智能車間圖紙無紙化關鍵技術與應用研究

吳昌盛，張 博，唐云海，白 翱

（中國工程物理研究院 機械制造工藝研究所，綿陽 621900）

0 引言

圖紙無紙化、數字化是數字化制造、智能制造的重要基礎條件，隨著信息化不斷深入、智能制造車間的逐步建設，加強技術狀態管控、提升設計和制造的協同效率、實現制造環節圖紙無紙化已經成為軍工制造企業信息化發展方向之一。制造環節圖紙無紙化具有以下優勢[1,2]：1）提高生產效率，電子設計文件支持并發訪問瀏覽，紙質載體只支持串行瀏覽，信息傳遞效率大幅提升，也為并行工藝準備、生產準備、生產組織模式提供了一定支撐；便于工藝人員充分利用設計信息，提高工藝準備效率，二維電子圖可以提取部分平面幾何要素信息，對工序圖繪制（輪廓等距偏置等）、平面編程（車工輪廓、平面點位加工、軸半銑削、線切割等）、平面工藝測量尺寸轉化等方面有一定幫助，三維模型可以產生數控加工G代碼，進行數控加工仿真等；2）加強技術狀態管控，技術狀態變更過程依托系統完成，避免了現場紙質多副本的跑簽更改，技術狀態變更操作過程的執行效率大幅提升；圖紙、技術通知單、技術條件等各類電子文件都與BOM發生了關聯（相當于從零件維度對技術文件做了重新分類），各文件之間的技術狀態關聯性得到顯著加強。3）降低管理成本，取消紙質載體，紙質涉密文件交接、現場管理壓力大幅下降。

因此，研究圖紙無紙化具有積極的理論意義和現實需求。

本文針對制造環節圖紙無紙化需求，結合現有集成制造系統架構，基于統一數據源、統一模式、最小化原則提出圖紙無紙化技術路線，并對其中的異構設計數據管理、BOM構建和演變過程、現場設計文件狀態管控、大文件下載瀏覽等關鍵技術進行描述，最后介紹了本單位實施圖紙無紙化的初步效果及后續工作計劃。

1 制造環節圖紙無紙化技術方案

制造環節設計文件無紙化的關鍵是要實現設計文件和生產任務的綁定并向生產現場推送，實現對現場使用的設計文件的狀態進行集中管控。

針對上述基本要求，采用的技術路線如圖1所示。以繼承（BOM轉換）為主要手段，建立CAPP/MIS/MES系統零件實例對象同批次EBOM中零件實例對象的映射關系，以零件對象為中介，建立設計文件和任務關聯，實現設計文件向加工現場的推送，由于本方案符合統一數據源要求，后續技術狀態管理員對EBOM中設計文件的狀態控制，可以立即反映到現場中去。

2 圖紙無紙化關鍵技術

采用上述技術方案，結合現有的智能制造車間信息系統架構，需要對現有的圖樣技術狀態管理系統（DTSS）、CAPP系統、MES系統進行改造，其中包含設計BOM重構、BOM演變過程、現場設計文件狀態管控、設計文件瀏覽控件等關鍵技術。

2.1 異構設計數據管理

圖1 設計數據統一模型

制造環節生產用圖來源渠道多，設計文件格式、載體、有效性等級都可能不一樣。有的任務只有紙質圖紙，需要掃描成pdf格式的文件；有的任務除了有紙質圖紙還有參考意義的二維dwg格式的電子圖紙；有的任務是從PDM系統中推送過來的設計文件數據包，數據包中可能是二維dwg文件也可能是三維prt文件，可能只有設計文件也可能還有產品結構，可能只有實體三維模型也可能還有輕量化模型。為了滿足制造環節設計文件技術狀態管控需求，需要對異構設計文件按統一的模式進行有效管理。系統采用的設計數據管理模型如圖2所示。依據上述模型，系統從文件、零部件兩個維度實現了對異構設計數據的統一有效管理，文件維度管理的內容包括文檔、文檔版本、文檔結構關系、文件之間的引用關系，零部件維度管理的內容包括零件、零件版本、零件之間裝配關系、文件和零件版本之間的有效性關系等。

2.2 BOM快速構建和 BOM演變

建立CAPP/MIS/MES系統中零件實例對象同批次設計BOM中零件實例的映射關聯，是實現設計信息向制造環節各崗位推送的前提。目前按任務、多源頭、多版本、零散、重復發布到智能制造車間的設計圖樣和電子文件包（參考使用的電子圖紙）中沒有顯性的EBOM，工藝BOM、制造BOM基本上都是采用費時費力的手工方式建立，各BOM之間數據缺乏關聯性，數據的正確性、完整性不能保證，因此需要依據設計部門推送的數據包快速構建制造產品的EBOM。系統通過內置零部件庫、解析設計文件圖號、零件圖號與設計文件圖號自動匹配、信息復用等手段，提供了多種EBOM的快速重構方法，如圖3所示。

圖2 設計數據統一模型

圖3 EBOM快速重構

EBOM的建立，為快速構建PBOM、交付BOM、MBOM以及各BOM之間的聯系提供了基礎[3]。構建時結合業務主線可以按照EBOM→PBOM→交付BOM→MBOM順序構建，這樣通過繼承自動建立了PBOM/交付BOM/MBOM同EBOM之間的對應關系；也可以先各自獨立構建，再通過“批次+圖號”匹配的方式事后建立各BOM之間的對應關系。生產現場要瀏覽和任務相關的設計信息時，CAPP/MIS/MES系統先根據BOM關系定位到任務相關的零部件實例，再根據零部件實例信息，打開設計信息瀏覽窗口，通過此窗口可以瀏覽和本任務相關的各種設計信息，包括電子圖紙、三維模型、紙質圖紙信息、更改單、技術通知單等。

2.3 現場設計文件狀態管控

制造環節圖紙無紙化的關鍵點是對現場設計文件的狀態控制。本文采用的技術方案符合統一數據源思想，因此對EBOM上零件相關設計文件狀態的變更可以立即傳遞到CAPP、MES系統中，生產現場各崗位通過CAPP、MES系統可以看到最新狀態的設計文件。因此在技術狀態管理部門創建維護的EBOM對生產現場設計文件起到狀態控制開關作用。

技術狀態管理部門接收到上游設計部門下發的更改單或技術通知單后，在EBOM上定位到對應的設計文件，依據更改單或技術通知單上的內容，通過文件升版控制流程對設計文件進行變更，并建立設計文件和更改單的關系，同時向相關車間發布技術通知單或更改單處理任務，各部門通過系統接收任務并將執行信息反饋到技術狀態管理部門。

2.4 設計大文件下載與瀏覽

圖4 現場設計文件技術狀態控制

在生產現場，不同崗位的人員對設計文件的瀏覽需求不一樣，有很大差異。操作者的需求比較簡單，只需瀏覽到加工零件的設計文件即可；工藝人員看圖的需求則比較復雜，需要可以一邊瀏覽圖紙一邊編寫工藝，需要可以同時查看兩張圖紙，需要可以同時打開一張圖紙和一份技術通知單或更改單進行對比查看，需要可以查看整套圖紙，可以查看整套圖紙的結構，需要支持雙屏顯示等。針對看圖需求的差異，系統對設計文件瀏覽功能進行統一封裝，采用MDI窗口+2浮動面板+大圖標工具條方案，支持分屏顯示，提供顯示零件相關圖紙、顯示整套圖紙、顯示EBOM結構等功能選項，提供懸浮、并列平鋪、層列、分屏等不同顯示模式，供CAPP、MES等系統調用，如圖5所示，滿足不同崗位看圖需求和涉密圖紙知悉范圍的控制。

圖5 多模式看圖

看圖方面需要解決的另一個關鍵問題是大文件問題。為了保證藍圖掃描件的清晰度，A0、A1藍圖掃描生成的.pdf文件都很大，一般有幾十兆上百兆大小，還有三維模型實體文件都很大，一般裝配件的三維實體文件都有幾百兆大小。為了提升性能，增強用戶看圖體驗，系統采用流傳輸、多線程、數據包壓縮等技術實現了大文件的高通量的下載瀏覽功能。對于特大的三維模型，采用瀏覽時使用輕量化模型，使用時下載實體模型的策略，確保終端用戶有較好的看圖體驗。

3 結語

通過圖紙無紙化的實施，打通了PDM、CAPP、ERP、MES之間的電子圖紙傳送通道，并對紙質圖紙掃描文件、電子圖紙、三維模型、輕量化模型進行集中管理，現場電子圖按統一模式進行技術狀態控制，全面支持研制生產、批生產圖紙無紙化，加速了工藝準備、生產準備、加工向并行模型的轉變，既提高了工作效率，又節約了管理成本，為建設智能制造車間奠定了重要基礎后續工作主要分為以下幾個方面：1）強化設計BOM變更控制功能，根據在制品狀態，提供BOM變更影響域分析輔助功能；2）提供消息推送機制，將變更信息推送到相關崗位人員，進一步提升協同工作效率。