面向离散型数控车间的无纸化制造技术研究*

□ 王 成 □ 许建新 □ 余剑英 □ 简 粉

西北工业大学 机电学院制造软件研究所 西安 710072

近年来，在国家的大力支持以及广大企业的积极参与下，我国制造业的信息化工作开展得如火如荼，CAD、CAM、PDM、ERP 以及办公、财务、电子商务等信息系统在企业得到了广泛的实施，取得了显著的成效。通过信息化的推进，带动了我国制造企业设计、制造、管理和市场等多方面的变革［1］。

一些自动化程度较高的连续型制造企业，如汽车行业，已经实现了管控一体化的水平，实现了无纸化制造，而离散型企业，如航空、航天，由于管理的复杂性、工艺和自动化水平的限制，距离无纸化制造还有很大的差距。随着企业信息化程度的不断提高，陆续出现了各类生产制造信息化系统。这些系统都是在各自的范围内实现了无纸化制造，消除了纸质文件的传递，但系统之间没有进行紧密的集成，部分业务过程仍然通过纸质文件的方式进行信息传递。因此，为了消除纸质文件在企业的信息传递，全面采用无纸化制造技术已成为一种发展趋势。

所谓无纸化制造技术，是指在整个设计制造过程中，不需要二维图纸来传递信息，全面采用三维数模作为制造依据，通过数字化的方式进行信息传递，同时运用数字化制造信息系统进行全面管控，实现工艺设计、加工、装配和检验，制造出符合要求的产品。在三维建模、数控加工、三维检测和电子样机技术的推动下，实现无纸化制造技术成为了现实。美国波音公司在波音767-X的研制中，采用的无纸化制造技术实现了100%的三维数字化产品定义、100%的三维预装配等，而且采用了并行工程的方法，同时开展工作，在电子样机技术的支撑下，进行模拟力学分析、装配、试飞，从而大大缩短了飞机的研发周期，提高了飞机质量并降低了研制成本［2］。

无纸化制造技术以数字信息传递为核心，以精密加工为关键，进行高自动化程度的加工制造。无纸化制造技术出现后，改变了工程设计的方式、信息的传递方式、试验、制造、检验方法，节省了大量的人力、物力和财力，使新产品的设计制造周期缩短，大大降低了成本，是人类制造工程历史上的一次重大的革命。

1 企业现状分析

在离散型企业中，数控加工类企业的信息化程度最高，容易实施无纸化制造技术。企业现有信息化系统， 如 CAD、CAPP、CAM、PDM、MES、IQS、DNC等主流的信息化系统一应俱全，加工以数控加工为主，从信息化程度和硬件设施来看，具备实施无纸化制造的条件。但在实施无纸化应用过程中，企业仍存在一些问题。

（1）工艺无纸化部分。工艺业务过程没有进行控制，工艺数据分散管理，部分过程数据有待信息化处理，工艺临时更改仍采用纸质更改的方式进行，不利于数据的追溯和存档。

（2）生产管理无纸化部分。当前生产部分以MES系统为主导进行生产管理，计划排产部分已基本实现无纸化。生产现场部分，仍然以纸质的形式进行控制加工，缺乏加工过程精细化管理，生产指令仍以纸质的二维工艺做指导。

（3）生产物流无纸化部分。企业目前已配备物流管理系统，如工具、物料、刀具系统等，仅对其做了简单的结果状态管理，如出库、入库、在用等简要信息，没有对物流的整个过程信息进行跟踪。

综上所述，企业为了改变现有的制造模式，提高产品的竞争力，实施无纸化制造技术已非常迫切。无纸化制造技术是一个系统化工程，不单单指某一部分，本文重点就工艺无纸化、生产管理无纸化和生产物流无纸化及三者之间的信息集成作为研究目标，将企业从工艺设计到生产制造进行全程管控，全面实现无纸化应用，统一数据源，实现产品制造全生命周期数据管理，建立产品数字化制造质量档案。

2 无纸化制造平台搭建

▲图1 车间无纸化制造应用平台

为了改善企业管理状态，顺应无纸化制造技术发展的趋势，提出了无纸化总体思路，建立数字化制造管理模式，搭建车间无纸化制造集成平台，对工艺无纸化、生产管理无纸化、生产物流无纸化及三者之间的信息集成进行深入研究，实现以BOM为导航的统一制造数据管理体系，建立产品全生命周期制造数据质量档案，为产品的生产加工及信息追溯提供数据支撑。图1为车间无纸化制造技术应用平台的框架设计。

采用车间无纸化制造技术平台，可统一制造业务管理，统一数据管理，全过程以无纸化制造应用为主线，从工艺无纸化、生产管理无纸化、生产物流无纸化和电子质量档案管理等方面对整个产品的制造过程进行管控，从而保证数据的完整性、一致性和可追溯性，为产品的高效生产、质量保障提供坚实的基础。

无纸化制造技术是一种制造理念，是一种全新的设计和制造模式［3］，它要求在制造过程中对所有的数据都进行数字化管理，减少或消除纸质文件的存在，实现全三维结构化工艺设计和生产制造。本文从4个方面分别阐述离散型企业的无纸化制造过程。

2.1 工艺无纸化

工艺无纸化主要由工艺设计集成管理和工艺业务管理两部分组成，以工艺业务管理为控制主线，同时将工艺设计集成管理模块集成到业务过程控制当中，通过模型驱动开展工艺无纸化设计过程（如图2所示）。

（1）工艺业务管理。以BOM数据为源头进行项目管理，通过任务管理驱动工艺准备过程管理和工艺更改过程管理，同时集成现有数字化工具和数字化系统，全面管控工艺无纸化设计过程，对工艺无纸化过程中产生的所有数据进行统一管理，包括静态数据和动态数据，对数据进行技术状态管理、版本管理和有效性管理，实现工艺业务过程的闭环控制，保障工艺数据的完整性、一致性、可控性和过程数据的可追溯性［4］。

▲图2 工艺无纸化系统功能结构图

（2）工艺设计集成管理。包括工艺规划管理和工艺设计工具集。工艺规划管理主要对多工艺结构、工艺路线、材料定额、多工艺方案、产品工艺配置和产品发布等方面进行管理，为工艺的总体规划提供了保障。工艺设计工具集主要包括基于MBD的三维多视图工艺设计平台（工艺图表设计工具、工艺流程图设计工具、三维工艺设计工具、基于知识的工艺设计工具）、工装物料申请及材料定额设计、工艺指令文件编辑工具、与CAD/CAM/仿真等工具集成，为快速进行工艺设计提供了基础。

2.2 生产管理无纸化

生产管理无纸化由生产管理、现场加工、检验检测、信息采集与处理四大部分组成，采用高级计划排程技术进行生产排产，全面加强生产过程控制，减少人为干预，实时处理现场反馈，保证生产进度按计划顺利完成，如图3所示。

（1）生产管理。采用高级计划排程技术进行生产排产，在充分考虑设备生产能力和不同物料制造时间的条件下，根据物料BOM和装配件开工需求时间点，快速计算加工订单的计划开始时间，对生产执行状态、物料配套状态及制造资源状态进行实时监控，提高生产效率和设备利用率。

（2）现场加工。为了实现可视化加工制造，减少生产执行错误，消除或减少纸质文件的存在，必须对生产现场加工过程进行有效控制，通过三维工艺信息交互式浏览、工序级过程控制（开工条件的定制和检查）、工步级过程控制（刀具的检查和NC程序自动下载）、工艺更改管控（现场部分配合）以及现场问题反馈等方面加强管理，实现加工过程的可视化浏览及精细化管理。

（3）检验检测。采用基于三维模型的质量检验规划技术进行检验检测，构建三维统一检测模型，实现检测模型与设计模型、工艺模型的关联与衔接，将检测报告和检测信息进行统一规范化管理。

（4）信息采集与处理。要进行生产过程控制，实现无纸化生产，必须配套相应的信息采集与处理工具，如DNC系统、RFID和条码系统等，同时要做好制造过程数据采集规划与标识、多源数据的采集与集成以及制造过程信息实时现场展示与集成。

2.3 生产物流无纸化

生产物流无纸化主要由物流计划、物流执行和物流监控3部分组成，通过集成采集设备，实时获取物流信息，并与SCM、ERP及生产管理无纸化系统进行数据交互，如图4所示。

▲图3 生产管理无纸化系统功能结构图

▲图4 生产物流无纸化系统功能结构图

▲图5 数据集成交互

▲图6 电子质量档案管理数据组织图

主要功能有：根据物流计划，分解下达物流运输指令；通过电子看板，指导现场物流作业；通过RFID/PLC/智能传感器等硬件设备，实时采集现场运输设备、加工部件、工具的物流状态；对采集的物流信息进行跟踪、汇总、分析，并为SCM/ERP等业务系统提供实时数据，实现车间物流的可视化控制；通过电子看板，实时显示物流过程状态，指导和优化现场生产。

2.4 数据集成交互

由图5可知，无纸化系统内部各模块之间紧密相连，两两相关，数据之间形成闭环管理，使整个系统形成一体化管理，提高数据的综合利用率，保证数据的完整性和一致性。

2.5 电子质量档案管理

以BOM为核心，组织产品全生命制造数据，建立产品全生命周期制造质量档案，从零件工艺数据档案、零件生产数据档案、零件物流数据档案3方面进行管理，全程跟踪产品制造数据，如图6所示。

（1）零件工艺数据档案。将零件的三维模型、工艺数据、技术状态信息和制造资源信息进行记录和汇总，按照格式要求，形成零件工艺数据档案。

（2）零件生产数据档案。为了细化生产数据，对每个工件建立一套生产数据档案，包括工艺数据实例、生产计划、工序级过程控制信息报告、工步级过程控制信息报告、检验检测信息报告和现场问题记录等，按照格式要求，形成零件生产数据档案。

（3）零件物流数据档案。将零件加工中使用的物料、工装、刀具等物流状态信息进行记录并汇总，按照格式要求，形成零件物流数据档案。

3 工程实例验证

根据本文提出的思想，开发了数控车间无纸化制造系统，成功应用于某航空企业数控加工厂。以业务管理为控制主线，用无纸化制造技术的理念整合现有信息系统，如 CAD、CAPP、CAM、PDM、MES、IQS、DNC以及信息采集系统，搭建具有数控车间特色的无纸化制造系统门户，加强过程控制，减少人为干预，全面采用数据流进行系统间集成交互，消除或减少纸质文件的存在。建立产品全生命周期制造质量档案管理，实时跟踪产品制造状态，严格保证产品制造质量。

实践证明，该系统的实施在一定程度上有效地消除或减少了纸质文件在企业的传递，全面采用数字化方式进行业务和数据交互，整合了企业现有系统，充分利用企业现有的各种信息资源，加强内部系统间的紧密交互、业务间的过程控制和闭环管理控制，减少人为失误，保证产品的制造质量。

4 结束语

无纸化并非无一片纸，它是一种制造理念，一种新的生产模式，就连波音飞机制造现场也依然存在纸质文件。无纸化制造技术以数字信息传递为核心，以精密加工为关键，进行高度自动化的加工制造。本文按照无纸化制造技术的思想，结合企业现有的信息系统资源，搭建了适合企业需求的车间无纸化制造系统，从工艺、生产、物流等方面全面进行信息化管理，全程加强过程控制，生产加工采用精细化管理的方式进行，加强工艺设计到生产加工的闭环控制，全程跟踪产品的制造状态，建立产品的全生命周期制造质量档案，为产品的高效生产和高质量品质提供保证。无纸化制造技术的应用，必定会提高企业的竞争力，为企业带来可观的经济效益。

［1］ 杨海成,祁国宁．制造业信息化技术的发展趋势［J］．中国机械工程,2004（19）:74-76．

［2］ 侯守峰,王桂录，刘引．无纸化制造技术［J］．煤矿机械，2012（3）:128-129．

［3］ 张伦彦．面向离散型车间的无纸化MES研究［J］．航空制造技术，2012（12）:44-47．

［4］ 王成,许建新,董思洋,等．飞机结构件数控工艺业务管理平台技术研究［J］．航空制造技术,2012（1）:133-137．