數字化集成技術在航空復雜產品制造過程中的應用

楊 海，李 凱，白代敏，馬光輝

（1.西北工業大學 機電學院，西安 710072；2.西安航空發動機（集團）有限公司，西安 710021；3.中國航空規劃建設發展有限公司，北京 100120）

0 引言

數控加工是航空復雜產品加工的重要手段之一[1]。加工過程涉及數控工藝文件、數控程序等多項加工信息。在數控技術、計算機技術和網絡技術的相互融合下，DNC(Distributed Numerical Control)技術的概念也不斷地發展和外延，已逐漸演變成一種生產現場信息集成與管理平臺[2～4]。如何在車間管理模式中將DNC系統與MES、PDM等其他應用系統進行有效的集成，實現DNC與MES、PDM間的信息共享，對于制造車間的信息化建設具有重要的意義。

制造企業數字化集成技術的研究與應用表現為兩方面，一方面是面向產品全數字化設計與制造的CAD/CAE/CAM/CAPP/PDM集成。如趙娜[5]提出了基于PDM平臺的3C集成框架和模型，分析了基于PDM平臺的CAD/CAPP/CAM集成實現過程，這一方法對航空制造企業實現信息化和異地協同制造具有一定的指導意義?？娦》降萚6]闡述了產品設計、分析仿真、工藝規劃、數控加工、質量控制及生產管理的PLM信息化集成平臺開發與實施的關鍵技術及技術路線，提高了產品設計質量、縮短了產品設計周期。杜福洲等[7]針對如何實現真正的無圖化、無紙化的三維數字化集成檢測，研究了三維數字化集成檢測中的關鍵技術。另一方面是為實現整機制造企業信息化，進行的CAD/CAE/CAM/CAPP/PDM與企業資源計劃ERP、供應鏈管理SCM(Supply Chain Manage-ment)、客戶關系管理CRM(Customer Relationship Management)的集成。如周秋忠等[8]將數字化管理平臺劃分成經營、工程和生產三大系統，提出了實現三大系統之間集成互操作的方法，使數字化管理平臺符合制造企業實際業務的應用需求。

生產數據集成方面的研究，有效地推動了企業信息化平臺的構建，但由于航空復雜零件的數控加工工作量大，涉及DNC/PDM/MES系統，現有的數字化數據集成方法不能滿足航空復雜產品制造對信息集成的需求。因此，提出數字化集成技術在航空復雜產品制造過程中的應用研究，通過建立面向航空復雜產品制造過程的制造數據集成模型，實現DNC/PDM/MES系統的集成。

1 制造數據集成模型建立

1.1 數字化集成技術在航空復雜產品制造中應用的必要性

航空復雜產品的典型代表是航空發動機零件，目前我國航空發動機企業擁有一套完整的生產體系和數千臺（套）現代化高精尖生產加工設備，其設備管理秉承與之相配套的先進、科學的管理模式和方法。隨著企業新的精密數控廠房的建成，數控設備逐漸增多，如何加強對數控設備的管理，使其發揮出最大的經濟效益成了車間乃至企業的重要議程。為達到上述目標，需要解決以下六個問題：

1）生產管理模式亟待突破；

2）MES工具集和產品功能亟待豐富；

3）優化決策關鍵技術亟待攻關；

4）MES配套規范、標準和管理制度亟待建立；

5）MES實施推廣亟待加強；

6）DNC系統的建設迫在眉睫。

這些問題，對建立集成化的MES系統、DNC系統與PDM系統提出了迫切的需求，以支持航空發動機企業數控車間數字化長效、穩定、健康和可持續的發展需求。

1.2 制造數據集成模型建立

目前，由于NC代碼分散存儲于各工藝人員的計算機，管理比較混亂，導致NC文件的傳輸、管理和準備效率方面均存在問題。同時MES系統、PDM系統與DNC系統缺乏有效集成，致使MES系統的計劃指令無法下達到DNC系統，DNC系統無法獲取準確的開工指令，從而無法進行有效的生產準備；DNC系統不能從PDM系統中引用相應加工代碼，造成加工代碼的來源不唯一、不規范；同時DNC系統對數控設備的監控信息無法準確、及時地傳遞給MES系統，導致MES系統無法在第一時間掌握現場的生產情況，從而影響計劃安排的準確性和敏捷性。針對這些問題，航空企業通過對多年信息化建設的理解以及對國內外先進生產企業的學習，提出的制造數據集成模型如圖1所示。涉及的范圍涵蓋四部分，即生產現場應用層、DNC傳輸層、MES控制層和PDM數據管理層。

圖1 制造數據集成模型

1）PDM數據管理層

PDM數據管理層能夠有效組織和管理企業制造過程的工藝數據、三維數模及刀具清單、質量文件和數控程序等生產作業文檔。不僅為各個系統提供共享、一致的數據來源，并且對各系統的數據進行管理和存儲，在制造數據集成模型中，通過PDM向DNC系統發放數據。

2）MES控制層

MES控制層是企業CIMS信息集成的紐帶，為DNC系統發放加工指令，并接收DNC系統數據的反饋，及時掌握生產現場情況。

3）DNC傳輸層

DNC系統傳輸的不僅包括NC程序，而且包括執行特定生產任務所需的制造數據，如刀具數據、作業計劃、機床配置信息等。所涉及到的數據實體包含四類：與制造設備硬件相關的數據實體（如機床等）；與人機通訊相關的數據實體（如通訊協議實體）；數控數據實體（如NC程序號、刀具號、工序號）；操作指令或派工單實體。

2 基于Webservice的制造數據集成方法

2.1 系統集成模式下制造數據流分析

PDM系統作為數字化集成系統唯一的數據源，承擔產品結構信息、數控程序及其清單的管理與存儲。DNC/MES/PDM系統集成模式下制造數據流分析如圖2所示。

圖2 DNC/MES/PDM集成模式下制造數據流分析

PDM系統完成車間級制造BOM的生成及數控程序的有效管理。PDM系統向DNC系統傳遞NC程序文件屬性信息，其內容包括：產品號、零件號、CAPP工藝規程編號、工藝版本、工序號、設備型號、控制系統類型、設備編碼、部門名稱（車間代號）、工序名稱、PDM工序編號、NC程序編號等，DNC將接受到的信息呈現給制造現場。MES系統將生產計劃發送到DNC系統的管理模塊，DNC管理系統根據開工零件號、工序號以及設備型號等屬性在產品結構樹中進行檢索，篩選出需要的數控文件，并發送至機床設備樹中，如沒有檢索到該程序，則反饋給MES系統，以便重新指定計劃。在產品結構樹傳送成功后，操作工通過觸摸屏瀏覽加工計劃及相關技術文檔，并下載對應數控程序到機床。在數控程序被機床執行的過程中，DNC系統通過監控每臺機床的狀態參數（運行時間、結束時間、機床的開機狀態等），形成加工信息采集資源庫。MES系統通過讀取該資源庫，進行零件的加工進度情況及現場機床的運行狀態等信息的匯總，及時對生產計劃進行安排和調整，以保證計劃的科學性及可行性。

根據系統集成模式下的數據流分析，可分解出數據信息服務，如DNC與PDM系統集成模式下制造數據服務如圖3所示。

2.2 系統集成模式下制造信息服務的發布

當制造數據服務的提供者想讓其他集成系統的客戶端（即服務請求者）發現并使用其所提供的制造數據信息服務時，可使用發布操作將自己提供的制造數據服務注冊到制造數據信息注冊中心UDDI，也可以通過該操作刪除那些已經在注冊中心上注冊但還沒有使用的制造數據信息服務，其操作步驟如下：

圖3 DNC/PDM系統集成模式下制造數據服務示意圖

1）首先，制造數據信息服務提供者運行一個客戶端的應用程序，然后選擇服務發布操作步驟。

2）若制造信息服務提供的部門還沒有在注冊中心中注冊，則需要首先注冊該部門的信息。注冊完部門信息以后，需要在客戶端的應用程序界面上輸入部門的名稱和服務關鍵字、服務的名稱及相關信息。

3）填完這些信息后，將信息提交給注冊中心，注冊中心將為這個注冊的部門生成相應的關鍵字，并把這些制造信息服務信息保存到數據庫中，從而完成發布操作。

4）如果要刪除某個制造信息服務，需要輸入該制造信息服務所對應的服務關鍵字和服務名稱，并提交給注冊中心就可以完成刪除操作。

注冊中心發布制造信息服務的UML時序圖如圖4所示。

圖4 制造信息服務發布的操作時序圖

2.3 系統集成模式下制造信息服務的調用

傳輸層將XML格式的數據結構和超文本傳輸協議HTTP進行組合形成一個新的標準，制造信息服務根據這一標準調用SOAP消息，以此達到使用網絡上各種不同服務提供者所提供制造信息服務目的。SOAP主要由以下四個部分組成：

1）SOAP信封：定義了一個框架結構，該框架描述了消息中的內容有什么，誰處理它，它是可選擇的還是必須的。

2）SOAP編碼規則：定義了一種序列化的機制，用于交換應用程序所定義數據類型的實例。

3）SOAP RPC表示：定義了用于表示遠程調用和應答的協定。

4）SOAP綁定：定義了一種使用底層傳輸協議來完成在節點間交換SOAP封裝的約定。

DNC與PDM系統集成模式下，制造數據Webservice服務調用過如圖5所示。

圖5 制造數據Webservice服務調用過程

制造數據信息服務請求者創建SOAP請求消息，發送到UDDI服務注冊中心。UDDI注冊中心接收到服務請求者發來的SOAP請求后，解讀請求信息；然后從服務器端的綁定文件中找到與SOAP請求相應的制造數據信息，并作進一步處理；最后以SOAP響應的形式返回給制造數據信息服務請求者。制造數據信息服務請求者將接收到SOAP響應消息反序列化并取得結果，SOAP客戶端與SOAP服務器端通過HTTP協議進行通訊，傳輸數據是XML格式的純文本字符串。在制造數據管理系統基礎上開發服務接口，按照功能進行封裝，然后用Web服務調用，以實現對制造數據管理系統中的制造數據進行控制，從而達到制造數據的服務化。傳送請求消息代碼如下：

Object return Value=service Client.invoke Blocking(o pAddEntry,opAddEntryArgs, classes)[0];

classid=selectedTI.getData().toString();

System.out.println(classid);

if(nFlag == 1)

{

listObj(group_1,classid);

}

else if(nFlag == 2)

{

listObj(group_1,classid);

}

圖6 盤軸零件制造過程數字化集成應用模式

(Exception ex)

{

out.println(ex);

}

在客戶端需要建立一個對象，用來負責HTTP的連接。其中要設定一些頭部信息。若網絡連接需要帶服務器，也需在客戶端設定相關的信息。接著需要創建SOAP對象，用來生成SOAP消息。按照WSDL的定義，將所有的參數按序列進行序列化，得到完整的SOAP請求消息。該消息將通過HttpConnector發生到服務端。最后生成一個SOAPRead對象，該對象負責讀取服務端所返回的SOAP消息，取得消息中的返回值。解析WSDL文檔就會得到所有的調用方法，然后根據此調用執行操作。其開發部分代碼如下：

public static void main(String[]args) {

try {

IcmDialog window = new IcmDialog();

clientdir=window.getProperties(“clientdir”);

if(clientdir.compareTo(“”)==0)

……

window.deleteFile();//gao add 獲取jar包調用時傳入的參數

String str = new String();

for (int i = 0; i < args.length; i++)

{//System.out.println(args[i]);

str += args[i];

}

window.open(str);

}

3 應用實例

以某航空制造企業制造數據集成平臺構建為例，采用所提方法建立的航空發動機盤軸零件制造過程數字化集成應用模式如圖6所示。

航空發動機盤軸制造過程數字化集成應用模式主要包括PDM（Teamcenter）數據管理平臺、ERP系統、MES系統和DNC系統。通過PDM數據管理平臺的多側面多站點與DNC、MES等各子系統有效集成，實現制造數據的有效傳遞。設計工藝師、NC程序員和工藝工程師將編制完成的工具清單、工裝設計清單、NC程序、操作說明和工作文件等發送到PDM數據管理平臺；生產調度員將加工指令發放到MES系統；在ERP系統的支持下，MES系統對DNC發送加工指令，此時，工具安裝人員從工作包提供的工具清單中選擇加工工具，從資源數據庫中選擇測量工具；NC機床操作員下載NC程序包。在加工過程中將刀具實際偏移量反饋到數據管理系統，用于優化NC程序；同時通過DNC系統實現設備狀態及生產數據的采集，為生產計劃安排與優化提供數據支持。

以Teamcenter2007為平臺，通過二次開發實現了航空發動機盤軸零件制造過程數據的有效集成，軟件實現如圖7所示。

圖7 DNC/PDM/MES數字化集成的軟件實現

DNC/PDM/MES系統在數字化集成平臺實現了唯一的數據源傳遞。圖中PDM數據管理平臺集成了工具信息、加工設備信息、夾具信息和生產計劃信息等多項制造數據，實現了制造數據的多系統集成。

4 結束語

現有的數字化集成技術不能滿足航空復雜產品制造對DNC/PDM/MES集成的需求，利用信息技術建立了制造數據集成模型。在此基礎上，通過研究DNC/PDM/MES系統集成模式下制造數據流，基于Webservice實現了各類生產制造信息的共享、過程信息的采集分析等，有效減少了設備空閑時間、提高了零部件的產出率，實現了數控設備的集成增效，長期制約航空企業數控車間增產增效的瓶頸問題得到了初步解決。

[1]高保真,王中慶.面向產品網絡化制造系統研究[J].制造業自動化,2007,(06):9.

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[3]白萍,周春,張良德.分布式數控系統DNC在離散制造業的應用[J].CAD/CAM與制造業信息化,2010(2):107-110.

[4]祁浪冰.應用網絡DNC搭建數字化制造平臺[J].新技術新工藝,2010(1):56-58.

[5]趙娜.航空制造企業PDM集成技術應用研究[J].航空標準化與質量,2013(4);39-43.

[6]繆小方,梁綱.基于整機產品設計數字化集成的PLM技術開發與應用[J].紡織機械,2011(4):9-13.

[7]杜福洲,梁海澄.三維數字化集成檢測系統實現關鍵技術研究[J].制造業自動化,2011,33(5):1-5.

[8]周秋忠,劉德慶.制造企業數字化管理平臺的總體規劃[J].沈陽理工大學學報,2012,31(3):77-81.