表面处理生产线智能制造自动化技术研究

张小琴，冀耀华，王 翀

（陕西飞机工业有限责任公司，陕西 汉中 723213）

近几年来，随着科技的飞速发展，“中国制造”逐步向“中国智造”转型，智能制造技术是世界制造业未来发展的重要方向之一，智能化是制造自动化的发展方向，借助数字化手段进行虚拟工厂构建及生产线模拟仿真，以工业物联网为基础，引入智能加工设备、物流及仓储设备、智能工具等，利用传感、自动化、数据传输、大数据分析及人工智能、机器人等技术，实现智能设备、产线、物流配送、设备能耗的互联互通、自动执行、人机交互、效能监控。国内表面处理工程的技术水平参差不齐，与国外相比仍存在比较大的差距。尤其是生产线自动化程度低，大多仍停留在手工操作水平，故开展表面处理生产线智能制造自动化研究具有重要意义。

1 研究内容和目标

1.1 研究内容

针对表面处理加工过程以参数控制为主的特点，基于工控网开展设备、制造执行系统与信息系统互联互通，开展表面处理生产线智能制造自动化技术研究，本文主要研究内容包括表面处理智能化生产线特征、表面处理生产线数字孪生技术、数字化工艺系统、数字化MES 生产管控系统、智能物流管理系统[1]。

1.2 研究目标

为开展数智航空建设，提升数字化智能化的装备制造能力，打通表面处理产线仿真验证、智能工艺管理、计划排产、在线分析、生产过程管控等流程，研究具备动态感知、实时分析、自主决策、精准执行特征的先进制造技术和信息化相融合的智能表面处理生产线。

2 表面处理生产线智能化特征

表面处理智能化生产线能实现不同程序自动调用、设备自动控制、参数自适应控制。具备温度自动控制、PH 值自动控制、电流电压自动控制、自动喷淋、自动补水、自动分析、自动加料、自动记录及生产自检的智能生产线。

3 表面处理生产线数字孪生技术

利用数字孪生技术，通过虚拟手段对表面处理生产线进行仿真验证、制造验证，以期在虚拟环境中及早发现并解决各种质量故障和产线工艺问题，构建表面处理生产线的数字孪生模型，对产线设计的正确性进行验证，并对表面处理生产线运行过程中的各类特殊状况进行模拟，实现虚拟生产。

构建表面处理智能生产线的数字孪生模型，实现：

（1）建设三维数字化表面处理生产线模型（包括设备布局、物料输送系统、生产策略等），动态展示生产组织过程。

（2）依据生产线数字孪生模型，对表面处理生产线的生产能力进行仿真验证。

（3）对生产线的生产节拍、设备效率进行验证，分析生产瓶颈。

（4）对生产线的工艺资源（人员需求、物流设备数量需求等）参数进行验证和优化。

（5）针对生产线设备的潜在故障，对生产预案进行验证。

（6）实现生产线孪生模型与现场控制系统、MES 系统的数据集成，以可视化的方式展示现场生产状态，进行实时生产决策。

（7）依据表面处理生产线的加工产品，对混线生产模式（不同零件种类，不同批次大小，紧急插单等）进行仿真和验证。

4 数字信息化管理系统

4.1 数字信息化管理系统—数字化工艺系统

数字化工艺系统实现表面处理工艺的管理，通过工艺设计管理平台使用数据导入工具实现设计零件数据的导入，并将设计三维数模、技术文档等与当前对象相关联，作为表面处理工艺表的数据源及参考文档。

通过工艺参数、典型工艺积累可构建工艺数据库、各类工装夹具构建工装库，形成工艺设计知识库，进行零件表面处理工艺设计时快速调用。数字化工艺系统中的结构化工艺参数可直接传递到生产设备，无需人工干预，减少生产错误，实现生产自动化。

（1）零件数据管理。将零件数据以散件的方式导入到工艺设计管理平台中，采用构建虚拟BOM 的方式，将同一单位的散件使用一个虚拟BOM（虚拟组件）进行管理，当零件发生变更时，可通过虚拟组件的不同版本记录零件的变更过程，实现对零件变更的追溯，实现技术状态的控制[2,3]。

（2）结构化工艺管理。工艺规划管理MPM，是一种贯穿计划、设计、制造和管理全过程的协同工作环境，旨在对生产过程中的工艺信息进行协调的统一管理。工艺信息结构化管理成为一种必要的方式。

TCM管理系统可进行工艺设计和规划，提倡“3PR”――即通过产品(Product)、工艺(Process)、工厂(Plant)与资源(Resource)四者共同构建工艺结构清单（BOP）的思想，使得所有工艺信息全部结构化，工艺数据的管理更加清晰，数据的检索和重用更加快捷。

4.2 数字信息化管理系统—MES 生产管控系统

MES 生产管控系统以生产计划为主，结合制造BOM，将生产策划、生产准备、物料供应、产品制造、质量控制等任务进行分解，形成可执行的作业任务，并对执行过程进行实时监控和层层反馈，形成订单提交、投产任务下达、投产计划分解、车间制造执行、生产数据采集和信息反馈的闭环管理，实现生产管理的透明化、可视化和敏捷化；以设计、制造为集成系统建设核心需求，基础资源数据库为公共支撑，产品数据管理/工艺数据管理/生产计划管理/物资管理系统应用集成为重点，实现设计数据、工艺数据、生产数据在相关系统的贯通，建立设计、工艺、制造之间的有机衔接，形成设计、制造一体化集成应用环境；实现以制造BOM 为核心，对生产过程全生命周期的数据进行采集、处理、集中管理，实现生产过程全程可追溯，为后续数据分析、管理决策奠定基础。提高生产管理效率，及时、准备、全面地掌握生产动态，有效控制生产过程。

（1）人员与班组。车间人员管理主要是对系统内相关用户信息进行定义，包括定义人员的账号、权限、操作菜单、登录首页、产线分配、班次、工作日历、技能与培训记录等信息等。

人员基本信息：以人员为中心，对全车间人员档案、工时等进行管理。包括维护车间人员的基本信息，建立车间人员岗位情况表。通过对车间人员所属的班组、工位、操作设备等产线分配，使系统可以精准化的为操作人员提供所需制造任务信息。

班组管理：根据车间组织结构及人员班组情况，灵活定义班组信息，并将相应人员添加到班组中。同时建立设备和班组，设备和人员之间的逻辑关系，达到快速分类和查找、利用的目的。

（2）计划任务管理。生产计划管理是整个数字化生产执行系统的最前沿部分，重点完成车间作业计划的制定和进度监控，确定车间计划的生产数量和完成时间，下达车间产品或需交付项目的生产指令，完成产品配套任务。计划任务管理包含了如下关键需求：①生产计划导入：从生产管理系统提取零件交付节点计划，由车间库房人员扫码录入零件信息，创建Excel 表格，计划员制定车间作业计划，确定车间计划的生产数量和完成时间，将作业计划自动推送各班组。②紧急任务插单：当需要进行紧急任务或临时任务插单时，计划员可以在Excel 表格中创建优先级较高的生产计划清单，通过导入工具进入MES 系统中接收该生产任务（紧急插单），即可对该生产任务进行派工生产。③计划进度监控：实现车间计划执行进度、完工状态、设备状态、报警等信息的可视化浏览和查询功能，并根据事先设定的方式触发相应的事件或报警，督促管理人员及时采取应对策略。④作业调度管理：为车间计划员、调度员和工段长提供计划下发、生产准备、作业派工、外协调度等功能，并通过在制品进度监控零件在车间的流转状态和设备状态等。⑤工段长派工：车间计划员将计划下发到工段长后，工段长即可进入作业派工界面，根据当日的生产情况（任务信息、紧急程度、时间要求等）和设备、人员情况进行派工，指定相关的人员或设备进行加工。⑥现场执行管理：将企业生产的诸要素、各环节和各方面的工作有效地结合起来，形成联动作业和连续生产，以最少的耗费，取得最大的生产成果和经济效益。⑦生产任务接收：班组接收工段长派工，工人通过终端设备查看对应任务，接收属于自己的生产任务，系统自动记录接收时间。⑧现场作业报工：工人根据工艺文件指导完成产品加工后，扫描FO 条码系统自动记录该工序报工的时间节点。⑨现场数据采集：通过工控机接口与信息化系统互连，实现大量数据的自动采集，为统计分析、决策管理和产能优化提供可靠的数据支持。

（3）设备管理。设备是企业进行生产的主要物质技术基础，将所有生产线、废水设备、废气设备独立控制模式进一步集中化、信息化和智能化管控。实现所有设备数据互通、数据交换、智能控制，自动统计设备故障率及设备保养周期记录，进一步提高效率。

（4）质量管理。质量管理是精益生产的核心环节，按照产品质量规范管理要求所有进入车间的产品都要严格按照质量标准进行操作和控制，以杜绝或避免质量问题的发生。车间质量管理能够进行质量信息手工录入、自动采集、处理、查询、追踪、打印、统计等。通过工艺参数数据采集可实现无纸化生产原始记录。

5 智能物流管理

5.1 物流过程仿真

通过对物料、设备、夹具、缓冲区、人等生产要素进行逻辑建模，结合生产现场采集的实际工艺参数，对物流规划方案进行仿真，准确地对生产线的实际物流过程进行预测或再现，并分析生产线瓶颈、效率和产能。

物流设计原则：安全原则、整体综合原则、人流物流通畅原则、移动距离最小原则、搬运次数最小原则、空间利用原则、柔性原则。

5.2 智能物流系统

智能物流系统主要由智能仓储系统、智能运输机器人、工装提升装置和智能调度系统等四部分组成。

（1）智能仓储系统。表面处理零件种类多，库房用于零件周转，智能仓储系统需建设零件仓储系统，由立体货架、存储托盘和自动巷道堆垛机构成，实现零件快速存取和拣选。

（2）智能运输机器人。智能运输机械人采用潜伏式结构，激光雷达AGV 导引和控制，通过车载控制系统、先进的激光导航技术和成熟的避障算法，自动行驶至各工位缓存区，自动找到目标零件存储防护架，潜入防护架底部对接、举升后，将零件带防护架通过背负的方式从当前工位准确、高效的运送至下一工位，实现零件免装卸车、无人或单人操作的快速工位间转运功能。

（3）工装提升装置。工装提升装置主要是实现零件工装提升到生产线行车机架上的搬运转换工作。工位提升装置采用升降式机械结构，用于辅助操作工人快速完成零件的上下料和短距离转移工作，实现可单人完成零件在工位上的快速上下料操作。

（4）智能调度系统。智能调度系统的核心是中枢控制系统，用于接收各工位信息采集终端物流运输需求指令，采集各节点智能系统的使用状态，结合生产计划的先后次序和物料运输信息，通过合理的算法，提供给调度人员决策并回馈给各节点需求人员，控制智能仓储系统和智能运输机器人，实现零件各周转运输环节的通讯的无缝衔接和高效的组织调度，兼备异常报告、调度决策和统计分析等功能，为管理人员提供车间内部物流管理的各类统计数据，即时显示物流状态和辅助决策等功能。

6 结语

通过新一代信息通信技术与先进制造技术深度融合，表面处理智能制造通过MES 生产管控系统的构建及智能化表面处理生产线的搭建，传统表面处理的生产将会实现部分或者全部无纸化加工，从设计参数的获得到制造环节的信息传递以及后续物流环节的管理都可实现全流程信息化管控，提高表面处理生产线智能制造自动化水平。