表面處理生產線智能制造自動化技術研究

張小琴，冀耀華，王 翀

（陜西飛機工業有限責任公司，陜西 漢中 723213）

近幾年來，隨著科技的飛速發展，“中國制造”逐步向“中國智造”轉型，智能制造技術是世界制造業未來發展的重要方向之一，智能化是制造自動化的發展方向，借助數字化手段進行虛擬工廠構建及生產線模擬仿真，以工業物聯網為基礎，引入智能加工設備、物流及倉儲設備、智能工具等，利用傳感、自動化、數據傳輸、大數據分析及人工智能、機器人等技術，實現智能設備、產線、物流配送、設備能耗的互聯互通、自動執行、人機交互、效能監控。國內表面處理工程的技術水平參差不齊，與國外相比仍存在比較大的差距。尤其是生產線自動化程度低，大多仍停留在手工操作水平，故開展表面處理生產線智能制造自動化研究具有重要意義。

1 研究內容和目標

1.1 研究內容

針對表面處理加工過程以參數控制為主的特點，基于工控網開展設備、制造執行系統與信息系統互聯互通，開展表面處理生產線智能制造自動化技術研究，本文主要研究內容包括表面處理智能化生產線特征、表面處理生產線數字孿生技術、數字化工藝系統、數字化MES 生產管控系統、智能物流管理系統[1]。

1.2 研究目標

為開展數智航空建設，提升數字化智能化的裝備制造能力，打通表面處理產線仿真驗證、智能工藝管理、計劃排產、在線分析、生產過程管控等流程，研究具備動態感知、實時分析、自主決策、精準執行特征的先進制造技術和信息化相融合的智能表面處理生產線。

2 表面處理生產線智能化特征

表面處理智能化生產線能實現不同程序自動調用、設備自動控制、參數自適應控制。具備溫度自動控制、PH 值自動控制、電流電壓自動控制、自動噴淋、自動補水、自動分析、自動加料、自動記錄及生產自檢的智能生產線。

3 表面處理生產線數字孿生技術

利用數字孿生技術，通過虛擬手段對表面處理生產線進行仿真驗證、制造驗證，以期在虛擬環境中及早發現并解決各種質量故障和產線工藝問題，構建表面處理生產線的數字孿生模型，對產線設計的正確性進行驗證，并對表面處理生產線運行過程中的各類特殊狀況進行模擬，實現虛擬生產。

構建表面處理智能生產線的數字孿生模型，實現：

（1）建設三維數字化表面處理生產線模型（包括設備布局、物料輸送系統、生產策略等），動態展示生產組織過程。

（2）依據生產線數字孿生模型，對表面處理生產線的生產能力進行仿真驗證。

（3）對生產線的生產節拍、設備效率進行驗證，分析生產瓶頸。

（4）對生產線的工藝資源（人員需求、物流設備數量需求等）參數進行驗證和優化。

（5）針對生產線設備的潛在故障，對生產預案進行驗證。

（6）實現生產線孿生模型與現場控制系統、MES 系統的數據集成，以可視化的方式展示現場生產狀態，進行實時生產決策。

（7）依據表面處理生產線的加工產品，對混線生產模式（不同零件種類，不同批次大小，緊急插單等）進行仿真和驗證。

4 數字信息化管理系統

4.1 數字信息化管理系統—數字化工藝系統

數字化工藝系統實現表面處理工藝的管理，通過工藝設計管理平臺使用數據導入工具實現設計零件數據的導入，并將設計三維數模、技術文檔等與當前對象相關聯，作為表面處理工藝表的數據源及參考文檔。

通過工藝參數、典型工藝積累可構建工藝數據庫、各類工裝夾具構建工裝庫，形成工藝設計知識庫，進行零件表面處理工藝設計時快速調用。數字化工藝系統中的結構化工藝參數可直接傳遞到生產設備，無需人工干預，減少生產錯誤，實現生產自動化。

（1）零件數據管理。將零件數據以散件的方式導入到工藝設計管理平臺中，采用構建虛擬BOM 的方式，將同一單位的散件使用一個虛擬BOM（虛擬組件）進行管理，當零件發生變更時，可通過虛擬組件的不同版本記錄零件的變更過程，實現對零件變更的追溯，實現技術狀態的控制[2,3]。

（2）結構化工藝管理。工藝規劃管理MPM，是一種貫穿計劃、設計、制造和管理全過程的協同工作環境，旨在對生產過程中的工藝信息進行協調的統一管理。工藝信息結構化管理成為一種必要的方式。

TCM管理系統可進行工藝設計和規劃，提倡“3PR”――即通過產品(Product)、工藝(Process)、工廠(Plant)與資源(Resource)四者共同構建工藝結構清單（BOP）的思想，使得所有工藝信息全部結構化，工藝數據的管理更加清晰，數據的檢索和重用更加快捷。

4.2 數字信息化管理系統—MES 生產管控系統

MES 生產管控系統以生產計劃為主，結合制造BOM，將生產策劃、生產準備、物料供應、產品制造、質量控制等任務進行分解，形成可執行的作業任務，并對執行過程進行實時監控和層層反饋，形成訂單提交、投產任務下達、投產計劃分解、車間制造執行、生產數據采集和信息反饋的閉環管理，實現生產管理的透明化、可視化和敏捷化；以設計、制造為集成系統建設核心需求，基礎資源數據庫為公共支撐，產品數據管理/工藝數據管理/生產計劃管理/物資管理系統應用集成為重點，實現設計數據、工藝數據、生產數據在相關系統的貫通，建立設計、工藝、制造之間的有機銜接，形成設計、制造一體化集成應用環境；實現以制造BOM 為核心，對生產過程全生命周期的數據進行采集、處理、集中管理，實現生產過程全程可追溯，為后續數據分析、管理決策奠定基礎。提高生產管理效率，及時、準備、全面地掌握生產動態，有效控制生產過程。

（1）人員與班組。車間人員管理主要是對系統內相關用戶信息進行定義，包括定義人員的賬號、權限、操作菜單、登錄首頁、產線分配、班次、工作日歷、技能與培訓記錄等信息等。

人員基本信息：以人員為中心，對全車間人員檔案、工時等進行管理。包括維護車間人員的基本信息，建立車間人員崗位情況表。通過對車間人員所屬的班組、工位、操作設備等產線分配，使系統可以精準化的為操作人員提供所需制造任務信息。

班組管理：根據車間組織結構及人員班組情況，靈活定義班組信息，并將相應人員添加到班組中。同時建立設備和班組，設備和人員之間的邏輯關系，達到快速分類和查找、利用的目的。

（2）計劃任務管理。生產計劃管理是整個數字化生產執行系統的最前沿部分，重點完成車間作業計劃的制定和進度監控，確定車間計劃的生產數量和完成時間，下達車間產品或需交付項目的生產指令，完成產品配套任務。計劃任務管理包含了如下關鍵需求：①生產計劃導入：從生產管理系統提取零件交付節點計劃，由車間庫房人員掃碼錄入零件信息，創建Excel 表格，計劃員制定車間作業計劃，確定車間計劃的生產數量和完成時間，將作業計劃自動推送各班組。②緊急任務插單：當需要進行緊急任務或臨時任務插單時，計劃員可以在Excel 表格中創建優先級較高的生產計劃清單，通過導入工具進入MES 系統中接收該生產任務（緊急插單），即可對該生產任務進行派工生產。③計劃進度監控：實現車間計劃執行進度、完工狀態、設備狀態、報警等信息的可視化瀏覽和查詢功能，并根據事先設定的方式觸發相應的事件或報警，督促管理人員及時采取應對策略。④作業調度管理：為車間計劃員、調度員和工段長提供計劃下發、生產準備、作業派工、外協調度等功能，并通過在制品進度監控零件在車間的流轉狀態和設備狀態等。⑤工段長派工：車間計劃員將計劃下發到工段長后，工段長即可進入作業派工界面，根據當日的生產情況（任務信息、緊急程度、時間要求等）和設備、人員情況進行派工，指定相關的人員或設備進行加工。⑥現場執行管理：將企業生產的諸要素、各環節和各方面的工作有效地結合起來，形成聯動作業和連續生產，以最少的耗費，取得最大的生產成果和經濟效益。⑦生產任務接收：班組接收工段長派工，工人通過終端設備查看對應任務，接收屬于自己的生產任務，系統自動記錄接收時間。⑧現場作業報工：工人根據工藝文件指導完成產品加工后，掃描FO 條碼系統自動記錄該工序報工的時間節點。⑨現場數據采集：通過工控機接口與信息化系統互連，實現大量數據的自動采集，為統計分析、決策管理和產能優化提供可靠的數據支持。

（3）設備管理。設備是企業進行生產的主要物質技術基礎，將所有生產線、廢水設備、廢氣設備獨立控制模式進一步集中化、信息化和智能化管控。實現所有設備數據互通、數據交換、智能控制，自動統計設備故障率及設備保養周期記錄，進一步提高效率。

（4）質量管理。質量管理是精益生產的核心環節，按照產品質量規范管理要求所有進入車間的產品都要嚴格按照質量標準進行操作和控制，以杜絕或避免質量問題的發生。車間質量管理能夠進行質量信息手工錄入、自動采集、處理、查詢、追蹤、打印、統計等。通過工藝參數數據采集可實現無紙化生產原始記錄。

5 智能物流管理

5.1 物流過程仿真

通過對物料、設備、夾具、緩沖區、人等生產要素進行邏輯建模，結合生產現場采集的實際工藝參數，對物流規劃方案進行仿真，準確地對生產線的實際物流過程進行預測或再現，并分析生產線瓶頸、效率和產能。

物流設計原則：安全原則、整體綜合原則、人流物流通暢原則、移動距離最小原則、搬運次數最小原則、空間利用原則、柔性原則。

5.2 智能物流系統

智能物流系統主要由智能倉儲系統、智能運輸機器人、工裝提升裝置和智能調度系統等四部分組成。

（1）智能倉儲系統。表面處理零件種類多，庫房用于零件周轉，智能倉儲系統需建設零件倉儲系統，由立體貨架、存儲托盤和自動巷道堆垛機構成，實現零件快速存取和揀選。

（2）智能運輸機器人。智能運輸機械人采用潛伏式結構，激光雷達AGV 導引和控制，通過車載控制系統、先進的激光導航技術和成熟的避障算法，自動行駛至各工位緩存區，自動找到目標零件存儲防護架，潛入防護架底部對接、舉升后，將零件帶防護架通過背負的方式從當前工位準確、高效的運送至下一工位，實現零件免裝卸車、無人或單人操作的快速工位間轉運功能。

（3）工裝提升裝置。工裝提升裝置主要是實現零件工裝提升到生產線行車機架上的搬運轉換工作。工位提升裝置采用升降式機械結構，用于輔助操作工人快速完成零件的上下料和短距離轉移工作，實現可單人完成零件在工位上的快速上下料操作。

（4）智能調度系統。智能調度系統的核心是中樞控制系統，用于接收各工位信息采集終端物流運輸需求指令，采集各節點智能系統的使用狀態，結合生產計劃的先后次序和物料運輸信息，通過合理的算法，提供給調度人員決策并回饋給各節點需求人員，控制智能倉儲系統和智能運輸機器人，實現零件各周轉運輸環節的通訊的無縫銜接和高效的組織調度，兼備異常報告、調度決策和統計分析等功能，為管理人員提供車間內部物流管理的各類統計數據，即時顯示物流狀態和輔助決策等功能。

6 結語

通過新一代信息通信技術與先進制造技術深度融合，表面處理智能制造通過MES 生產管控系統的構建及智能化表面處理生產線的搭建，傳統表面處理的生產將會實現部分或者全部無紙化加工，從設計參數的獲得到制造環節的信息傳遞以及后續物流環節的管理都可實現全流程信息化管控，提高表面處理生產線智能制造自動化水平。