工程機械制造企業集成化工藝系統的研究與開發

王懷明，王太勇，郭曉軍

WANG Huai-ming1, WANG Tai-yong1, GUO Xiao-jun2

（1. 天津大學 機械工程學院，天津 300072；2. 天津職業技術師范大學，天津 300222）

工程機械制造企業集成化工藝系統的研究與開發

Research and development of integrated process system for engineering machine manufacturing enterprises

王懷明1，王太勇1，郭曉軍2

WANG Huai-ming1, WANG Tai-yong1, GUO Xiao-jun2

（1. 天津大學 機械工程學院，天津 300072；2. 天津職業技術師范大學，天津 300222）

以工程機械制造企業集成化工藝系統的研究開發為背景，針對制造企業信息化中最為復雜和最具多變性的工藝系統集成環節，介紹了與之相關的各種工藝系統模型的構建、結構、相互關系以及工藝過程設計的方法；并分析了以模型為基礎的工藝路線文件、工藝規程文件的編制策略。在此基礎上，介紹了以模型驅動技術開發實現方法及制造企業工藝集成系統功能。

工程機械；工藝系統；集成化；制造企業

0 引言

對于現代制造企業來說，實現現代工藝管理的系統化、集成化和實用化，建立有效的現代工藝管理體系、工藝保證體系、工藝監督體系、工藝管理制度，對工藝過程進行技術、項目、工作流等方面的管理和控制，從而保證工藝系統的工藝活動在工藝管理系統的控制之下，提高企業的核心競爭力和經濟效益。

長期以來，由于工藝管理和工藝的復雜行和多變性，制造企業忽視了工藝管理基礎性建設，企業在工藝管理基礎薄弱的狀態下忙于應付市場需求，而使得工藝管理混亂和工藝紀律松弛的狀況一直沒有得到根本解決。

現代工藝管理在現代制造環境的影響下，工藝工作的全過程突破了傳統制造工藝生產技術準備與產品制造過程的范疇，面向產品全生命周期（PLM），涵蓋產品從概念設計、原型設計、制造、銷售、使用、拆裝維修，直至報廢、回收、再制造等生命周期的各個環節，與現代設計和現代管理相結合，逐步實現自身的系統化、網絡化、集成化、信息化、數字化、敏捷化。因此，研究和開發適用于制造企業實際的集成化的工藝系統，直接指導、服務于數字制造過程的現代工藝管理，將現代制造系統中的各相關業務環節進行協調，完成整個現代制造過程的集成化與優化，對增強企業的市場適應能力，實現企業信息集成有著重要的作用。

1 工藝系統模型的類型、關系與組織結構

工藝部門在制造企業中起著連接設計部門和生產部門的橋梁作用，是制造企業的重要的技術部門，工藝部門的業務處理決定了制造企業的生產組織方式，反映了制造企業的車間布局、分配、設備和加工能力等各個方面的信息。因此，在進行工藝集成化系統開發的過程中，要建立各種與之相關的各個環節的系統模型、結構，并分析確定它們之間的相互關系。

1.1 工藝模型的組成

按照工藝信息所起的功能作用可以將工藝信息模型劃分為工藝支持模型和工藝文件模型。工藝文件是工藝活動產生結果，工藝支持內容是工藝活動的必要支持基礎。

工藝模型的組成框圖如圖1所示。

1.2 工藝模型內容的描述

1.2.1 設計導入庫模型

圖1 工藝模型組成框圖

在工藝模型庫中建立描述零部件設計模型的數據庫，稱之為產品零部件設計導入庫，表示產品零部件的設計模型的最新信息。設計導入庫的零部件反映了設計零部件的最新信息。

通常情況下設計導入庫的是按照產品的設計圖號進行導入后形成的。設計導入庫記錄以下內容：產品代號，產品名稱，批號、時間，導入次數，導入的excel文件的位置和文件名字，內容明細等。可以采用主從表格式來進行信息描述。

1.2.2 工藝庫中的設計模型

在工藝庫中，建立零部件圖號模型庫和部件結構模型庫。

在零部件圖號庫中，主要的屬性是：零部件圖號、零部件名稱、零部件規格，零部件的結構特征代碼和工藝特征代碼等。部件結構模型，是描述部件結構組成。部件結構庫的主要屬性有：部件圖號、子件圖號、子件出現的序號、子件數量、裝配說明等。部件結構模型與零部件圖號緊密聯系在一起的。產品可以看作是一個復雜的部件，由設計部門按照產品的結構配置而成，形成產品結構庫。

1.2.3 工藝路線模型

工藝路線是描述零部件加工、裝配操作順序的技術文件，由多個操作順序的序列組成。主要說明加工過程中的工序順序和生產資源等計劃信息，是工藝文件中的計劃文件，控制零部件的作業順序。按照零部件的制造屬性，可分為自制工藝路線、外協工藝路線和采購工藝路線。按照零部件的流動的狀況與具體的加工過程，可以分為流轉工藝路線與工序工藝路線。零部件按照先工藝流轉路線后工序路線的模式進行工藝路線的劃分。零部件工藝流轉路線，確定零件表的專業工藝，工序路線放在專業工藝卡片中管理。每個車間都有工序代碼，如果要給ERP傳遞數據，可以先按照流轉工藝路線來提取對應的工藝卡片中的具體路線，也可以按照其它邏輯來提取集成。

1.2.4 工藝結構模型

工藝路線按照零部件的組織層次進行劃分，可以分為零件工藝路線模型和部件工藝路線模型。如圖2所示。

零件的工藝路線模型要求是：要制定出零件的從原材料開始到成品零件的加工工藝過程。部件的工藝路線模型要求是：制定出部件的裝配過程。部件的工藝路線模型，實質上就是組建部件的工藝BOM。零部件工藝路線模型，可統稱為部件工藝結構模型或工藝BOM，它是由工藝設計部門在設計BOM基礎上，對產品結構進行工藝分解后，建立部件裝配工藝和部件構成子件的制造（裝配或加工）工藝，并確定制造過程中使用的設備、工裝、量具等后生成的。

工藝BOM是根據工廠的加工水平和能力對設計BOM進行工藝設計后形成的，使用它可以明確地了解零部件之間的制造關系，跟蹤零件在何處制造、由誰制造、用什么制造等信息。

1.2.5 制造工藝項目模型

制造工藝項目模型是零部件制造策略中的制造路線的標識，將零部件和它所經過的車間聯系起來，一起作為標識，表示零部件在車間的生產制造，形成一系列的制造工藝項目。根據零部件的制購屬性的不同，制造工藝項目可以分為：自制工藝項目、外協工藝項目、采購項目。制造工藝項目之間關聯在一起，按照工藝序列，構成了供需關系。項目關聯采用兩種方式：在同一個零部件內部，制造項目是針對同一個零件的項目，項目之間通過工藝路線的序列形成關聯，前一項目是后一項目的完成的材料，這樣就可以導出項目之間的材料表。在部件和它的構成子件之間，項目作為構成子件的最后一個項目，要裝配到它的構成部件上去。項目之間的關聯關系是通過零部件的構成關系，加上工藝路線的序列形成的，一般形成的是零部件的裝配或焊接工藝。

圖2 零部件工藝路線模型組成

1.2.6 工藝規程模型

零部件的工藝規程模型，亦稱零部件工藝規程文件，是零部件工序的業務操作的專業技術描述。對制造企業來講，這是重要的知識庫。工藝規程模型對應車間的工作中心或班組。工藝規程模型是對制造項目模型的細化，零部件的工藝路線是由多個制造項目組成的，而每個制造項目是由多道工序組成的，因此工藝規程模型是對每個零部件的制造策略的細化。工藝規程模型是將零部件和他所經過的車間及具體制造項目的工序聯系起來，零件號和專業工藝流程類型一起作為標識，表示零部件在車間詳細的生產制造過程，這樣形成一系列的流程號，將這些流程稱為工藝規程或工序。工藝規程模型是工藝模型中的重要內容，可以根據專業工藝規程類型的不同，分為：備料、機加、焊接、裝配、調試等類型，不同的流程將會對應不同的車間。工藝規程文件模型是工藝文件中最重要、最復雜的模型，模型的描述采用多級結構進行描述。

2 集成化工藝過程設計

制造企業的工藝規程表示的是企業工藝部門所進行的各項業務操作。對于集成化的工藝部門的主要的業務流程有：工藝數據的導入，工藝數據的工藝路線的編制，工藝數據的工藝流程的編制，工藝數據下發等。

2.1 工藝源數據的遷移

2.1.1 設計數據導入

工藝數據的導入，是將工藝設計所需要的設計庫數據遷移進入工藝數據庫中。這些數據導入到工藝庫中，會形成工藝庫的原始數據。這些數據的導入，標志這工藝數據庫的形成。導入到數據庫中的數據可以是.txt，office 數據的表現形式的一些文本文件。數據導入時，先建立導入模版。數據導入到來源可以用圖3表示。

圖3 設計數據的導入來源與導入步驟

2.1.2 數據遷移原則與過程

導入數據要進入到系統中，必須產生系統的合適的數據結構。工藝系統的合適的數據結構可以表示為設計數據庫的鏡像，這種鏡像文件即為設計圖號庫、設計結構庫。當這些數據鏡像文件形成的時候，還必須產生對應的工藝數據，這些工藝數據形成了零部件工藝路線庫和零部件工藝結構庫，當工藝路線庫產生的時候，還可以產生路線項目表。

工藝路線的遷移，是一個復雜的過程，這個過程包含了對工藝數據的集中的系列化處理。可以按照數據的復雜程度和數據之間的依從關系，先遷移零件圖號表，零件路線表，路線項目表，再遷移零件工藝路線結構表，設計結構表。數據的遷移形成的表可以表示為如圖4所示。

圖4 設計數據的數據遷移表

2.2 工藝路線文件編制

2.2.1 工藝路線文件編制策略

工藝路線編制是工藝數據處理的重要環節。通過工藝路線編制，形成工藝路線文件，產生零部件的制造方案。零部件的工藝路線為工藝與制造管理系統的基礎數據，工藝路線編制是工藝業務活動的最基本的操作。

工藝路線編制，需要制造項目編碼庫的支持，制造項目編碼是工藝路線的組成序列。制造項目預先定義在制造項目編碼庫中，在形成工藝路線序列時，在制造項目編碼上添加工序序號。零部件的工藝路線建立在零部件圖號信息的基礎上，并且支持工藝路線分組與多工藝路線。工藝路線策略如下：

1）按照零部件的工藝類型進行工藝路線編制，對于零件一般順序為備料、機加、焊接等。對于部件一般順序為焊接、裝配、涂裝等。遵從這樣的順序進行工藝路線編制。

2）按照零部件的制購屬性，進行工藝路線編制，零部件的制購屬性有自制、外協和外購。自制型的工藝路線用于企業車間的生產，外協型的工藝路線用于企業零部件的外協，外購型的工藝路線用于零部件的外購。

3）進行零部件工藝路線的智能編制。可按照零部件的對應的工藝類型及零部件的制購屬性和特定零部件的特征，進行零部件工藝路線的自動編制。

2.2.2 零件工藝路線文件編制

零件工藝路線按照制購屬性分為自制、采購、外協三種。

1）對于自制的零件來講，零件的工藝路線用來確定零件從毛坯加工開始，到零件最終的裝配去向。

2）外協的零件確定零件外協的程序及零件最終的去向；

3）外購的零件確定零件外購的程序及零件最終的去向。

零件的工藝路線組成中要包括零件的最終去向，最終去向代表了零件的裝配去向，體現在工藝流轉路線和工序路線的最后一項的序列上，主要有焊接和裝配。

2.2.3 部件工藝路線文件編制

部件工藝路線按照制購屬性也分為自制、采購、外協三種。

1）對于外購和外協的部件，其工藝路線可看作是零件，按照零件的工藝路線進行處理。

2）對于自制的部件，部件的工藝路線編制必須建立在子件上。部件工藝路線編制，實際上就是確定部件的子件的裝配過程，因此部件的工藝路線主要集中在焊接和裝配上。

3）部件工藝路線也標明最終去向，即部件工藝流轉路線和工序路線的最后一項的序列上，主要有焊接和裝配，表示部件將要作為一個子件按照在上一級部件之上。對于產品的工藝路線的最后序列，就是入庫到成品倉庫，表明產品制造完成。

2.3 工藝規程文件編制

工藝規程文件編制是要確定零部件的詳細制造工序。工藝規程編制是一個復雜的過程，主要是按工藝路線序列的工藝類型來劃分。

2.3.1 特定零部件的工藝規程編制

特定零部件的工藝規程指的是編制典型零部件的工藝規程。按照工藝路線的類型，進行備料、機加、焊接工藝規程編制。對于部件，按照工藝類型進行焊接、裝配、涂裝工藝規程編制。

典型零部件的工藝規程編輯時操作策略如下：

1）按照工藝類型進行編制，形成特定工藝類型的工藝規程；

2）按照零部件進行工藝規程進行分組，形成零部件工藝規程的標識符為：零部件圖號+區分符+工藝類型符號+區分符+工藝規程組號；

3）按照工序操作順序，依次確定工序操作序列，工序操作說明要求，確定工序操作序列的設備資源，圖文檔資源，工序定額；

4）如果有工步、工位操作詳細要求的，依次確定工步（工位）操作序列，工步操作的說明要求，確定工步操作序列的設備資源，圖文檔資源，工步定額；

5）如果有4）的操作，則3）步的設備資源、工序定額確定就可以省略， 3）步的設備資源、工序定額可以從4）步匯總出來。

特定零部件的工藝規程是零部件工藝規程操作的基礎。其它零部件工藝規程的編制，以此為模板，然后根據實際情況進行修改。

2.3.2 工藝規程的圖文檔編制

工藝規程的圖文檔編制是確定零部件制造規程的圖解表示。

根據零部件制造的圖解表示的范圍,可以分為工藝附圖、工序附圖和工步附圖三種。工藝規程圖中的圖形文檔可以采用如下幾種格式：CAD文件格式，用CAD圖形編輯打開；支持web形式的CAD文件，需要用專業圖形編輯工具中生成，例如，autocad的DWF格式文件，solidworks的e-drawing 格式，瀏覽器必須安裝相應圖形格式的插件；圖片文件格式。

3 系統開發與實現

3.1 開發方法

3.1.1 模型驅動軟件平臺的應用系統組成

基于模型驅動軟件平臺的應用系統，由兩部分組成：應用系統本身與軟件平臺。其中軟件平臺是整個系統的基礎，又可以分為業務平臺和業務平臺開發工具兩部分。基于模型驅動軟件平臺的應用系統的組成框圖如圖5所示。

圖5 基于模型驅動軟件平臺的應用系統的組成

3.1.2 基于模型的快速業務原型設計

通過建模工具進行應用系統的快速原型設計，使得所有業務應用，一經建模即完成應用系統編制，并可立即投入系統運行。這樣可以快速呈現用戶預期結果，讓用戶參與到管理軟件構建過程。用戶參與系統構建，使得用戶提出個性化需求，為后續開發提供必要的指導原則，最大限度降低需求變化導致的系統變更的風險。此外，快速原型設計的結果，在后期完善過程中不斷繼承、發掘和完善，減少系統開發工作量，提高了項目實施工作效率。

3.2 制造企業工藝集成系統功能

集成化工藝系統實現的工藝管理業務功能模塊如圖6所示。主要包括工藝編碼庫、工藝資源庫、工藝文件庫、工藝文件編制、工藝文件下發、工藝流程智能錄入等功能。

圖7所示為集成化工藝管理系統的工作界面。

圖6 工藝管理業務系統功能

圖7 集成化工藝管理系統

4 結束語

通過對工程機械制造企業的工藝管理業務環節的分析，提出了工藝系統中模型的建立方法、結構和內容，提出了相關工藝編制的方法和策略，確定了系統的組成和功能內容。并采用模型驅動的系統開發技術手段開發了某工程機械制造企業的集成化工藝管理系統。該系統在企業實際生產中得到了應用，大大提高了企業制造過程管理各個環節與工藝管理環節的融合和集成，提高了企業生產效率和經濟效益，取得了良好的效果。

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TP391

A

1009-0134(2010)10(上)-0057-06

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.10(上).18

2010-03-17

王懷明（1962 -），男，河北廊坊人，主要從事CAD/CAM技術、制造業信息化技術等教學、科研工作。