關鍵詞 柔性集成制造 技術方法體系 快速系統實施

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

目前我國已是一個制造大國，但還不是制造強國，制造業的技術基礎相對薄弱。加工制造業為了更好地適應新產品快速研制的需求，紛紛建立了精密機加車間，旨在滿足高新技術產品關鍵零部件的快速變批量精密加工，由于采用設計制造一體化思想進行規劃并系統地應用了柔性集成制造的技術與方法，取得了較好的應用成效。

1 柔性集成制造應用系統開發

通過部分重點企業結構調整調研，發現制造業還不同程度地存在如下問題：

（1）工藝設計效率低、生產準備時間長 零件設計已經普及了二維、三維軟件的應用，但設計信息共享不足，工藝設計效率低，刀具準備和工裝設計還有很大的盲目性和滯后性。

（2）數控設備利用率低 有些企業精密機加車間的數控設備開機率很高，但有效工作時間卻非常低，因為多品種試制中經常更換加工程序和工裝占用了過多的加工時間，增加了加工輔助時間。

（3）生產管理水平落后 作業計劃和生產信息管理為傳統的手工記錄和統計方式，重復抄寫，既費時又經常出現數據錯誤，很難準確掌握計劃的完成情況、廢品率等生產狀況，信息無法共享。

解決上述問題需要企業大力應用柔性集成制造技術，已有經驗表明 應用不同柔性集成水平的制造系統可提高生產率 2-4倍，新產品試制周期和費用減少1/3～1/2，能夠系統地提高企業的綜合競爭能力 [1] 。

結合制造基礎技術應用項目的開展，在某企業的實施中，設計開發了如下應用系統：

（1）網絡及數據庫支撐子系統（NDS：Network ａnd Database support System，包括組織、設施及網絡和數據庫環境）

（2）工程設計子系統（EDS：Engineering Design integrated System，以CAPP為核心的××關鍵零部件CAD/CAPP/CAM集成應用），如圖1所示。

（3）制造控制管理子系統（MCMS：Manufacturing Control & Management System，強調信息集成和人機協同的××關鍵零部件的柔性集成制造系統管理）,如圖2所示。

總體信息集成以快速以太網和 MS SQL Server 2000數據庫管理系統為基礎，上層實現產品設計、工藝設計集成，并通過工藝信息、制造資源信息和生產計劃信息實現設計與制造集成，底層車間制造由 CANBUS和RS232組成現場控制總線網，運行模式選用集成DNC形式。系統中不設物流，不追求全盤自動化，以信息集成為主，運行過程強調人機協同， MCMS中設置人員工位11個，其中：操作人員工位7個、刀具準備人員工位1個（兼系統維修員）、物料管理人員工位1個、系統管理人員工位2個。

經過兩個階段近 7 個月的運行考核證明，機床負荷率和綜合利用率有明顯提高，縮短工藝準備時間在 37% 以上，機床聯網運行后的生產效率和管理水平都有明顯的提高。在完善的計算機網絡和數據庫系統的支持下，實現設計制造信息集成，對高新技術產品關鍵零部件生產起到了系統支持與保障作用。

2 柔性集成制造的技術方法體系研究

2.1 柔性集成制造實施方法研究的意義

21 世紀，客戶的個性化需求更加明顯和強烈，以大規模定制、個性化定制為主的生產模式要求制造設備、制造工藝和管理流程等都應具有柔性，在集成方面，將從制造系統內部的信息集成和功能集成發展到實現產品整個開發制造的過程集成，并逐步步入企業集成階段。數字化企業要求注重控制網絡與信息網絡的集成，實現計算機協同工作與信息共享 [2] ，制造過程的柔性化和集成化仍是 21 世紀制造業的重要特征和主要發展趨勢。#p#分頁標題#e#

柔性集成制造最終要通過一個系統來實現，涉及生產系統設計、制造信息集成和系統運行控制等多個方面，如果完全面向個別企業開發，費時費力，且實施的系統可靠性不易保證。因此，研究和開發柔性集成制造的系統實施方法具有重要意義。

2.2 快速實施柔性集成制造系統的技術方法體系定義

快速柔性集成制造是以快速工藝設計為先導，以數控技術為核心，以網絡通訊控制和管理為平臺，高效地完成企業多品種、變批量的加工、制造、裝配與檢測等過程的先進制造技術。 當前機械制造業適應市場動態需求及產品迅速更新的主要生產組織模式 －－ 柔性集成制造系統，具有高效性、靈活性和縮短投產準備時間等特性。 實施柔性集成制造 主要靠設備、工藝、組織管理等的柔性和系統的重構能力及其快速的系統實施。

為了更好地開發具有通用功能的系統應用模塊， 將柔性集成制造系統化分為網絡數據庫支撐子系統、產品工藝快速設計子系統、快速生產組織管理子系統和柔性集成制造控制子系統。快速實施柔性集成制造系統的技術方法體系還包括相應的內外部環境條件，如 標準、規范和企業專有知識等。通過基礎研究和工程應用實踐，提出實施柔性集成制造系統的技術方法體系 如圖 3所示。

圖 3 快速實施柔性集成制造系統的技術方法體系

該體系的定義比較清楚地描述了系統的功能 組成及其內在聯系， 結合國情，側重應用，無需配備自動化物流裝置，利用組件技術開發應用模塊，可 大大節省企業的實施費用。

3 實現柔性集成制造的快速系統實施方法

3.1 柔性集成制造的分系統功能設計

（1）實現柔性集成制造的網絡數據庫支撐子系統

在企業 Intranet中采用快速以太網技術連接職能部門、車間現場控制室和車間現場數控設備到同一網絡，為保證在有干擾環境下系統的傳輸性能，實施中采用屏蔽系統設計，并特別考慮系統抵御外界電磁干擾的能力和系統本身向外輻射電磁干擾的問題。應用系統開發采用面向對象方法，數據源接口分別配置成Oracle和 SQL Server，為用戶提供完整的數據庫解決方案。

（2）產品工藝快速設計子系統

根據典型零件的工藝分析和企業工藝設計需求調研，建立工藝資源庫，定制相應的工藝卡片模板，創建典型工藝，完成檢索式 CAPP工具系統開發；針對主要產品的加工特征分析，創建加工特征庫，完成基于特征提取的創成式CAPP系統的開發與應用。

（3） 快速生產組織管理子系統

通過典型企業生產組織管理流程分析和快速生產組織需求調研，開發具有一定通用性的生產管理模塊，包括：生產計劃管理、作業任務分配、刀（量）具管理、集成化 NC程序文件管理、生產信息統計查詢、工時核算等。

（4） 柔性集成制造控制子系統

這是快速柔性集成制造工程應用的關鍵部分，通過數控設備網絡通訊服務、 NC程序傳輸控制、運行狀態監控、任務完成信息返回等功能模塊設計和數控加工多功能機床輔助控制器的應用，實現加工系統與工藝設計、生產管理等的信息集成和車間數控設備的聯網運行控制。

3.2 實現柔性集成制造的多功能機床輔助控制器開發

中國制造業當前面臨最突出的問題是生產系統效率不高 [3] ，通過快速工藝準備和數控設備聯網運行管理，能實現快速生產轉換并提高系統效率。采用專門開發的多功能機床輔助控制器可實現集成 DNC功能，由一臺計算機實現對所有數控設備的通訊，在DNC主機無人操作的情況下，操作人員在數控設備端即可實現與DNC主機的通訊對話，效率高，規模擴大時 能很方便地添加新的設備到集成控制系統中，一臺主控機最多能控制 128臺數控設備，擴展性好。

多功能機床輔助控制器，是專門研制的系列化產品。它可以實現具有不同數控系統的加工中心和簡易數控設備通過 RS232連接到快速以太網上，NC程序上下載可根據不同系統要求設置傳輸率，可在機床端申請任務、返回任務完成信息。為有效評價加工/生產效能 [4] ，獲得更多的工廠底層信息，高級型還可存儲NC程序、記錄機床開關機時間和某個程序的運行次數以及直接向控制室實時上報機床運轉狀態及故障信息。#p#分頁標題#e#

3.3 柔性集成制造的系統實施方法探討

（1） 按照上面柔性集成制造技術方法體系定義，采用模塊化設計思想和組件技術開發相應的標準模塊與系列化產品，如為 產品工藝快速設計開發了開放的工藝資源管理器、零件分類編碼標準輔助編制系統、檢索式 CAPP樣板工藝、基于特征庫、知識庫和專家系統的創成式CAPP模塊 ； 為快速生產組織管理開發了 作業計劃及任務分配模塊、生產管理模塊、刀具管理模塊；為柔性集成制造控制開發了 NC程序版本管理與傳輸模塊、設備運行狀態監控模塊以及數據庫接口模塊；

（2） 采用配置文件連接數據庫，開發數據庫接口功能模塊，實現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據庫 [5] 。設置表示數據庫的變量為 sDBMS，連接字串設為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）分析企業的實際需求和應用目標，了解企業相應組織架構及生產管理流程、技術專長、特有優勢等企業知識，按柔性集成制造技術體系及已有相應子系統的應用設計模塊，進行功能篩選；

（4）初步確定相應軟件模塊和產品，快速建立演示系統并進行應用效果評估，與用戶協商確定工程實施的方案、進度和目標，簽訂合同；

（5）建立項目團隊，分析現有工程設計軟硬件環境，制定設計制造信息集成接口實施方案，制定項目工作分解結構（WBS）和進度計劃、資源需求計劃；

（6）根據數控設備類型、控制系統類型或產品生產組織特點，劃分控制邏輯單元，選擇和配置多功能機床輔助控制器，進行現場關鍵環節的系統實施工作；

（7）運用相關標準及柔性集成制造的有關規范，并及時關注項目相關者的需求，保證應用系統的外部接口及人機界面最大限度地符合使用者的需求，控制系統實施過程，有意識地規避因集成化管理造成個別受影響人員的抵觸而使系統不能很好的應用等風險；

（8）激勵項目團隊努力工作,對照合同和工作計劃，進行系統集成，開展應用測試；

（9）進行項目總結，提交實施報告，完成工程驗收；

（10）后期跟蹤服務，爭取新的拓展與提高。

4 應用實例及效果

某重點生產企業承擔著多項高新技術產品研制任務，為解決目前存在的生產信息共享不足、工藝設計效率低、產品生產輔助時間長、設備利用率低、信息反饋不及時等問題，對其精密機加車間實施了柔性集成制造系統工程。

（1）根據需求，設計了系統應用體系結構 [6] ，如圖4所示。

（2）進行軟件功能模塊篩選，由檢索式CAPP、生產管理、刀具管理、NC程序管理、NC程序傳輸等模塊組成新的應用系統，快速建立應用原型系統，經過與企業相關人員交流、預測使用效果、評估功能實現程度，確定系統目標和實現方式。

（3）根據企業選用的ORACLE數據庫，修改了應用系統接口軟件配置文件，設置如下：

[Database]

DBMS=oracle ‘設置數據庫類型

…

SID=orcl9.fmslab.com ‘設置服務名

USERID=shop524 ‘設置用戶名

PWD=shop524 ‘設置用戶密碼

通過配置文件形成 sadoconnect字串，軟件可通過該字串與數據庫連接。具體代碼如下：

Set re = New ADODB.Recordset

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

[SERVER]#p#分頁標題#e#

server_location=192.168.0.253

…

（4）企業不需監控加工中心的運行狀態，因此選用了Ⅱ型簡易的多功能機床輔助控制器，現場網絡布線根據加工單元的布局情況設置4臺數控車床為一組，縱切機床2臺為一組，減少現場通訊控制設置，節省投資。

（5） 在明確的目標和資源需求指導下，按上述方法進行工程實施，從達成合作意向到工程驗收僅用了4個月的時間就完成了8臺加工中心、7臺數控車床、5臺縱切機床、4臺車削中心共計24臺數控設備的聯網運行，系統應用集工藝設計、生產計劃管理、刀具管理、任務分配和DNC控制為一體，達到了快速的系統實施。

（6） 后期跟蹤，企業給出的應用效果為 ：① 縮短生產準備周期，以往進行一個零件的工藝設計需要 1.5～2個工作日，甚至更長時間，目前只需一兩個小時或最多半天時間即可完成；對于NC程序的準備時間也從過去的平均一個程序需10～15分鐘，縮短為 3～4分鐘；刀具管理由手工記帳改成計算機管理，平均刀具準備時間由4～6分鐘，縮短為2～3分鐘。② 提高設備運行效率，以往NC程序需要在機床面板手工輸入和調試，占用機床的工作時間，有的機床程序更換頻繁，平均一天占用加工時間1.5～2個小時，甚至更長；機床聯網后，程序編輯完全在計算機上進行，通過網絡傳輸到機床，不占用機床加工時間，綜合統計全面提高設備的運行效率17～25%。

（7）按本技術方法體系，根據企業需求，第二期又進行了整體功能擴展，僅用2個月的時間就完成了78臺數控設備的聯網和快速工藝準備系統實施，為建立完善的數字化制造車間（DMS）打下了良好的技術基礎。

[參考文獻]

[1] 許興華，馬銘辰，陶俐言. 集成DNC在設計制造集成系統中的應用 . 制造業自動化， 2002，（8）.

[2] 吳道虎，李 （山堯），王緒軍. 基于UNO和ADAM5510的遠程SCADA系統設計與實施.國內外機電一體化技術，2004，（1）.

[3] 劉洪偉，仵鳳清.信息技術環境下中國制造業應用TPS研究.工業工程，第7卷第3期，2004，（5）.

[4] Dave Harrold.智能數據訪問=可盈利的操作.CONTROL ENGINEERING CHINA，2004，（12）.

[5] 數字化制造車間應用開發初步設計. 長春：中國兵器工業集團第五五研究所，2004.

[6] 陶俐言等.快速柔性集成制造的工程實踐. 海南：武器裝備快速研制系統技術學術會議文集（B卷），2003.