軍工電子裝備企業數字化工廠研究

摘要：數字化工廠是智能制造的重點研究方向，是裝備制造業數字化轉型的重要內容。該文根據軍用電子裝備企業研制生產特點，聚焦未來智能工廠目標，研究數字化工廠相關技術在軍用電子裝備制造領域的應用，包括數字化工廠整體架構、制造運營系統功能組成、自動化物流與立體倉庫管理和自動化脈動生產線管理。通過這些技術應用，實現關鍵部件多品種、小批量制造的自動化、柔性化和可視化管理，為智能制造打下良好基礎。

關鍵詞：數字化工廠;制造運營系統;自動化;柔性化

中圖分類號：TN05;TP278? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）07-0146-05

Research on Digital Factory of Military Electronic Equipment Enterprise

PAN Hongwei

（Nanjing Research Institute of Electronics Technology，Nanjing? 210039，China）

Abstract：Digital factory is the key research direction of intelligent manufacturing and an important content of digital transformation of equipment manufacturing industry. According to the development and production characteristics of military electronic equipment enterprises，focusing on the goal of future intelligent factory，this paper studies the application of relevant technologies of digital factory in the field of military electronic equipment manufacturing，including the overall architecture of digital factory，the functional composition of manufacturing operation system，automatic logistics，three-dimensional warehouse management and automatic pulsating production line management. Through the application of these technologies，the automation，flexibility and visual management of multi variety and small batch manufacturing of key components are realized，which lays a good foundation for intelligent manufacturing.

Keywords：digital factory;manufacturing operation system;automation;flexibility

收稿日期：2021-02-12

0? 引? 言

制造業是其他產業的基礎，對國家的經濟發展和綜合國力提升至關重要，在21世紀全球化競爭環境中，制造業是大國競爭的制高點，直接決定國家興衰成敗。為了縮短產品研制生產周期，同時應對產品制造復雜性和不確定性日益增加的形勢，數字化工廠（Digital Factory）概念應運而生。數字化工廠技術由德國為代表的西方國家在1999年首次提出[1]，并在歐美日等西方發達國家得到快速響應和發展[2，3]。2013年，德國在漢諾威工業博覽會上首次提出“工業4.0”戰略后，我國多個行業協會和多家企業也開啟了數字化工廠技術研究，近幾年在國家主導下，取得了一系列成果和形成了若干示范數字化工廠[4]，如中航工業的總裝數字化工廠、華為智能手機數字化工廠等。

數字化工廠既是產品全生命周期的重要環節，也是企業價值鏈的重要組成部分，它是連接項目管理、設計、工藝、設備與操作人員的橋梁。它集成各生產要素，協同各專業和環節，可以降低產品制造的不確定性，同時工廠規劃與布局可以對固定資產投資的成本及風險進行事前分析、預警與控制[2]。主要數字化工廠技術包括虛擬制造、高級作業排程、物聯網、大數據、云計算、自動化生產線、智能物流等技術[3]。當前數字化工廠在國內外的應用主要集中在批量離散制造行業，包括汽車總裝生產線、通信設備裝配線等[5]。本文對多品種、小批量的軍工電子裝備行業的數字化工廠進行應用性研究，運用數字化和自動化技術改造傳統制造模式。

1? 軍用電子裝備制造數字化工廠

目前，基于產品全生命周期流程，工業界聚集客戶、供應商、合作伙伴和服務商等相關方，形成了完整產品價值鏈的敏捷性組織管理網絡。狹義數字化工廠以自動化、柔性化生產線為中心，集成制造資源、工藝、生產作業和硬件設備，將數字化產品定義、工藝和制造等模型數據貫穿產品實現全過程，實現制造企業全鏈條信息化管理。

與傳統離散制造業相比，軍工電子裝備制造行業的產品組成和工藝復雜，具有新技術多、品種多、批量小、技術狀態不確定等特點，這就造成管理難度大大增加。本文根據軍工電子裝備制造行業特點，重點研究與實踐以制造為中心的狹義數字化工廠。

軍工電子裝備制造主要涉及計劃、工藝執行管理和設備運行等職能，分別對應PLM（含精益設計平臺）、ERP、MOM和自動化產線等數字化管理平臺。他們之間邏輯關系如圖1所示。

2? 制造運營系統

2.1? 制造運營系統主要功能

制造運營系統（Manufacturing Operations Management，MOM）是數字化工廠的核心管理平臺，啟動承上啟下的作用，向上接收ERP生產指令和PLM設計與工藝模型和數據，向下控制物流系統和生產線。在車間資源約束下，MOM根據ERP下達的生產計劃和物料配套計劃進行車間作業排程，形成作業計劃并派工到班組、設備或產線，同時讀取PLM設計模型，獲取工藝規程、檢驗規程和物料配套表等。MOM通過與班組、倉儲、物流和產線等資源無縫集成，對生產現場實施集成管控，同步采集并管理現場數據和質量數據等，通過對制造大數據統計與分析，動態顯示制造狀態，實現數字化工廠可視、智能管理。

MOM系統主要由基礎數據管理、工藝規程管理、作業計劃與調度、物料與配送管理、生產線管理、現場管理、可視化看板和統計分析等功能組成，如圖2所示。

2.2? MOM運行組織方式

MOM在產品中的應用場景，首先編制工藝規程、設定生產線、作業計劃排程與派工等步驟，其次進行物料齊套與配送及現場作業，最后對制造數據、質量數據和物流數據進行統計與分析，實時動態顯示生產狀態。MOM運行流程的主要功能及角色如圖3所示。

3? 電子裝備自動化生產

3.1? 自動化倉儲與物流系統

軍用電子裝備元器件品種多、配套難度大，為保證電子裝備的高效高質量制造，物資要求齊套效率高、配送速度快和差錯率低，因此需要建設自動化倉儲與物流系統。它由立體庫、緩沖庫和傳送線組成，庫與庫、庫與車間工位之間通過堆垛機和穿梭車等自動化設備進行物料流轉與配送。倉儲與物流系統設備如圖4所示。

物料周轉以通用料箱或專用工裝作為載體，工位間使用專用工裝周轉半成品，入庫存儲物料則使用通用料箱存放與配送。

3.2? 自動化流水線生產

電子裝備制造采用推拉結合的脈動流水生產方式，生產節奏由瓶頸工序節拍控制，給產品工藝規程設計、MBOM（制造物料清單）和工序合并與分批提出了挑戰。

MOM中根據生產訂單需求和制造現場狀態，結合資源能力負荷情況，自動計算裝配節拍，首先，確定制件進入制造工位的開始時間與完工時間差為該工序的單次節拍;然后，根據制件令號、圖號、批號、生產線和時間區間等參數算出工序平均節拍。工藝人員根據制造對象工藝特點，參照工序的節拍，對工藝路線和工藝方法進行優化，形成優化后的MBOM。對于電子裝備中篩選、三防和拷機等特殊工序，通過立體庫或緩沖庫進行中轉。

3.3? 自動化裝配與焊接生產線

為提高裝備生產質量與效率，降低人力資源投入，將傳統手工制造工藝改進成數控設備或自動化生產線，優化裝配焊接工藝，結合數字化設備或生產線需求，規劃、設計和應用系列化、模塊化和組合化工裝，實現基于工藝全流程的自動化與敏捷化制造，如圖5所示。通過制造自動化和可視化，大幅縮減生產加工人員數量，同時提高制造柔性、質量和效率。

自動化流水線對內實現裝配自動化，對外與MOM系統和物流系統集成，通過MOM平臺驅動物流及生產線，實現物料配套、配送與轉工全流程自動化，進而實現ERP生產訂單下發和制造任務的一體化集成管控。自動化生產線與MOM的業務流、數據流和控制流的集成信息化流程如圖6所示。

MOM與生產線管理系統通過制造數據倉庫進行數據集成，采用任務接口單下達制造任務和反饋執行狀態，通過標準料箱和取料信息兩種接口實現生產線物料需求與倉儲物流系統集成。MOM驅動物料配送系統，實現生產任務的多工位綜合調度配料和單工位自動化配料。

4? 電子裝備工廠的信息化管理

4.1? MBOM及質量追蹤

EBOM（Engineering BOM）是工程物料清單，只描述了產品組成，缺少工藝和制造信息。為實現數字化環境下的物料自動化管理，在工藝規程設計時，根據現場生產線特點，對EBOM進行變形設計，轉換成PBOM（Process BOM），再轉換成MBOM（Manufacturing BOM），即按裝配工藝路線定義物料組成，生成工序級配套表，同時依據物料形狀、尺寸大小和特殊要求（如防靜電等）優化物料組箱策略。

基于工序/工位的物料配套單，記錄加工/裝配過程的質量信息和異常事件，確保產品全過程質量可追溯，裝配制件中關鍵元器件的質量數據管理流程如圖7所示。在設計環節，產品負責人識別關鍵元器件，工藝師在MBOM中標識關鍵元器件;在生產環節，關鍵元器件在物料配套組箱時，物料配送人員對批次信息初始化，作業人員在工位物料接收并實施裝配，記錄物料批次裝入信息;上述批次信息記錄通過MBOM進行整合與結構化顯示，實現產品質量可追溯。

在物料配套環節，依據MBOM及物料組箱策略，將物料按工序/工位的配套單進行組箱，并將料箱存放到庫房中。根據制造作業計劃節點要求，物料自動配送到對應工位，大大提高多品種、小批量的物流效率。

4.2? 產品三維工藝

三維設計可模擬和優化裝備制造過程，提前發現設計差錯和制造風險，大幅減少制造過程中的設計更改，縮短產品生產周期、降低質量損失。在產品三維結構模型基礎上，進行工藝規劃與設計、模型拆解與工藝過程仿真，釋放結構裝配干涉和接口差錯，運用三維動畫形式，制作工藝全流程指導書，提高操作人員對新任務的消化和理解效率，如圖8所示。

4.3? 制造可視化管理

制造可視化是數字化管理的重要組成部分，包括虛擬樣機技術、三維輕量化顯示技術、設備調度監控技術和執行看板等方面，顯著提高設計、制造和管理效率。制造可視化生產看板如圖9所示。

5? 結? 論

數字化工廠是智能制造的基礎，是一項新興生產組織方式。數字化工廠在電子裝備制造企業的應用，促進裝備制造的產能提升、計劃精細化管理、成本控制、質量全過程管控和管理持續改進，發展前景非常廣闊。筆者后續將繼續研究脈動生產線、高級作業排程、生產統計過程控制（SPC）等技術，進一步推動電子裝備制造的數字化和信息化水平，推動企業信息化轉型工作，為企業高質量發展助力。

參考文獻：

[1] ROOKS B. Digital Factory Arrives at CIM98 [J].Assembly Automation，1999，19（2）：109-113.

[2] Z?H M F，PATRON C，FUSCH T. Die Digitale Fabrik [J].Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb，2003，98（3）：75-77.

[3] MATSUDA M，KASHIWASE K，SUDO Y. Agent Oriented Construction of a Digital Factory for Validation of a Production Scenario [J].Procedia CIRP，2012（3）：115-120.

[4] SHAN L，WANG Y E，CHEN B，et al. Study on Modeling and Simulation of Digital Factory Technology in Complex Production Development [J].Advanced Materials Research，2012（1518）：2383-2389.

[5] 洪云.基于用戶驅動的廣州汽車產業數字化轉型研究 [J].現代信息科技，2020，4（3）：135-137.

作者簡介：潘紅偉（1978.04—），男，漢族，江蘇南京人，工程師，本科，研究方向：軍工科研生產管理。