張振偉

（北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100083）

0 引言

計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)等的發(fā)展使得傳統(tǒng)制造向先進(jìn)制造轉(zhuǎn)變，信息化、數(shù)字化等信息技術(shù)在制造企業(yè)獲得了廣泛應(yīng)用，成為了企業(yè)提高其競(jìng)爭(zhēng)力的重要手段[1]。然而，對(duì)于離散制造企業(yè)，由于其生產(chǎn)的產(chǎn)品的特殊型，除了產(chǎn)品自身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，項(xiàng)目任務(wù)又具有品類多、狀態(tài)多、批量小、生產(chǎn)交叉等特點(diǎn)，這些使得信息技術(shù)難以貫通企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)與生產(chǎn)過(guò)程，無(wú)法深入到產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造的銜接環(huán)節(jié)，導(dǎo)致產(chǎn)品設(shè)計(jì)、項(xiàng)目計(jì)劃與生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的脫節(jié)。如何縮短產(chǎn)品研制周期、提高柔性化生產(chǎn)能力和批生產(chǎn)應(yīng)變能力成為了離散制造企業(yè)亟待解決的問(wèn)題。

1 設(shè)計(jì)制造現(xiàn)狀

隨著信息技術(shù)的推廣應(yīng)用，離散制造企業(yè)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)等方面都具備了一定的信息化條件，CAD（Computer Aided Design，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）、CAPP（Computer Aided Process Planning，計(jì)算機(jī)輔助工藝過(guò)程設(shè)計(jì)）、PDM（Product Data Management，產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理）、ERP（Enterprise Resource Planning，企業(yè)資源計(jì)劃）、MES（Manufacturing Execution System，制造執(zhí)行系統(tǒng)）等已經(jīng)得到推廣應(yīng)用。但是，由于企業(yè)信息化建設(shè)的階段性和不同步，不同階段、不同平臺(tái)的信息化建設(shè)帶來(lái)的缺陷也逐漸顯露，尤其對(duì)于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)計(jì)制造周期長(zhǎng)的離散制造企業(yè)，問(wèn)題尤為突出。設(shè)計(jì)、工藝、制造、管理等各個(gè)環(huán)節(jié)間的集成比較松散，整體協(xié)調(diào)能力不足，產(chǎn)品模型常常不能直接用于工程分析和生產(chǎn)制造，龐大的設(shè)計(jì)、工藝、制造信息的傳遞仍依賴紙質(zhì)介質(zhì)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造過(guò)程脫節(jié)，信息不能共享，工作易重復(fù)且設(shè)計(jì)錯(cuò)誤難以及時(shí)更改，加工周期和批次一致性得不到保證。

設(shè)計(jì)制造一體化是以網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，綜合應(yīng)用產(chǎn)品三維設(shè)計(jì)、一體化數(shù)據(jù)管理、數(shù)控加工技術(shù)和制造信息管理技術(shù)，建立起一個(gè)集數(shù)字化設(shè)計(jì)、制造、管理、控制的一體化系統(tǒng)[2]。通過(guò)一體化技術(shù)的應(yīng)用，能夠減少部門周轉(zhuǎn)和反復(fù)時(shí)間，減少紙質(zhì)介質(zhì)的使用，縮短工藝、制造準(zhǔn)備周期，顯著提高制造效率和生產(chǎn)能力。

2 設(shè)計(jì)制造一體化集成體系

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)規(guī)范

建立一致的數(shù)據(jù)編碼規(guī)范是設(shè)計(jì)制造一體化的基礎(chǔ)，產(chǎn)品數(shù)據(jù)編碼、物料編碼需要與PDM 產(chǎn)品管理系統(tǒng)保持一致，設(shè)計(jì)BOM（Bill of Material，物料清單）應(yīng)與工藝BOM、制造BOM 保持統(tǒng)一。

（1）統(tǒng)一編碼體系：產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程的標(biāo)準(zhǔn)件、外購(gòu)件、原材料的編碼應(yīng)與PDM 系統(tǒng)編碼保持一致；自制零部件編碼應(yīng)由設(shè)計(jì)部門統(tǒng)一編碼規(guī)則，并通過(guò)編碼器生成唯一標(biāo)識(shí)。

（2）規(guī)范設(shè)計(jì)物料庫(kù)：產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)時(shí)，選擇的材料就決定了材料成本，選擇的工藝就決定了加工成本。建立規(guī)范的設(shè)計(jì)物料庫(kù)可以讓設(shè)計(jì)師查找可利用的物料資源，有效保證數(shù)據(jù)源頭的規(guī)范，保證數(shù)據(jù)能不受阻礙的雙向互通。

（3）規(guī)范工藝資源庫(kù)：建立規(guī)范的工藝資源庫(kù)，讓工藝師能按標(biāo)準(zhǔn)有效定義工藝路線、工時(shí)定額、材料定額，以便給生產(chǎn)計(jì)劃提供數(shù)據(jù)支撐。

2.2 數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)協(xié)同

（1）物料同步：在PDM 中建立物料數(shù)據(jù)庫(kù)（原材料、標(biāo)準(zhǔn)件、外購(gòu)件、自制件等），作為產(chǎn)品數(shù)據(jù)的源頭，為CAD、CAPP、ERP、MES 等應(yīng)用系統(tǒng)提供統(tǒng)一的物料數(shù)據(jù)。

（2）BOM 同步：設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)在PDM 系統(tǒng)中進(jìn)行整合，結(jié)合項(xiàng)目任務(wù)要求形成基本的產(chǎn)品BOM，然后由PDM 傳遞給CAPP 形成工藝BOM，再由CAPP 傳遞給ERP 形成制造BOM，再下發(fā)MES 用于生產(chǎn)制造。

（3）業(yè)務(wù)協(xié)同：通過(guò)PDM 業(yè)務(wù)管理實(shí)現(xiàn)各部門間的協(xié)作，實(shí)現(xiàn)計(jì)劃、設(shè)計(jì)、工藝、制造全過(guò)程管理。通過(guò)協(xié)同變更管理，有效管理各部門的變更請(qǐng)求，使設(shè)計(jì)變更得到有效控制，并及時(shí)更新制造數(shù)據(jù)。

2.3 一體化集成技術(shù)

（1）工程設(shè)計(jì)集成：工程設(shè)計(jì)利用CAD、CAPP、CAM 完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、數(shù)控編程和加工過(guò)程仿真，并通過(guò)PDM 實(shí)現(xiàn)上述工具的信息集成管理與控制[3]。在PDM 中建立產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)，通過(guò)產(chǎn)品BOM 實(shí)現(xiàn)對(duì)不同型號(hào)、不同批次產(chǎn)品的工程數(shù)據(jù)及其版本的管理、審批管理、權(quán)限管理。

（2）企業(yè)應(yīng)用集成：通過(guò)Web Services 構(gòu)建跨平臺(tái)的系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)PDM、ERP 與應(yīng)用工具集的集成，實(shí)現(xiàn)整個(gè)集成生命周期從設(shè)計(jì)、部署直到集成管理，包括業(yè)務(wù)流程、應(yīng)用數(shù)據(jù)集成的實(shí)時(shí)管理與監(jiān)控[4]。

（3）并行開(kāi)發(fā)流程：傳統(tǒng)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程采用產(chǎn)品設(shè)計(jì)—工藝設(shè)計(jì)—生產(chǎn)制造的串行的開(kāi)發(fā)流程，設(shè)計(jì)錯(cuò)誤的不及時(shí)更改會(huì)造成后期的返工，導(dǎo)致產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、成本高、質(zhì)量不穩(wěn)定等問(wèn)題。通過(guò)對(duì)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程的分析、研究，在應(yīng)用工具集成的基礎(chǔ)上建立并行的開(kāi)發(fā)流程，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生命周期各階段的融合與協(xié)作。

2.4 數(shù)字化制造

（1）車間MES：ERP 下達(dá)生產(chǎn)任務(wù)到車間MES 系統(tǒng)，MES通過(guò)排產(chǎn)形成車間生產(chǎn)計(jì)劃，并根據(jù)上級(jí)計(jì)劃調(diào)整及資源占用情況動(dòng)態(tài)調(diào)整計(jì)劃運(yùn)行，通過(guò)CAPP 集成獲得物料和工序信息，制造現(xiàn)場(chǎng)人員通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)終端系統(tǒng)反饋每道工序的加工及檢驗(yàn)情況，零件完工后參與裝配物料齊套。

（2）無(wú)紙化加工：完成工程設(shè)計(jì)后，生產(chǎn)人員按照MES 計(jì)劃安排，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)終端從PDM 獲取工藝文件及相應(yīng)的NC（數(shù)控加工程序），通過(guò)DNC（Distributed Numerical Control，分布式數(shù)控）系統(tǒng)傳送NC 程序到MES 系統(tǒng)指定的數(shù)控加工設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)零件的無(wú)圖加工。

3 設(shè)計(jì)制造一體化應(yīng)用

在離散制造企業(yè)，設(shè)計(jì)制造一體化應(yīng)用可以基于PDM 開(kāi)展。以PDM 為核心集成平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品從的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到制造過(guò)程的無(wú)紙化傳遞，實(shí)現(xiàn)模型管理、工藝規(guī)劃、生產(chǎn)計(jì)劃、虛擬裝配等數(shù)字化技術(shù)的集成應(yīng)用。一體化技術(shù)的應(yīng)用，可從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、制造管理、數(shù)控加工到虛擬裝配，共5 個(gè)環(huán)節(jié)展開(kāi)應(yīng)用（圖1）。

圖1 設(shè)計(jì)制造一體化應(yīng)用總體業(yè)務(wù)流程

（1）產(chǎn)品設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)人員接收到計(jì)劃任務(wù)后，使用三維設(shè)計(jì)工具進(jìn)行產(chǎn)品模型設(shè)計(jì)，同時(shí)在PDM 中建立產(chǎn)品的BOM 結(jié)構(gòu)，通過(guò)PDM 文檔檢入與審批流程導(dǎo)入設(shè)計(jì)模型，并建立與設(shè)計(jì)BOM 的關(guān)聯(lián)。在本階段中，需要保證BOM 結(jié)構(gòu)建立的完整和規(guī)范，包括類型、規(guī)格、屬性、版本、階段、批次信息等；模型應(yīng)通過(guò)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)工藝性評(píng)估，以滿足后續(xù)數(shù)控加工的需要。

（2）工藝設(shè)計(jì)：工藝人員通過(guò)PDM—CAPP 集成將設(shè)計(jì)BOM 同步到CAPP 中，在工藝BOM 中加入制造屬性信息；在CAPP 環(huán)境下，通過(guò)生成材料和物料清單，通過(guò)集成接口傳遞給MES；再通過(guò)PDM—CAPP 集成進(jìn)行工藝文件的編制與PDM 電子歸檔。在本階段應(yīng)用中，需要保證工藝文件及其歸檔流程的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，涉及更改的需通過(guò)更改流程進(jìn)行。

（3）制造管理：生產(chǎn)任務(wù)下達(dá)后，車間計(jì)劃員通過(guò)CAPP—MES 集成獲取工藝文件及工序信息，分配操作人員，評(píng)估工時(shí)，通過(guò)MES 進(jìn)行排產(chǎn)，生成車間計(jì)劃；齊套人員通過(guò)CAPP獲得物料清單，進(jìn)行物料準(zhǔn)備；在制造現(xiàn)場(chǎng)，生產(chǎn)人員通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)終端反饋生產(chǎn)完工、檢驗(yàn)或誤工情況。在本階段中，需要根據(jù)車間實(shí)際狀況合理調(diào)整MES 排產(chǎn)計(jì)劃，確保計(jì)劃快速執(zhí)行。

（4）數(shù)控加工：數(shù)控加工班組人員通過(guò)PDM 獲得設(shè)計(jì)三維模型和技術(shù)要求，通過(guò)CAM 創(chuàng)建加工模型，對(duì)模型進(jìn)行數(shù)控程序編制和加工仿真，再通過(guò)DNC 數(shù)控聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)傳輸加工程序到數(shù)控機(jī)床，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件的數(shù)控加工。在本階段中，數(shù)控程序的編制、審核、傳輸應(yīng)符合相應(yīng)的設(shè)計(jì)與傳輸規(guī)范。

（5）虛擬裝配：本階段是設(shè)計(jì)制造一體化應(yīng)用的最后一個(gè)階段，主要工作是進(jìn)行產(chǎn)品的虛擬裝配仿真。工藝人員通過(guò)PDM獲取產(chǎn)品的三維模型，由虛擬裝配系統(tǒng)開(kāi)展三維虛擬裝配仿真，生成裝配過(guò)程動(dòng)畫(huà)，并通過(guò)VAPP—CAPP 集成生成裝配工藝規(guī)程，歸入PDM；車間裝配人員通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)終端在可視化裝配指導(dǎo)下進(jìn)行實(shí)物裝配。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了基于PDM 的設(shè)計(jì)制造一體化技術(shù)，將傳統(tǒng)的由設(shè)計(jì)、工藝、制造多個(gè)部門產(chǎn)生的信息數(shù)據(jù)納入到PDM 的統(tǒng)一管理下，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)模型、工藝文件、數(shù)控程序、裝配仿真文檔的電子化歸檔和管理，使產(chǎn)品研制過(guò)程的數(shù)據(jù)、流程得以規(guī)范和統(tǒng)一，保證了過(guò)程數(shù)據(jù)的完整性，本文提出了一套實(shí)用的集成工程應(yīng)用環(huán)境和方法，對(duì)于數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)在離散制造企業(yè)的推廣和應(yīng)用有較強(qiáng)的借鑒意義。