關(guān)鍵詞 柔性集成制造 技術(shù)方法體系 快速系統(tǒng)實(shí)施

Keywords flexible integrated manufacturing, technique approach system, rapid system actualize

目前我國(guó)已是一個(gè)制造大國(guó)，但還不是制造強(qiáng)國(guó)，制造業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)相對(duì)薄弱。加工制造業(yè)為了更好地適應(yīng)新產(chǎn)品快速研制的需求，紛紛建立了精密機(jī)加車間，旨在滿足高新技術(shù)產(chǎn)品關(guān)鍵零部件的快速變批量精密加工，由于采用設(shè)計(jì)制造一體化思想進(jìn)行規(guī)劃并系統(tǒng)地應(yīng)用了柔性集成制造的技術(shù)與方法，取得了較好的應(yīng)用成效。

1 柔性集成制造應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)

通過部分重點(diǎn)企業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整調(diào)研，發(fā)現(xiàn)制造業(yè)還不同程度地存在如下問題：

（1）工藝設(shè)計(jì)效率低、生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng) 零件設(shè)計(jì)已經(jīng)普及了二維、三維軟件的應(yīng)用，但設(shè)計(jì)信息共享不足，工藝設(shè)計(jì)效率低，刀具準(zhǔn)備和工裝設(shè)計(jì)還有很大的盲目性和滯后性。

（2）數(shù)控設(shè)備利用率低 有些企業(yè)精密機(jī)加車間的數(shù)控設(shè)備開機(jī)率很高，但有效工作時(shí)間卻非常低，因?yàn)槎嗥贩N試制中經(jīng)常更換加工程序和工裝占用了過多的加工時(shí)間，增加了加工輔助時(shí)間。

（3）生產(chǎn)管理水平落后 作業(yè)計(jì)劃和生產(chǎn)信息管理為傳統(tǒng)的手工記錄和統(tǒng)計(jì)方式，重復(fù)抄寫，既費(fèi)時(shí)又經(jīng)常出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，很難準(zhǔn)確掌握計(jì)劃的完成情況、廢品率等生產(chǎn)狀況，信息無法共享。

解決上述問題需要企業(yè)大力應(yīng)用柔性集成制造技術(shù)，已有經(jīng)驗(yàn)表明 應(yīng)用不同柔性集成水平的制造系統(tǒng)可提高生產(chǎn)率 2-4倍，新產(chǎn)品試制周期和費(fèi)用減少1/3～1/2，能夠系統(tǒng)地提高企業(yè)的綜合競(jìng)爭(zhēng)能力 [1] 。

結(jié)合制造基礎(chǔ)技術(shù)應(yīng)用項(xiàng)目的開展，在某企業(yè)的實(shí)施中，設(shè)計(jì)開發(fā)了如下應(yīng)用系統(tǒng)：

（1）網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)庫支撐子系統(tǒng)（NDS：Network ａnd Database support System，包括組織、設(shè)施及網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫環(huán)境）

（2）工程設(shè)計(jì)子系統(tǒng)（EDS：Engineering Design integrated System，以CAPP為核心的××關(guān)鍵零部件CAD/CAPP/CAM集成應(yīng)用），如圖1所示。

（3）制造控制管理子系統(tǒng)（MCMS：Manufacturing Control & Management System，強(qiáng)調(diào)信息集成和人機(jī)協(xié)同的××關(guān)鍵零部件的柔性集成制造系統(tǒng)管理）,如圖2所示。

總體信息集成以快速以太網(wǎng)和 MS SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)為基礎(chǔ)，上層實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)集成，并通過工藝信息、制造資源信息和生產(chǎn)計(jì)劃信息實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與制造集成，底層車間制造由 CANBUS和RS232組成現(xiàn)場(chǎng)控制總線網(wǎng)，運(yùn)行模式選用集成DNC形式。系統(tǒng)中不設(shè)物流，不追求全盤自動(dòng)化，以信息集成為主，運(yùn)行過程強(qiáng)調(diào)人機(jī)協(xié)同， MCMS中設(shè)置人員工位11個(gè)，其中：操作人員工位7個(gè)、刀具準(zhǔn)備人員工位1個(gè)（兼系統(tǒng)維修員）、物料管理人員工位1個(gè)、系統(tǒng)管理人員工位2個(gè)。

經(jīng)過兩個(gè)階段近 7 個(gè)月的運(yùn)行考核證明，機(jī)床負(fù)荷率和綜合利用率有明顯提高，縮短工藝準(zhǔn)備時(shí)間在 37% 以上，機(jī)床聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行后的生產(chǎn)效率和管理水平都有明顯的提高。在完善的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的支持下，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造信息集成，對(duì)高新技術(shù)產(chǎn)品關(guān)鍵零部件生產(chǎn)起到了系統(tǒng)支持與保障作用。

2 柔性集成制造的技術(shù)方法體系研究

2.1 柔性集成制造實(shí)施方法研究的意義

21 世紀(jì)，客戶的個(gè)性化需求更加明顯和強(qiáng)烈，以大規(guī)模定制、個(gè)性化定制為主的生產(chǎn)模式要求制造設(shè)備、制造工藝和管理流程等都應(yīng)具有柔性，在集成方面，將從制造系統(tǒng)內(nèi)部的信息集成和功能集成發(fā)展到實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品整個(gè)開發(fā)制造的過程集成，并逐步步入企業(yè)集成階段。數(shù)字化企業(yè)要求注重控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的集成，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)協(xié)同工作與信息共享 [2] ，制造過程的柔性化和集成化仍是 21 世紀(jì)制造業(yè)的重要特征和主要發(fā)展趨勢(shì)。#p#分頁標(biāo)題#e#

柔性集成制造最終要通過一個(gè)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，涉及生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造信息集成和系統(tǒng)運(yùn)行控制等多個(gè)方面，如果完全面向個(gè)別企業(yè)開發(fā)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且實(shí)施的系統(tǒng)可靠性不易保證。因此，研究和開發(fā)柔性集成制造的系統(tǒng)實(shí)施方法具有重要意義。

2.2 快速實(shí)施柔性集成制造系統(tǒng)的技術(shù)方法體系定義

快速柔性集成制造是以快速工藝設(shè)計(jì)為先導(dǎo)，以數(shù)控技術(shù)為核心，以網(wǎng)絡(luò)通訊控制和管理為平臺(tái)，高效地完成企業(yè)多品種、變批量的加工、制造、裝配與檢測(cè)等過程的先進(jìn)制造技術(shù)。 當(dāng)前機(jī)械制造業(yè)適應(yīng)市場(chǎng)動(dòng)態(tài)需求及產(chǎn)品迅速更新的主要生產(chǎn)組織模式 －－ 柔性集成制造系統(tǒng)，具有高效性、靈活性和縮短投產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間等特性。 實(shí)施柔性集成制造 主要靠設(shè)備、工藝、組織管理等的柔性和系統(tǒng)的重構(gòu)能力及其快速的系統(tǒng)實(shí)施。

為了更好地開發(fā)具有通用功能的系統(tǒng)應(yīng)用模塊， 將柔性集成制造系統(tǒng)化分為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫支撐子系統(tǒng)、產(chǎn)品工藝快速設(shè)計(jì)子系統(tǒng)、快速生產(chǎn)組織管理子系統(tǒng)和柔性集成制造控制子系統(tǒng)。快速實(shí)施柔性集成制造系統(tǒng)的技術(shù)方法體系還包括相應(yīng)的內(nèi)外部環(huán)境條件，如 標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和企業(yè)專有知識(shí)等。通過基礎(chǔ)研究和工程應(yīng)用實(shí)踐，提出實(shí)施柔性集成制造系統(tǒng)的技術(shù)方法體系 如圖 3所示。

圖 3 快速實(shí)施柔性集成制造系統(tǒng)的技術(shù)方法體系

該體系的定義比較清楚地描述了系統(tǒng)的功能 組成及其內(nèi)在聯(lián)系， 結(jié)合國(guó)情，側(cè)重應(yīng)用，無需配備自動(dòng)化物流裝置，利用組件技術(shù)開發(fā)應(yīng)用模塊，可 大大節(jié)省企業(yè)的實(shí)施費(fèi)用。

3 實(shí)現(xiàn)柔性集成制造的快速系統(tǒng)實(shí)施方法

3.1 柔性集成制造的分系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

（1）實(shí)現(xiàn)柔性集成制造的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫支撐子系統(tǒng)

在企業(yè) Intranet中采用快速以太網(wǎng)技術(shù)連接職能部門、車間現(xiàn)場(chǎng)控制室和車間現(xiàn)場(chǎng)數(shù)控設(shè)備到同一網(wǎng)絡(luò)，為保證在有干擾環(huán)境下系統(tǒng)的傳輸性能，實(shí)施中采用屏蔽系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并特別考慮系統(tǒng)抵御外界電磁干擾的能力和系統(tǒng)本身向外輻射電磁干擾的問題。應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)采用面向?qū)ο蠓椒ǎ瑪?shù)據(jù)源接口分別配置成Oracle和 SQL Server，為用戶提供完整的數(shù)據(jù)庫解決方案。

（2）產(chǎn)品工藝快速設(shè)計(jì)子系統(tǒng)

根據(jù)典型零件的工藝分析和企業(yè)工藝設(shè)計(jì)需求調(diào)研，建立工藝資源庫，定制相應(yīng)的工藝卡片模板，創(chuàng)建典型工藝，完成檢索式 CAPP工具系統(tǒng)開發(fā)；針對(duì)主要產(chǎn)品的加工特征分析，創(chuàng)建加工特征庫，完成基于特征提取的創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用。

（3） 快速生產(chǎn)組織管理子系統(tǒng)

通過典型企業(yè)生產(chǎn)組織管理流程分析和快速生產(chǎn)組織需求調(diào)研，開發(fā)具有一定通用性的生產(chǎn)管理模塊，包括：生產(chǎn)計(jì)劃管理、作業(yè)任務(wù)分配、刀（量）具管理、集成化 NC程序文件管理、生產(chǎn)信息統(tǒng)計(jì)查詢、工時(shí)核算等。

（4） 柔性集成制造控制子系統(tǒng)

這是快速柔性集成制造工程應(yīng)用的關(guān)鍵部分，通過數(shù)控設(shè)備網(wǎng)絡(luò)通訊服務(wù)、 NC程序傳輸控制、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、任務(wù)完成信息返回等功能模塊設(shè)計(jì)和數(shù)控加工多功能機(jī)床輔助控制器的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)加工系統(tǒng)與工藝設(shè)計(jì)、生產(chǎn)管理等的信息集成和車間數(shù)控設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行控制。

3.2 實(shí)現(xiàn)柔性集成制造的多功能機(jī)床輔助控制器開發(fā)

中國(guó)制造業(yè)當(dāng)前面臨最突出的問題是生產(chǎn)系統(tǒng)效率不高 [3] ，通過快速工藝準(zhǔn)備和數(shù)控設(shè)備聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行管理，能實(shí)現(xiàn)快速生產(chǎn)轉(zhuǎn)換并提高系統(tǒng)效率。采用專門開發(fā)的多功能機(jī)床輔助控制器可實(shí)現(xiàn)集成 DNC功能，由一臺(tái)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)所有數(shù)控設(shè)備的通訊，在DNC主機(jī)無人操作的情況下，操作人員在數(shù)控設(shè)備端即可實(shí)現(xiàn)與DNC主機(jī)的通訊對(duì)話，效率高，規(guī)模擴(kuò)大時(shí) 能很方便地添加新的設(shè)備到集成控制系統(tǒng)中，一臺(tái)主控機(jī)最多能控制 128臺(tái)數(shù)控設(shè)備，擴(kuò)展性好。

多功能機(jī)床輔助控制器，是專門研制的系列化產(chǎn)品。它可以實(shí)現(xiàn)具有不同數(shù)控系統(tǒng)的加工中心和簡(jiǎn)易數(shù)控設(shè)備通過 RS232連接到快速以太網(wǎng)上，NC程序上下載可根據(jù)不同系統(tǒng)要求設(shè)置傳輸率，可在機(jī)床端申請(qǐng)任務(wù)、返回任務(wù)完成信息。為有效評(píng)價(jià)加工/生產(chǎn)效能 [4] ，獲得更多的工廠底層信息，高級(jí)型還可存儲(chǔ)NC程序、記錄機(jī)床開關(guān)機(jī)時(shí)間和某個(gè)程序的運(yùn)行次數(shù)以及直接向控制室實(shí)時(shí)上報(bào)機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)及故障信息。#p#分頁標(biāo)題#e#

3.3 柔性集成制造的系統(tǒng)實(shí)施方法探討

（1） 按照上面柔性集成制造技術(shù)方法體系定義，采用模塊化設(shè)計(jì)思想和組件技術(shù)開發(fā)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)模塊與系列化產(chǎn)品，如為 產(chǎn)品工藝快速設(shè)計(jì)開發(fā)了開放的工藝資源管理器、零件分類編碼標(biāo)準(zhǔn)輔助編制系統(tǒng)、檢索式 CAPP樣板工藝、基于特征庫、知識(shí)庫和專家系統(tǒng)的創(chuàng)成式CAPP模塊 ； 為快速生產(chǎn)組織管理開發(fā)了 作業(yè)計(jì)劃及任務(wù)分配模塊、生產(chǎn)管理模塊、刀具管理模塊；為柔性集成制造控制開發(fā)了 NC程序版本管理與傳輸模塊、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控模塊以及數(shù)據(jù)庫接口模塊；

（2） 采用配置文件連接數(shù)據(jù)庫，開發(fā)數(shù)據(jù)庫接口功能模塊，實(shí)現(xiàn)在不修改程序的情況下，通過修改配置文件來連接不同的數(shù)據(jù)庫 [5] 。設(shè)置表示數(shù)據(jù)庫的變量為 sDBMS，連接字串設(shè)為sAdoconnect。具體代碼如下：

Select Case sDBMS

Case "sqlserver"

sAdoConnect = "Provider=SQLOLEDB;Server=" & sServer & " Database=";

& sSid & ";UID=" + sUid & _";PWD=" + sPwd

Case "oracle"

sAdoConnect = "Provider=OraOLEDB.Oracle;Data Source=" & sSid;

& "User ID=" & sUid & ";Password=" & sPwd

End Select

（3）分析企業(yè)的實(shí)際需求和應(yīng)用目標(biāo)，了解企業(yè)相應(yīng)組織架構(gòu)及生產(chǎn)管理流程、技術(shù)專長(zhǎng)、特有優(yōu)勢(shì)等企業(yè)知識(shí)，按柔性集成制造技術(shù)體系及已有相應(yīng)子系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)模塊，進(jìn)行功能篩選；

（4）初步確定相應(yīng)軟件模塊和產(chǎn)品，快速建立演示系統(tǒng)并進(jìn)行應(yīng)用效果評(píng)估，與用戶協(xié)商確定工程實(shí)施的方案、進(jìn)度和目標(biāo)，簽訂合同；

（5）建立項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，分析現(xiàn)有工程設(shè)計(jì)軟硬件環(huán)境，制定設(shè)計(jì)制造信息集成接口實(shí)施方案，制定項(xiàng)目工作分解結(jié)構(gòu)（WBS）和進(jìn)度計(jì)劃、資源需求計(jì)劃；

（6）根據(jù)數(shù)控設(shè)備類型、控制系統(tǒng)類型或產(chǎn)品生產(chǎn)組織特點(diǎn)，劃分控制邏輯單元，選擇和配置多功能機(jī)床輔助控制器，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的系統(tǒng)實(shí)施工作；

（7）運(yùn)用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及柔性集成制造的有關(guān)規(guī)范，并及時(shí)關(guān)注項(xiàng)目相關(guān)者的需求，保證應(yīng)用系統(tǒng)的外部接口及人機(jī)界面最大限度地符合使用者的需求，控制系統(tǒng)實(shí)施過程，有意識(shí)地規(guī)避因集成化管理造成個(gè)別受影響人員的抵觸而使系統(tǒng)不能很好的應(yīng)用等風(fēng)險(xiǎn)；

（8）激勵(lì)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)努力工作,對(duì)照合同和工作計(jì)劃，進(jìn)行系統(tǒng)集成，開展應(yīng)用測(cè)試；

（9）進(jìn)行項(xiàng)目總結(jié)，提交實(shí)施報(bào)告，完成工程驗(yàn)收；

（10）后期跟蹤服務(wù)，爭(zhēng)取新的拓展與提高。

4 應(yīng)用實(shí)例及效果

某重點(diǎn)生產(chǎn)企業(yè)承擔(dān)著多項(xiàng)高新技術(shù)產(chǎn)品研制任務(wù)，為解決目前存在的生產(chǎn)信息共享不足、工藝設(shè)計(jì)效率低、產(chǎn)品生產(chǎn)輔助時(shí)間長(zhǎng)、設(shè)備利用率低、信息反饋不及時(shí)等問題，對(duì)其精密機(jī)加車間實(shí)施了柔性集成制造系統(tǒng)工程。

（1）根據(jù)需求，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)應(yīng)用體系結(jié)構(gòu) [6] ，如圖4所示。

（2）進(jìn)行軟件功能模塊篩選，由檢索式CAPP、生產(chǎn)管理、刀具管理、NC程序管理、NC程序傳輸?shù)饶K組成新的應(yīng)用系統(tǒng)，快速建立應(yīng)用原型系統(tǒng)，經(jīng)過與企業(yè)相關(guān)人員交流、預(yù)測(cè)使用效果、評(píng)估功能實(shí)現(xiàn)程度，確定系統(tǒng)目標(biāo)和實(shí)現(xiàn)方式。

（3）根據(jù)企業(yè)選用的ORACLE數(shù)據(jù)庫，修改了應(yīng)用系統(tǒng)接口軟件配置文件，設(shè)置如下：

[Database]

DBMS=oracle ‘設(shè)置數(shù)據(jù)庫類型

…

SID=orcl9.fmslab.com ‘設(shè)置服務(wù)名

USERID=shop524 ‘設(shè)置用戶名

PWD=shop524 ‘設(shè)置用戶密碼

通過配置文件形成 sadoconnect字串，軟件可通過該字串與數(shù)據(jù)庫連接。具體代碼如下：

Set re = New ADODB.Recordset

re.Open "ｓelect * from InReport", sAdoConnect, adOpenStatic

[SERVER]#p#分頁標(biāo)題#e#

server_location=192.168.0.253

…

（4）企業(yè)不需監(jiān)控加工中心的運(yùn)行狀態(tài)，因此選用了Ⅱ型簡(jiǎn)易的多功能機(jī)床輔助控制器，現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)布線根據(jù)加工單元的布局情況設(shè)置4臺(tái)數(shù)控車床為一組，縱切機(jī)床2臺(tái)為一組，減少現(xiàn)場(chǎng)通訊控制設(shè)置，節(jié)省投資。

（5） 在明確的目標(biāo)和資源需求指導(dǎo)下，按上述方法進(jìn)行工程實(shí)施，從達(dá)成合作意向到工程驗(yàn)收僅用了4個(gè)月的時(shí)間就完成了8臺(tái)加工中心、7臺(tái)數(shù)控車床、5臺(tái)縱切機(jī)床、4臺(tái)車削中心共計(jì)24臺(tái)數(shù)控設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，系統(tǒng)應(yīng)用集工藝設(shè)計(jì)、生產(chǎn)計(jì)劃管理、刀具管理、任務(wù)分配和DNC控制為一體，達(dá)到了快速的系統(tǒng)實(shí)施。

（6） 后期跟蹤，企業(yè)給出的應(yīng)用效果為 ：① 縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，以往進(jìn)行一個(gè)零件的工藝設(shè)計(jì)需要 1.5～2個(gè)工作日，甚至更長(zhǎng)時(shí)間，目前只需一兩個(gè)小時(shí)或最多半天時(shí)間即可完成；對(duì)于NC程序的準(zhǔn)備時(shí)間也從過去的平均一個(gè)程序需10～15分鐘，縮短為 3～4分鐘；刀具管理由手工記帳改成計(jì)算機(jī)管理，平均刀具準(zhǔn)備時(shí)間由4～6分鐘，縮短為2～3分鐘。② 提高設(shè)備運(yùn)行效率，以往NC程序需要在機(jī)床面板手工輸入和調(diào)試，占用機(jī)床的工作時(shí)間，有的機(jī)床程序更換頻繁，平均一天占用加工時(shí)間1.5～2個(gè)小時(shí)，甚至更長(zhǎng)；機(jī)床聯(lián)網(wǎng)后，程序編輯完全在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綑C(jī)床，不占用機(jī)床加工時(shí)間，綜合統(tǒng)計(jì)全面提高設(shè)備的運(yùn)行效率17～25%。

（7）按本技術(shù)方法體系，根據(jù)企業(yè)需求，第二期又進(jìn)行了整體功能擴(kuò)展，僅用2個(gè)月的時(shí)間就完成了78臺(tái)數(shù)控設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)和快速工藝準(zhǔn)備系統(tǒng)實(shí)施，為建立完善的數(shù)字化制造車間（DMS）打下了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

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