機車制造工藝技術信息化研究與實踐

中國北車集團大同電力機車有限責任有限公司技術部副部長 孫建忠

隨著信息化技術的發(fā)展，工藝信息化研究對于工藝創(chuàng)新管理，促進鐵路裝備制造業(yè)轉型升級的重大意義，提升鐵路制造裝備制造業(yè)工藝信息化水平已刻不容緩，從夯實工藝參數(shù)量化基礎、工藝數(shù)據(jù)的積淀與創(chuàng)新、數(shù)控程序的網(wǎng)絡化管理到排料自動化等幾個方面著手進行研究，實現(xiàn)工藝管理信息的一體化輸入和輸出，達到利用信息化手段提升工藝創(chuàng)新管理的目的。

國外PDM/ERP以及DNC等系統(tǒng)相對比較成熟，但在國內(nèi)特別是機車制造裝備業(yè)才剛剛起步，自2008年前后，各機車制造裝備公司先后開始進行技術引進，工藝技術的引進、消化和吸收迅速成為鐵路裝備研制生產(chǎn)的重要工作。而如何進行消化吸收、知識的積淀以及創(chuàng)新則成為企業(yè)獲得利潤的重要手段。提高工藝信息化能力，對于提高鐵路裝備業(yè)核心競爭力，促進鐵路裝備轉型升級，實現(xiàn)又好又快發(fā)展，具有重大意義。大同電力機車有限責任公司作為中國北車的機車制造基地，針對多年以來工藝信息輸入、輸出缺乏高效、快捷和統(tǒng)一的平臺，長期以來大量工藝基礎信息、經(jīng)驗數(shù)據(jù)無法有效積累和保存，數(shù)控程序單機管理、單機傳輸效率低下，多系統(tǒng)排料系統(tǒng)無法集成等一系列工藝管理問題進行了分析和研究，并把這些問題的解決作為工藝創(chuàng)新的突破點，經(jīng)過科學分析和詳細論證，分析以工藝信息化為創(chuàng)新的載體和平臺。

借助公司信息化建設的時機，利用該平臺創(chuàng)建工藝信息化，實現(xiàn)工藝信息的一體化輸入和輸出，實現(xiàn)信息資源的累積和共享，通過采用PDM/ERP、DNC等信息化技術的實施和應用，推動公司工藝創(chuàng)新管理，實現(xiàn)公司近10種車型、萬種物料制造BOM的搭建，工藝定額的科學計算和統(tǒng)一輸出，實現(xiàn)工藝數(shù)據(jù)信息共享和傳承，實現(xiàn)公司數(shù)控程序的制造信息化管理，最終通過這些層面的實現(xiàn)達到推動工藝信息化的效果，實現(xiàn)工藝技術質量的快速提升。

PDM/ERP和DNC系統(tǒng)搭建

根據(jù)項目確立情況，分兩部分進行實現(xiàn)，一部分是PDM/ERP系統(tǒng)工藝管理；另一部分是DNC/排料系統(tǒng)的管理。第一部分采用PDM/ERP系統(tǒng)的管理理論，根據(jù)機車部件結構進行工藝制造BOM的搭建，確定加工制造層級（見圖1）；資料共享區(qū)按區(qū)進行劃分（見圖2）。

建立數(shù)控機床聯(lián)網(wǎng)模式

第二部分將公司數(shù)控設備分為兩類，一類為機械加工數(shù)控設備；另一類為板材下料數(shù)控設備。板材加工設備網(wǎng)絡連接還在國內(nèi)還沒有先例，需要對該類設備能否連網(wǎng)進行理論分析和測試。

圖1

圖2

考慮到公司的管理模式，數(shù)控機床聯(lián)網(wǎng)（DNC）的實施采用多用戶二級管理模式。分為高級權限用戶、車間二級管理權限用戶二級。主要流程控制由車間獨立完成，形成各車間管理小模塊，同時各管理小模塊又通過公司網(wǎng)絡并入公司級管理模塊，從而實現(xiàn)管理的統(tǒng)一性。各車間分別設立編程員、審核員和批準員，利用DNC程序管理流程（見圖3）進行程序的過程審批，并將固定后的程序歸檔進入PDM數(shù)據(jù)庫。程序定型后，操作人員根據(jù)生產(chǎn)指令，到指定地點進行程序調(diào)用，程序加工完成后，程序上傳車間編程人員，編程人員對程序是否改動進行比較驗證。

網(wǎng)絡建設

考慮到計算機控制的靈活性以及數(shù)控機床相互之間的影響性，網(wǎng)絡布線采用了單串口服務器的星形拓撲結構。直接利用公司現(xiàn)有局域網(wǎng)，將網(wǎng)絡延伸到各設備節(jié)點，從而使數(shù)控設備與各個服務器及工作站形成一個統(tǒng)一的網(wǎng)絡系統(tǒng)（見圖4）。每臺串口數(shù)控設備上都分別裝有一臺單串口設備服務器，實現(xiàn)任意設備與以太網(wǎng)直接相聯(lián)，達到在以太網(wǎng)上的任意一臺計算機，都可以直接控制任意一臺數(shù)控設備。同時兼顧網(wǎng)絡傳輸對距離的局限性，在車間距離較遠的位置設置了二級交換機。

這樣的布線方案具有以下特點：①靈活性好，管理思路清晰，可以做到任意一臺計算機都可以直接控制任意一臺數(shù)控設備，與多串口服務器相比，數(shù)控設備控制的靈活性更大。②可靠性強，因為這種連接方式是典型的星型連接，即便單串口設備服務器發(fā)生故障，只會影響一臺設備。③不受RS232傳輸距離的限制，確保系統(tǒng)傳輸穩(wěn)定可靠。④有線與無線。考慮到公司實際情況，項目組經(jīng)過認真分析，最初確定了有線和無線兩種網(wǎng)絡連接模式。⑤集成性和擴展性。經(jīng)過項目組商討，方案必須就有后續(xù)的集成性和擴展性，整個路線可以與上游的CAD進行連接，并可以將數(shù)據(jù)結果反饋給PDM，還可以融入將來的MES中，成為其中的一部分。在軟件的選擇上充分考慮這一因素（見圖5）。

首先在轉向架分廠對4臺數(shù)控加工設備進行有線和無線聯(lián)網(wǎng)試驗。對比兩次試驗，結論如下：

（1）有線傳輸和無線傳輸均可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

（2）有線傳輸現(xiàn)場布線條件比較惡劣，而且還受到距離的限制。

（3）無線傳輸受干擾因素比較多，特別是車間電磁設備以及機車影響較大，而且車間廠房對信號還有屏蔽效果。

（4）在機一車間進行了自動編程軟件加工試驗，試驗效果良好。

（5）在備料車間進行了板材套料軟件的加工試驗，試驗效果良好。

根據(jù)試點試驗情況，對方案進行了調(diào)整，取消了無線聯(lián)網(wǎng)方案。有線方案增加了布管，一方面可以保護網(wǎng)線，另一方面可以起到信號屏蔽的作用。布線方式確定為空中走線，立柱搭接的方式，并在一定距離設置網(wǎng)絡服務器解決信號受網(wǎng)線距離的限制。

圖3 數(shù)控中心DNC程序管理系統(tǒng)流程圖

圖4

圖5

在備料車間進行了DNC正式的試點聯(lián)網(wǎng)應用，進行了網(wǎng)絡布線和遠程程序調(diào)試，并與排料軟件進行了集成、調(diào)試。

對程序管理流程進行了設置，在生產(chǎn)車間技術組設立車間級服務器，用來管理車間技術組一定數(shù)量的數(shù)據(jù)庫客戶端，根據(jù)車間實踐情況進行用戶設立和權限開通。可以瀏覽本車間數(shù)據(jù)庫內(nèi)的程序和各種信息。在數(shù)據(jù)庫客戶端上，技術人員可以對數(shù)控程序進行管理，數(shù)控程序的整個審批流程在本車間數(shù)據(jù)客戶端實現(xiàn)。編程人員定期根據(jù)生產(chǎn)任務把加工程序添加到指定地點。

為了加工現(xiàn)場操作人員的實際應用，在車間現(xiàn)場設置了客戶端，操作人員可以根據(jù)個人權限進行加工程序的調(diào)用、工藝文件和程序仿真的查看以及三維模型、教學錄像的觀看等操作。

2012年7月，機一、機二和機三等車間正式全面進行DNC項目的實施，并與CAM軟件進行了集成。通過CAM軟件進行現(xiàn)場生產(chǎn)零件的試加工，試加工零件經(jīng)過檢驗合格。

實施效果分析比較

項目投入使用后，對實施后的效率以及產(chǎn)生的效果進行了數(shù)據(jù)收集和統(tǒng)計，并進行了項目實施前后數(shù)據(jù)的分析和比較，效果顯著。

在機車行業(yè)首次真正實現(xiàn)計算機網(wǎng)絡控制數(shù)控機床通過力，我們從信息化應用的角度解決了長期困擾我們的數(shù)控機床管理手段問題，并取得了顯著的成效，帶來了一定的經(jīng)濟效益，技術人員的工作效率有了明顯的提高，特別是排料軟件和數(shù)控機床聯(lián)網(wǎng)體現(xiàn)更為明顯。排料工作效率平均提高了91.6%，而且一種軟件兼顧了整個車間所有數(shù)控板材切割下料設備，大大縮短了技術準備周期和生產(chǎn)制造周期。DNC傳輸程序的工作效率比軟盤傳輸提高了85.7%，比手工輸入提高了95%。并且出錯率幾乎降低為零。

板材利用率：項目實施的另一大成果是板材利用率得到了提高，特別是在零件種類多樣時，套料體現(xiàn)的成果越發(fā)明顯。單張板材平均利用率提高了12%；套料156件時（零件21項），單張板材平均利用率提高了2.2%；套料152件時（零件35項），單張板材平均利用率提高了1.5%。

板材套料的管理更加規(guī)范，輸出的排料報表包括排料數(shù)量、零件信息、板材利用率和程序號等各種信息，我們可以通過報表對板材下料進行有效管理。

通過數(shù)控程序管理系統(tǒng)，設置了編制、審核、試切和批準等管理流程，對程序的有效性進行了控制，符合ISO9000管理標準，同時還通過數(shù)控程序分發(fā)、更改日志對程序進行追蹤管理，實現(xiàn)責權明確，具有可追溯性。

根據(jù)公司數(shù)控機床硬件條件，我們對FANUC帶網(wǎng)卡的數(shù)控設備進行了監(jiān)控。可以時時查看機床的各種運行信息，包括報警信息、機床利用率、開關機狀態(tài)及機床目前的坐標等信息，使我們能夠更好對機床進行管理。

將實現(xiàn)排料/CAM/DNC軟件與PDM/ERP/MES的有效集成。未來車間現(xiàn)場生產(chǎn)將會實現(xiàn)無紙化辦公，技術人員直接通過上游系統(tǒng)選擇需要加工的模型文件進行工藝分析、編程和下傳程序；現(xiàn)場操作人員根據(jù)個人權限通過車間觸摸屏查看生產(chǎn)任務和圖樣信息，并調(diào)用當天加工程序，最終將實現(xiàn)加工、物流管理的信息化和機械化。

通過項目的實施，成功的實現(xiàn)了PDM/ERP管理理念的應用轉化，公司搭建了HXD2、HXD2B、HXD2C、SS4G、HXD3和200KM/H等機車制造BOM，并運行指導生產(chǎn)；完成了工藝用料的科學計算，如焊縫焊絲用量、導線和板材的科學計算，并搭建了BOM運行指導生產(chǎn)；完成了工藝技術與管理的各種資料的一體化PDM信息數(shù)據(jù)分區(qū)管理與共享，建立了各室資料區(qū)、各型機車及市場產(chǎn)品、工藝技術與工藝管理、標準和規(guī)范等電子資料區(qū)域，有效地實現(xiàn)了工藝信息的積累和傳承；實現(xiàn)了3個不同車間、幾十種不同數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡連接，實現(xiàn)了單臺計算機對40臺數(shù)控設備的遠程管理和遠程程序傳輸。

工藝信息化的研究與輸出，對于現(xiàn)場數(shù)控程序集中管理等方面的研究和實踐具有很強的參考價值，同時還為解決不同系統(tǒng)的排料手段提供了借鑒，為提高工藝管理的科學性和效率提供了方法。