面向離散型數控車間的無紙化制造技術研究*

□ 王 成 □ 許建新 □ 余劍英 □ 簡 粉

西北工業大學 機電學院制造軟件研究所 西安 710072

近年來，在國家的大力支持以及廣大企業的積極參與下，我國制造業的信息化工作開展得如火如荼，CAD、CAM、PDM、ERP 以及辦公、財務、電子商務等信息系統在企業得到了廣泛的實施，取得了顯著的成效。通過信息化的推進，帶動了我國制造企業設計、制造、管理和市場等多方面的變革［1］。

一些自動化程度較高的連續型制造企業，如汽車行業，已經實現了管控一體化的水平，實現了無紙化制造，而離散型企業，如航空、航天，由于管理的復雜性、工藝和自動化水平的限制，距離無紙化制造還有很大的差距。隨著企業信息化程度的不斷提高，陸續出現了各類生產制造信息化系統。這些系統都是在各自的范圍內實現了無紙化制造，消除了紙質文件的傳遞，但系統之間沒有進行緊密的集成，部分業務過程仍然通過紙質文件的方式進行信息傳遞。因此，為了消除紙質文件在企業的信息傳遞，全面采用無紙化制造技術已成為一種發展趨勢。

所謂無紙化制造技術，是指在整個設計制造過程中，不需要二維圖紙來傳遞信息，全面采用三維數模作為制造依據，通過數字化的方式進行信息傳遞，同時運用數字化制造信息系統進行全面管控，實現工藝設計、加工、裝配和檢驗，制造出符合要求的產品。在三維建模、數控加工、三維檢測和電子樣機技術的推動下，實現無紙化制造技術成為了現實。美國波音公司在波音767-X的研制中，采用的無紙化制造技術實現了100%的三維數字化產品定義、100%的三維預裝配等，而且采用了并行工程的方法，同時開展工作，在電子樣機技術的支撐下，進行模擬力學分析、裝配、試飛，從而大大縮短了飛機的研發周期，提高了飛機質量并降低了研制成本［2］。

無紙化制造技術以數字信息傳遞為核心，以精密加工為關鍵，進行高自動化程度的加工制造。無紙化制造技術出現后，改變了工程設計的方式、信息的傳遞方式、試驗、制造、檢驗方法，節省了大量的人力、物力和財力，使新產品的設計制造周期縮短，大大降低了成本，是人類制造工程歷史上的一次重大的革命。

1 企業現狀分析

在離散型企業中，數控加工類企業的信息化程度最高，容易實施無紙化制造技術。企業現有信息化系統， 如 CAD、CAPP、CAM、PDM、MES、IQS、DNC等主流的信息化系統一應俱全，加工以數控加工為主，從信息化程度和硬件設施來看，具備實施無紙化制造的條件。但在實施無紙化應用過程中，企業仍存在一些問題。

（1）工藝無紙化部分。工藝業務過程沒有進行控制，工藝數據分散管理，部分過程數據有待信息化處理，工藝臨時更改仍采用紙質更改的方式進行，不利于數據的追溯和存檔。

（2）生產管理無紙化部分。當前生產部分以MES系統為主導進行生產管理，計劃排產部分已基本實現無紙化。生產現場部分，仍然以紙質的形式進行控制加工，缺乏加工過程精細化管理，生產指令仍以紙質的二維工藝做指導。

（3）生產物流無紙化部分。企業目前已配備物流管理系統，如工具、物料、刀具系統等，僅對其做了簡單的結果狀態管理，如出庫、入庫、在用等簡要信息，沒有對物流的整個過程信息進行跟蹤。

綜上所述，企業為了改變現有的制造模式，提高產品的競爭力，實施無紙化制造技術已非常迫切。無紙化制造技術是一個系統化工程，不單單指某一部分，本文重點就工藝無紙化、生產管理無紙化和生產物流無紙化及三者之間的信息集成作為研究目標，將企業從工藝設計到生產制造進行全程管控，全面實現無紙化應用，統一數據源，實現產品制造全生命周期數據管理，建立產品數字化制造質量檔案。

2 無紙化制造平臺搭建

▲圖1 車間無紙化制造應用平臺

為了改善企業管理狀態，順應無紙化制造技術發展的趨勢，提出了無紙化總體思路，建立數字化制造管理模式，搭建車間無紙化制造集成平臺，對工藝無紙化、生產管理無紙化、生產物流無紙化及三者之間的信息集成進行深入研究，實現以BOM為導航的統一制造數據管理體系，建立產品全生命周期制造數據質量檔案，為產品的生產加工及信息追溯提供數據支撐。圖1為車間無紙化制造技術應用平臺的框架設計。

采用車間無紙化制造技術平臺，可統一制造業務管理，統一數據管理，全過程以無紙化制造應用為主線，從工藝無紙化、生產管理無紙化、生產物流無紙化和電子質量檔案管理等方面對整個產品的制造過程進行管控，從而保證數據的完整性、一致性和可追溯性，為產品的高效生產、質量保障提供堅實的基礎。

無紙化制造技術是一種制造理念，是一種全新的設計和制造模式［3］，它要求在制造過程中對所有的數據都進行數字化管理，減少或消除紙質文件的存在，實現全三維結構化工藝設計和生產制造。本文從4個方面分別闡述離散型企業的無紙化制造過程。

2.1 工藝無紙化

工藝無紙化主要由工藝設計集成管理和工藝業務管理兩部分組成，以工藝業務管理為控制主線，同時將工藝設計集成管理模塊集成到業務過程控制當中，通過模型驅動開展工藝無紙化設計過程（如圖2所示）。

（1）工藝業務管理。以BOM數據為源頭進行項目管理，通過任務管理驅動工藝準備過程管理和工藝更改過程管理，同時集成現有數字化工具和數字化系統，全面管控工藝無紙化設計過程，對工藝無紙化過程中產生的所有數據進行統一管理，包括靜態數據和動態數據，對數據進行技術狀態管理、版本管理和有效性管理，實現工藝業務過程的閉環控制，保障工藝數據的完整性、一致性、可控性和過程數據的可追溯性［4］。

▲圖2 工藝無紙化系統功能結構圖

（2）工藝設計集成管理。包括工藝規劃管理和工藝設計工具集。工藝規劃管理主要對多工藝結構、工藝路線、材料定額、多工藝方案、產品工藝配置和產品發布等方面進行管理，為工藝的總體規劃提供了保障。工藝設計工具集主要包括基于MBD的三維多視圖工藝設計平臺（工藝圖表設計工具、工藝流程圖設計工具、三維工藝設計工具、基于知識的工藝設計工具）、工裝物料申請及材料定額設計、工藝指令文件編輯工具、與CAD/CAM/仿真等工具集成，為快速進行工藝設計提供了基礎。

2.2 生產管理無紙化

生產管理無紙化由生產管理、現場加工、檢驗檢測、信息采集與處理四大部分組成，采用高級計劃排程技術進行生產排產，全面加強生產過程控制，減少人為干預，實時處理現場反饋，保證生產進度按計劃順利完成，如圖3所示。

（1）生產管理。采用高級計劃排程技術進行生產排產，在充分考慮設備生產能力和不同物料制造時間的條件下，根據物料BOM和裝配件開工需求時間點，快速計算加工訂單的計劃開始時間，對生產執行狀態、物料配套狀態及制造資源狀態進行實時監控，提高生產效率和設備利用率。

（2）現場加工。為了實現可視化加工制造，減少生產執行錯誤，消除或減少紙質文件的存在，必須對生產現場加工過程進行有效控制，通過三維工藝信息交互式瀏覽、工序級過程控制（開工條件的定制和檢查）、工步級過程控制（刀具的檢查和NC程序自動下載）、工藝更改管控（現場部分配合）以及現場問題反饋等方面加強管理，實現加工過程的可視化瀏覽及精細化管理。

（3）檢驗檢測。采用基于三維模型的質量檢驗規劃技術進行檢驗檢測，構建三維統一檢測模型，實現檢測模型與設計模型、工藝模型的關聯與銜接，將檢測報告和檢測信息進行統一規范化管理。

（4）信息采集與處理。要進行生產過程控制，實現無紙化生產，必須配套相應的信息采集與處理工具，如DNC系統、RFID和條碼系統等，同時要做好制造過程數據采集規劃與標識、多源數據的采集與集成以及制造過程信息實時現場展示與集成。

2.3 生產物流無紙化

生產物流無紙化主要由物流計劃、物流執行和物流監控3部分組成，通過集成采集設備，實時獲取物流信息，并與SCM、ERP及生產管理無紙化系統進行數據交互，如圖4所示。

▲圖3 生產管理無紙化系統功能結構圖

▲圖4 生產物流無紙化系統功能結構圖

▲圖5 數據集成交互

▲圖6 電子質量檔案管理數據組織圖

主要功能有：根據物流計劃，分解下達物流運輸指令；通過電子看板，指導現場物流作業；通過RFID/PLC/智能傳感器等硬件設備，實時采集現場運輸設備、加工部件、工具的物流狀態；對采集的物流信息進行跟蹤、匯總、分析，并為SCM/ERP等業務系統提供實時數據，實現車間物流的可視化控制；通過電子看板，實時顯示物流過程狀態，指導和優化現場生產。

2.4 數據集成交互

由圖5可知，無紙化系統內部各模塊之間緊密相連，兩兩相關，數據之間形成閉環管理，使整個系統形成一體化管理，提高數據的綜合利用率，保證數據的完整性和一致性。

2.5 電子質量檔案管理

以BOM為核心，組織產品全生命制造數據，建立產品全生命周期制造質量檔案，從零件工藝數據檔案、零件生產數據檔案、零件物流數據檔案3方面進行管理，全程跟蹤產品制造數據，如圖6所示。

（1）零件工藝數據檔案。將零件的三維模型、工藝數據、技術狀態信息和制造資源信息進行記錄和匯總，按照格式要求，形成零件工藝數據檔案。

（2）零件生產數據檔案。為了細化生產數據，對每個工件建立一套生產數據檔案，包括工藝數據實例、生產計劃、工序級過程控制信息報告、工步級過程控制信息報告、檢驗檢測信息報告和現場問題記錄等，按照格式要求，形成零件生產數據檔案。

（3）零件物流數據檔案。將零件加工中使用的物料、工裝、刀具等物流狀態信息進行記錄并匯總，按照格式要求，形成零件物流數據檔案。

3 工程實例驗證

根據本文提出的思想，開發了數控車間無紙化制造系統，成功應用于某航空企業數控加工廠。以業務管理為控制主線，用無紙化制造技術的理念整合現有信息系統，如 CAD、CAPP、CAM、PDM、MES、IQS、DNC以及信息采集系統，搭建具有數控車間特色的無紙化制造系統門戶，加強過程控制，減少人為干預，全面采用數據流進行系統間集成交互，消除或減少紙質文件的存在。建立產品全生命周期制造質量檔案管理，實時跟蹤產品制造狀態，嚴格保證產品制造質量。

實踐證明，該系統的實施在一定程度上有效地消除或減少了紙質文件在企業的傳遞，全面采用數字化方式進行業務和數據交互，整合了企業現有系統，充分利用企業現有的各種信息資源，加強內部系統間的緊密交互、業務間的過程控制和閉環管理控制，減少人為失誤，保證產品的制造質量。

4 結束語

無紙化并非無一片紙，它是一種制造理念，一種新的生產模式，就連波音飛機制造現場也依然存在紙質文件。無紙化制造技術以數字信息傳遞為核心，以精密加工為關鍵，進行高度自動化的加工制造。本文按照無紙化制造技術的思想，結合企業現有的信息系統資源，搭建了適合企業需求的車間無紙化制造系統，從工藝、生產、物流等方面全面進行信息化管理，全程加強過程控制，生產加工采用精細化管理的方式進行，加強工藝設計到生產加工的閉環控制，全程跟蹤產品的制造狀態，建立產品的全生命周期制造質量檔案，為產品的高效生產和高質量品質提供保證。無紙化制造技術的應用，必定會提高企業的競爭力，為企業帶來可觀的經濟效益。

［1］ 楊海成,祁國寧．制造業信息化技術的發展趨勢［J］．中國機械工程,2004（19）:74-76．

［2］ 侯守峰,王桂錄，劉引．無紙化制造技術［J］．煤礦機械，2012（3）:128-129．

［3］ 張倫彥．面向離散型車間的無紙化MES研究［J］．航空制造技術，2012（12）:44-47．

［4］ 王成,許建新,董思洋,等．飛機結構件數控工藝業務管理平臺技術研究［J］．航空制造技術,2012（1）:133-137．