǎn)生大量的工藝文件實(shí)例數(shù)據(jù)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)量傳遞過大，如何對數(shù)據(jù)量進(jìn)行分流傳輸，提高運(yùn)行效率，還需在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上做進(jìn)一步探討。

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