李 疆，楊 波，楊秋萍，石文昌

LI Jiang，YANG Bo，YANG Qiu-ping，SHI Wen-chang

（貴陽學(xué)院 數(shù)控技術(shù)工程應(yīng)用實驗室，貴陽 550005）

0 引言

“十二五”規(guī)劃綱提出要在工業(yè)企業(yè)升級換代過程中構(gòu)建現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)體系及提高自主創(chuàng)新能力，從而逐步提高在全球化產(chǎn)業(yè)鏈中的位勢，因此工業(yè)與信息化融合走新型工業(yè)化道路是必然趨勢。

數(shù)字化工廠（Digital Factory,簡稱DF）是以PLM(product lifecycle management)產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在計算機虛擬環(huán)境中，對整個生產(chǎn)過程進(jìn)行仿真、評估和優(yōu)化，并進(jìn)一步擴展到整個產(chǎn)品生命周期的新型生產(chǎn)組織方式[1]。它主要借助計算機技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)，通過虛擬環(huán)境模擬制造、裝配、物流等各環(huán)節(jié)，最大限度地確定產(chǎn)品設(shè)計和制造之間的不確定因素，并作出評估、檢驗及修改，從而縮短產(chǎn)品由設(shè)計到生產(chǎn)的轉(zhuǎn)化時間，并且提高產(chǎn)品的可靠性與試制成功率。

貴陽學(xué)院數(shù)字化工廠是一個產(chǎn)學(xué)研合作平臺，不僅承擔(dān)了機電專業(yè)、計算機專業(yè)、管理專業(yè)的實踐教學(xué)工作，還承擔(dān)了大學(xué)產(chǎn)業(yè)園校企合作項目的新產(chǎn)品試制工作。本文以平臺的軟、硬件構(gòu)建及新產(chǎn)品試制在平臺上的運作為例，對數(shù)字化工廠的構(gòu)建及應(yīng)用作一個簡述。

1 數(shù)字化工廠硬件平臺的構(gòu)建

1.1 平臺背景

數(shù)字化工廠是貴陽學(xué)院大學(xué)科技產(chǎn)業(yè)園區(qū)的組成部分，由創(chuàng)新設(shè)計室、數(shù)控車間、云存儲中心組成，是以CAXA工業(yè)軟件為基礎(chǔ)，綜合應(yīng)用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、云存儲技術(shù)構(gòu)建的創(chuàng)新設(shè)計平臺、數(shù)字化工藝平臺和生產(chǎn)過程管理平臺，在數(shù)據(jù)源統(tǒng)一管理的前題下，實現(xiàn)設(shè)計、工藝、生產(chǎn)一體化流程，形成無紙化、數(shù)字化的生產(chǎn)過程管理。

1.2 平臺硬件構(gòu)建

1）創(chuàng)新設(shè)計室：創(chuàng)新設(shè)計室承擔(dān)圖紙設(shè)計和工藝設(shè)計任務(wù)，由設(shè)計組和工藝組組成，所有訂單信息、產(chǎn)品技術(shù)文件、管理文件均統(tǒng)一存儲在云存儲中心進(jìn)行管理，設(shè)計人員、工藝人員通過創(chuàng)新設(shè)計室網(wǎng)絡(luò)從云存儲中心調(diào)用技術(shù)資料，實現(xiàn)協(xié)同設(shè)計并在修改后實現(xiàn)同步更新。

2）數(shù)控車間：數(shù)控車間主要承擔(dān)制造任務(wù)，車間內(nèi)擁有數(shù)控車、數(shù)控銑、加工中心、線切割、電火花等數(shù)控設(shè)備，所有數(shù)控設(shè)備通過智能終端和無線網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接到數(shù)控車間的交換機上，加工數(shù)據(jù)和信息通過DNC (Distributed Numerical Control)分布式數(shù)控網(wǎng)絡(luò)從云存儲中心獲取，設(shè)備信息及加工過程信息也通過DNC網(wǎng)絡(luò)回饋到云存儲中心，供相關(guān)部門調(diào)用。這種數(shù)據(jù)資源協(xié)同共享的方式，有效地解決了過去單機工作時由于信息不通，設(shè)計或工藝更改造成的錯誤及浪費。

3）云存儲中心：云存儲中心主要承擔(dān)所有技術(shù)資料數(shù)據(jù)的存儲、管理任務(wù)，通過PDM（Product Data Management）產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理軟件將訂單信息以及創(chuàng)新設(shè)計室、數(shù)控車間的技術(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類管理，建立圖紙數(shù)據(jù)庫、工藝數(shù)據(jù)庫、制造代碼數(shù)據(jù)庫，對外提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲和業(yè)務(wù)訪問功能。

圖1 貴陽學(xué)院數(shù)字化工廠硬件架構(gòu)圖

數(shù)字化工廠硬件構(gòu)架如圖1所示。

2 數(shù)字化工廠軟件系統(tǒng)的構(gòu)建

貴陽學(xué)院數(shù)字化工廠平臺主要承擔(dān)新產(chǎn)品的研發(fā)及試制，屬于多品種、小批量，面向訂單的設(shè)計和生產(chǎn)。樣機試制對設(shè)計、工藝要求高，生產(chǎn)周期短，必須在PLM軟件系統(tǒng)的配合下才能發(fā)揮出硬件的最大生產(chǎn)能力，滿足市場的需要。

貴陽學(xué)院數(shù)字化工廠PLM軟件系統(tǒng)由數(shù)字化設(shè)計軟件、數(shù)字化工藝軟件、數(shù)字化制造軟件及協(xié)同管理軟件所組成。軟件架構(gòu)圖如圖2所示。數(shù)字化設(shè)計軟件包括CAXA電子圖板和實體設(shè)計兩個軟件；數(shù)字化工藝設(shè)計軟件包括CAXA工藝圖表和工藝匯總兩個軟件；數(shù)字化制造軟件包括CAXA數(shù)控車、制造工程師、線切割、編程助手、網(wǎng)絡(luò)DNC軟件組成； PDM協(xié)同管理軟件作為產(chǎn)品數(shù)據(jù)和設(shè)計過程的管理平臺。

3 數(shù)字化工廠的工程應(yīng)用

3.1 應(yīng)用過程

貴陽學(xué)院數(shù)字化工廠與某企業(yè)合作研發(fā)一個機械產(chǎn)品，以該產(chǎn)品的研發(fā)和樣機試制過程為任務(wù)，在PLM系統(tǒng)的框架下，完成設(shè)計、工藝、制造諸環(huán)節(jié)，實現(xiàn)對產(chǎn)品各類信息的統(tǒng)一管理，規(guī)范包括圖紙數(shù)據(jù)、文檔、業(yè)務(wù)流程、操作規(guī)范等在內(nèi)產(chǎn)品設(shè)計過程和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)；實現(xiàn)設(shè)計、工藝、制造過程的并行、高效的協(xié)同工作和信息共享，從而達(dá)成產(chǎn)品工藝數(shù)據(jù)與工藝資源的立體管理，最終形成完整的產(chǎn)品技術(shù)文件及樣機試制目標(biāo)的全過程。

1）數(shù)字化設(shè)計環(huán)節(jié)

（1）數(shù)字化工廠在接到企業(yè)合作研發(fā)訂單后，由總工程師將對研發(fā)工作進(jìn)行立項，并確定總體設(shè)計方案；

（2）由總工程師確定項目經(jīng)理，項目經(jīng)理分配創(chuàng)新設(shè)計室內(nèi)設(shè)計員、工藝員，數(shù)控車間內(nèi)施工員、制造工人等，并按角色的不同分配工作權(quán)限；

（3）設(shè)計員從云存儲中心電子倉庫中查詢是否有類似產(chǎn)品的記錄，并調(diào)用可重用的技術(shù)資料；

（4）設(shè)計員根據(jù)訂單中的具體要求，用CAXA電子圖板軟件設(shè)計二維工程圖；

（5）設(shè)計員以二維工程圖為基礎(chǔ)，作用CAXA實體設(shè)計軟件生成三維模型并進(jìn)行產(chǎn)品模擬裝配，發(fā)現(xiàn)設(shè)計過程中可能出現(xiàn)的干涉和錯誤，避免樣機試制過程中造成的損失，同時三維圖為為關(guān)鍵零部件的有限元分析提供了三維數(shù)據(jù)模型，也為產(chǎn)品外觀造型設(shè)計提供了直觀的效果；

（6）在項目經(jīng)理和總工程師審核批準(zhǔn)后，PDM系統(tǒng)將所有設(shè)計圖紙資料納入統(tǒng)一的設(shè)計資料庫中。

2）數(shù)字化工藝環(huán)節(jié)

（1）工藝員根據(jù)審核后的工程圖紙使用CAXA工藝圖表軟件完成各加工零件的工藝過程卡、工序卡、材料定額、工時定額等一系列工作，并匯總出生產(chǎn)所需的各種BOM信息；

圖2 貴陽學(xué)院數(shù)字化工廠軟件架構(gòu)圖

（2）工藝員使用CAXA工藝匯總軟件對產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)和工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計匯總，從而生成產(chǎn)品明細(xì)表、材料定額報表、管理用工藝表格，大大減輕了人工統(tǒng)計的工作量，提高了生產(chǎn)效率；

（3）在項目經(jīng)理和總工程師審核批準(zhǔn)后，PDM系統(tǒng)將所有工藝資料納入統(tǒng)一的工藝資料庫中；

（4）采購人員可從工藝資料庫中調(diào)取標(biāo)準(zhǔn)件明細(xì)表、外購件明細(xì)表、材料采購表進(jìn)行配套采購。

3）數(shù)字化制造環(huán)節(jié)

（1）工藝員根據(jù)工藝路線的要求，使用數(shù)控車、制造工程師、線切割等制造軟件進(jìn)行加工數(shù)控編程，輸出G代碼，通過對生成的代碼進(jìn)行校驗及加工仿真，避免加工過程中造成的浪費；

（2）工藝員根據(jù)加工仿真情況，將存在工藝缺陷的圖紙反饋給設(shè)計員，進(jìn)行圖紙修改。在此過程中PDM系統(tǒng)自動對修訂過程進(jìn)行記錄和標(biāo)識；

（3）數(shù)控車間制造工人可通過DNC網(wǎng)絡(luò)將數(shù)控加工程序直接調(diào)用至數(shù)控機床上進(jìn)行生產(chǎn)，通過DNC網(wǎng)絡(luò)還可在車間顯示屏上查看生產(chǎn)用圖紙和工藝，實現(xiàn)無紙化生產(chǎn)；

（4）車間管理人員可通過DNC網(wǎng)絡(luò)它可對數(shù)控車間內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)通訊及管理，總工程師、項目經(jīng)理能及時掌握設(shè)備狀態(tài)、作業(yè)進(jìn)度及質(zhì)量問題等信息，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，從而提高數(shù)字化工廠的生產(chǎn)自動化水平以及關(guān)鍵設(shè)備的綜合利用率；

（5）所有加工數(shù)據(jù)、生產(chǎn)進(jìn)度等制造信息PDM系統(tǒng)自動對記錄；

（6）零件加工完畢檢驗合格后，由裝配工人根據(jù)圖紙進(jìn)行裝配、試機；設(shè)計員根據(jù)試機情況進(jìn)行設(shè)計修改及產(chǎn)品定型。PDM系統(tǒng)根據(jù)修改情況進(jìn)行各次版本的記錄；

（7）PDM系統(tǒng)可把產(chǎn)品分類，建立通用零部件庫，按照合理的結(jié)構(gòu)規(guī)范進(jìn)行管理，以便設(shè)計時快速借用。

3.2 應(yīng)用效果

由于貴陽學(xué)院數(shù)字化工廠承擔(dān)工作的局限性，新產(chǎn)品試制案例只使用了PLM系統(tǒng)中設(shè)計和制造環(huán)節(jié)的功能，但通過其設(shè)計、制造手段和管理模式已極大地提高了設(shè)計和制造效率。

1）電子圖板與實體設(shè)計的有機結(jié)合，不僅使設(shè)計更加直觀，而且三維模擬裝配可在實際生產(chǎn)前驗證工程圖紙的正確性，并進(jìn)行裝配干涉檢查，降低產(chǎn)品試制失敗的風(fēng)險。另外實體設(shè)計為關(guān)鍵零部件的有限元分析提供了三維數(shù)據(jù)模型，從而使產(chǎn)品設(shè)計更加優(yōu)化。

2）由工藝圖表和工藝匯總組成的CAPP工藝管理系統(tǒng)，不僅使工藝文檔標(biāo)準(zhǔn)化，解決了傳統(tǒng)工藝編制效率不高、信息統(tǒng)計匯總不準(zhǔn)確的問題，而且使工藝人員可以將企業(yè)的工藝信息和工藝經(jīng)驗加以積累和延用，因此能快速處理各種工藝信息，并匯總出生產(chǎn)所需的各種BOM信息；各類產(chǎn)品明細(xì)表、材料定額報表、管理用工藝表格可自動生成，大大減輕了人工統(tǒng)計的工作量，提高了生產(chǎn)效率。

3）數(shù)控車、制造工程師、線切割等制造軟件實現(xiàn)了自動編程，而且可對生成的代碼進(jìn)行校驗及加工仿真，避免加工過程中造成的浪費。

4）網(wǎng)絡(luò)DNC將管理、設(shè)計、工藝、制造通過內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)連接起來，管理層可實時了解設(shè)計、工藝、制造各環(huán)節(jié)的進(jìn)度以及存在的問題；設(shè)計、工藝、制造環(huán)節(jié)也可在統(tǒng)一的產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上通過DNC網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行溝通，避免各環(huán)節(jié)信息不暢造成的錯誤和浪費；網(wǎng)絡(luò)DNC還為實現(xiàn)無紙化生產(chǎn)提供了的基礎(chǔ)，從而使數(shù)字化工廠更加環(huán)保和高效。

5）PDM系統(tǒng)以數(shù)據(jù)管理和流程管控為核心，實現(xiàn)對產(chǎn)品從訂單、設(shè)計、工藝編制、紅線批注、審核、批準(zhǔn)、打印、歸檔、發(fā)圖、維護等整個產(chǎn)品生命周期中相關(guān)數(shù)據(jù)的集中有效管理，實現(xiàn)了產(chǎn)品各類信息的統(tǒng)一管理，規(guī)范了圖紙數(shù)據(jù)、工藝文檔、業(yè)務(wù)流程、操作規(guī)范等設(shè)計過程和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計、工藝、制造過程的并行、協(xié)同工作，極大地提高了生產(chǎn)效率，有效保障了設(shè)計、工藝、制造數(shù)據(jù)的適時交流和共享，在對角色劃分并進(jìn)行權(quán)限控制的基礎(chǔ)上，保障了數(shù)據(jù)的安全。

4 結(jié)束語

CAXA PLM在貴陽學(xué)院數(shù)字化工廠的建設(shè)和應(yīng)用，通過PDM使所有技術(shù)數(shù)據(jù)實現(xiàn)了集中管理； 在網(wǎng)絡(luò)DNC平臺上，所有技術(shù)數(shù)據(jù)實現(xiàn)了無紙化交流；通過數(shù)字化設(shè)計和工藝軟件的應(yīng)用，使用設(shè)計、工藝及管理得以規(guī)范化和數(shù)字化，使設(shè)計水平、工藝水平和制造水平得以提升，從而帶動了管理水平和管理質(zhì)量的提升。

要充分發(fā)揮PLM的作用，不僅要靠高質(zhì)量的軟、硬件，更重要的要靠企業(yè)負(fù)責(zé)人、各級管理人員對企業(yè)信息化的理解、執(zhí)行的力度，只有各生產(chǎn)環(huán)節(jié)以高度責(zé)任心，在產(chǎn)品的全生命周期中實施數(shù)字化管理，才能保證統(tǒng)一產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫中的內(nèi)容真實、可靠，并逐步建立起具有企業(yè)自身特色的數(shù)據(jù)庫，最終實現(xiàn)信息化與工業(yè)化融合，構(gòu)建數(shù)字化企業(yè)的目標(biāo)。

[1] 呂志杰,等.CAXA2009實體設(shè)計行業(yè)應(yīng)用實踐[M].北京:機械工業(yè)出版社,2010:14-17.

[2] 姬彥巧.CAD/CAM應(yīng)用技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009:222.

[3] 李海越,等.基于Web面向中小型制造企業(yè)的PLM系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J].機械設(shè)計與制造,2005,8:56-58.

[4] 張平生,等.面向PLM的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術(shù)研究[J].裝備制造技術(shù),2009,1:33-34.

[5] 范建偉,等.PLM環(huán)境下的集成化工藝設(shè)計與管理研究[J].中國制造業(yè)信息化,20079,9:62-63.