柔性集成制造的快速系统实施方法及应用

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【摘要】 针对大部分企业技术基础和先进制造应用需求，建立了柔性集成制造技术体系，并模块化开发应用组件和系列产品，提出了快速工程实施的系统方法，应用效果明显。
关键词 柔性集成制造 技术方法体系 快速系统实施
Keywords flexible integrated manufacturing, technique approach system, rapid system actualize
目前我国已是一个制造大国，但还不是制造强国，制造业的技术基础相对薄弱。加工制造业为了更好地适应新产品快速研制的需求，纷纷建立了精密机加车间，旨在满足高新技术产品关键零部件的快速变批量精密加工，由于采用设计制造一体化思想进行规划并系统地应用了柔性集成制造的技术与方法，取得了较好的应用成效。
1 柔性集成制造应用系统开发
通过部分重点企业结构调整调研，发现制造业还不同程度地存在如下问题：
（1）工艺设计效率低、生产准备时间长 零件设计已经普及了二维、三维软件的应用，但设计信息共享不足，工艺设计效率低，刀具准备和工装设计还有很大的盲目性和滞后性。
（2）数控设备利用率低 有些企业精密机加车间的数控设备开机率很高，但有效工作时间却非常低，因为多品种试制中经常更换加工程序和工装占用了过多的加工时间，增加了加工辅助时间。
" u+ h! t+ Y1 j9 \" ]- N8 Q（3）生产管理水平落后 作业计划和生产信息管理为传统的手工记录和统计方式，重复抄写，既费时又经常出现数据错误，很难准确掌握计划的完成情况、废品率等生产状况，信息无法共享。

解决上述问题需要企业大力应用柔性集成制造技术，已有经验表明 应用不同柔性集成水平的制造系统可提高生产率 2-4倍，新产品试制周期和费用减少1/3～1/2，能够系统地提高企业的综合竞争能力 [1] 。
结合制造基础技术应用项目的开展，在某企业的实施中，设计开发了如下应用系统：
% F, \/ r( U2 U5 z- Y( P  w  k（1）网络及数据库支撑子系统（NDS：Network ａnd Database support System，包括组织、设施及网络和数据库环境）
' N- N) o  V0 m9 N# e（2）工程设计子系统（EDS：Engineering Design integrated System，以CAPP为核心的××关键零部件CAD/CAPP/CAM集成应用），如图1所示。
（3）制造控制管理子系统（MCMS：Manufacturing Control & Management System，强调信息集成和人机协同的××关键零部件的柔性集成制造系统管理）,如图2所示。
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# y" q4 \( s% B: F1 ]+ P总体信息集成以快速以太网和 MS SQL Server 2000数据库管理系统为基础，上层实现产品设计、工艺设计集成，并通过工艺信息、制造资源信息和生产计划信息实现设计与制造集成，底层车间制造由 CANBUS和RS232组成现场控制总线网，运行模式选用集成DNC形式。系统中不设物流，不追求全盘自动化，以信息集成为主，运行过程强调人机协同， MCMS中设置人员工位11个，其中：操作人员工位7个、刀具准备人员工位1个（兼系统维修员）、物料管理人员工位1个、系统管理人员工位2个。
6 R; b, n+ `8 `- t6 e1 L经过两个阶段近 7 个月的运行考核证明，机床负荷率和综合利用率有明显提高，缩短工艺准备时间在 37% 以上，机床联网运行后的生产效率和管理水平都有明显的提高。在完善的计算机网络和数据库系统的支持下，实现设计制造信息集成，对高新技术产品关键零部件生产起到了系统支持与保障作用。
* g- ]% v& b' l8 b2 柔性集成制造的技术方法体系研究
% K0 Y0 e/ q9 M3 L' n  b2.1 柔性集成制造实施方法研究的意义
21 世纪，客户的个性化需求更加明显和强烈，以大规模定制、个性化定制为主的生产模式要求制造设备、制造工艺和管理流程等都应具有柔性，在集成方面，将从制造系统内部的信息集成和功能集成发展到实现产品整个开发制造的过程集成，并逐步步入企业集成阶段。数字化企业要求注重控制网络与信息网络的集成，实现计算机协同工作与信息共享 [2] ，制造过程的柔性化和集成化仍是 21 世纪制造业的重要特征和主要发展趋势。
柔性集成制造最终要通过一个系统来实现，涉及生产系统设计、制造信息集成和系统运行控制等多个方面，如果完全面向个别企业开发，费时费力，且实施的系统可靠性不易保证。因此，研究和开发柔性集成制造的系统实施方法具有重要意义。
2.2 快速实施柔性集成制造系统的技术方法体系定义
  Q9 Y% o' Z: }) A+ L* r. t快速柔性集成制造是以快速工艺设计为先导，以数控技术为核心，以网络通讯控制和管理为平台，高效地完成企业多品种、变批量的加工、制造、装配与检测等过程的先进制造技术。 当前机械制造业适应市场动态需求及产品迅速更新的主要生产组织模式 －－ 柔性集成制造系统，具有高效性、灵活性和缩短投产准备时间等特性。 实施柔性集成制造 主要靠设备、工艺、组织管理等的柔性和系统的重构能力及其快速的系统实施。
7 F1 x. t& u; e' w为了更好地开发具有通用功能的系统应用模块， 将柔性集成制造系统化分为网络数据库支撑子系统、产品工艺快速设计子系统、快速生产组织管理子系统和柔性集成制造控制子系统。快速实施柔性集成制造系统的技术方法体系还包括相应的内外部环境条件，如 标准、规范和企业专有知识等。通过基础研究和工程应用实践，提出实施柔性集成制造系统的技术方法体系 如图 3所示。
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6 V" u& G9 b3 s图 3 快速实施柔性集成制造系统的技术方法体系
该体系的定义比较清楚地描述了系统的功能 组成及其内在联系， 结合国情，侧重应用，无需配备自动化物流装置，利用组件技术开发应用模块，可 大大节省企业的实施费用。
+ T. X* L1 N  m( U3 实现柔性集成制造的快速系统实施方法
3.1 柔性集成制造的分系统功能设计
（1）实现柔性集成制造的网络数据库支撑子系统
在企业 Intranet中采用快速以太网技术连接职能部门、车间现场控制室和车间现场数控设备到同一网络，为保证在有干扰环境下系统的传输性能，实施中采用屏蔽系统设计，并特别考虑系统抵御外界电磁干扰的能力和系统本身向外辐射电磁干扰的问题。应用系统开发采用面向对象方法，数据源接口分别配置成Oracle和 SQL Server，为用户提供完整的数据库解决方案。
, K( u5 d! Q  E5 T  e3 d+ C; y8 k) _（2）产品工艺快速设计子系统
根据典型零件的工艺分析和企业工艺设计需求调研，建立工艺资源库，定制相应的工艺卡片模板，创建典型工艺，完成检索式 CAPP工具系统开发；针对主要产品的加工特征分析，创建加工特征库，完成基于特征提取的创成式CAPP系统的开发与应用。
' v8 }; e, N3 d, _, h  ^0 U9 z（3） 快速生产组织管理子系统
/ a$ ]1 r3 F5 j! W) w8 x& P* z# Q通过典型企业生产组织管理流程分析和快速生产组织需求调研，开发具有一定通用性的生产管理模块，包括：生产计划管理、作业任务分配、刀（量）具管理、集成化 NC程序文件管理、生产信息统计查询、工时核算等。
; _1 H: k# @; i5 A( g) Y$ D（4） 柔性集成制造控制子系统
这是快速柔性集成制造工程应用的关键部分，通过数控设备网络通讯服务、 NC程序传输控制、运行状态监控、任务完成信息返回等功能模块设计和数控加工多功能机床辅助控制器的应用，实现加工系统与工艺设计、生产管理等的信息集成和车间数控设备的联网运行控制。
* f: Z% y  Z4 N2 p5 P3.2 实现柔性集成制造的多功能机床辅助控制器开发
中国制造业当前面临最突出的问题是生产系统效率不高 [3] ，通过快速工艺准备和数控设备联网运行管理，能实现快速生产转换并提高系统效率。采用专门开发的多功能机床辅助控制器可实现集成 DNC功能，由一台计算机实现对所有数控设备的通讯，在DNC主机无人操作的情况下，操作人员在数控设备端即可实现与DNC主机的通讯对话，效率高，规模扩大时 能很方便地添加新的设备到集成控制系统中，一台主控机最多能控制 128台数控设备，扩展性好。
. v0 |" ~% N" H1 N多功能机床辅助控制器，是专门研制的系列化产品。它可以实现具有不同数控系统的加工中心和简易数控设备通过 RS232连接到快速以太网上，NC程序上下载可根据不同系统要求设置传输率，可在机床端申请任务、返回任务完成信息。为有效评价加工/生产效能 [4] ，获得更多的工厂底层信息，高级型还可存储NC程序、记录机床开关机时间和某个程序的运行次数以及直接向控制室实时上报机床运转状态及故障信息。
0 p" |2 p& l; Z7 w- d$ m4 @3.3 柔性集成制造的系统实施方法探讨
（1） 按照上面柔性集成制造技术方法体系定义，采用模块化设计思想和组件技术开发相应的标准模块与系列化产品，如为 产品工艺快速设计开发了开放的工艺资源管理器、零件分类编码标准辅助编制系统、检索式 CAPP样板工艺、基于特征库、知识库和专家系统的创成式CAPP模块 ； 为快速生产组织管理开发了 作业计划及任务分配模块、生产管理模块、刀具管理模块；为柔性集成制造控制开发了 NC程序版本管理与传输模块、设备运行状态监控模块以及数据库接口模块；
（2） 采用配置文件连接数据库，开发数据库接口功能模块，实现在不修改程序的情况下，通过修改配置文件来连接不同的数据库 [5] 。设置表示数据库的变量为 sDBMS，连接字串设为sAdoconnect。具体代码如下：
Select Case sDBMS
Case "sqlserver"
sAdoConnect = "Provider=SQLOLEDB;Server=" & sServer & " Database=";
& sSid & ";UID=" + sUid & _";PWD=" + sPwd
& v9 e. y$ R# Q) s7 `  k/ iCase "oracle"
sAdoConnect = "Provider=OraOLEDB.Oracle;Data Source=" & sSid;
& "User ID=" & sUid & ";Password=" & sPwd
End Select
7 b; U: }* H+ G& O* y7 S（3）分析企业的实际需求和应用目标，了解企业相应组织架构及生产管理流程、技术专长、特有优势等企业知识，按柔性集成制造技术体系及已有相应子系统的应用设计模块，进行功能筛选；
$ x$ C% ^" v2 b/ s" e（4）初步确定相应软件模块和产品，快速建立演示系统并进行应用效果评估，与用户协商确定工程实施的方案、进度和目标，签订合同；
$ e( @8 Y% H. y8 [0 M: `（5）建立项目团队，分析现有工程设计软硬件环境，制定设计制造信息集成接口实施方案，制定项目工作分解结构（WBS）和进度计划、资源需求计划；
（6）根据数控设备类型、控制系统类型或产品生产组织特点，划分控制逻辑单元，选择和配置多功能机床辅助控制器，进行现场关键环节的系统实施工作；
& s- E4 g# l/ m4 o3 D7 D（7）运用相关标准及柔性集成制造的有关规范，并及时关注项目相关者的需求，保证应用系统的外部接口及人机界面最大限度地符合使用者的需求，控制系统实施过程，有意识地规避因集成化管理造成个别受影响人员的抵触而使系统不能很好的应用等风险；
（8）激励项目团队努力工作,对照合同和工作计划，进行系统集成，开展应用测试；
' H" Q8 E+ |- J* \" E（9）进行项目总结，提交实施报告，完成工程验收；
' c% e; D2 \, o! V+ U6 m- X) v; \（10）后期跟踪服务，争取新的拓展与提高。
4 应用实例及效果
5 Q$ Y6 X& }9 H某重点生产企业承担着多项高新技术产品研制任务，为解决目前存在的生产信息共享不足、工艺设计效率低、产品生产辅助时间长、设备利用率低、信息反馈不及时等问题，对其精密机加车间实施了柔性集成制造系统工程。
（1）根据需求，设计了系统应用体系结构 [6] ，如图4所示。

（2）进行软件功能模块筛选，由检索式CAPP、生产管理、刀具管理、NC程序管理、NC程序传输等模块组成新的应用系统，快速建立应用原型系统，经过与企业相关人员交流、预测使用效果、评估功能实现程度，确定系统目标和实现方式。
0 W# E) J9 D) h1 k3 Q  m! \, [（3）根据企业选用的ORACLE数据库，修改了应用系统接口软件配置文件，设置如下：
8 \( e" U2 x3 n# N& I. }( t8 g[Database]
4 q3 h0 P3 r) _DBMS=oracle ‘设置数据库类型
…
, H; {/ E! ^& D7 z$ I1 U5 eSID=orcl9.fmslab.com ‘设置服务名
USERID=shop524 ‘设置用户名
% u0 r  B9 P0 U" ^% Q! R. j! OPWD=shop524 ‘设置用户密码
+ s5 H! o- \( R* y# ^" q通过配置文件形成 sadoconnect字串，软件可通过该字串与数据库连接。具体代码如下：
( c2 s2 e4 F! ?& PSet re = New ADODB.Recordset
2 q. X/ y# W/ bre.Open "ｓelect * from InReport", sAdoConnect, adOpenStatic
( ?6 v8 i7 m# k7 i, e% e* K8 M[SERVER]
. r) R  s6 G+ I! P6 Dserver_location=192.168.0.253
# @8 ^1 x% `6 w: Y& M" E…
% H6 M, `( i$ b" f0 K0 j' `（4）企业不需监控加工中心的运行状态，因此选用了Ⅱ型简易的多功能机床辅助控制器，现场网络布线根据加工单元的布局情况设置4台数控车床为一组，纵切机床2台为一组，减少现场通讯控制设置，节省投资。
2 F" q9 h) {' I8 x（5） 在明确的目标和资源需求指导下，按上述方法进行工程实施，从达成合作意向到工程验收仅用了4个月的时间就完成了8台加工中心、7台数控车床、5台纵切机床、4台车削中心共计24台数控设备的联网运行，系统应用集工艺设计、生产计划管理、刀具管理、任务分配和DNC控制为一体，达到了快速的系统实施。
（6） 后期跟踪，企业给出的应用效果为 ：① 缩短生产准备周期，以往进行一个零件的工艺设计需要 1.5～2个工作日，甚至更长时间，目前只需一两个小时或最多半天时间即可完成；对于NC程序的准备时间也从过去的平均一个程序需10～15分钟，缩短为 3～4分钟；刀具管理由手工记帐改成计算机管理，平均刀具准备时间由4～6分钟，缩短为2～3分钟。② 提高设备运行效率，以往NC程序需要在机床面板手工输入和调试，占用机床的工作时间，有的机床程序更换频繁，平均一天占用加工时间1.5～2个小时，甚至更长；机床联网后，程序编辑完全在计算机上进行，通过网络传输到机床，不占用机床加工时间，综合统计全面提高设备的运行效率17～25%。
5 l3 q- f( ?) J3 V  {, S（7）按本技术方法体系，根据企业需求，第二期又进行了整体功能扩展，仅用2个月的时间就完成了78台数控设备的联网和快速工艺准备系统实施，为建立完善的数字化制造车间（DMS）打下了良好的技术基础。
$ D2 O1 p2 b6 `; Y7 K4 D[参考文献]
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[2] 吴道虎，李 （山尧），王绪军. 基于UNO和ADAM5510的远程SCADA系统设计与实施.国内外机电一体化技术，2004，（1）.
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[4] Dave Harrold.智能数据访问=可盈利的操作.CONTROL ENGINEERING CHINA，2004，（12）.
[5] 数字化制造车间应用开发初步设计. 长春：中国兵器工业集团第五五研究所，2004.
[6] 陶俐言等.快速柔性集成制造的工程实践. 海南：武器装备快速研制系统技术学术会议文集（B卷），2003.
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