DNC/MDC在航天制造領域的應用

史朝龍

海裝北京局駐北京地區第二軍事代表室 北京 100854

1 DNC/MDC應用背景

DNC(Distributed Numerical Control)即分布式數控系統，是計算機管理機床設備、傳輸數控程序的手段，MDC(Manufacturing Data Collection & Status Management)制造數據采集系統是實時采集生產數據的方式，為MES、ERP等車間上層計劃管理系統提供數據基礎。

航天制造業有著鮮明的多品種、小批量的特點，機械加工過程復雜多變。某型號生產線共13臺機床設備、6大類產品，涉及數百個數控程序，數控程序編制多依賴編程人員與機床操作人員現場配合進行編程、仿真、試運行等，并采取計算機與機床利用網線接口點對點傳輸的方式傳輸數控程序，程序加工完成后操作人員報工等均依靠人工管理，此種工作模式往往存在以下缺陷：

(1)數控程序過于分散，缺乏集中化、結構化管理。航天產品品種繁多、工序復雜，為保證生產線的柔性，同一臺設備經常需要加工多個種類的相似工序，造成同一產品的不同工序所使用的數控程序分布在不同設備計算機中，同一計算機存儲多種不同產品的數控程序，數控程序的版本更新全靠人工維持。這種混亂的管理模式容易導致數控程序的錯誤調用、編程效率低下等問題；

(2)數控程序受控程度低。數控程序作為機床設備加工時的重要指令來源，直接影響到機床加工的效率和質量，傳統的管理模式使得數控程序的質量過度依賴于編程人員自身的編程水平，針對新產品的新工序，數控程序常常需要進行多次調整才能符合要求。航天制造業對工藝文件等生產指導資料具有極高的要求，數控程序作為機械加工生產過程的重要生產依據，卻沒有好的方式進行約束和管理；

(3)生產數據反饋不及時。數控機床作為車間的重要設備資源，傳統的生產模式對機床的管理較為粗放，工序加工時間依靠人員報工，機床的加工生產狀態無法實時傳遞，導致排產精細化程度不足，造成生產資源浪費。

DNC/MDC系統為以上問題提供了解決方案，實現了數控程序的集中化存儲與流程審批受控，實時獲取生產進度。

2 DNC/MDC系統

基于以太網的DNC/MDC系統軟件方面主要由數控程序審批模塊、數控程序管理模塊、機床信息采集模塊、統計分析模塊組成，硬件方面由服務器、終端計算機設備、機床設備組成，利用機床設備網口、交換機、服務器等建立了工控網，其結構如圖1所示。

圖1 DNC/MDC系統構成

由編程人員進行數控程序編制并掛載在相應產品工藝樹下發起程序審批流程，根據服務器端設置的流程模板實現對審批流程的管理和角色權限的控制。數控程序經過審批后，由工藝人員選擇需要派發的機床設備，通過服務器將數控程序派發到機床，機床可通過訪問服務器獲得相應的數控程序。此外，通過機床與服務器間的以太網連接，服務器可以獲取當前機床加工、待機、報警狀態，以及當前運行程序的名稱、運行時間等信息。

經過調研，選擇CAXA DNC設備物聯軟件完成了試點車間的系統建設，實現對數控程序的管理與機床加工數據的采集。

2.1 數控程序的流程審批與版本更新

數控程序作為數控機床運行的唯一指令來源，對機械加工過程有至關重要的作用。程序的版本由數控程序審批結束發布后確定，數控程序審批由CAXA DNC系統的工作流功能實現，該功能支持自定義審批流程，可根據不同管理方式進行流程定制和更改。

圖2所示為數控程序審批流程圖，其中由程序編制人員發起流程，經過校對人員校對確認，審核人員進行程序審核后發布給出程序版本號。程序審核通過前，校對與審核人員有權退回給編制人員進行修改，程序一經審核發布確定版本，則程序被鎖定不能修改，僅能夠給數據擺渡人員進行數控程序導出及分發到機床設備。

圖2 數控程序審批流程

數控程序審批過程的時間、人員、版本等在系統中均有記錄，實現了數控程序來源的可追溯，審批完成則確立版本，覆蓋原有歷史版本自動上傳產品樹進行版本更新。另外，通過校對及審核人員的把關，杜絕了編程人員隨意修改造成程序狀態不穩定的質量隱患。

2.2 數控程序管理

數控程序的管理分為程序版本管理、程序產品樹管理、人員權限管理。數控程序的管理為數控審批流程提供了保障，程序版本管理使同一產品的不同加工程序可以同時保存在系統中，在產品設計狀態反復時可以提高數控程序的設計效率；程序產品樹管理實現了同一產品不同工序的結構化，將數控程序與產品之間的關聯關系以產品樹的形式體現；人員權限管理對系統中人員賬號的權限做出了限制，使數控程序的內容、版本及所屬的產品樹結構得到了保護。

2.2.1 程序版本管理

程序版本管理有兩種，一是對在審批流程中修改的數控程序進行小版本管理，數控程序在審批過程中，審核發布結束前，流程當前節點人員可以對數控程序進行修改，修改后系統將會保存修改前的版本作為歷史版本保存，將修改后的新版本繼續進行流程審批，其他人可隨時查看流程中其他版本的數控程序；二是對審批結束發布的數控程序進行大版本管理，數控程序在審核發布后，將生成大版本，若需對發布后的數控程序進行修改，則需要重新發起審批流程，新的數控程序經審核發布后，將取代原始數控程序，作為現行的大版本數控程序。

數控程序的版本管理有兩點優勢：

(1)解決了在數控程序審批流程中需要頻繁修改時，不能保存歷史版本的問題，對于修改記錄無從追溯的問題，系統將記錄數控程序在審批流程中的修改過程，對修改意見及歷史版本都有記錄，可查閱歷史版本的數控程序；

(2)解決了數控程序調用時對于新舊版本無從判斷而導致的數控程序調用錯誤的問題，新版本數控程序發布后，系統對舊版本的數控程序進行封存，提供查閱功能但在派發到數控機床時將調用新版本的數控程序。

2.2.2 程序產品樹管理

產品樹是一種用于區分產品不同工序的樹狀圖，樹狀圖由產品工藝研發人員根據產品BOM以及工藝過程構建，通過產品樹的方式，將數控程序按照產品代號→產品圖號→工序類別→數控程序的四級樹狀圖進行結構化分類，能夠更有效地區分不同產品間的數控程序，且僅允許與產品生產管理相關的人員對產品樹進行操作，避免了誤操作。數控程序的最新版本將掛載在當前工序下，減少了程序調用版本錯誤的風險。

2.2.3 人員權限管理

人員權限管理對不同人員的賬號角色權限進行了限制，主要表現在兩方面：

(1)在流程審批過程中，不同角色對數控程序的權限是不同的，編制、校對、審核人員作為流程當前節點時，對數控程序可以進行增加、刪除、修改等操作，而非當前節點時，僅能對程序進行查看。對于數據擺渡人員，由于數控程序已經發布，因此數據擺渡人員僅具有程序查看權限；

(2)對于產品樹及其內掛載的數控程序，僅與產品生產相關的人員可進行查看與修改，任何人對于已發布的數控程序則不能進行刪除和修改操作。

2.3 加工信息實時采集

加工信息實時采集指通過服務器與機床之間的以太網連接，采集包括機床當前加工數控程序名、機床運行時間、機床待機時間、機床報警信息、機床主軸轉速、進給率等機床運行時的數據，服務器端的機床采集服務保持常開，能夠時刻記錄機床的運行狀態，如圖3所示。

圖3 機床狀態監測

圖3為對機床一周內每天加工時間與待機時間的記錄，以太網連接能夠保持高速率、低延遲、長時間地信息采集，能夠實時獲取一線生產數據信息。

2.4 機床數據統計分析

機床數據統計分析是將采集到的機床數據信息按照一定規則進行加工，以可視化報表的形式展示，使數據更直觀。系統可以對機床開機利用率、設備效率統計OEE視圖、設備運行日志等進行統計分析。

圖4 設備利用率分析

統計分析模塊不僅提供了機床實時的運行狀態，也可以對某個時間段內的機床利用率等數據提供可視化報表。統計分析功能為車間計劃決策提供了有力的數據支持，解決了傳統人工報工不準的問題，對分析工序實作時間、精細化排產、資源最大化利用提供了數據基礎，同時，工序的加工時間也為數控程序編制提供了結果反饋，有利于數控程序的進一步優化與設計。

3 系統實施效果與改進方向

3.1 DNC/MDC系統實施效果

對航天某車間試點設備進行了DNC/MDC系統建設，利用RJ45接口，實現了由機床設備、服務器、計算機組成的以太網絡，其中機床設備由5臺FANUC 0i-MF系統及8臺SIMENS 840D系統組成，DNC/MDC系統的建成改變了以往傳統的管理模式，其優勢主要有：

(1)實現了數控程序的結構化、集中化管理。將數控程序掛載在相應產品樹的工序下，有效防止程序的錯誤調用。另外，DNC系統解決了傳統模式下程序分散在多臺獨立計算機存儲的缺陷，使程序能夠集中管理，在一臺終端計算機即可對程序進行查看或修改后提交流程審核；

(2)解決了以往對數控程序的受控較為薄弱的問題。數控程序的流程審批使程序本身的質量得到了保證，不再受限于編程人員自身的編程水平，且定版之后的數控程序將不能隨意修改。人員權限的設置使得數控程序僅對相關人員開放，杜絕了誤修改、覆蓋其他數控程序的現象。這些改進增強了對數控程序的管理，使工藝管理更加細化；

(3)加強了車間計劃管理層對車間生產情況的把控。MDC系統實現了生產信息的實時采集，生產數據是制造業信息化的基礎，機床信息的采集使報工時間更加精確可靠，并通過對生產數據的統計分析，為車間的精確排產提供了決策基礎。

3.2 系統的改進

DNC/MDC系統實施完成后，實現了設備的以太網互聯，數控程序實現了精細化、集中化管理，并對設備的生產狀態及其他生產數據進行了收集與分析。但車間DNC/MDC系統仍有改進的必要，具體改進方向有：

(1)制造業信息化建設應該向集成化發展，DNC/MDC系統在數據采集的同時尚未與車間MES系統進行集成，所采集的信息與車間計劃進度沒有實現強相關，機床設備作為車間的重要生產資源，應該納入MES管理范圍內，且精確報工同樣是MES系統關心的重點，DNC/MDC系統應該與MES實現深度集成，達到生產進度同步、車間資源充分利用的目的；

(2)對數控程序的仿真無法在系統上完成。目前，該系統僅支持下載數控程序等文件，需要在VERICUT等專業仿真軟件上進行仿真。

結語

航天制造業對質量要求較高，DNC系統有效解決了數控程序管理不規范的問題，產品質量得到保障。隨著航天行業的迅猛發展，提高生產效率成為重要目標，MDC系統提升了車間計劃層對生產資源的管控，給精細化排產提供了精確的數據支撐。總之，DNC/MDC系統的建成提高了車間質量和生產效率，是車間向智能工廠發展的基礎。