作者：中國航空規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司 袁君，孫元亮，史建勛

面向智能制造的工藝數(shù)據(jù)管理對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)過程的人機(jī)料法測(cè)等要素進(jìn)行了全面的定義。

隨著信息化與智能化技術(shù)的發(fā)展，越來越多的傳統(tǒng)制造車間開始向智能制造的方向進(jìn)行轉(zhuǎn)型，智能制造車間具備數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化的顯著特征。作為車間內(nèi)“運(yùn)行大腦”的制造運(yùn)營管理系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)車間智能制造的基礎(chǔ)，而 MOM 系統(tǒng)的制造過程流轉(zhuǎn)、物料調(diào)配、設(shè)備控制、參數(shù)下發(fā)等功能則依賴車間的數(shù)字化工藝。面向智能制造的工藝數(shù)據(jù)管理與傳統(tǒng)工藝數(shù)據(jù)管理不同，前者相比后者，對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)過程的人機(jī)料法測(cè)等要素進(jìn)行了全面的定義。本文以機(jī)加車間為例，對(duì)面向智能制造過程的工藝數(shù)據(jù)管理進(jìn)行介紹。

1 面向智能制造的機(jī)加工藝管理流程

按照機(jī)加車間的角色分工與定位，工藝管理的流程首先由工藝員在專用的 CAPP 軟件中編輯產(chǎn)品工藝文件（如圖 1），工藝文件的內(nèi)容一般包含零件圖號(hào)、毛坯信息、材質(zhì)信息、工藝版次、產(chǎn)品的工藝路線、作業(yè)規(guī)程、檢驗(yàn)大綱等內(nèi)容。工藝員完成對(duì)工藝文件的編輯后，由 PLM 系統(tǒng)對(duì)工藝文件的版本、文件進(jìn)行管理，工藝管理系統(tǒng)通過與 PLM系統(tǒng)集成獲取產(chǎn)品的工藝數(shù)據(jù)，通過解析相應(yīng)的 CAPP 文件，將產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)化工藝信息同步到本系統(tǒng)中，并進(jìn)行相關(guān)字段的補(bǔ)全。

圖 1 機(jī)加車間工藝管理流程

2 面向智能制造的機(jī)加工藝管理內(nèi)容

制造運(yùn)營管理系統(tǒng)中的工藝數(shù)據(jù)將按如圖 2 所示的結(jié)構(gòu)進(jìn)行管理。主要包含零件信息管理、工藝版本的管理、工序管理、工步維護(hù)以及各類關(guān)聯(lián)要素的管理，首先對(duì)面向智能制造的機(jī)加工藝中的工藝版本、工序、工步進(jìn)行定義。

圖 2 面向智能制造的機(jī)加工藝管理內(nèi)容 工藝版本：生產(chǎn)一個(gè)零件所需要的不同加工方案，是描述了物料加工的技術(shù)文件，是多個(gè)工序的序列。工序：每次裝夾后，由一臺(tái)設(shè)備完成的連續(xù)工藝內(nèi)容，定義為工序。 工步：工序過程中，使用一個(gè)型號(hào)的刀具加工的一個(gè)特征定義為一個(gè)工步。 面向智能制造的機(jī)加工藝管理主要包含以下內(nèi)容。

　　2.1 零件信息管理

　　零件信息管理以零件圖號(hào)作為唯一標(biāo)識(shí)對(duì)零件的基礎(chǔ)信息進(jìn)行管理，管理的主要內(nèi)容包括零件名稱、零件材質(zhì)、零件規(guī)格、是否為關(guān)重件、所屬型號(hào)等信息。

　　2.2 工藝版本

　　為了保持?jǐn)?shù)據(jù)的一致性，制造運(yùn)營管控系統(tǒng)將集成PLM 系統(tǒng)中的版本信息，在制造運(yùn)營管控系統(tǒng)中僅對(duì)不同版本的工藝進(jìn)行存儲(chǔ)，對(duì)工藝版本變更、工藝審批等操作仍在 PLM 系統(tǒng)中進(jìn)行管理，這樣更符合車間內(nèi)頂層信息系統(tǒng)的規(guī)劃。 從 PLM 系統(tǒng)中工藝版本信息主要包括工藝版次號(hào)、工藝負(fù)責(zé)人、創(chuàng)建時(shí)間、修改時(shí)間等。

　　2.3 工序信息管理 工序信息管理包括以下幾方面。

　?。?）工序基礎(chǔ)信息。工序基礎(chǔ)信息包括工序號(hào)、工序名稱、設(shè)備（或工位）、是否外協(xié)、是否自檢、是否專檢、定額工時(shí)、工序準(zhǔn)備時(shí)間、工序加工時(shí)間等信息。其中，設(shè)備（或工位）將工序與設(shè)備或工位進(jìn)行綁定，也可以綁定某一類設(shè)備，當(dāng)生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行到該工序時(shí)，制造運(yùn)營管理系統(tǒng)將自動(dòng)推送對(duì)應(yīng)的工序任務(wù)及相關(guān)工藝數(shù)據(jù)到該工序綁定的工位，實(shí)現(xiàn)工件在車間內(nèi)的無紙化流轉(zhuǎn)，如果車間內(nèi)存在自動(dòng)化物流設(shè)備，該信息還定義了工件在車間內(nèi)的物流路徑。

　?。?）工序工裝。

　　工序工裝的配置主要將該機(jī)加工序與其所用的子板、夾具等進(jìn)行綁定，制造運(yùn)營管理系統(tǒng)中具備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理模塊，管理了各類子板、夾具的類型信息以及工裝之間的組合關(guān)系。系統(tǒng)在進(jìn)行工序工裝配置時(shí)，從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理模塊中的工裝類型庫里選擇該工序所需的各類工裝與工序進(jìn)行綁定。工序工裝的配置主要為實(shí)現(xiàn)裝夾準(zhǔn)備的物料配套，MOM 系統(tǒng)通過工序工裝的配置定義，向立體庫管理系統(tǒng)請(qǐng)求相應(yīng)的子板與夾具，并由車間的 AGV 將其配送至生產(chǎn)準(zhǔn)備工位或生產(chǎn)線線邊，實(shí)現(xiàn)工件裝夾準(zhǔn)備的物料齊套，減少生產(chǎn)操作者的操作步驟，提高生產(chǎn)效率。

　　（3）工序文檔。

　　工序文檔配置為工序添加工序執(zhí)行過程中所需的各類作業(yè)指導(dǎo)書，包括裝夾作業(yè)指導(dǎo)書、加工作業(yè)指導(dǎo)書、檢驗(yàn)規(guī)程等文檔。MOM 系統(tǒng)支持包括PDF、圖片、視頻等多種文檔格式對(duì)作業(yè)指導(dǎo)書進(jìn)行展示。通過前述工序與設(shè)備（或工位）的綁定關(guān)系，將各類作業(yè)指導(dǎo)書同步推送至生產(chǎn)設(shè)備（或工位），多種圖文視頻格式的指導(dǎo)書文件更加生動(dòng)直觀地指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)工人進(jìn)行工序的各類操作，減少了現(xiàn)場(chǎng)工人翻閱工藝文件資料的時(shí)間。

　?。?）工序檢驗(yàn)項(xiàng)。

　　對(duì)于需要自檢或?qū)z的工序，系統(tǒng)支持為工序的自檢或?qū)z定義相應(yīng)的檢驗(yàn)項(xiàng)，檢驗(yàn)項(xiàng)的信息包括檢驗(yàn)項(xiàng)名稱、檢測(cè)工具、標(biāo)準(zhǔn)值、上偏差、下偏差、單位等信息。檢驗(yàn)項(xiàng)包括但不限于各類型位公差的檢測(cè)、表面質(zhì)量的檢測(cè)、稱重等；檢測(cè)工具包含量規(guī)、卡尺、三坐標(biāo)測(cè)量、稱重機(jī)、目視檢測(cè)等；標(biāo)準(zhǔn)值與上偏差、下偏差三者定義了實(shí)測(cè)值是否處于公差范圍內(nèi)，用于判定零件的實(shí)測(cè)值是否合格。 對(duì)于機(jī)加工藝來說，絕大部分的檢驗(yàn)項(xiàng)為尺寸的測(cè)量值，為減少檢驗(yàn)人員在系統(tǒng)中錄入實(shí)測(cè)值的煩瑣操作，MOM 系統(tǒng)可根據(jù)工序檢驗(yàn)項(xiàng)的信息與測(cè)量設(shè)備進(jìn)行互聯(lián)互通，通過采集測(cè)量設(shè)備的測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)，經(jīng)過解析后自動(dòng)將測(cè)量結(jié)果填充到系統(tǒng)界面，檢驗(yàn)人員可專注于檢驗(yàn)操作，減少數(shù)據(jù)錄入操作。

　　2.4? 工步信息管理

　?。?）工步基礎(chǔ)信息。

　　工步基礎(chǔ)信息包括工步號(hào)、工步名稱、仿真加工時(shí)間、實(shí)際加工時(shí)間。其中，仿真時(shí)間是采用 VERICUT 等數(shù)控加工仿真系統(tǒng)對(duì)工步 NC 程序進(jìn)行仿真從而得出的工步加工時(shí)間，在產(chǎn)品開發(fā)初期、生產(chǎn)量不足，缺少經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的情況下，往往使用該仿真數(shù)據(jù)作為產(chǎn)品工步的加工時(shí)間，從而累計(jì)計(jì)算工序的仿真加工時(shí)間，作為車間智能排產(chǎn)排程算法的輸入。實(shí)際加工時(shí)間。MOM 系統(tǒng)在生產(chǎn)過程中通過采集機(jī)床數(shù)據(jù)來記錄每個(gè)零件該工步的實(shí)際加工時(shí)間，在生產(chǎn)的數(shù)量達(dá)到一定程度時(shí)（實(shí)際加工時(shí)長趨于穩(wěn)定，一般用各零件工步加工時(shí)長之間的方差來衡量），通過平均值等指標(biāo)來統(tǒng)計(jì)工序的實(shí)際加工時(shí)間，并將該統(tǒng)計(jì)值寫入工藝文件中的工步實(shí)際加工時(shí)間字段中。使用實(shí)際加工時(shí)間進(jìn)行車間智能排產(chǎn)排程得到的排產(chǎn)結(jié)果更具有可靠性。

　　（2）工步 NC 程序。

　　工步的 NC 程序一般有兩類，一類是加工程序；另一類是測(cè)量程序。工藝管理系統(tǒng)支持工藝員在編輯工藝時(shí)，同時(shí)上傳與工步對(duì)應(yīng)的 NC程序，NC 程序?qū)⒈还に嚬芾硐到y(tǒng)保存至服務(wù)端。當(dāng) MOM 系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)，可依據(jù)其工藝文件定義的目錄，自動(dòng)找到該工步所對(duì)應(yīng)的 NC 程序，并根據(jù)工序所綁定的設(shè)備，將 NC 程序自動(dòng)下發(fā)至排產(chǎn)算法指定的機(jī)床，現(xiàn)場(chǎng)操作者只需要對(duì) NC 程序中的工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，即可進(jìn)行加工。工序 NC 程序的定義減少了 NC 程序在機(jī)床與計(jì)算機(jī)之間擺渡的操作，有利于保證程序的準(zhǔn)確性，提高生產(chǎn)效率。

　?。?）工步刀具。

　　工步刀具記錄了工步加工所需的刀具列表集合。工步刀具定義的信息有刀具型號(hào)、刀具使用時(shí)長、刀具伸長量等。刀具型號(hào)用于刀具室統(tǒng)計(jì)生產(chǎn)任務(wù)所有工序的所有工步刀具的需求量，此需求量有兩類用途：一是用于核算車間的刀具庫存是否滿足生產(chǎn)需求，進(jìn)行庫存的提前預(yù)警，拉動(dòng)車間刀具資源的采購流程；二是用于生產(chǎn)執(zhí)行過程中刀具的集中準(zhǔn)備與配套，刀具管理員根據(jù)工步的刀具需求列表，操作 MOM 系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)刀具的出庫，刀具出庫后，按照工步刀具定義的伸長量進(jìn)行刀具與刀柄的組裝與對(duì)刀操作，然后將準(zhǔn)備好的“刀具包”配送至相應(yīng)的設(shè)備（或工位），從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)執(zhí)行與生產(chǎn)準(zhǔn)備的分離，使車間內(nèi)不同角色或不同專業(yè)能力的人員各司其職，專注于其擅長的事務(wù)。

　　3 工藝數(shù)據(jù)支撐智能制造的應(yīng)用場(chǎng)景

　　定義各類工藝相關(guān)數(shù)據(jù)的目的是面向各類智能制造場(chǎng)景的使用需求，工藝數(shù)據(jù)的定義與 MOM 系統(tǒng)內(nèi)其他模塊、智能化設(shè)備、自動(dòng)化倉儲(chǔ)物流設(shè)備等要素的組合應(yīng)用，可以起到提質(zhì)、降本、增效的效果。下面就幾個(gè)典型的智能制造應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行介紹。

　　3.1 智能排產(chǎn)排程

　　面向機(jī)加車間的智能排產(chǎn)排程將逐個(gè)為工序級(jí)的單件生產(chǎn)任務(wù)安排生產(chǎn)時(shí)間、生產(chǎn)設(shè)備，智能排產(chǎn)排程采用基于進(jìn)化迭代的元啟發(fā)算法（例如遺傳算法、SPO 算法、差分進(jìn)化等）優(yōu)化排產(chǎn)結(jié)果。算法的輸入就包括訂單數(shù)據(jù)和工藝數(shù)據(jù)，訂單數(shù)據(jù)主要信息包含零件圖號(hào)、生產(chǎn)數(shù)量、計(jì)劃交付時(shí)間，工藝數(shù)據(jù)則包含生產(chǎn)該零件所用的工藝信息，包括由各工序組成的工藝路線，各工序加工所需的設(shè)備、工裝，各工序加工各工步所需的實(shí)際加工時(shí)間或仿真加工時(shí)間，各工步加工所需的刀具。高級(jí)排產(chǎn)排程算法依據(jù)此輸入，結(jié)合車間內(nèi)的資源狀態(tài)（包括設(shè)備、物料、刀具等），進(jìn)行基于有限資源條件下的高級(jí)排產(chǎn)排程，可以有效提高車間內(nèi)的設(shè)備利用率。

　　3.2 物料齊套

　　零件的工藝信息中定義了工序所需的子板、夾具以及各工步所需的刀具，MOM 系統(tǒng)中的生產(chǎn)準(zhǔn)備模塊可依據(jù)該數(shù)據(jù)進(jìn)行“生產(chǎn)準(zhǔn)備包”的準(zhǔn)備。面向機(jī)加生產(chǎn)準(zhǔn)備包分為裝夾準(zhǔn)備與刀具準(zhǔn)備兩個(gè)方面，裝夾準(zhǔn)備依據(jù)工序定義的子板、夾具類型，向倉儲(chǔ)模塊請(qǐng)求相應(yīng)的物料后，完成零件的裝夾并將其按生產(chǎn)計(jì)劃配送至指定設(shè)備。刀具準(zhǔn)備依據(jù)各工步所需的刀具型號(hào)及其使用時(shí)間，向刀具庫發(fā)送相應(yīng)的刀具出庫指令，完成刀具對(duì)刀后，將一個(gè)工序所需的所有刀具配送至指定設(shè)備。裝夾準(zhǔn)備與刀具準(zhǔn)備共同實(shí)現(xiàn)了面向機(jī)加車間的生產(chǎn)物料齊套，能夠有效保證準(zhǔn)時(shí)生產(chǎn)。

　　3.3 自動(dòng)化物流調(diào)度

　　工藝文件定義了零件的加工路線，各工序與設(shè)備的綁定則定義了零件在車間內(nèi)的物流路徑，MOM 系統(tǒng)在車間生產(chǎn)與運(yùn)行的過程中，將按照工藝定義的物流路徑進(jìn)行物料的流轉(zhuǎn)。對(duì)于機(jī)加車間來說，車間的自動(dòng)化物流主要分為兩部分，一是生產(chǎn)單元之間的轉(zhuǎn)運(yùn)物流，二是生產(chǎn)單元向設(shè)備上下料的物流。MOM 系統(tǒng)通過與轉(zhuǎn)運(yùn)AGV 系統(tǒng)和上下料 AGV 系統(tǒng)進(jìn)行集成，根據(jù)工藝定義的物流路徑向兩系統(tǒng)發(fā)送相應(yīng)的物流指令，完成對(duì)車間的自動(dòng)化物流調(diào)度。

　　4 結(jié)語

　　各類工藝數(shù)據(jù)的定義本質(zhì)上是為了實(shí)現(xiàn)智能制造，相比傳統(tǒng)的工藝數(shù)據(jù)管理來說，面向智能制造的工藝數(shù)據(jù)管理涵蓋了更廣泛的生產(chǎn)要素，包括人員、設(shè)備、方法、物料、檢測(cè)等。實(shí)際應(yīng)用過程中，可根據(jù)企業(yè)的實(shí)際需求與應(yīng)用場(chǎng)景去定義不同層級(jí)、不同深度的工藝數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在保證支撐場(chǎng)景應(yīng)用的前提下，應(yīng)盡可能簡化工藝數(shù)據(jù)內(nèi)容，避免數(shù)據(jù)冗余復(fù)雜，避免增加工藝設(shè)計(jì)人員的工作量。

　　審核編輯：黃飛