數(shù)字化加工集成管理發(fā)展及展望

導語：數(shù)字化加工集成管理發(fā)展及展望一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：數(shù)字化加工是數(shù)控加工發(fā)展的必然趨勢，數(shù)字化加工集成管理能有效打破加工過程信息孤島，實現(xiàn)信息共享和重用，從而降低信息化成本，提高產(chǎn)品研發(fā)效率。在對企業(yè)數(shù)字化加工集成管理現(xiàn)狀總結的基礎上，對全三維數(shù)字化設計制造、數(shù)字化加工業(yè)務流程管理、數(shù)字化加工系統(tǒng)集成等數(shù)字化加工集成管理未來的發(fā)展方向進行了分析和展望。

關鍵詞：數(shù)字化加工；集成管理；業(yè)務流程

數(shù)控技術的發(fā)展使制造業(yè)得到了革命性的改革，使制造業(yè)的發(fā)展進入了嶄新的階段，數(shù)控技術其以高效率、高精度的技術特性解決了普通機床無法解決的工藝結構復雜產(chǎn)品的機加工問題，使企業(yè)的制造水平不斷提高，取得了優(yōu)異的經(jīng)濟效益[1]。然而，面對越來越復雜的零件數(shù)控加工需求，單純的人工數(shù)控編程遠遠無法滿足需求，計算機輔助制造（ComputerAidedManufacturing）技術應運而生，數(shù)控加工也由單一的車間編程加工進入包含產(chǎn)品造型至成品檢測在內(nèi)的數(shù)字化加工階段。機械產(chǎn)品數(shù)字化加工是一項復雜的過程，需要分布異地的多個廠所單位部門參與、涉及多個專業(yè)學科領域而且協(xié)同過程業(yè)務活動交互頻繁、產(chǎn)品研發(fā)制造任務繁重而且周期短，其工藝設計及管控的水平直接影響著最終的產(chǎn)品加工質量及效率。企業(yè)迫切需要整合產(chǎn)品研發(fā)制造信息，對信息進行集中管理，打破加工過程信息孤島，實現(xiàn)共享和重用，從而降低信息化成本，提高產(chǎn)品研發(fā)效率。因此，有必要對數(shù)字化加工集成管理問題進行探討。

1數(shù)字化加工集成管理進展

數(shù)字化加工，即在數(shù)字化技術和制造技術融合的背景下，在虛擬現(xiàn)實、計算機網(wǎng)絡、快速原型、數(shù)據(jù)庫和多媒體等支撐技術的支持下，根據(jù)用戶的需求，迅速收集資源信息，對產(chǎn)品信息、工藝信息和資源信息進行分析、規(guī)劃和重組，實現(xiàn)對產(chǎn)品設計和功能的仿真以及原型制造，進而快速生產(chǎn)出達到用戶要求性能的產(chǎn)品整個制造全過程。某種程度來說，數(shù)字化加工是數(shù)控加工向上下游的延伸。產(chǎn)品數(shù)字化加工過程涉及CAD、CAE、CAM（前置處理）、后置處理、加工仿真、實際加工、成品檢測等多個系統(tǒng)及應用程序的參與，在企業(yè)信息化的大背景下，集成多個系統(tǒng)進行數(shù)字化加工過程的管理，是提高產(chǎn)品研發(fā)效率、保證制造數(shù)據(jù)唯一性的有效途徑。目前，UG、CATIA、solidworks、PRO/E等CAD軟件均可出色的完成產(chǎn)品三維數(shù)模的建立，并通過ANSYS、Abaqus、Hyperworks、Adams等CAE軟件對結構進行優(yōu)化，修改三維數(shù)模后直接進入CAM模塊進行前置處理。前置處理，即由三維設計模型生成刀位文件（APT/CL），目前已經(jīng)非常成熟，當前廣泛應用的CAD/CAM軟件如UG，CATIA的CAM模塊已經(jīng)能夠滿足企業(yè)生產(chǎn)的需求。后置處理，即將APT/CL文件轉化為機床可識別的數(shù)控代碼文件。目前，高檔數(shù)控機床所用那發(fā)科、西門子、海德漢、馬扎克等數(shù)控系統(tǒng)均為封閉式數(shù)控系統(tǒng)，無法識別CAM軟件生成的只含刀尖點位置和刀軸矢量的刀位文件，必須采用IMSPost等專用后置處理軟件針對機床特點開發(fā)專用后置處理器，將刀位文件后置處理成機床可識別的G/M數(shù)控代碼。由于機床和數(shù)控系統(tǒng)的多樣性，導致了后置處理器開發(fā)的復雜性。后置處理器的開發(fā)是目前的數(shù)控工藝規(guī)劃中的重要環(huán)節(jié)，也是難點。隨著新型機床的不斷出現(xiàn)，后置處理器及后置處理算法也在不斷的革新。總體來說，后置處理器的開發(fā)雖然復雜，但技術條件相對成熟。四軸、五軸加工時，刀軸矢量隨時變化，數(shù)控加工工業(yè)設計不合理，很可能造成過切、欠切、碰撞等問題，因此在零件實際加工前，必須進行數(shù)控加工仿真。在數(shù)控加工仿真方面，目前通用的做法是采用美國CGTECH公司開發(fā)的高級數(shù)控加工仿真軟件VERICUT進行虛擬仿真，驗證后置處理生成的NC程序的正確性，并對數(shù)控程序進一步優(yōu)化。對于機床聯(lián)網(wǎng)控制，目前技術已經(jīng)非常成熟。雖然數(shù)字化加工的每一個關鍵節(jié)點都已經(jīng)有了比較成熟的技術及裝備基礎，但是對于整個過程的集成管控卻缺乏有效的手段。基于計算機及網(wǎng)絡技術，以提升生產(chǎn)效率、加強管理為目的，相關人員在數(shù)字化加工集成管理方面進行了大量的研究。早期的研究主要集中在CAD/CAPP/CAM的集成，期望以CAPP作為CAD與CAM的橋梁，完成CAD與CAM的集成。然而，CAD/CAPP/CAM集成模式下的數(shù)控加工過程往往是：設計部門將三維設計模型投影轉化為二維工程圖紙下發(fā)工藝設計部門，工藝設計部門為保證產(chǎn)品數(shù)據(jù)的準確無誤，根據(jù)工程圖再次建模，形成工藝設計模型，再通過CAM軟件完成數(shù)控工藝的設計。這種模式下，制造信息來回轉換繁瑣且各部門間協(xié)作性、一致性差，在制造信息的轉換過程中，還可能會出現(xiàn)相關人員識圖、制圖不準確導致偏離設計意圖的問題。但是由于其代替了手工制圖，極大地縮短了研發(fā)周期、提高了效率，不少中小型企業(yè)仍沿用至今。

2數(shù)字化加工集成管理技術發(fā)展趨勢

2.1全三維數(shù)字化設計制造技術。基于三維模型定義（ModelBasedDefinition，MBD），是一種數(shù)字化產(chǎn)品定義技術，它是以全三維數(shù)字化模型為基礎，用這種集成的三維實體模型來完整表達產(chǎn)品定義信息，從而消除或者減少2D圖紙的使用，將設計信息和制造信息共同定義到產(chǎn)品模型中，實現(xiàn)面向制造的設計。它既能保證數(shù)據(jù)的唯一性，又能使三維實體模型作為生產(chǎn)制造過程中唯一依據(jù)，這對于工藝信息的集成管理是非常有益的。國外對此進行了大量的研究，并應用到了工業(yè)生產(chǎn)中。波音、空客等飛機制造企業(yè)通過將MBD技術應用于飛機研發(fā)中，取得了巨大的成功。在波音787研制過程中，公司全面采用MBD技術，摒棄二維工程圖，建立了三維數(shù)字化設計制造一體化集成應用體系，以產(chǎn)品三維數(shù)字模型作為產(chǎn)品研發(fā)全生命周期的唯一數(shù)據(jù)依據(jù)，實現(xiàn)了產(chǎn)品設計、工藝設計、工裝設計、零件加工、裝配與檢測的高度信息集成、并行協(xié)同和融合，開創(chuàng)了飛機研發(fā)領域基于三維數(shù)字化設計制造的嶄新模式，大幅度提高了產(chǎn)品研制能力，縮短了產(chǎn)品研發(fā)周期，確保客機的研制周期和質量。國內(nèi)對基于MBD的數(shù)字化集成制造技術也進行了探索，如中航工業(yè)集團對于MBD技術在飛機制造領域的應用進行了大量研究，并逐步應用于生產(chǎn)。這些研究主要側重于系統(tǒng)結構的搭建以及對企業(yè)現(xiàn)有技術裝備進行升級，以適應基于MBD的設計制造的需求。MBD技術為數(shù)字化加工集成管理提供了有效的解決方案，目前國外已經(jīng)取得了較好的成果，并轉化為實際生產(chǎn)。但是國內(nèi)目前尚處于探索階段，且由于工業(yè)技術人員的習慣問題，尚未得到有效推廣，具體實用場景有限。但是由于MBD技術的優(yōu)勢，隨著相關技術的進一步完善，技術的優(yōu)勢得以明顯體現(xiàn)后，它必將成為數(shù)控加工的重要發(fā)展方向。2.2數(shù)字化加工業(yè)務流程管理。隨著工業(yè)技術的發(fā)展，零件的形狀越來越復雜，其數(shù)控加工難度也成倍增加，一個產(chǎn)品的研制往往需要多個廠所、單位、部門的參與，高效的業(yè)務管理模式，能夠有效的對產(chǎn)品數(shù)字化加工過程進行有效的監(jiān)督管控，對于產(chǎn)品研發(fā)效率的提高有著重要意義。近年來，眾多研究人員針對設計、制造及裝配的業(yè)務管理模式進行了研究，并應用到了實際生產(chǎn)中。如針對紡織機械制造企業(yè)產(chǎn)品加工制造全生命周期的數(shù)據(jù)管理問題而建立的面向企業(yè)領導決策層、業(yè)務管理層和業(yè)務執(zhí)行層的數(shù)字化智能化管理模型[2]，面向建材裝備制造企業(yè)、基于多層次視圖的項目進度監(jiān)控、基于項目物料需求的物料流控制、基于項目裝箱單的制造過程管理模式[3]，面向飛機工藝過程的柔性化管理的基于過程驅動的飛機制造工藝管理模式等[4]。產(chǎn)品數(shù)字化加工業(yè)務流程環(huán)環(huán)相扣，每個環(huán)節(jié)都對后續(xù)工作有著極大的影響。同時，高檔數(shù)控加工設備價格昂貴，是企業(yè)生存的命脈，因數(shù)控工藝錯誤而導致機床損壞，不但影響加工精度，也會給企業(yè)帶來巨大的損失，如何有效的對業(yè)務流程進行管理，對于企業(yè)有著重要意義。采用數(shù)據(jù)和領導決策相結合的基于過程驅動的方式可進行業(yè)務的有效管理與推進。其主要理念為：面向業(yè)務流程，對工藝子過程進行封裝，對于業(yè)務的推進采用“數(shù)據(jù)+領導決策”的模式。即對制造任務層級分解編碼落實到人，對每個子任務設置“資源+指令”的驅動條件，從而對業(yè)務流程進行分級多層的控制，隨時把握項目的進度，同時，對于流程間的業(yè)務轉移，需要下一環(huán)節(jié)所需的啟動數(shù)據(jù)、授權指令、提醒指令同時滿足，才可以進行，從而達到業(yè)務流程監(jiān)控的效果。2.3數(shù)字化加工系統(tǒng)集成。將數(shù)字化加工過程各環(huán)節(jié)所需的軟件、硬件系統(tǒng)進行整合，統(tǒng)一集成管理，打通各系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)和信息通道，是數(shù)字化加工的另一個重要發(fā)展方向。目前，主要的解決策略有基于STEP/XML標準的CAD/CAE/CAM信息集成解決方案，即開發(fā)基于STEP標準的統(tǒng)一接口，實現(xiàn)對XML文檔高效地訪問、操作。該策略有效解決了CAD/CAE/CAM之間的信息交換共享問題，但仍無法解決CAM至CNC之間的信息通道。近年來，隨著STEP-NC標準的制定，數(shù)控加工領域掀起了基于STEP-NC的CAD/CAM/CNC閉環(huán)制造系統(tǒng)的熱潮，以STEP-NC為唯一數(shù)據(jù)源，將產(chǎn)品設計至數(shù)控加工在線監(jiān)測的整個流程進行集成管理，從而形成一個“CAD—CAM—CNC”的制造鏈。基于STEP-NC的開放式數(shù)控加工是未來的必然趨勢，但在現(xiàn)階段，由于封閉式數(shù)控系統(tǒng)的限制，以G/M代碼為核心的數(shù)控加工仍是主流。此外，也有學者研究基于自定義加工特征的方法來構建集成系統(tǒng)，但主要應用于一些特征明確固定的場合，通用性不強。隨著軟件及計算機網(wǎng)絡技術的發(fā)展，以COM/DCOM和WebService技術實現(xiàn)各軟件系統(tǒng)間的集成和數(shù)據(jù)交換是另一個研究方向。然而，產(chǎn)品數(shù)字化加工相關軟件對人機交互性要求均比較高，目前的集成技術尚不能有效滿足用戶需求。

3總結

隨著大數(shù)據(jù)、云計算等相關計算機網(wǎng)絡技術的發(fā)展，在綠色制造、智能制造的背景和要求下，進行數(shù)字化加工的集成管理可有效提高產(chǎn)品研發(fā)效率，提升企業(yè)信息化水平。未來，全三維數(shù)字化設計制造、數(shù)字化加工業(yè)務流程管理、數(shù)字化加工系統(tǒng)集成將是實現(xiàn)數(shù)字化加工集成管理的重要技術手段。

參考文獻：

[1]程曉波，馬彩鳳.數(shù)控加工在制造業(yè)中的應用[J].裝備制造技術，2013（7）：194-196.

[2]李西興，郭順生，杜百崗.紡織機械制造企業(yè)數(shù)字化智能化制造與管理平臺設計與實現(xiàn)[J].計算機集成制造系統(tǒng)，2016（03）：672-685.

[3]郭順生，杜百崗，孫利波，等.建材裝備制造企業(yè)數(shù)字化管理平臺設計與實現(xiàn)[J].計算機集成制造系統(tǒng)，2015（01）：226-234.

[4]董思洋，許建新，王克勤，等.飛機制造工藝管理模式及關鍵技術[J].計算機集成制造系統(tǒng)，2013，19（4）：704-713.

作者:郭宗祥 單位:陜西國防工業(yè)職業(yè)技術學院數(shù)控工程學院