基于TC和MES的航天產品數字化制造技術

趙佳琪 朱朝暉 焦云雷 雷旭冰 辛 楊

（天津航天機電設備研究所，天津300458）

兩化融合

基于TC和MES的航天產品數字化制造技術

趙佳琪 朱朝暉 焦云雷 雷旭冰 辛 楊

（天津航天機電設備研究所，天津300458）

以作者所在單位為例，認真分析了傳統制造模式存在的諸多問題，并創新提出了一種適合于航天產品的數字化制造技術。詳細闡述了該數字化制造技術的系統組成和關鍵技術，最終形成了適合于本單位科研生產特點的數字化制造流程，通過Teamcenter和MES等系統實現了從計劃編制到產品出庫全過程的數字化，提高了產品質量和生產效率。

航天產品；多品種小批量；Teamcenter；MES；數字化制造

1 引言

數字化制造技術，是將信息化手段用在工藝、生產、檢驗等產品的全生命周期中，以提高生產效率和質量、降低生產成本、實現任務快速響應為目的的一系列技術手段的統稱。數字化制造技術起源于美國，美國波音777飛機由于采用此項技術，研制周期、質量問題和成本都大大降低，成為數字化制造技術最為經典的案例。近年來，隨著“中國制造2025”的提出，數字化制造技術在我國的應用越來越廣泛，例如為人們熟知的C919國產大飛機和長征七號火箭的研制和生產，都離不開數字化制造技術。

隨著我國航天事業的迅猛發展，航天產品的研制任務越來越多，對航天單位的研制能力和制造效率提出了更高的要求。航天產品具有成本昂貴、種類多樣、研制周期長等顯著特點，隨著任務量的逐年加大，必須要借助數字化手段來保證航天產品的質量和效率。筆者根據所在單位科研生產特點因地制宜，提出了一種基于TC和MES的數字化制造技術，實現了航天產品的數字化制造。

2 傳統制造模式存在的問題

航天產品科研生產職能部門組織結構如圖1所示。其中，經營規劃處負責訂單的創建與下發，科研生產處負責任務計劃的編制與下達，質量技術處負責保證產品質量及零部件檢驗，物資處負責下料與原材料采購，研究室負責工藝的編制，信息檔案室負責產品數據包的歸檔，精密機構中心負責產品的加工和裝配。

傳統制造模式是：經營規劃處下達訂單信息和時間節點要求→科研生產處調度編制生產計劃并下發紙質任務通知單→工藝人員編制各項紙質工藝文件→物資處下料員根據紙質工藝文件上的下料要求進行下料→精密機構中心調度根據工藝要求編制各工序責任人和時間節點要求→精密機構中心操作人員和質量技術處檢驗人員分別根據紙質工藝過程卡和二維圖紙進行編程加工和檢驗。

傳統制造模式存在諸多不便之處，主要表現在以下幾個方面：

2.1 二維圖紙理解轉化周期長

車間工人理解工藝要求和圖紙信息是零件加工生產的基礎，能否快速準確掌握圖紙所表述的技術信息是影響生產效率的關鍵因素。一直以來，生產車間都是靠二維圖紙指導加工和生產。然而，二維圖紙經常存在尺寸、公差標注不全等疏漏，操作人員往往在編程、試切等過程中才能夠發現問題，耽誤了寶貴的時間。對于形狀復雜的零件，二維圖紙不夠直觀，需要建立三維模型才能完全理解。對于難加工的零件，只有根據二維圖紙建立三維數模，并將模型導入專用CAM軟件編程，方可實現加工。

2.2 重復性編程使生產效率降低

航天產品技術要求嚴格，很多組成零件需要依靠數控加工，數控編程的時間成為制約科研生產效率的關鍵因素。雖然每年都會有很多相似的零件加工任務，但是由于數控程序沒有規范的命名、審核和歸檔管理，導致數控程序的編制和使用往往是一次性的，數據包不能得到固化和繼承，后面再遇到同類型的零件加工任務也只能再重新編制程序，做重復性的工作，制約了生產效率。

2.3 生產車間實時狀態不易查知

由于沒有輔以先進的數字化手段，生產車間各操作者正在執行的任務、各機床的加工狀態、各零部件所在工位和進展到的工序等信息，都只能通過到各工位逐一查看或對各操作者逐一核實方可得知。

2.4 制造過程數據包不易管理

車間生產制造過程中會產生大量的數據，例如各零部件的質量控制卡、工藝過程卡以及二維圖紙等過程記錄和依據性文件，數控加工程序、加工數模等加工數據包，檢驗數據表、不合格品審理單等質量記錄表，這些數據包都是紙質文件或一次性文件，非常難于管理。

由此可見，傳統制造模式存在諸多問題，數字化制造技術成為解決這些問題的重要手段。

3 數字化制造總體架構

3.1 系統組成

航天產品數字化制造系統組成如圖2所示。數字化制造系統離不開底層信息系統、各類硬件設備以及客戶端軟件等的支持。以服務器為代表的信息系統是數字化制造的后勤保障，用來存儲數字化制造過程中的各類文件和數據等過程記錄，并給各類人員賦予相應的權限三。車間現場的各種硬件設備是數字化制造的重要工具，實現現場人員對系統的應用、物料的條碼化流轉、各類刀具的自動化管理等。以TC系統和MES系統為代表的軟件系統是數字化制造的核心架構，通過不同的軟件系統實現對各個制造環節的數字化管理，并通過打通各個軟件系統間的接口，使各類軟件系統達到集成互通，最終實現整個制造流程的數字化。

3.2 TC系統

TC系統是Siemens公司旗下PDM（Product Data Management，產品數據管理）系統Teamcenter的簡稱，能夠實現產品數據管理、三維結構化工藝等功能。通過結構化BOM管理、工藝編制管理、工作流管理等功能，提高加工工藝的編制效率和規范化程度，確保各類工藝信息的一致性和安全性，實現了各類產品工藝的快速查詢、三維數模的快速定位和下載、制造數據的電子化歸檔等。TC系統功能結構如圖3所示。

3.3 MES系統

MES（Manufacturing Execution System）是制造執行系統的簡稱，用來實現從訂單創建到產品入庫的中間各環節一系列過程的記錄。MES系統功能十分龐大，涉及科研生產全過程，計劃階段、工藝階段和生產階段都離不開MES系統。通過MES系統實現了階段任務和工序任務的編制下達、工藝和生產人員的執行反饋、各類過程表單的電子化簽署和流轉、基于條碼的產品出入庫等功能。MES系統功能結構如圖4所示。

4 數字化制造關鍵技術

4.1 基于模型的數字化制造

基于模型的數字化制造（ModelBasedManufacturing，簡稱MBM）使用的數模基于模型定義（Model Based Design，簡稱MBD），該模型的幾何形狀完全無誤，并且帶有設計人員和工藝人員關心的三維 PMI（Product Manufacturing Information，即產品制造信息）標注，如圖5所示。

4.2 結構化三維模型與工藝

基于TC系統建立結構化的三維模型與工藝，如圖6所示。車間操作人員根據零件圖號和名稱就可以定位到該零件的節點，展開此零件節點即可直觀看到該零件的工藝過程、每道工序的內容、帶PMI標注的模型文件等一系列技術數據，方便了數據的查看和數據包的管理。

4.3 加工數據包審核與歸檔

數控程序和CAM數模等加工數據包的管理是一項重要工作，對加工數據包的有效管理能夠減少很多數控編程當中不必要的重復工作。TC系統中建立了結構化的工藝模型樹，在每個零件的每道工序節點下都建有“精加工數據”文件夾，將各類加工數據文件拖入該文件夾，并發起“精加工數據審批流程”，走完審核流程后即實現了加工程序的歸檔，如圖7所示。通過這種方式，實現了加工數據包的有效管理，如果后續遇到相似的零件任務，可以通過搜索的方式快速定位找到該零件的加工數據包，利用此數據包參考將大大簡化編程時間。

4.4 生產狀態的實時跟蹤

隨著生產任務的逐年加大，車間現場的生產狀態越來越難以獲悉。MES系統實現了生產狀態的實時跟蹤，車間領導和調度人員可以通過MES系統直觀看到每個零件的工序進展，以及每道工序的責任人、節點要求和完成情況，如圖8所示。

4.5 過程文件的電子化管理

在生產制造過程中會產生大量的數據和文件，MES系統實現了制造過程中各類數據的記錄、各類表單的電子化，并將這些數據和文件按照一定的規則保存起來，不斷積累形成制造過程的大數據。利用大數據可以進行任務完成率、產品合格率、工時統計等一系列復雜的數據統計工作。

5 系統運行

5.1 計劃排產階段

經營規劃處人員在MES系統中填寫訂單信息（包括任務內容與交付時間）并下發給科研生產處，科研生產處調度在MES系統中進行產品級計劃的編制，并下發工藝階段任務給研究室。

5.2 工藝制定階段

科研生產處調度下發階段任務時，會在TC系統中產生該任務節點。研究室工藝人員在MES系統中接收到該任務之后，在TC系統中該任務節點下建立模型BOM和工藝BOM，并發起工藝審核流程。流程結束后這些工藝數據即在TC系統中歸檔受控，并可被生產人員查看。

5.3 下料生產階段

TC系統工藝數據審核流程結束時，會在MES系統中產生該零部件的工藝過程。科研生產處調度根據工藝過程，在MES系統中下發生產階段任務給精密機構中心并通知物資處下料，精密機構中心調度根據MES系統中的工藝過程，進行工序級計劃的編制并安排生產。精密機構中心編程操作人員登錄到MES系統中接受任務，在TC系統中查找獲悉該零件的工藝要求，并從TC系統下載三維數模導入NX軟件中進行編程，編程完畢后通過DNC系統將數控程序發送到機床加工。如果產品合格，數控程序正確無誤，編程操作人員會將程序文件和CAM數模等加工數據包上傳到TC系統該零件的工序節點下進行歸檔。

5.4 檢驗入庫階段

編程操作人員完成所負責的工序任務后，在MES系統中提交任務。質量技術處檢驗人員在MES系統中接受任務，登錄TC系統中查看該零件的工藝要求，根據工藝要求在MES系統中填寫檢驗數據。對于三坐標檢驗人員，需要從TC系統下載模型，并導入PC-DMIS或AC-DMIS等三坐標測量軟件中編制三坐標檢測程序。檢驗完畢后在MES系統中提交任務，即自動流轉到下道工序。如果下道工序是外包工序，則需要檢驗人員在MES系統中進行入庫操作。

綜上所述，通過TC和MES等各類軟硬件系統的相互配合，實現了航天產品科研生產制造全流程的數字化。航天產品數字化制造流程如圖9所示。

6 結束語

本文針對傳統制造模式存在的問題，提出了一種基于TC和MES的航天產品數字化制造技術。通過對系統框架和關鍵技術的闡述，以及系統實際運行的驗證，體現了此種技術的優越性和可行性。該技術實現了航天產品全制造過程的數字化，提高了產品質量和生產效率，對于離散型制造企業有借鑒意義。

1 趙佳琪.基于CREO的虛擬裝配路徑規劃技術研究[J].航天制造技術，2016(1)：65～67

2 李亞杰，何陽.三維工藝與MES在航天發動機數字化制造中的應用研究[J].火箭推進，2015(2)：90～97

3 李杰，倪軍，王安正.從大數據到智能制造[M].上海：上海交通大學出版社，2016

4 馬云，曾鳴，等.讀懂互聯網+[M].北京：中信出版社，2015

5 孫京，周平來，孫連勝，等.航天器產品數字化制造的實踐與思考[J].航天器工程，2013(6)：6～10

6 趙佳琪.基于CREO平臺的水下生產設施典型部件虛擬裝配系統研究[D].天津：天津大學，2013

7 趙四化.基于條碼管理的水下生產設施關鍵零部件生產信息平臺開發[D].天津：天津大學，2013

8 武聰敏.面向水下生產設施關鍵零部件的工藝技術研究[D].天津：天津大學，2013

9 王紅光.深海采油設施關鍵零部件在線檢測技術研究[D].天津：天津大學，2013

10 張高尉.基于西門子840D的數控機床生產過程狀態監測系統研究[D].天津：天津大學，2013

Digital Manufacturing Technology of Aerospace Products based on TC and MES

Zhao JiaqiZhu ZhaohuiJiao YunleiLei Xubing Xin Yang
(Tianjin Institute ofAerospace Mechanical and Electrical Equipment,Tianjin 300458)

Taking the author’s institute as an example,this paper analyzes the problems existing in the traditional manufacturing mode,and puts forward a kind of digital manufacturing technology suitable for aerospace products.The system composition and key technology of the digital manufacturing technology are elaborated in this paper,and the technology has already realized digitization during the whole manufacturing process by the cooperation of digital systems,such as TC and MES,etc,which improve quality and efficiency of products.

aerospace products；multi variety and small batch；Teamcenter；MES；digital manufacturing technology

趙佳琪（1988-），碩士，機械工程專業；研究方向：數字化制造與生產管理信息化。

2016-12-07