数字化集成技术在航空复杂产品制造过程中的应用

杨 海，李 凯，白代敏，马光辉

（1.西北工业大学 机电学院，西安 710072；2.西安航空发动机（集团）有限公司，西安 710021；3.中国航空规划建设发展有限公司，北京 100120）

0 引言

数控加工是航空复杂产品加工的重要手段之一[1]。加工过程涉及数控工艺文件、数控程序等多项加工信息。在数控技术、计算机技术和网络技术的相互融合下，DNC(Distributed Numerical Control)技术的概念也不断地发展和外延，已逐渐演变成一种生产现场信息集成与管理平台[2～4]。如何在车间管理模式中将DNC系统与MES、PDM等其他应用系统进行有效的集成，实现DNC与MES、PDM间的信息共享，对于制造车间的信息化建设具有重要的意义。

制造企业数字化集成技术的研究与应用表现为两方面，一方面是面向产品全数字化设计与制造的CAD/CAE/CAM/CAPP/PDM集成。如赵娜[5]提出了基于PDM平台的3C集成框架和模型，分析了基于PDM平台的CAD/CAPP/CAM集成实现过程，这一方法对航空制造企业实现信息化和异地协同制造具有一定的指导意义。缪小方等[6]阐述了产品设计、分析仿真、工艺规划、数控加工、质量控制及生产管理的PLM信息化集成平台开发与实施的关键技术及技术路线，提高了产品设计质量、缩短了产品设计周期。杜福洲等[7]针对如何实现真正的无图化、无纸化的三维数字化集成检测，研究了三维数字化集成检测中的关键技术。另一方面是为实现整机制造企业信息化，进行的CAD/CAE/CAM/CAPP/PDM与企业资源计划ERP、供应链管理SCM(Supply Chain Manage-ment)、客户关系管理CRM(Customer Relationship Management)的集成。如周秋忠等[8]将数字化管理平台划分成经营、工程和生产三大系统，提出了实现三大系统之间集成互操作的方法，使数字化管理平台符合制造企业实际业务的应用需求。

生产数据集成方面的研究，有效地推动了企业信息化平台的构建，但由于航空复杂零件的数控加工工作量大，涉及DNC/PDM/MES系统，现有的数字化数据集成方法不能满足航空复杂产品制造对信息集成的需求。因此，提出数字化集成技术在航空复杂产品制造过程中的应用研究，通过建立面向航空复杂产品制造过程的制造数据集成模型，实现DNC/PDM/MES系统的集成。

1 制造数据集成模型建立

1.1 数字化集成技术在航空复杂产品制造中应用的必要性

航空复杂产品的典型代表是航空发动机零件，目前我国航空发动机企业拥有一套完整的生产体系和数千台（套）现代化高精尖生产加工设备，其设备管理秉承与之相配套的先进、科学的管理模式和方法。随着企业新的精密数控厂房的建成，数控设备逐渐增多，如何加强对数控设备的管理，使其发挥出最大的经济效益成了车间乃至企业的重要议程。为达到上述目标，需要解决以下六个问题：

1）生产管理模式亟待突破；

2）MES工具集和产品功能亟待丰富；

3）优化决策关键技术亟待攻关；

4）MES配套规范、标准和管理制度亟待建立；

5）MES实施推广亟待加强；

6）DNC系统的建设迫在眉睫。

这些问题，对建立集成化的MES系统、DNC系统与PDM系统提出了迫切的需求，以支持航空发动机企业数控车间数字化长效、稳定、健康和可持续的发展需求。

1.2 制造数据集成模型建立

目前，由于NC代码分散存储于各工艺人员的计算机，管理比较混乱，导致NC文件的传输、管理和准备效率方面均存在问题。同时MES系统、PDM系统与DNC系统缺乏有效集成，致使MES系统的计划指令无法下达到DNC系统，DNC系统无法获取准确的开工指令，从而无法进行有效的生产准备；DNC系统不能从PDM系统中引用相应加工代码，造成加工代码的来源不唯一、不规范；同时DNC系统对数控设备的监控信息无法准确、及时地传递给MES系统，导致MES系统无法在第一时间掌握现场的生产情况，从而影响计划安排的准确性和敏捷性。针对这些问题，航空企业通过对多年信息化建设的理解以及对国内外先进生产企业的学习，提出的制造数据集成模型如图1所示。涉及的范围涵盖四部分，即生产现场应用层、DNC传输层、MES控制层和PDM数据管理层。

图1 制造数据集成模型

1）PDM数据管理层

PDM数据管理层能够有效组织和管理企业制造过程的工艺数据、三维数模及刀具清单、质量文件和数控程序等生产作业文档。不仅为各个系统提供共享、一致的数据来源，并且对各系统的数据进行管理和存储，在制造数据集成模型中，通过PDM向DNC系统发放数据。

2）MES控制层

MES控制层是企业CIMS信息集成的纽带，为DNC系统发放加工指令，并接收DNC系统数据的反馈，及时掌握生产现场情况。

3）DNC传输层

DNC系统传输的不仅包括NC程序，而且包括执行特定生产任务所需的制造数据，如刀具数据、作业计划、机床配置信息等。所涉及到的数据实体包含四类：与制造设备硬件相关的数据实体（如机床等）；与人机通讯相关的数据实体（如通讯协议实体）；数控数据实体（如NC程序号、刀具号、工序号）；操作指令或派工单实体。

2 基于Webservice的制造数据集成方法

2.1 系统集成模式下制造数据流分析

PDM系统作为数字化集成系统唯一的数据源，承担产品结构信息、数控程序及其清单的管理与存储。DNC/MES/PDM系统集成模式下制造数据流分析如图2所示。

图2 DNC/MES/PDM集成模式下制造数据流分析

PDM系统完成车间级制造BOM的生成及数控程序的有效管理。PDM系统向DNC系统传递NC程序文件属性信息，其内容包括：产品号、零件号、CAPP工艺规程编号、工艺版本、工序号、设备型号、控制系统类型、设备编码、部门名称（车间代号）、工序名称、PDM工序编号、NC程序编号等，DNC将接受到的信息呈现给制造现场。MES系统将生产计划发送到DNC系统的管理模块，DNC管理系统根据开工零件号、工序号以及设备型号等属性在产品结构树中进行检索，筛选出需要的数控文件，并发送至机床设备树中，如没有检索到该程序，则反馈给MES系统，以便重新指定计划。在产品结构树传送成功后，操作工通过触摸屏浏览加工计划及相关技术文档，并下载对应数控程序到机床。在数控程序被机床执行的过程中，DNC系统通过监控每台机床的状态参数（运行时间、结束时间、机床的开机状态等），形成加工信息采集资源库。MES系统通过读取该资源库，进行零件的加工进度情况及现场机床的运行状态等信息的汇总，及时对生产计划进行安排和调整，以保证计划的科学性及可行性。

根据系统集成模式下的数据流分析，可分解出数据信息服务，如DNC与PDM系统集成模式下制造数据服务如图3所示。

2.2 系统集成模式下制造信息服务的发布

当制造数据服务的提供者想让其他集成系统的客户端（即服务请求者）发现并使用其所提供的制造数据信息服务时，可使用发布操作将自己提供的制造数据服务注册到制造数据信息注册中心UDDI，也可以通过该操作删除那些已经在注册中心上注册但还没有使用的制造数据信息服务，其操作步骤如下：

图3 DNC/PDM系统集成模式下制造数据服务示意图

1）首先，制造数据信息服务提供者运行一个客户端的应用程序，然后选择服务发布操作步骤。

2）若制造信息服务提供的部门还没有在注册中心中注册，则需要首先注册该部门的信息。注册完部门信息以后，需要在客户端的应用程序界面上输入部门的名称和服务关键字、服务的名称及相关信息。

3）填完这些信息后，将信息提交给注册中心，注册中心将为这个注册的部门生成相应的关键字，并把这些制造信息服务信息保存到数据库中，从而完成发布操作。

4）如果要删除某个制造信息服务，需要输入该制造信息服务所对应的服务关键字和服务名称，并提交给注册中心就可以完成删除操作。

注册中心发布制造信息服务的UML时序图如图4所示。

图4 制造信息服务发布的操作时序图

2.3 系统集成模式下制造信息服务的调用

传输层将XML格式的数据结构和超文本传输协议HTTP进行组合形成一个新的标准，制造信息服务根据这一标准调用SOAP消息，以此达到使用网络上各种不同服务提供者所提供制造信息服务目的。SOAP主要由以下四个部分组成：

1）SOAP信封：定义了一个框架结构，该框架描述了消息中的内容有什么，谁处理它，它是可选择的还是必须的。

2）SOAP编码规则：定义了一种序列化的机制，用于交换应用程序所定义数据类型的实例。

3）SOAP RPC表示：定义了用于表示远程调用和应答的协定。

4）SOAP绑定：定义了一种使用底层传输协议来完成在节点间交换SOAP封装的约定。

DNC与PDM系统集成模式下，制造数据Webservice服务调用过如图5所示。

图5 制造数据Webservice服务调用过程

制造数据信息服务请求者创建SOAP请求消息，发送到UDDI服务注册中心。UDDI注册中心接收到服务请求者发来的SOAP请求后，解读请求信息；然后从服务器端的绑定文件中找到与SOAP请求相应的制造数据信息，并作进一步处理；最后以SOAP响应的形式返回给制造数据信息服务请求者。制造数据信息服务请求者将接收到SOAP响应消息反序列化并取得结果，SOAP客户端与SOAP服务器端通过HTTP协议进行通讯，传输数据是XML格式的纯文本字符串。在制造数据管理系统基础上开发服务接口，按照功能进行封装，然后用Web服务调用，以实现对制造数据管理系统中的制造数据进行控制，从而达到制造数据的服务化。传送请求消息代码如下：

Object return Value=service Client.invoke Blocking(o pAddEntry,opAddEntryArgs, classes)[0];

classid=selectedTI.getData().toString();

System.out.println(classid);

if(nFlag == 1)

{

listObj(group_1,classid);

}

else if(nFlag == 2)

{

listObj(group_1,classid);

}

图6 盘轴零件制造过程数字化集成应用模式

(Exception ex)

{

out.println(ex);

}

在客户端需要建立一个对象，用来负责HTTP的连接。其中要设定一些头部信息。若网络连接需要带服务器，也需在客户端设定相关的信息。接着需要创建SOAP对象，用来生成SOAP消息。按照WSDL的定义，将所有的参数按序列进行序列化，得到完整的SOAP请求消息。该消息将通过HttpConnector发生到服务端。最后生成一个SOAPRead对象，该对象负责读取服务端所返回的SOAP消息，取得消息中的返回值。解析WSDL文档就会得到所有的调用方法，然后根据此调用执行操作。其开发部分代码如下：

public static void main(String[]args) {

try {

IcmDialog window = new IcmDialog();

clientdir=window.getProperties(“clientdir”);

if(clientdir.compareTo(“”)==0)

……

window.deleteFile();//gao add 获取jar包调用时传入的参数

String str = new String();

for (int i = 0; i < args.length; i++)

{//System.out.println(args[i]);

str += args[i];

}

window.open(str);

}

3 应用实例

以某航空制造企业制造数据集成平台构建为例，采用所提方法建立的航空发动机盘轴零件制造过程数字化集成应用模式如图6所示。

航空发动机盘轴制造过程数字化集成应用模式主要包括PDM（Teamcenter）数据管理平台、ERP系统、MES系统和DNC系统。通过PDM数据管理平台的多侧面多站点与DNC、MES等各子系统有效集成，实现制造数据的有效传递。设计工艺师、NC程序员和工艺工程师将编制完成的工具清单、工装设计清单、NC程序、操作说明和工作文件等发送到PDM数据管理平台；生产调度员将加工指令发放到MES系统；在ERP系统的支持下，MES系统对DNC发送加工指令，此时，工具安装人员从工作包提供的工具清单中选择加工工具，从资源数据库中选择测量工具；NC机床操作员下载NC程序包。在加工过程中将刀具实际偏移量反馈到数据管理系统，用于优化NC程序；同时通过DNC系统实现设备状态及生产数据的采集，为生产计划安排与优化提供数据支持。

以Teamcenter2007为平台，通过二次开发实现了航空发动机盘轴零件制造过程数据的有效集成，软件实现如图7所示。

图7 DNC/PDM/MES数字化集成的软件实现

DNC/PDM/MES系统在数字化集成平台实现了唯一的数据源传递。图中PDM数据管理平台集成了工具信息、加工设备信息、夹具信息和生产计划信息等多项制造数据，实现了制造数据的多系统集成。

4 结束语

现有的数字化集成技术不能满足航空复杂产品制造对DNC/PDM/MES集成的需求，利用信息技术建立了制造数据集成模型。在此基础上，通过研究DNC/PDM/MES系统集成模式下制造数据流，基于Webservice实现了各类生产制造信息的共享、过程信息的采集分析等，有效减少了设备空闲时间、提高了零部件的产出率，实现了数控设备的集成增效，长期制约航空企业数控车间增产增效的瓶颈问题得到了初步解决。

[1]高保真,王中庆.面向产品网络化制造系统研究[J].制造业自动化,2007,(06):9.

[2]汪代勇,吴昌盛,林叶.机床网络DNC的构建与应用[J].制造技术与机床,2010(3):131-134.

[3]白萍,周春,张良德.分布式数控系统DNC在离散制造业的应用[J].CAD/CAM与制造业信息化,2010(2):107-110.

[4]祁浪冰.应用网络DNC搭建数字化制造平台[J].新技术新工艺,2010(1):56-58.

[5]赵娜.航空制造企业PDM集成技术应用研究[J].航空标准化与质量,2013(4);39-43.

[6]缪小方,梁纲.基于整机产品设计数字化集成的PLM技术开发与应用[J].纺织机械,2011(4):9-13.

[7]杜福洲,梁海澄.三维数字化集成检测系统实现关键技术研究[J].制造业自动化,2011,33(5):1-5.

[8]周秋忠,刘德庆.制造企业数字化管理平台的总体规划[J].沈阳理工大学学报,2012,31(3):77-81.