基于CAXA PLM的數字化工廠平臺的構建及應用

李 疆，楊 波，楊秋萍，石文昌

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

（貴陽學院 數控技術工程應用實驗室，貴陽 550005）

0 引言

“十二五”規劃綱提出要在工業企業升級換代過程中構建現代產業體系及提高自主創新能力，從而逐步提高在全球化產業鏈中的位勢，因此工業與信息化融合走新型工業化道路是必然趨勢。

數字化工廠（Digital Factory,簡稱DF）是以PLM(product lifecycle management)產品生命周期管理系統提供的數據為基礎，在計算機虛擬環境中，對整個生產過程進行仿真、評估和優化，并進一步擴展到整個產品生命周期的新型生產組織方式[1]。它主要借助計算機技術和虛擬仿真技術，通過虛擬環境模擬制造、裝配、物流等各環節，最大限度地確定產品設計和制造之間的不確定因素，并作出評估、檢驗及修改，從而縮短產品由設計到生產的轉化時間，并且提高產品的可靠性與試制成功率。

貴陽學院數字化工廠是一個產學研合作平臺，不僅承擔了機電專業、計算機專業、管理專業的實踐教學工作，還承擔了大學產業園校企合作項目的新產品試制工作。本文以平臺的軟、硬件構建及新產品試制在平臺上的運作為例，對數字化工廠的構建及應用作一個簡述。

1 數字化工廠硬件平臺的構建

1.1 平臺背景

數字化工廠是貴陽學院大學科技產業園區的組成部分，由創新設計室、數控車間、云存儲中心組成，是以CAXA工業軟件為基礎，綜合應用無線網絡技術、云存儲技術構建的創新設計平臺、數字化工藝平臺和生產過程管理平臺，在數據源統一管理的前題下，實現設計、工藝、生產一體化流程，形成無紙化、數字化的生產過程管理。

1.2 平臺硬件構建

1）創新設計室：創新設計室承擔圖紙設計和工藝設計任務，由設計組和工藝組組成，所有訂單信息、產品技術文件、管理文件均統一存儲在云存儲中心進行管理，設計人員、工藝人員通過創新設計室網絡從云存儲中心調用技術資料，實現協同設計并在修改后實現同步更新。

2）數控車間：數控車間主要承擔制造任務，車間內擁有數控車、數控銑、加工中心、線切割、電火花等數控設備，所有數控設備通過智能終端和無線網絡聯接到數控車間的交換機上，加工數據和信息通過DNC (Distributed Numerical Control)分布式數控網絡從云存儲中心獲取，設備信息及加工過程信息也通過DNC網絡回饋到云存儲中心，供相關部門調用。這種數據資源協同共享的方式，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所有技術資料數據的存儲、管理任務，通過PDM（Product Data Management）產品數據管理軟件將訂單信息以及創新設計室、數控車間的技術數據進行分類管理，建立圖紙數據庫、工藝數據庫、制造代碼數據庫，對外提供統一的數據存儲和業務訪問功能。

圖1 貴陽學院數字化工廠硬件架構圖

數字化工廠硬件構架如圖1所示。

2 數字化工廠軟件系統的構建

貴陽學院數字化工廠平臺主要承擔新產品的研發及試制，屬于多品種、小批量，面向訂單的設計和生產。樣機試制對設計、工藝要求高，生產周期短，必須在PLM軟件系統的配合下才能發揮出硬件的最大生產能力，滿足市場的需要。

貴陽學院數字化工廠PLM軟件系統由數字化設計軟件、數字化工藝軟件、數字化制造軟件及協同管理軟件所組成。軟件架構圖如圖2所示。數字化設計軟件包括CAXA電子圖板和實體設計兩個軟件；數字化工藝設計軟件包括CAXA工藝圖表和工藝匯總兩個軟件；數字化制造軟件包括CAXA數控車、制造工程師、線切割、編程助手、網絡DNC軟件組成； PDM協同管理軟件作為產品數據和設計過程的管理平臺。

3 數字化工廠的工程應用

3.1 應用過程

貴陽學院數字化工廠與某企業合作研發一個機械產品，以該產品的研發和樣機試制過程為任務，在PLM系統的框架下，完成設計、工藝、制造諸環節，實現對產品各類信息的統一管理，規范包括圖紙數據、文檔、業務流程、操作規范等在內產品設計過程和設計標準；實現設計、工藝、制造過程的并行、高效的協同工作和信息共享，從而達成產品工藝數據與工藝資源的立體管理，最終形成完整的產品技術文件及樣機試制目標的全過程。

1）數字化設計環節

（1）數字化工廠在接到企業合作研發訂單后，由總工程師將對研發工作進行立項，并確定總體設計方案；

（2）由總工程師確定項目經理，項目經理分配創新設計室內設計員、工藝員，數控車間內施工員、制造工人等，并按角色的不同分配工作權限；

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

（4）設計員根據訂單中的具體要求，用CAXA電子圖板軟件設計二維工程圖；

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

（6）在項目經理和總工程師審核批準后，PDM系統將所有設計圖紙資料納入統一的設計資料庫中。

2）數字化工藝環節

（1）工藝員根據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，并匯總出生產所需的各種BOM信息；

圖2 貴陽學院數字化工廠軟件架構圖

（2）工藝員使用CAXA工藝匯總軟件對產品設計數據和工藝數據進行統計匯總，從而生成產品明細表、材料定額報表、管理用工藝表格，大大減輕了人工統計的工作量，提高了生產效率；

（3）在項目經理和總工程師審核批準后，PDM系統將所有工藝資料納入統一的工藝資料庫中；

（4）采購人員可從工藝資料庫中調取標準件明細表、外購件明細表、材料采購表進行配套采購。

3）數字化制造環節

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

（2）工藝員根據加工仿真情況，將存在工藝缺陷的圖紙反饋給設計員，進行圖紙修改。在此過程中PDM系統自動對修訂過程進行記錄和標識；

（3）數控車間制造工人可通過DNC網絡將數控加工程序直接調用至數控機床上進行生產，通過DNC網絡還可在車間顯示屏上查看生產用圖紙和工藝，實現無紙化生產；

（4）車間管理人員可通過DNC網絡它可對數控車間內的設備進行聯網通訊及管理，總工程師、項目經理能及時掌握設備狀態、作業進度及質量問題等信息，實現遠程監控，從而提高數字化工廠的生產自動化水平以及關鍵設備的綜合利用率；

（5）所有加工數據、生產進度等制造信息PDM系統自動對記錄；

（6）零件加工完畢檢驗合格后，由裝配工人根據圖紙進行裝配、試機；設計員根據試機情況進行設計修改及產品定型。PDM系統根據修改情況進行各次版本的記錄；

（7）PDM系統可把產品分類，建立通用零部件庫，按照合理的結構規范進行管理，以便設計時快速借用。

3.2 應用效果

由于貴陽學院數字化工廠承擔工作的局限性，新產品試制案例只使用了PLM系統中設計和制造環節的功能，但通過其設計、制造手段和管理模式已極大地提高了設計和制造效率。

1）電子圖板與實體設計的有機結合，不僅使設計更加直觀，而且三維模擬裝配可在實際生產前驗證工程圖紙的正確性，并進行裝配干涉檢查，降低產品試制失敗的風險。另外實體設計為關鍵零部件的有限元分析提供了三維數據模型，從而使產品設計更加優化。

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

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

4）網絡DNC將管理、設計、工藝、制造通過內部網絡連接起來，管理層可實時了解設計、工藝、制造各環節的進度以及存在的問題；設計、工藝、制造環節也可在統一的產品數據庫基礎上通過DNC網絡進行溝通，避免各環節信息不暢造成的錯誤和浪費；網絡DNC還為實現無紙化生產提供了的基礎，從而使數字化工廠更加環保和高效。

5）PDM系統以數據管理和流程管控為核心，實現對產品從訂單、設計、工藝編制、紅線批注、審核、批準、打印、歸檔、發圖、維護等整個產品生命周期中相關數據的集中有效管理，實現了產品各類信息的統一管理，規范了圖紙數據、工藝文檔、業務流程、操作規范等設計過程和設計標準。設計、工藝、制造過程的并行、協同工作，極大地提高了生產效率，有效保障了設計、工藝、制造數據的適時交流和共享，在對角色劃分并進行權限控制的基礎上，保障了數據的安全。

4 結束語

CAXA PLM在貴陽學院數字化工廠的建設和應用，通過PDM使所有技術數據實現了集中管理； 在網絡DNC平臺上，所有技術數據實現了無紙化交流；通過數字化設計和工藝軟件的應用，使用設計、工藝及管理得以規范化和數字化，使設計水平、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量的提升。

要充分發揮PLM的作用，不僅要靠高質量的軟、硬件，更重要的要靠企業負責人、各級管理人員對企業信息化的理解、執行的力度，只有各生產環節以高度責任心，在產品的全生命周期中實施數字化管理，才能保證統一產品數據庫中的內容真實、可靠，并逐步建立起具有企業自身特色的數據庫，最終實現信息化與工業化融合，構建數字化企業的目標。

[1] 呂志杰,等.CAXA2009實體設計行業應用實踐[M].北京:機械工業出版社,2010:14-17.

[2] 姬彥巧.CAD/CAM應用技術[M].北京:化學工業出版社,2009:222.

[3] 李海越,等.基于Web面向中小型制造企業的PLM系統的研究與實現[J].機械設計與制造,2005,8:56-58.

[4] 張平生,等.面向PLM的產品數據管理技術研究[J].裝備制造技術,2009,1:33-34.

[5] 范建偉,等.PLM環境下的集成化工藝設計與管理研究[J].中國制造業信息化,20079,9:62-63.