面向三維工藝車間展示的數(shù)據(jù)集成方法研究

王榮華

（安徽廣播電視大學(xué)，安徽 合肥 230022）

0 引言

制造業(yè)研制長期以二維工程圖為核心，通過CAPP（Computer Aided Process Planning，計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)）系統(tǒng)完成工藝卡片設(shè)計(jì)，輔助工藝簡圖，最后打印生成紙質(zhì)工藝文件，與工程圖一起在生產(chǎn)現(xiàn)場使用.近年來，我國制造業(yè)企業(yè)普遍面臨產(chǎn)品的技術(shù)要求越來越嚴(yán)格、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜、研制任務(wù)越來越繁重但研制周期越來越短的現(xiàn)狀，傳統(tǒng)的研制模式已經(jīng)不能應(yīng)對當(dāng)前的挑戰(zhàn)，存在著數(shù)據(jù)不同源、一致性差、信息載體多、表達(dá)不直觀、仿真手段弱等顯著缺陷.三維工藝是目前制造業(yè)的研究熱點(diǎn)，旨在采用三維模型為載體進(jìn)行信息的存儲(chǔ)和傳遞，通過以三維模型為基礎(chǔ)的建模、虛擬仿真、虛擬制造及虛擬環(huán)境下的設(shè)計(jì)驗(yàn)證及優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用，消除大量三維轉(zhuǎn)二維環(huán)節(jié)，打通設(shè)計(jì)-工藝-制造全流程數(shù)字信息鏈路，顯著縮短產(chǎn)品研制周期.當(dāng)前，很多學(xué)者三維工藝設(shè)計(jì)方法、工序模型構(gòu)建、工藝信息表達(dá)、三維標(biāo)注和三維數(shù)據(jù)管理等諸多關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究[1-4]，取得了較好成效.

與二維工程圖相比，以三維工藝模型為主的工藝數(shù)據(jù)之間存在非常高的依存度、結(jié)構(gòu)性和關(guān)聯(lián)性，如何將三維工藝數(shù)據(jù)與已有業(yè)務(wù)流程和信息系統(tǒng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)三維工藝數(shù)據(jù)的有效集成，達(dá)到三維到工藝、三維到車間現(xiàn)場數(shù)據(jù)貫通是亟待解決的問題.對此，本文對面向三維工藝車間展示的數(shù)據(jù)集成的總體思路、實(shí)施過程進(jìn)行了探討.

1 總體思路

首先需要明確三維工藝數(shù)據(jù)的組成與分類.三維工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)可分為模型數(shù)據(jù)、工程圖樣數(shù)據(jù)、文檔數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)4類，與PBOM樹相關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，通過PBOM樹對其進(jìn)行統(tǒng)一管理[5]，其中，工程圖樣數(shù)據(jù)是為了適應(yīng)某些不具備三維工藝應(yīng)用的場合.其次需要定義三維工藝數(shù)據(jù)在各個(gè)信息系統(tǒng)的流轉(zhuǎn)過程.面向三維工藝的生產(chǎn)制造是數(shù)字化技術(shù)的延伸，是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品制造過程的數(shù)字化，涉及到多種信息系統(tǒng)，如PDM、ERP和MES等.本文結(jié)合已有業(yè)務(wù)流程，分析了各種信息系統(tǒng)之間的關(guān)系，給出了面向三維工藝車間展示的數(shù)據(jù)集成總體思路，如圖1所示.

圖1 總體思路

PDM系統(tǒng)負(fù)構(gòu)建產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，依據(jù)設(shè)計(jì)意圖，構(gòu)建EBOM，并將EBOM傳遞給CAD系統(tǒng).設(shè)計(jì)人員在CAD系統(tǒng)中完成三維設(shè)計(jì)模型構(gòu)建，并檢入PDM系統(tǒng)，與EBOM保持關(guān)聯(lián).在PDM系統(tǒng)中完成設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)審簽后，依據(jù)EBOM生成PBOM，并將PBOM傳給三維CAPP和ERP系統(tǒng).三維CAPP系統(tǒng)依據(jù)PBOM和三維設(shè)計(jì)模型進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，形成三維工藝數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)到PDM系統(tǒng)并與PBOM節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián).ERP系統(tǒng)依據(jù)PBOM進(jìn)行材料定額、工時(shí)匯總，并向MES系統(tǒng)發(fā)送訂單、生產(chǎn)計(jì)劃、物料庫存、資源需求等指令.MES系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)任務(wù)劃分和生產(chǎn)調(diào)度，完成生產(chǎn)排產(chǎn)，將訂單完成情況、人機(jī)料法環(huán)等使用情況返回ERP系統(tǒng).

以三維工藝數(shù)據(jù)為載體，在三維工藝系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)與ERP、MES等信息系統(tǒng)的集成，對打通產(chǎn)品全三維數(shù)據(jù)鏈路有重要作用.

2 關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容

2.1 三維工藝數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化

與傳統(tǒng)二維工藝模式相比，三維工藝的一個(gè)顯著特點(diǎn)是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化，即按結(jié)構(gòu)化方式組織和管理三維工藝數(shù)據(jù)，把原來以表格式的結(jié)構(gòu)形式變?yōu)樽匀豁樞虻慕Y(jié)構(gòu)形式，解決了表格式工藝規(guī)程對結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)應(yīng)用的種種限制問題，并根據(jù)不同需要提取及組織工藝數(shù)據(jù)，便于輸出結(jié)果被人和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)識(shí)別，為工藝規(guī)程的前期產(chǎn)生、后期使用和管理提供了巨大的擴(kuò)展空間.三維工藝數(shù)據(jù)以PBOM為核心進(jìn)行組織管理，在PDM系統(tǒng)中PBOM為各類工藝任務(wù)分工以及工藝設(shè)計(jì)的依據(jù)，并作為三維工藝數(shù)據(jù)組織管理的核心，使得各類三維工藝數(shù)據(jù)文件能夠作為一個(gè)邏輯包進(jìn)行管理和操作，保證了數(shù)據(jù)的一致性和數(shù)據(jù)之間的邏輯關(guān)系，如圖2所示.三維工藝數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化后，便于將PBOM和三維工藝數(shù)據(jù)輸出到ERP和MES系統(tǒng)中作為生產(chǎn)實(shí)施、核算成本等的依據(jù).

圖2 基于PBOM的三維工藝數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化管理示意

2.2 工藝路線提取及維護(hù)

工藝路線提取和維護(hù)的目的是將系統(tǒng)中零部件工藝路線設(shè)定成已發(fā)布狀態(tài)，供下游生產(chǎn)制造使用，分為信息提取和維護(hù)兩個(gè)子步驟，如圖3所示.工藝路線信息提取是根據(jù)通過集成接口從ERP中獲取生產(chǎn)訂單、物料主數(shù)據(jù)和PBOM結(jié)構(gòu)，并依據(jù)PBOM結(jié)構(gòu)從PDM系統(tǒng)中讀取生產(chǎn)訂單中零部件工藝規(guī)程信息.零部件工藝規(guī)程信息以屬性的方式定義在工藝MBD模型，通過數(shù)據(jù)處理將其轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)于PDM的工藝規(guī)程數(shù)據(jù)表.通過集成接口讀取PDM系統(tǒng)中工藝規(guī)程數(shù)據(jù)表的對應(yīng)信息，形成基礎(chǔ)工藝路線.工藝路線維護(hù)是指在基礎(chǔ)工藝路線的基礎(chǔ)上，從MES基礎(chǔ)信息庫中對各工序添加物料、人員、設(shè)備、工具等，明確需求數(shù)量、使用時(shí)長等信息，完善基礎(chǔ)工藝路線，并對工藝路線進(jìn)行發(fā)布，使其達(dá)到已發(fā)布狀態(tài).

圖3 工藝路線提取及維護(hù)步驟

2.3 計(jì)劃管理及任務(wù)分派

該部分內(nèi)容旨在對生產(chǎn)訂單開展計(jì)劃制定、任務(wù)分派等工作，具體包括生產(chǎn)訂單維護(hù)、訂單拆分、工單展開、任務(wù)下達(dá)、任務(wù)分派五個(gè)子步驟，涉及到生產(chǎn)經(jīng)理、計(jì)劃員、班組長、工人等角色.其中，生產(chǎn)訂單維護(hù)是指生產(chǎn)經(jīng)理對ERP生產(chǎn)訂單中的零部件指定加工車間、加工優(yōu)先級(jí)、計(jì)劃開始/完成時(shí)間，作為計(jì)劃管理的數(shù)據(jù)源頭；計(jì)劃員根據(jù)車間實(shí)際情況，在生產(chǎn)計(jì)劃內(nèi)對維護(hù)后的生產(chǎn)訂單進(jìn)行拆分成工單，并對工單展開，讀取零部件已發(fā)布的工藝路線，對工藝路線中的工序/工步節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換成工序/子工序任務(wù)，并下達(dá)到班組；班組長接收計(jì)劃員傳達(dá)的任務(wù)，參照人員、設(shè)備、物料具體情況，指定具體的人員和設(shè)備.工人接收具體工作任務(wù)后，進(jìn)行任務(wù)開工，負(fù)責(zé)實(shí)際加工操作.計(jì)劃管理及任務(wù)指派業(yè)務(wù)流程如圖4所示.

圖4 計(jì)劃管理及任務(wù)分派流程

2.4 三維工藝集成查看

三維工藝集成查看是指通過信息集成接口，將三維工藝規(guī)程卡傳遞到車間顯示終端，指導(dǎo)工人加工過程.三維工藝規(guī)程卡采用網(wǎng)頁形式[6]，左邊為工藝路線樹，樹中節(jié)點(diǎn)表明了每道工序信息；中間部分為可視化模型文件顯示區(qū)域，點(diǎn)擊工藝路線樹中工序節(jié)點(diǎn)時(shí)，相關(guān)的可視化工序模型即顯示在該窗口中；右邊和上邊區(qū)域顯示結(jié)構(gòu)化工藝信息，也與每道工序進(jìn)行聯(lián)動(dòng).

采用 URL（universal resource identifier，統(tǒng)一資源定位符）表示PDM系統(tǒng)中三維工藝規(guī)程卡網(wǎng)頁地址，三維工藝模型數(shù)據(jù)、文檔數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)根據(jù)關(guān)聯(lián)存儲(chǔ)規(guī)則加載到三維工藝規(guī)程卡網(wǎng)頁模版中相應(yīng)位置；工人在車間顯示終端觸發(fā)任務(wù)開工，系統(tǒng)自動(dòng)向PDM發(fā)送請求，通過權(quán)限認(rèn)證后自動(dòng)將該任務(wù)對應(yīng)的三維工藝規(guī)程卡URL傳遞到終端設(shè)備，完成信息加載，如圖5所示.

圖5 三維工藝集成查看

圖6 模塊界面

3 案例展示

根據(jù)上述方法，本文開發(fā)了面向三維工藝車間展示的數(shù)據(jù)集成模塊，模塊的界面如圖6所示.該模塊能夠讀取ERP生產(chǎn)訂單信息，通過與PDM數(shù)據(jù)集成接口讀取三維工藝數(shù)據(jù).以某腔體類零件為例，模塊首先讀取ERP生產(chǎn)訂單信息，獲取PBOM結(jié)構(gòu)，根據(jù)集成接口從PDM系統(tǒng)中獲得基礎(chǔ)工藝路線信息，通過人員、設(shè)備、檢驗(yàn)項(xiàng)等信息添加完成工藝路線的維護(hù).同時(shí)，通過預(yù)設(shè)生產(chǎn)經(jīng)理、計(jì)劃員、技術(shù)員、班組長、工人5類人員角色權(quán)限，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)計(jì)劃的管理和任務(wù)的分派.工人在車間終端接收工序任務(wù)后，系統(tǒng)自動(dòng)從PDM系統(tǒng)中加載該工序?qū)?yīng)的三維工藝規(guī)程卡URL地址，同時(shí)將PDM系統(tǒng)中該工序關(guān)聯(lián)的三維工序模型、NC程序、工序內(nèi)容、加工參數(shù)等信息加載到三維工藝規(guī)程卡的對應(yīng)位置.三維工藝規(guī)程卡通過采用三維可視化工藝表示方法，將工序名稱、工序內(nèi)容、加工參數(shù)等屬性信息結(jié)構(gòu)化并顯示在界面表格中，模型信息以三維模型幾何、顏色和三維標(biāo)注等方式定義在三維工序模型中.車間人員能夠直觀的了解加工過程和工藝信息，并能交互操作三維模型，使得工人能更直觀的了解零件的加工制造過程，可有效提高加工的精度.同時(shí)實(shí)現(xiàn)部分業(yè)務(wù)自動(dòng)化處理，減少了作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，有效提高了生產(chǎn)數(shù)據(jù)在各生產(chǎn)部門之間的傳遞.

4 結(jié)束語

針對三維工藝車間展示問題，對三維工藝數(shù)據(jù)與已有業(yè)務(wù)流程和信息系統(tǒng)集成問題進(jìn)行了研究，提出了面向三維工藝車間展示的數(shù)據(jù)集成方法.通過三維工藝數(shù)據(jù)集成，為ERP、MES等提供了三維工藝數(shù)據(jù)支撐，實(shí)現(xiàn)了工藝設(shè)計(jì)、車間現(xiàn)場的全三維，使車間具備了接收與應(yīng)用全三維數(shù)字化模型的能力，初步形成了三維數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)體系，促進(jìn)了數(shù)字化工藝能力提升.

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