表面處理生產(chǎn)線智能制造自動化技術(shù)研究

張小琴，冀耀華，王 翀

（陜西飛機工業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 漢中 723213）

近幾年來，隨著科技的飛速發(fā)展，“中國制造”逐步向“中國智造”轉(zhuǎn)型，智能制造技術(shù)是世界制造業(yè)未來發(fā)展的重要方向之一，智能化是制造自動化的發(fā)展方向，借助數(shù)字化手段進行虛擬工廠構(gòu)建及生產(chǎn)線模擬仿真，以工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，引入智能加工設(shè)備、物流及倉儲設(shè)備、智能工具等，利用傳感、自動化、數(shù)據(jù)傳輸、大數(shù)據(jù)分析及人工智能、機器人等技術(shù)，實現(xiàn)智能設(shè)備、產(chǎn)線、物流配送、設(shè)備能耗的互聯(lián)互通、自動執(zhí)行、人機交互、效能監(jiān)控。國內(nèi)表面處理工程的技術(shù)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(chǎn)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(chǎn)線智能制造自動化研究具有重要意義。

1 研究內(nèi)容和目標

1.1 研究內(nèi)容

針對表面處理加工過程以參數(shù)控制為主的特點，基于工控網(wǎng)開展設(shè)備、制造執(zhí)行系統(tǒng)與信息系統(tǒng)互聯(lián)互通，開展表面處理生產(chǎn)線智能制造自動化技術(shù)研究，本文主要研究內(nèi)容包括表面處理智能化生產(chǎn)線特征、表面處理生產(chǎn)線數(shù)字孿生技術(shù)、數(shù)字化工藝系統(tǒng)、數(shù)字化MES 生產(chǎn)管控系統(tǒng)、智能物流管理系統(tǒng)[1]。

1.2 研究目標

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

2 表面處理生產(chǎn)線智能化特征

表面處理智能化生產(chǎn)線能實現(xiàn)不同程序自動調(diào)用、設(shè)備自動控制、參數(shù)自適應(yīng)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(chǎn)自檢的智能生產(chǎn)線。

3 表面處理生產(chǎn)線數(shù)字孿生技術(shù)

利用數(shù)字孿生技術(shù)，通過虛擬手段對表面處理生產(chǎn)線進行仿真驗證、制造驗證，以期在虛擬環(huán)境中及早發(fā)現(xiàn)并解決各種質(zhì)量故障和產(chǎn)線工藝問題，構(gòu)建表面處理生產(chǎn)線的數(shù)字孿生模型，對產(chǎn)線設(shè)計的正確性進行驗證，并對表面處理生產(chǎn)線運行過程中的各類特殊狀況進行模擬，實現(xiàn)虛擬生產(chǎn)。

構(gòu)建表面處理智能生產(chǎn)線的數(shù)字孿生模型，實現(xiàn)：

（1）建設(shè)三維數(shù)字化表面處理生產(chǎn)線模型（包括設(shè)備布局、物料輸送系統(tǒng)、生產(chǎn)策略等），動態(tài)展示生產(chǎn)組織過程。

（2）依據(jù)生產(chǎn)線數(shù)字孿生模型，對表面處理生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力進行仿真驗證。

（3）對生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍、設(shè)備效率進行驗證，分析生產(chǎn)瓶頸。

（4）對生產(chǎn)線的工藝資源（人員需求、物流設(shè)備數(shù)量需求等）參數(shù)進行驗證和優(yōu)化。

（5）針對生產(chǎn)線設(shè)備的潛在故障，對生產(chǎn)預(yù)案進行驗證。

（6）實現(xiàn)生產(chǎn)線孿生模型與現(xiàn)場控制系統(tǒng)、MES 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成，以可視化的方式展示現(xiàn)場生產(chǎn)狀態(tài)，進行實時生產(chǎn)決策。

（7）依據(jù)表面處理生產(chǎn)線的加工產(chǎn)品，對混線生產(chǎn)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(shù)字信息化管理系統(tǒng)

4.1 數(shù)字信息化管理系統(tǒng)—數(shù)字化工藝系統(tǒng)

數(shù)字化工藝系統(tǒng)實現(xiàn)表面處理工藝的管理，通過工藝設(shè)計管理平臺使用數(shù)據(jù)導(dǎo)入工具實現(xiàn)設(shè)計零件數(shù)據(jù)的導(dǎo)入，并將設(shè)計三維數(shù)模、技術(shù)文檔等與當前對象相關(guān)聯(lián)，作為表面處理工藝表的數(shù)據(jù)源及參考文檔。

通過工藝參數(shù)、典型工藝積累可構(gòu)建工藝數(shù)據(jù)庫、各類工裝夾具構(gòu)建工裝庫，形成工藝設(shè)計知識庫，進行零件表面處理工藝設(shè)計時快速調(diào)用。數(shù)字化工藝系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)化工藝參數(shù)可直接傳遞到生產(chǎn)設(shè)備，無需人工干預(yù)，減少生產(chǎn)錯誤，實現(xiàn)生產(chǎn)自動化。

（1）零件數(shù)據(jù)管理。將零件數(shù)據(jù)以散件的方式導(dǎo)入到工藝設(shè)計管理平臺中，采用構(gòu)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(fā)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(xiàn)對零件變更的追溯，實現(xiàn)技術(shù)狀態(tài)的控制[2,3]。

（2）結(jié)構(gòu)化工藝管理。工藝規(guī)劃管理MPM，是一種貫穿計劃、設(shè)計、制造和管理全過程的協(xié)同工作環(huán)境，旨在對生產(chǎn)過程中的工藝信息進行協(xié)調(diào)的統(tǒng)一管理。工藝信息結(jié)構(gòu)化管理成為一種必要的方式。

TCM管理系統(tǒng)可進行工藝設(shè)計和規(guī)劃，提倡“3PR”――即通過產(chǎn)品(Product)、工藝(Process)、工廠(Plant)與資源(Resource)四者共同構(gòu)建工藝結(jié)構(gòu)清單（BOP）的思想，使得所有工藝信息全部結(jié)構(gòu)化，工藝數(shù)據(jù)的管理更加清晰，數(shù)據(jù)的檢索和重用更加快捷。

4.2 數(shù)字信息化管理系統(tǒng)—MES 生產(chǎn)管控系統(tǒng)

MES 生產(chǎn)管控系統(tǒng)以生產(chǎn)計劃為主，結(jié)合制造BOM，將生產(chǎn)策劃、生產(chǎn)準備、物料供應(yīng)、產(chǎn)品制造、質(zhì)量控制等任務(wù)進行分解，形成可執(zhí)行的作業(yè)任務(wù)，并對執(zhí)行過程進行實時監(jiān)控和層層反饋，形成訂單提交、投產(chǎn)任務(wù)下達、投產(chǎn)計劃分解、車間制造執(zhí)行、生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集和信息反饋的閉環(huán)管理，實現(xiàn)生產(chǎn)管理的透明化、可視化和敏捷化；以設(shè)計、制造為集成系統(tǒng)建設(shè)核心需求，基礎(chǔ)資源數(shù)據(jù)庫為公共支撐，產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理/工藝數(shù)據(jù)管理/生產(chǎn)計劃管理/物資管理系統(tǒng)應(yīng)用集成為重點，實現(xiàn)設(shè)計數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)在相關(guān)系統(tǒng)的貫通，建立設(shè)計、工藝、制造之間的有機銜接，形成設(shè)計、制造一體化集成應(yīng)用環(huán)境；實現(xiàn)以制造BOM 為核心，對生產(chǎn)過程全生命周期的數(shù)據(jù)進行采集、處理、集中管理，實現(xiàn)生產(chǎn)過程全程可追溯，為后續(xù)數(shù)據(jù)分析、管理決策奠定基礎(chǔ)。提高生產(chǎn)管理效率，及時、準備、全面地掌握生產(chǎn)動態(tài)，有效控制生產(chǎn)過程。

（1）人員與班組。車間人員管理主要是對系統(tǒng)內(nèi)相關(guān)用戶信息進行定義，包括定義人員的賬號、權(quán)限、操作菜單、登錄首頁、產(chǎn)線分配、班次、工作日歷、技能與培訓(xùn)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(shè)備等產(chǎn)線分配，使系統(tǒng)可以精準化的為操作人員提供所需制造任務(wù)信息。

班組管理：根據(jù)車間組織結(jié)構(gòu)及人員班組情況，靈活定義班組信息，并將相應(yīng)人員添加到班組中。同時建立設(shè)備和班組，設(shè)備和人員之間的邏輯關(guān)系，達到快速分類和查找、利用的目的。

（2）計劃任務(wù)管理。生產(chǎn)計劃管理是整個數(shù)字化生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)的最前沿部分，重點完成車間作業(yè)計劃的制定和進度監(jiān)控，確定車間計劃的生產(chǎn)數(shù)量和完成時間，下達車間產(chǎn)品或需交付項目的生產(chǎn)指令，完成產(chǎn)品配套任務(wù)。計劃任務(wù)管理包含了如下關(guān)鍵需求：①生產(chǎn)計劃導(dǎo)入：從生產(chǎn)管理系統(tǒng)提取零件交付節(jié)點計劃，由車間庫房人員掃碼錄入零件信息，創(chuàng)建Excel 表格，計劃員制定車間作業(yè)計劃，確定車間計劃的生產(chǎn)數(shù)量和完成時間，將作業(yè)計劃自動推送各班組。②緊急任務(wù)插單：當需要進行緊急任務(wù)或臨時任務(wù)插單時，計劃員可以在Excel 表格中創(chuàng)建優(yōu)先級較高的生產(chǎn)計劃清單，通過導(dǎo)入工具進入MES 系統(tǒng)中接收該生產(chǎn)任務(wù)（緊急插單），即可對該生產(chǎn)任務(wù)進行派工生產(chǎn)。③計劃進度監(jiān)控：實現(xiàn)車間計劃執(zhí)行進度、完工狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)、報警等信息的可視化瀏覽和查詢功能，并根據(jù)事先設(shè)定的方式觸發(fā)相應(yīng)的事件或報警，督促管理人員及時采取應(yīng)對策略。④作業(yè)調(diào)度管理：為車間計劃員、調(diào)度員和工段長提供計劃下發(fā)、生產(chǎn)準備、作業(yè)派工、外協(xié)調(diào)度等功能，并通過在制品進度監(jiān)控零件在車間的流轉(zhuǎn)狀態(tài)和設(shè)備狀態(tài)等。⑤工段長派工：車間計劃員將計劃下發(fā)到工段長后，工段長即可進入作業(yè)派工界面，根據(jù)當日的生產(chǎn)情況（任務(wù)信息、緊急程度、時間要求等）和設(shè)備、人員情況進行派工，指定相關(guān)的人員或設(shè)備進行加工。⑥現(xiàn)場執(zhí)行管理：將企業(yè)生產(chǎn)的諸要素、各環(huán)節(jié)和各方面的工作有效地結(jié)合起來，形成聯(lián)動作業(yè)和連續(xù)生產(chǎn)，以最少的耗費，取得最大的生產(chǎn)成果和經(jīng)濟效益。⑦生產(chǎn)任務(wù)接收：班組接收工段長派工，工人通過終端設(shè)備查看對應(yīng)任務(wù)，接收屬于自己的生產(chǎn)任務(wù)，系統(tǒng)自動記錄接收時間。⑧現(xiàn)場作業(yè)報工：工人根據(jù)工藝文件指導(dǎo)完成產(chǎn)品加工后，掃描FO 條碼系統(tǒng)自動記錄該工序報工的時間節(jié)點。⑨現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集：通過工控機接口與信息化系統(tǒng)互連，實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的自動采集，為統(tǒng)計分析、決策管理和產(chǎn)能優(yōu)化提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

（3）設(shè)備管理。設(shè)備是企業(yè)進行生產(chǎn)的主要物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)，將所有生產(chǎn)線、廢水設(shè)備、廢氣設(shè)備獨立控制模式進一步集中化、信息化和智能化管控。實現(xiàn)所有設(shè)備數(shù)據(jù)互通、數(shù)據(jù)交換、智能控制，自動統(tǒng)計設(shè)備故障率及設(shè)備保養(yǎng)周期記錄，進一步提高效率。

（4）質(zhì)量管理。質(zhì)量管理是精益生產(chǎn)的核心環(huán)節(jié)，按照產(chǎn)品質(zhì)量規(guī)范管理要求所有進入車間的產(chǎn)品都要嚴格按照質(zhì)量標準進行操作和控制，以杜絕或避免質(zhì)量問題的發(fā)生。車間質(zhì)量管理能夠進行質(zhì)量信息手工錄入、自動采集、處理、查詢、追蹤、打印、統(tǒng)計等。通過工藝參數(shù)數(shù)據(jù)采集可實現(xiàn)無紙化生產(chǎn)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(shè)備、夾具、緩沖區(qū)、人等生產(chǎn)要素進行邏輯建模，結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場采集的實際工藝參數(shù)，對物流規(guī)劃方案進行仿真，準確地對生產(chǎn)線的實際物流過程進行預(yù)測或再現(xiàn)，并分析生產(chǎn)線瓶頸、效率和產(chǎn)能。

物流設(shè)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(shù)最小原則、空間利用原則、柔性原則。

5.2 智能物流系統(tǒng)

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

（1）智能倉儲系統(tǒng)。表面處理零件種類多，庫房用于零件周轉(zhuǎn)，智能倉儲系統(tǒng)需建設(shè)零件倉儲系統(tǒng)，由立體貨架、存儲托盤和自動巷道堆垛機構(gòu)成，實現(xiàn)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(jié)構(gòu)，激光雷達AGV 導(dǎo)引和控制，通過車載控制系統(tǒng)、先進的激光導(dǎo)航技術(shù)和成熟的避障算法，自動行駛至各工位緩存區(qū)，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(xiàn)零件免裝卸車、無人或單人操作的快速工位間轉(zhuǎn)運功能。

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

（4）智能調(diào)度系統(tǒng)。智能調(diào)度系統(tǒng)的核心是中樞控制系統(tǒng)，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(jié)點智能系統(tǒng)的使用狀態(tài)，結(jié)合生產(chǎn)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(diào)度人員決策并回饋給各節(jié)點需求人員，控制智能倉儲系統(tǒng)和智能運輸機器人，實現(xiàn)零件各周轉(zhuǎn)運輸環(huán)節(jié)的通訊的無縫銜接和高效的組織調(diào)度，兼?zhèn)洚惓蟾?、調(diào)度決策和統(tǒng)計分析等功能，為管理人員提供車間內(nèi)部物流管理的各類統(tǒng)計數(shù)據(jù)，即時顯示物流狀態(tài)和輔助決策等功能。

6 結(jié)語

通過新一代信息通信技術(shù)與先進制造技術(shù)深度融合，表面處理智能制造通過MES 生產(chǎn)管控系統(tǒng)的構(gòu)建及智能化表面處理生產(chǎn)線的搭建，傳統(tǒng)表面處理的生產(chǎn)將會實現(xiàn)部分或者全部無紙化加工，從設(shè)計參數(shù)的獲得到制造環(huán)節(jié)的信息傳遞以及后續(xù)物流環(huán)節(jié)的管理都可實現(xiàn)全流程信息化管控，提高表面處理生產(chǎn)線智能制造自動化水平。