離散型智能制造模式研究

陳魯敏，黃 梁，王加興

（杭州汽輪機股份有限公司 信息管理中心，杭州 310022）

0 引言

汽輪作為中國最強、最大的工業汽輪機研制基地，是國內唯一能按用戶的特殊需要，非標準設計和制造工業汽輪機的廠家。杭汽輪機是典型的離散制造型企業，由于特殊的市場定位和獨特的技術體系，杭汽輪的產品呈現出需求個性化，設計差異化，小批量多品種的特點，生產模式是典型的多品種、單件、小批量的訂單式生產，生產周期較長，生產組織復雜，難度大。面對當前國內外日益激烈的市場競爭，只有優化產品的設計制造流程，提高生產效率，增強企業創新能力，縮短交貨期，提升企業競爭力，才能搶占市場的有力先機。

智能制造貫穿在產品創新、制造技術創新和產業模式創新的各個方面，是杭汽輪轉型升級的突破口和主攻方向。

1 智能制造架構

智能制造涵蓋了產品、制造、服務全生命周期，是一個大概念[2]。杭汽輪的智能制造針對離散型裝備制造業需求個性化、設計差異化、小批量多品種的業務模式，研究設計和工藝仿真、制造數字化和自動化、用戶遠程服務智能化中的關鍵技術，并針對關鍵零部件建立具有柔性、精益、自動化生產線的數字化加工車間，主要從設計、制造、管理和服務四個方向來實現智能化，如圖1所示。

圖1 智能制造四個方向

杭汽輪智能制造在原有的ERP的基礎上，進行PLM及MES的建設，加上汽輪機遠程運維系統及工業互聯網平臺的建設，實現汽輪機的設計、制造、服務過程的全覆蓋，其總體軟件架構如圖2所示。

圖2 智能制造總體軟件架構

2 智能制造平臺建設

2.1 PLM產品研發協同平臺

PLM系統是實施智能制造的數據基礎，PLM實施采用PTC的WindChill系統，從項目管理、產品研發數據管理、選型委托單管理進行和三維設計工具集成進行，其總體功能模型如圖3所示。

圖3 PLM系統建設總體功能模型

1）選型委托管理

對選型委托數據進行結構化，按照選型委托數據的維護單位不同，對現狀選型委托進行對象結構化，分為：選型委托申請和選型技術方案。將選型內容作為對象的屬性，可以將選型相關的任何已經定義的參數，作為檢索的條件，能夠快速定位到相關技術方案。除了參數屬性內容，對選型的關聯其他所有內容進行廣義結構化，在同一平臺中管理所有和選型相關的資料及其關聯關系。

2）項目管理

分別實現杭汽合同產品類項目、課題研發類項目的管理，利用WindChill Projectlink功能分別與PMIS系統、產品數據管理功能和其他工具進行對接，實現項目的創建與啟動、項目執行與反饋、項目計劃變更以及項目的監控與反饋功能。

3）產品研發數據管理

建立通知單管理、設計準則管理、設計管理、工藝管理、PMIS集成管理和變更管理。

建立結構關系，關聯設計零件和通知單零件、關聯零件圖紙與結構；建立EBOM和PBOM；實現零件部件、工藝資源、工序、工藝路線之間的結構關聯管理；將原先停留在紙質的設計準則融入到設計系統中；建立每一類型的零件特定描述，實現數據的分類管理和精細化管理；打通設計與上下游業務的溝通，將流程信息及時下達與反饋。

4）三維設計工具集成

為了滿足數字化制造的要求，設計平臺必須實現三維設計與仿真功能，WindChill平臺能夠很好的集成SolidWorks等三維產品設計工具，從而實現產品的三維設計與仿真功能。

2.2 MES系統

杭汽輪MES系統基于生產實際狀況和智能制造建設需求，建立了一套遵循現代管理理念的生產制造管理流程，起到生產管理精細化源動力的作用。MES系統以生產制造為中心，涵蓋計劃與排產，生產作業管理，制造物流管理，刀具管理，質量管理，設備管理，生產數據采集，設備信息采集，系統集成等，再加上工廠建模、組織架構管理、權限管理、工作流管理、接口管理、報表工具等基礎數據做支撐，形成全面，可靈活配置的MES管理平臺。MES系統功能模型如圖4所示。

圖4 MES系統功能模型

借助MES系統在生產過程智能化的巨大作用，使計劃、生產、資源三者密切配合，從而確保決策者和各級管理者可以在最短的時間內掌握生產現場的變化，做出準確的判斷并制定快速的應對措施，保證生產計劃得到合理而快速的修正、生產流程暢通、資源充分有效地得到利用，進而最大限度地發揮生產效率。

2.3 服務平臺建設

杭汽輪的遠程運維系統采用博華信智提供的BH500C搭建。在杭汽監測中心，可以統一地實時掌握上線機組的運行情況，實現遠程的監測和遠程分析診斷，從而促進杭汽機組的信息化、智能化管理工作，并使專家的經驗能更方便、有效的運用到更廣泛的領域，提升杭汽輪對機組的技術服務能力。通過BH5000系統對汽輪機組振動、瓦溫、位移等參數進行24小時遠程實時在線監測，結合杭汽輪強大的技術力量進行相關診斷分析，最大限度的確保汽輪機組的長久安全可靠運行，減少減輕事故的發生，為用戶創造最大化的經濟效益。遠程運維系統的功能如圖5所示。

圖5 遠程運維系統功能

工業互聯網平臺的建設，使得杭汽輪的服務智能化更加豐富和完整。通過統一完整的、基于業務互聯的產品編碼識別系統，建立起內部信息化和外部信息化的整合通道，從而對公司產品流向進行有效管控，追蹤產品狀態，實現產品追溯、防偽仿冒，同時建立起有效的售后服務體系，構建用戶、公司的云端服務直連，提高服務質量，管控產品市場。

3 汽輪機核心零部件智能制造過程

經過智能制造平臺的搭建以及對汽輪機核心零部件智能制造流程的研究，目前已能夠完成產品設計、工藝、仿真、計劃、加工的完整流程，智能制造過程如圖6所示。

圖6 智能制造過程

3.1 智能化設計過程

積木塊工業汽輪機技術是杭汽輪智能設計和制造的關鍵，它將汽輪機分為三個主要區段：進汽區段、中間區段和排氣區段，然后根據用戶技術條件，通過熱力和強度驗算，將所需的不同規格的區段組合起來，再配上相應的標準部套，即像搭積木般地組合成了滿足用戶需求的汽輪機裝置。

杭汽輪采用了30多個專有行業智能設計和出圖軟件組成的工業汽輪機計算機設計程序包。新模塊研發的結果加入專有設計程序中，其中結構化的特征數據、氣動數據、推力數據、強度數據進入設計流程程序中，三維、二維等模塊圖紙進入智能出圖程序。在設計階段采用專有設計程序調用相關數據模塊和圖形模塊即可實現工業生產所需的智能設計和出圖工作。

汽輪機轉子是汽輪機實現能量轉換的核心部件，以汽輪機轉子為例，其積木塊式的智能設計流程如圖7所示。

圖7 積木塊式的智能設計流程

3.2 智能化工藝過程

針對該離散制造的特點，智能化工藝過程采用工藝結構化的方式，即把每道工序、工步以及需要用到的刀具、工裝、加工設備等以模塊形式進行有序的組合而成。這種模式的優點是使生產車間能夠提前合理的安排加工設備，并準備好各種工藝資源供加工所需，同時也能夠使公司能夠準確的掌握產品的生產周期以及加工成本核算等信息。

工藝部門接受到設計部門的圖紙后，將設計BOM轉換成工藝BOM，參數化各生產用機床、工裝，使加工工藝文檔能與之剝離，形成模塊式的生產工藝文件，當結構化工藝完成后，將加工過程中需要用到的工藝資源信息推送至MES系統來進行調度。此外，需要數控加工的工序，生成數控編程任務書，推送至數控編程人員進行數控程序的編制。結構化工藝如圖8所示。

圖8 結構化工藝

結構化工藝的建立使工藝過程具有工步離散化、機床/工裝數據化、零件工藝工步信息可直接調取等新特點，實現了全部門可調用、讀取工藝部門設計文檔與相關參數，賦予了生產計調環節、成本核算環節、設備管理/維護環節極大的合理化操作的能力。

3.3 智能化的編程仿真過程

結構化工藝完成后，將產生相應的數控編程任務，數控編程人員收到任務后，利用UG軟件、TDM軟件進行智能數控編程，具體的三維智能數控編程步驟如下：

通常，杭汽輪的產品交貨周期較短，而核心零部件的成本高，加工周期卻較長且要求的精度極高，因此，數控程序及刀具清單生成后，需要件對各程序進行仿真驗證，具體步驟如下：

零件三維模型、UG編程源文件、三維工藝卡片、刀具清單及NC數控程序發布后通過DNC進行統一管理，這樣即可提高NC程序等文件傳輸的效率和準確性，實現車間的網絡化、無紙化管理，同時在加工過程中，操作工對程序的改進處理等均可通過DNC反饋到上游部門，供技術人員參考及優化處理。

3.4 智能化的生產過程

杭汽輪是典型的邊設計邊生產模式，這種模式需要制造企業多部門快速協作，是“牽一發而動全身”的生產模式，對計劃排程的要求高。上線MES系統后，杭汽輪的智能生產計劃過程通過計劃拉動和排程形成一條貫穿各職能部門和生產環節的計劃主線，結合工廠的工作日歷、資源、BOM、工序、訂單時限等信息綜合排定生產計劃，并根據物料齊套準備和實際生產執行情況的實時追蹤反饋對生產計劃進行優化，快速應對生產過程中發現的異常情況，保證生產過程有序進行。

杭汽輪將工零件類型分別大件、關重件及滾動件三種類型。制造部計劃人員根據PLM中的項目信息、機組制造BOM、技術準備通知單，在ERP中編制機組的需求計劃，機組期量及大件、關重件、滾動件的工序加工期量，生成大件需求計劃、關重件需求計劃、滾動件需求計劃、外協訂單計劃。MES從ERP中同步計劃、倉庫實績庫存數據及訂單BOM明細數據。MES每天根據年度大綱交付日期和訂單BOM明細信息進行計劃排程，最終生成大件訂單計劃、關重件訂單計劃、外協訂單計劃、滾動件訂單計劃、滾動計劃排程順序，并在MES開出制造工票發放到實際加工車間。計劃排程的整體實現如圖9所示。

圖9 MES計劃排程的整體實現

制造工票轉入車間后，MES會根據商品交貨期、優先級和零件的期量標準，對零件的制造過程進行排序，為車間實際加工提供參考。

在毛坯到料后，零部件就進入加工過程，車間計劃人員將計劃按照PLM中傳過來的結構化工藝進行展開，派工，開出首道操作工票，并下發到車間調度人員中。車間調度人員根據車間的實際生產狀況安排生產任務。在開出操作工票的同時，車間一體機終端上就會接收轉子軸的加工任務、刀具清單、三維工藝卡片、三維加工視頻等信息，數控機床的控制面板上接收DNC傳輸過來的NC程序。

工人在接到操作工票后，根據工藝指導書及工藝人員通過DNC傳輸到相應機床的數控程序進行加工。在每道工序的加工中都需要由加工人員匯報實際的開工、完工過程，并在工序完成后，由相應的質檢人員進行實時檢驗。車間調度人員在接到檢驗合格的信息后，開出下一道工序的轉道工序，進行下一道工序的加工。通過CAPTO刀柄系統智能化對刀系統、在線檢測技術、ToolScope加工過程監控系統、機床監控系統的運用，實現汽輪機核心零件加工過程的智能化。

通過MES及DNC的建設，可對生產過程的數據進行采集和傳輸，包括加工設備的運行狀態信息及生產現場的人員、設備、物料、加工狀態等數據，對數據進行分析處理后，可實現對車間生產過程的可視化管控，如圖10所示。

圖10 生產過程管控

4 結語

本文通過對離散型智能制造模式的研究和實踐，建立了一套適用于離散制造行業的智能制造模式，在設計、制造和服務過程中做了很多方面的改進。目前，智能化流程已經在汽輪機核心零部件上完成測試和應用，收效良好，取得了階段性的成果，也為杭汽輪全面實現智能制造打下良好的基礎。