智能制造车间工艺数据管理

随着信息化与智能化技术的发展，越来越多的传统制造车间开始向智能制造的方向进行转型，智能制造车间具备数字化、自动化、智能化的显著特征。作为车间内“运行大脑”的制造运营管理系统是实现车间智能制造的基础，而 MOM 系统的制造过程流转、物料调配、设备控制、参数下发等功能则依赖车间的数字化工艺。面向智能制造的工艺数据管理与传统工艺数据管理不同，前者相比后者，对产品生产过程的人机料法测等要素进行了全面的定义。本文以机加车间为例，对面向智能制造过程的工艺数据管理进行介绍。 1 面向智能制造的机加工艺管理流程 按照机加车间的角色分工与定位，工艺管理的流程首先由工艺员在专用的 CAPP 软件中编辑产品工艺文件（如图 1），工艺文件的内容一般包含零件图号、毛坯信息、材质信息、工艺版次、产品的工艺路线、作业规程、检验大纲等内容。工艺员完成对工艺文件的编辑后，由 PLM 系统对工艺文件的版本、文件进行管理，工艺管理系统通过与 PLM系统集成获取产品的工艺数据，通过解析相应的 CAPP 文件，将产品的结构化工艺信息同步到本系统中，并进行相关字段的补全。 图 1 机加车间工艺管理流程 2 面向智能制造的机加工艺管理内容 制造运营管理系统中的工艺数据将按如图 2 所示的结构进行管理。主要包含零件信息管理、工艺版本的管理、工序管理、工步维护以及各类关联要素的管理，首先对面向智能制造的机加工艺中的工艺版本、工序、工步进行定义。 图 2 面向智能制造的机加工艺管理内容 工艺版本：生产一个零件所需要的不同加工方案，是描述了物料加工的技术文件，是多个工序的序列。工序：每次装夹后，由一台设备完成的连续工艺内容，定义为工序。 工步：工序过程中，使用一个型号的刀具加工的一个特征定义为一个工步。 面向智能制造的机加工艺管理主要包含以下内容。 2.1 零件信息管理 零件信息管理以零件图号作为唯一标识对零件的基础信息进行管理，管理的主要内容包括零件名称、零件材质、零件规格、是否为关重件、所属型号等信息。 2.2 工艺版本 为了保持数据的一致性，制造运营管控系统将集成PLM 系统中的版本信息，在制造运营管控系统中仅对不同版本的工艺进行存储，对工艺版本变更、工艺审批等操作仍在 PLM 系统中进行管理，这样更符合车间内顶层信息系统的规划。 从 PLM 系统中工艺版本信息主要包括工艺版次号、工艺负责人、创建时间、修改时间等。 2.3 工序信息管理 工序信息管理包括以下几方面。 （1）工序基础信息。工序基础信息包括工序号、工序名称、设备（或工位）、是否外协、是否自检、是否专检、定额工时、工序准备时间、工序加工时间等信息。其中，设备（或工位）将工序与设备或工位进行绑定，也可以绑定某一类设备，当生产任务进行到该工序时，制造运营管理系统将自动推送对应的工序任务及相关工艺数据到该工序绑定的工位，实现工件在车间内的无纸化流转，如果车间内存在自动化物流设备，该信息还定义了工件在车间内的物流路径。 （2）工序工装。工序工装的配置主要将该机加工序与其所用的子板、夹具等进行绑定，制造运营管理系统中具备基础数据管理模块，管理了各类子板、夹具的类型信息以及工装之间的组合关系。系统在进行工序工装配置时，从基础数据管理模块中的工装类型库里选择该工序所需的各类工装与工序进行绑定。工序工装的配置主要为实现装夹准备的物料配套，MOM 系统通过工序工装的配置定义，向立体库管理系统请求相应的子板与夹具，并由车间的 AGV 将其配送至生产准备工位或生产线线边，实现工件装夹准备的物料齐套，减少生产操作者的操作步骤，提高生产效率。 （3）工序文档。工序文档配置为工序添加工序执行过程中所需的各类作业指导书，包括装夹作业指导书、加工作业指导书、检验规程等文档。MOM 系统支持包括PDF、图片、视频等多种文档格式对作业指导书进行展示。通过前述工序与设备（或工位）的绑定关系，将各类作业指导书同步推送至生产设备（或工位），多种图文视频格式的指导书文件更加生动直观地指导现场工人进行工序的各类操作，减少了现场工人翻阅工艺文件资料的时间。 （4）工序检验项。对于需要自检或专检的工序，系统支持为工序的自检或专检定义相应的检验项，检验项的信息包括检验项名称、检测工具、标准值、上偏差、下偏差、单位等信息。检验项包括但不限于各类型位公差的检测、表面质量的检测、称重等；检测工具包含量规、卡尺、三坐标测量、称重机、目视检测等；标准值与上偏差、下偏差三者定义了实测值是否处于公差范围内，用于判定零件的实测值是否合格。 对于机加工艺来说，绝大部分的检验项为尺寸的测量值，为减少检验人员在系统中录入实测值的烦琐操作，MOM 系统可根据工序检验项的信息与测量设备进行互联互通，通过采集测量设备的测量结果数据，经过解析后自动将测量结果填充到系统界面，检验人员可专注于检验操作，减少数据录入操作。 2.4  工步信息管理…

全寿命周期的数字化保障服务系统

飞机是我国工业设计、制造水平和能力的重要体现，是我国工业的重要组成部分。新中国成立以来，经过长期的努力，我国已经建立起来了比较完整的飞机设计、制造工业体系，生产出了歼击机、运输机、轰炸机、民用飞机、直升机等系列高性能飞机及其系统，提升了我国航空工业的设计、制造水平。然而，长期以来我国航空工业主要将解决飞机设计、制造中的关键问题作为发展的重点，在飞机综合保障服务技术研究及系统应用方面重视程度不够，造成了我国飞机保障服务还处于手工或简单的计算机管理阶段，远远落后于发达国家，难以满足我国经济、军事等领域发展的要求。现代化飞机是机械、电气、电子、光学、液压、控制、计算机、软件、通信等技术集成的大型复杂装备，大量采用了新技术、新材料、新工艺，广泛应用了计算机、大规模集成电路及多种软件系统，其复杂化和智能化水平迅速提高，使保障服务的内涵发生了根本性的变化。保障服务不再是单纯以综合保障标准及相关技术文件为指导、以人力执行为主，而是以飞机设计、研发阶段以及生产阶段的 DMU（数字样机）为三维数据源头形成的 IETM（交互式电子作业指导书）为指导的新型综合保障体系，为飞机运行阶段的维护、维修、大修提供指导，其中网络技术和计算机技术是核心支撑，以此形成以飞机保障平台为主的数字化保障体系和服务。发达国家的实践已经证明了数字化保障服务是提高现代化飞机使用效率和战斗力的有效途径。 一、国内外发展现状 （一）国外发展现状与趋势 维护保障服务技术是提高武器装备战斗力的关键，一直受到美国等发达国家的重视。1985年，美国提出了计算机辅助后勤支援（computer aided logistic support，CALS）概念，旨在提升美国军队武器装备后勤支援中的技术资料数字化水平，降低武器装备维护和人员培训费用，提高武器装备的质量及军队的战斗力。在此基础上，美国在1987年和1993年相继提出了计算机辅助采办与后勤支援（computer-aided acquisition and logistic support）和连续采办与全生命周期支援（continuous acquisition & life-cycle support）思想，用以指导解决武器装备后勤服务中的数据共享和对武器装备提供全生命周期维护等问题。在上述CALS计划有效实施后，1997年美国又推出了通用操作数据环境的框架计划。该计划旨在通过数据化和标准化手段把现有与防务系统相关的数据信息集成在一个数据环境中，为武器装备提供一个兼容性强、具有良好可扩展性、开放性的协同化数据信息平台。美国在《2010 年联合构想》一书中明确指出美军正处于信息技术引起的新的军事革命入口处，并重点强调了用数字化技术提升保障服务水平。 美国在搭建统一的数据环境平台的同时，聚焦数字化保障服务，重点对以下几个方面进行研究和应用。 1.IETM 技术 交互式电子技术手册（Interactive Electronic Technical Manual，IETM）出现于 20世纪90年代，一直受到美国国防部和国防工业界的重视，已成为美国等许多发达国家所推行的CALS战略的重要组成部分，是装备保障信息化技术研究和应用的热点之一。USS Eisenhower 航空母舰由于使用了 IETM，建造进度提前了18个月，节省8000万美元；SH-60直升机使用了IETM，每年节省300万美元；美国海军AEGIS作战系统使用了IETM，每年至少节约100万美元；爱国者巡航导弹（Patriot Missile）使用IETM，每年仅纸张节省费用达25万美元；美国海军的蒸汽涡 轮机维护手册为美国海军节省了18%～44%的机器维修时间，减少了50%的训练课程及43%的训练天数。 2.PHM 技术 故障预测与健康管理（prognostics and health management, phm） 技术由美国军方最早提出，具备故障检测、故障隔离、增强诊断、性能检测、故障预测、健康管理、部件寿命追踪等能力，实现了武器装备从状态监控到健康管理的转变。早期，PHM技术首先应用在阿帕奇、黑鹰等系列直升机上，形成了健康与使用监测系统。随后，PHM技术在F-35项目中取得了良好的效果，使故障非复现率减少82%，维修人力减少20%～40%，后勤规模减小50%，出动架次率提高25%，使用与保障费用减少了50%，使用寿命达8000飞行小时。目前，美国已逐渐将PHM技术运用到B2轰炸机、全球鹰无人机以及P8-A海上飞机等武器装备的维护保障实践中；英国国防部计划为未来山猫直升机开发PHM系统；韩国也委托史密斯宇航公司为其直升机项目提供PHM系统。 3. 维修备件管理技术 面对国际军事形势、国防开支的下降，美国陆军提出了备件现代化战略（modernization through spares, MTS），即通过备件的改进实现 武器系统现代化的战略，是一种适用于整个器材采办寿命周期，从而降低维持费用的备件采办战略。备件现代化战略的目标是以合理的备件采购策略，合理利用备件采购预算，以较低的维修保障费用，保持武器系统的技术先进性和可靠性。1996年，陆军助理秘书和陆军器材司令部总指挥官共同建立帕拉丁自动火力控制系统和 M109 FOV野战炮兵弹药支援车家族车队管理试点项目，用以测试MTS对该项目的重要性。此外，长弓阿帕奇直升机也是试行MTS的项目之一，达到了节约生产成本、减少维修费用的目的。 4. 虚拟维修技术 虚拟维修技术是虚拟现实技术在装备维修中的应用，针对飞机、战车等安全性要求高的武器，可以帮助维修人员在执行维修任务时进行维修预演和仿真，突破了设备维修在空间和时间上的限制，实现逼真的设备拆装、故障维修等操作，并能够基于提取的武器装备已有资料、状态数据来检验设备性能。如今虚拟维修技术已成为现代武器装备维修关键技术之一，世界各国均已建立起相关的虚拟维修系统，如英国皇家海军舰载核能推进系统的虚拟维修系统，德国武装部队的NH90直升机虚拟维修训练器，以色列的EHUD系统，美军坦克、导弹、军用车辆维修保养训练系统等。美军的F35工程也明确提出要建立供维修人员进行训练的虚拟环境。 （二）国内存在的主要问题 长期以来，我国航空科技工业一直存在“重设计制造、轻保障服务”的思想，在新型号飞机的研制及生产中投入了大量的资金和精力，飞机保障服务在科技工业中一直处于从属地位，与发达国家飞机保障服务水平存在一定差距。 以“十五”计划为起点，航空工业企业在数字化水平上有了较大提高，购买和装备了大量的计算机，在园区网的基础上搭建了良好的信息化软硬件环境，部署实施了OA、CAD、CAEC、APP、CAM、PDM、ERP 以及飞机外场信息管理系统等。但是，由于系统之间数据的 不可集成性，信息管理系统互相孤立，形成了“信息孤岛”，难以建成可以贯穿飞机全寿命周期的数字化保障服务系统。 二、面向飞机全寿命周期的数字化快速响应综合保障系统的作用、方法和技术 针对各类飞机对综合保障所提出的技术和管理方面的要求，面向全寿命周期的数字化综合服务保障系统关键技术与应用系统设计开发技术将产品全寿命周期管理的理念贯穿于流程优化、关键技术攻关、应用系统开发、系统集成应用、型号工程验证的全过程，突破了一系列支撑各类飞机数字化综合保障系统的技术，构建了具有自主知识产权的面向飞机全生命周期的数字化快速响应保障服务系统，全面提升了我国各类飞机综合保障的快速响应能力，并逐步实现在航空行业的推广应用，已成为航空工业数字化技术发展的重点。 （一）面向飞机全寿命周期的数字化快速响应保障服务系统的作用 1.面向飞机全寿命周期的数字化快速响应保障服务系统可以在飞机设计企业、制造企业以及飞机用户之间搭建一个通用的保障服务数据管理和应用平台，提高保障服务数据的完整性和一致性，建立统一的故障数据库和相关知识库，打通贯穿飞机全寿命周期的保障服务数据链条。 2. 面向飞机全寿命周期的数字化快速响应保障服务系统可以为保障服务数据提供有效的挖掘支持工具，通过数据挖掘形成可以用于指导飞机优化设计和制造过程的相关知识，提高飞机设计水平、制造质量，缩短研制周期，降低研制成本。 3. 面向飞机全寿命周期的数字化快速响应保障服务系统可以在轻量化模型技术支撑下，将飞机设计阶段、制造阶段产生的飞机零部件三维数据模型有效应用到保障服务业务中，建立高水平的飞机交互式电子手册和数字化工卡，用以提高飞机维修、维护的工作效率，降低保障服务成本。…