機床加工數字化車間建設研究*

姜雪崑 趙欽志 王軍見 高 學 王香芹 黃 浩

（①通用技術集團機床工程研究院有限公司，北京 100102；②國家機床質量監督檢驗中心，北京 101312）

隨著新一輪科技革命的飛速發展，以人工智能、物聯網、大數據為代表的新一代信息技術與先進制造技術的不斷融合推動了制造業向智能制造方向轉型。美國提出了“先進制造業伙伴計劃”，德國提出了“工業4.0”等戰略。我國出臺了“十四五”智能制造發展規劃等政策，提出要推動制造業高端化、智能化，將智能制造作為制造強國建設的主攻方向，在重點領域建設智能工廠和數字化車間[1]。

數字化車間是智能工廠的核心部分，其目標是實現制造業現實世界與信息世界的全面互聯與智能融合[2]。歐盟早在二十世紀初就大力推動數字化、智能化和自動化在生產制造方面的高度集成[3]。Mohd Yusoh Z I 等人[4]收集生產過程中產生的大量數據并進行深入分析，找到企業當前生產環節中的瓶頸。Shafiq S I 等人[5]研究在物聯網虛擬設置中運行的各種計算機集成制造（CIM）組件之間傳遞的數據，通過重用不同場景、不同公司的經驗，來幫助目標公司制定策略。Pusztai L P 等人[6]在對MES系統的研究之上，提出了一種根據風險狀況來調整生產調度的方法。國內的清華大學、北京工業大學、電子科技大學、通用技術集團機床工程研究院[7-10]等高校和機床企業對數字化車間建設也開展了一系列研究，推動了數字化車間技術在機床加工領域的應用實踐。

筆者調查發現機床加工企業在智能制造技術的研究進展和研究方向上主要集中在工藝過程數字化技術、產線（設備）管理數字化技術和車間管理數字化技術上[11]。采取的技術手段是應用互聯網技術建立起數據管理平臺，實現對生產（設備）數據的采集、存儲、分析和調用。然而機加工車間的信息種類繁多，內部各硬件設備和軟件系統存在異構性，在車間內進行信息的集成和應用時基礎數據質量差，異構系統模型匹配困難，從而導致加工質量不穩定、生產管理粗放等問題，嚴重阻礙了機床制造加工車間向數字化、網絡化和智能化制造的升級。

本文圍繞機床行業機加工車間存在的問題，開展面向機床加工數字化車間的技術研究，以實現設備數據透明化，產線調度高效化，車間管理精細化，從而改善車間生產業務流程，提升車間生產調度科學合理化水平，優化車間生產制造資源配置。

1 機床加工數字化車間的建設需求

隨著智能制造技術的發展和用戶需求的提升，產品向定制化、多元化發展的趨勢日漸凸顯。機床加工車間的生產需求也呈現出大量定制化產品的增加，且多以小批量、多品種為主，并且對縮短生產周期、提升現場管理水平、生產效率和能源利用率、降低運營成本、產品不良率和設備故障率等提出更高要求。在生產中主要體現在：（1）訂單種類多，需求時間急，為滿足生產計劃，機加工車間需要經常性地更換工藝路線并調整設備和工裝夾具，緊急情況還有插單現象，由此造成時間成本、設備成本、物料成本的損失并嚴重影響生產效率和加工件質量；（2）在零部件加工和檢測過程中產生的數據大部分由人工記錄和讀取，信息孤島嚴重，不能進行數據的深層次挖掘，缺乏對加工信息的有效分析利用，不能為智能化生產提供優化決策。

在充分了解機床加工車間亟需解決的問題并綜合考慮機加工設備數據資源的基礎上，根據 《GB/T 25485—2010 工業自動化系統與集成制造執行系統功能體系結構》[12]《GB/T 41255—2022 智能工廠通用技術要求》[13]及《GB/T 41392—2022 數字化車間可靠性通用要求》[14]，確定數字化車間建設的核心功能和基本要素應包括生產管理、物料管理、質量管理和設備運維管理，同時兼顧車間建設的可靠性要求。結合智能工廠關鍵技術和數據流示意圖[10]及機床加工生產流程，設計出機床加工數字化車間業務流程，如圖1 所示。建立集成的機床加工車間信息化系統，實現工藝管理系統、車間資源管理系統、MES 系統、DNC、MDC 及可視化展示系統之間的無縫集成，消除信息孤島，實現人員、成本、采購、工藝、生產計劃、生產執行、質量閉環、設備互聯互通等流程的集成運作。

圖1 數字化車間業務流程

根據數字化車間的業務工作流程，數字化車間建設的重點是實現車間生產流程信息化覆蓋，實現各信息化系統之間的信息貫通，實現車間生產現場狀態的可視化、生產過程的可追溯以及生產信息的可貫通、生產管理的無紙化。建設需求見表1，并應關注以下內容。

表1 機床加工數字化車間建設需求

（1）業務全覆蓋，業務管理信息化：構建工藝管理系統、車間資源管理系統、車間生產管理系統、DNC/MDC 系統、可視化展示系統，實現車間管理流程的信息化全覆蓋。

（2）信息全貫通，業務管理數字化：通過新建系統的無縫銜接與集成，實現業務系統（硬件）之間的數字協同，建立數字化驅動的數字化車間及管理。

（3）過程全記錄、業務監控和可追溯：通過建立車間網絡環境和業務全覆蓋信息系統，實現車間生產活動的人、機、料、法、環相關數據的實時記錄和采集，實現車間業務流程的精細化管理、車間生產過程的監控、產品各加工環節的質量檢測追溯和車間生產看板及報表的統計。

（4）構建物聯系統、設備看板和監控：通過構建DNC/MDC 系統，實現車間設備（數控設備、普通設備、檢測設備、環境檢測設備等）的聯網，實時獲取設備的狀態（開機、關機、運行參數、報警信息等）實現車間設備看板和監控，及時發現設備運行中的問題，提高設備的有效產出。

在車間建設過程中需遵循以下原則：

（1）統籌考慮，協同推進，對存在依賴關系、集成關系的軟硬件系統，盡量同步建設、整體上線，并事先做好規劃，達到快速實現數字化車間的價值和成效的目的。

（2）著重考慮數字化車間各類軟件的應用及技術發展趨勢，兼顧軟硬件系統的可靠性、安全性、環境適應性、實用性、開放性、擴展性、易用性、保密性、維修性、測試性等性能要求，保證系統建設的可靠、好用、實用。

（3）結合數字化車間的整體建設目標，構建在適應新技術發展的同時，還要兼顧技術上的成熟性和車間業務流程等實際情況。立足國際、國內一流成熟技術，跟蹤先進技術，建設先進的數字化車間。

2 機床加工數字化車間的總體架構和性能

根據機床加工數字化車間的構建原則和構建內容，并結合業務流程（圖1）確定機床加工數字化車間總體架構設計模型，如圖2 所示。

圖2 機床加工數字化車間總體架構設計模型

考慮到構建的對象是面向機床加工任務實施和管理的數字化車間，為滿足智能化管理的需求，建設內容應囊括加工車間的所有核心職能。在數字化車間建設上主要包含三方面內容。

（1）各業務信息化系統搭建：根據數字化車間總體構架設計模型（圖2），確定機床加工數字化車間建設以8 個業務系統為主，分別是車間資源管理系統、設備管理系統、項目管理系統、工藝管理系統、分布式數控系統DNC、數據采集系統MDC、生產制造執行系統MES 以及可視化展示系統，并實現加工車間任務管理、人員管理、采購管理、工藝管理、物料管理、成本核算、生產計劃、生產執行、質量管理、設備管理、工具工裝資源管理、數據采集及數控程序管理等功能。

（2）各業務信息化系統的集成：機床加工數字化車間建設需充分利用企業現有的數據資源，保證各業務系統數據的互聯互通和無縫集成。企業管理層一般采用ERP 系統，所以實現車間級的設備層、控制層、操作層與管理層的系統集成是技術重點。

（3）網絡及硬件建設：結合機床加工數字化車間系統建設和系統集成的具體要求，建設完備的網絡基礎設施環境，以及全部的配套硬件設備，包括：車間現場網絡建設、各系統的網絡、服務器、硬件、終端電腦、電子看板、設備聯網等硬件的建設。

根據數字化車間總體架構設計模型，并結合機床加工數字化車間的構建原則和構建內容，確定機床加工數字化車間系統整體性能需求，見表2。

表2 機床加工數字化車間系統整體性能需求

3 面向機床加工數字化車間建設的總體設計

3.1 數字化車間整體布局

數字化車間生產以滿足定制化、柔性化以及多品種小批量的生產模式為主，具體包括中小零件加工、精密零件加工、焊接加工、部件裝配及檢測等，由五軸加工中心、車銑復合加工中心、電火花加工中心、車削中心、磨削中心、線切割、桁架機器人等智能裝備組成，設備具有標準通信接口并支持主流通信協議，具備可擴展性能。平面布局如圖3 所示。

圖3 機床加工數字化車間布局圖

3.2 數據互聯互通

機床加工數字化車間建設的重點是保證車間的數據貫通，在此基礎上實現車間智能化管理和生產的相關性能指標。通過集成，在實現各系統數據無縫銜接的同時，充分利用加工中心數控系統基礎數據，最大程度發揮已有資源的作用。

數字化車間在滿足車間資源管理系統、設備管理系統、工藝管理系統、項目管理系統、分布式數控系統DNC、數據采集系統MDC、生產制造執行系統MES 以及可視化展示系統信息貫通的同時，與ERP 系統及數字化設計與仿真平臺，根據系統定位和車間業務進行信息聯通，實現車間管理數字化驅動。數字化車間系統集成如圖4 所示。

圖4 數字化車間系統集成

3.3 系統集成內容

3.3.1 工藝管理系統集成

工藝管理系統包含機加工工藝過程卡編制、物料清單（BOM）、材料定額、工時定額、工藝信息統計、工藝文檔管理、工藝審批管理、工藝變更管理、工藝文件輸出、工藝知識管理等功能，在建設中要考慮與ERP 系統、MES 系統、數字化設計與工藝仿真平臺進行數據交互，如圖5 所示。

圖5 工藝管理系統集成

與MES 系統集成包括：（1）工藝基礎信息，即工藝管理系統將工藝過程卡、圖紙、作業指導書、BOM 等工藝信息、程序信息等工藝基礎信息發布給MES 系統；（2）MES 系統的資源信息，主要是MES 系統將加工設備、檢測設備、刀具、量具和工裝夾具等信息發布給工藝管理系統。

與數字化設計與工藝仿真平臺集成內容是：工藝仿真平臺將設計基礎信息，主要是二維模型、三維模型、設計要求、檢測要求和材料定額等信息發布給工藝管理系統。

與ERP 系統集成的內容是：基于ERP 流程引擎進行開發和擴展，以達到基于 ERP 系統完成工藝流程審批的程序。

3.3.2 車間資源管理系統集成

機加工車間資源管理系統包含根據項目管理的機加工任務，實現車間加工任務管理、采購管理、庫房管理、成本核算、人員管理等功能，其主要與MES系統、設備管理系統和ERP 三個系統進行信息交互，如圖6 所示。

圖6 車間資源管理系統集成

與MES 系統集成主要包括：（1）與MES 系統生產信息的交互，MES 系統將車間生產計劃、人員工時等相關信息與車間資源管理系統進行交互；（2）與車間資源管理系統物料信息的交互。車間資源管理系統將物料庫存、物料出入庫等信息與MES 系統進行交互。

與ERP 集成內容主要包括：（1）采購流程的審批，即基于ERP 流程引擎開發和擴展審批流程，以達到為車間資源管理系統的采購流程進行審批的服務；（2）物料主數據，即基于ERP 進行物料主數據及相關服務開發，物料主數據主要包括物料編碼、物料名稱、物料規格、物料數量、材料牌號等信息；（3）人員基礎信息，直接調用ERP 人員編碼、名稱、崗位等基礎信息、權限控制信息等相關數據和服務。

與設備管理系統主要是進行采購設備基礎信息的集成。與設備管理系統中的采購類型、數量、供應商信息、設備三維模型圖等信息進行交互，根據相關數據完成采購。

3.3.3 MES 系統集成

MES 系統包含進行車間生產計劃管理、生產執行管理、設備管理、工具工裝管理、質量管理和產品質量追溯等功能，在建設中要考慮與工藝管理系統、車間資源管理系統、設備管理系統、ERP 系統、項目管理系統和DNC/MDC 系統進行集成，如圖7 所示。

圖7 MES 系統集成

與工藝管理系統集成主要包括：（1）工藝基礎信息的調用，工藝管理系統將工藝過程卡、圖紙、作業指導書、BOM 等工藝信息和程序信息等工藝基礎信息發布給MES 系統；（2）MES 系統資源信息的調用，主要是MES 系統將加工設備、檢測設備、刀具、量具和工裝夾具等資源信息與工藝管理系統進行交互。

與設備管理系統的集成主要是進行設備基礎信息的調用。基于設備管理系統進行設備主數據、服務的開發和擴展，設備主數據主要是設備編號、設備名稱、設備屬性和設備狀態信息等，為MES 系統提供設備基礎信息使用服務。

與項目管理系統的集成主要是進行任務基礎信息的調用。通過在項目管理系統中建立項目信息主數據，并為項目管理系統提供開放的項目追溯接口，與MES 系統中的工藝計劃、采購計劃、生產計劃、質量監控情況、質量相關的進度信息、逾期警告信息等進行交互。

與DNC/MDC 系統集成主要包括：（1）即時狀態信息的集成，獲取設備工況、設備運行參數、環境參數等信息，滿足MES 系統形成產品生產過程檔案、產品質量追溯、設備和車間看板提供的數據服務；（2）NC 程序集成，將NC 程序進行管理并下發給加工中心等設備。

與ERP 系統集成主要包括：（1）流程引擎、流程設計，如采購審批流程、質量審批流程、工藝審批流程和設計審批流程等；（2）基于物料主數據的集成業務數據與流程數據的集成。

此外，還需與工牌刷卡器、掃碼槍、條碼打印設備和攝像頭等進行集成，實現生產過程中對質量數據、人員信息等的采集。

3.3.4 DNC/MDC 等系統集成

DNC/MDC 系統主要實現以下兩個功能：（1）數控程序的管理和下發，實現數據程序的集中管理，通過車間數控設備組網，實現數控程序的下發；（2）數據采集，即數據采集層通過對數控設備、普通設備、檢測設備和環境檢測儀器的組網，實時采集設備狀態、運行參數、報警信息、環境數據等構建車間現場實時數據庫，為可視化展示、設備監控和看板和環境分析提供數據支撐。其主要與MES系統集成，為生產提供現場即時數據服務，主要是設備工況、設備運行參數和環境參數等。

3.3.5 可視化展示系統集成

數據展示層是通過對MES 系統、車間資源管理系統、工藝管理系統、DNC/MDC 中工藝、人員、采購、計劃、質量和設備等數據的抽取，并加以整合處理，通過大屏以圖形、表格等方式進行展示，為管理決策提供數據支持。

3.4 系統集成原則

機床加工數字化車間各業務系統在按照技術要求和系統業務定位實現系統間無縫銜接和系統間數字驅動的同時，在系統集成建設上需遵循以下三點原則：

（1）基礎數據的獲取。基于車間生產流程的基礎數據是數字化車間各業務系統進行數字驅動的基礎數據，數字化車間各業務系統中所有涉及人員基本信息、單點登錄、加工任務管理、設備管理、流程審批等管理都需要與平臺的基礎數據進行聯通，并調用平臺基礎數據服務接口完成數據交互。

（2）基礎數據的讀取和回寫。機床加工數字化車間所需的基礎數據和服務，需要從平臺系統進行讀取和回寫，對于平臺不能提供的基礎數據和服務，都需要基于平臺系統進行開發和擴展，車間各業務系統之間需要以通用開放的數據接口提供支撐。

（3）提供開放的數據接口和數據庫資源。機床加工數字化車間各業務系統均需提供完整的數據接口，均能以開放的數據接口為系統提供業務過程、業務結果、業務統計分析等數據，數據庫所存儲的數據要求能以標準的方式被第三方系統直接使用。

4 結語

通過分析機床加工數字化車間業務流程和建設需求，明確了信息化系統、系統集成、網絡硬件建設、系統維護等建設要求。構建了基于數據采集層、設備控制層、生產執行層與管理層和數據展示與應用層的車間總體架構設計模型。詳細闡述了建設內容并提出了基于機床加工數字化車間運行數據的互聯互通和各信息化系統間集成的總體設計。通過某機床加工車間數字化升級后分析，得到以下結論：

（1）通過系統集成，形成對生產計劃和生產過程數據進行高效的分析和調度。通過分析系統生成的管理報表，如計劃達成率，產出率，設備稼動率，人員效率以及材料損耗率等，得出生產效率和能源利用率分別提高了20% 和 10% 以上，運營成本降低20% 以上，有效地驅動了車間管理水平提升。

（2）實現了對原材料及零部件等質量把控及記錄，對生產過程中關鍵工序在線質量檢測數據記錄及在線分析并進行質量追溯，產品質量穩定性和一致性得到較大改善。