趙佳琪 朱朝暉 焦云雷 雷旭冰 辛 楊

（天津航天機電設(shè)備研究所，天津300458）

兩化融合

基于TC和MES的航天產(chǎn)品數(shù)字化制造技術(shù)

趙佳琪 朱朝暉 焦云雷 雷旭冰 辛 楊

（天津航天機電設(shè)備研究所，天津300458）

以作者所在單位為例，認真分析了傳統(tǒng)制造模式存在的諸多問題，并創(chuàng)新提出了一種適合于航天產(chǎn)品的數(shù)字化制造技術(shù)。詳細闡述了該數(shù)字化制造技術(shù)的系統(tǒng)組成和關(guān)鍵技術(shù)，最終形成了適合于本單位科研生產(chǎn)特點的數(shù)字化制造流程，通過Teamcenter和MES等系統(tǒng)實現(xiàn)了從計劃編制到產(chǎn)品出庫全過程的數(shù)字化，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

航天產(chǎn)品；多品種小批量；Teamcenter；MES；數(shù)字化制造

1 引言

數(shù)字化制造技術(shù)，是將信息化手段用在工藝、生產(chǎn)、檢驗等產(chǎn)品的全生命周期中，以提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、實現(xiàn)任務(wù)快速響應(yīng)為目的的一系列技術(shù)手段的統(tǒng)稱。數(shù)字化制造技術(shù)起源于美國，美國波音777飛機由于采用此項技術(shù)，研制周期、質(zhì)量問題和成本都大大降低，成為數(shù)字化制造技術(shù)最為經(jīng)典的案例。近年來，隨著“中國制造2025”的提出，數(shù)字化制造技術(shù)在我國的應(yīng)用越來越廣泛，例如為人們熟知的C919國產(chǎn)大飛機和長征七號火箭的研制和生產(chǎn)，都離不開數(shù)字化制造技術(shù)。

隨著我國航天事業(yè)的迅猛發(fā)展，航天產(chǎn)品的研制任務(wù)越來越多，對航天單位的研制能力和制造效率提出了更高的要求。航天產(chǎn)品具有成本昂貴、種類多樣、研制周期長等顯著特點，隨著任務(wù)量的逐年加大，必須要借助數(shù)字化手段來保證航天產(chǎn)品的質(zhì)量和效率。筆者根據(jù)所在單位科研生產(chǎn)特點因地制宜，提出了一種基于TC和MES的數(shù)字化制造技術(shù)，實現(xiàn)了航天產(chǎn)品的數(shù)字化制造。

2 傳統(tǒng)制造模式存在的問題

航天產(chǎn)品科研生產(chǎn)職能部門組織結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，經(jīng)營規(guī)劃處負責訂單的創(chuàng)建與下發(fā)，科研生產(chǎn)處負責任務(wù)計劃的編制與下達，質(zhì)量技術(shù)處負責保證產(chǎn)品質(zhì)量及零部件檢驗，物資處負責下料與原材料采購，研究室負責工藝的編制，信息檔案室負責產(chǎn)品數(shù)據(jù)包的歸檔，精密機構(gòu)中心負責產(chǎn)品的加工和裝配。

傳統(tǒng)制造模式是：經(jīng)營規(guī)劃處下達訂單信息和時間節(jié)點要求→科研生產(chǎn)處調(diào)度編制生產(chǎn)計劃并下發(fā)紙質(zhì)任務(wù)通知單→工藝人員編制各項紙質(zhì)工藝文件→物資處下料員根據(jù)紙質(zhì)工藝文件上的下料要求進行下料→精密機構(gòu)中心調(diào)度根據(jù)工藝要求編制各工序責任人和時間節(jié)點要求→精密機構(gòu)中心操作人員和質(zhì)量技術(shù)處檢驗人員分別根據(jù)紙質(zhì)工藝過程卡和二維圖紙進行編程加工和檢驗。

傳統(tǒng)制造模式存在諸多不便之處，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

2.1 二維圖紙理解轉(zhuǎn)化周期長

車間工人理解工藝要求和圖紙信息是零件加工生產(chǎn)的基礎(chǔ)，能否快速準確掌握圖紙所表述的技術(shù)信息是影響生產(chǎn)效率的關(guān)鍵因素。一直以來，生產(chǎn)車間都是靠二維圖紙指導加工和生產(chǎn)。然而，二維圖紙經(jīng)常存在尺寸、公差標注不全等疏漏，操作人員往往在編程、試切等過程中才能夠發(fā)現(xiàn)問題，耽誤了寶貴的時間。對于形狀復(fù)雜的零件，二維圖紙不夠直觀，需要建立三維模型才能完全理解。對于難加工的零件，只有根據(jù)二維圖紙建立三維數(shù)模，并將模型導入專用CAM軟件編程，方可實現(xiàn)加工。

2.2 重復(fù)性編程使生產(chǎn)效率降低

航天產(chǎn)品技術(shù)要求嚴格，很多組成零件需要依靠數(shù)控加工，數(shù)控編程的時間成為制約科研生產(chǎn)效率的關(guān)鍵因素。雖然每年都會有很多相似的零件加工任務(wù)，但是由于數(shù)控程序沒有規(guī)范的命名、審核和歸檔管理，導致數(shù)控程序的編制和使用往往是一次性的，數(shù)據(jù)包不能得到固化和繼承，后面再遇到同類型的零件加工任務(wù)也只能再重新編制程序，做重復(fù)性的工作，制約了生產(chǎn)效率。

2.3 生產(chǎn)車間實時狀態(tài)不易查知

由于沒有輔以先進的數(shù)字化手段，生產(chǎn)車間各操作者正在執(zhí)行的任務(wù)、各機床的加工狀態(tài)、各零部件所在工位和進展到的工序等信息，都只能通過到各工位逐一查看或?qū)Ω鞑僮髡咧鹨缓藢嵎娇傻弥?/p>

2.4 制造過程數(shù)據(jù)包不易管理

車間生產(chǎn)制造過程中會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，例如各零部件的質(zhì)量控制卡、工藝過程卡以及二維圖紙等過程記錄和依據(jù)性文件，數(shù)控加工程序、加工數(shù)模等加工數(shù)據(jù)包，檢驗數(shù)據(jù)表、不合格品審理單等質(zhì)量記錄表，這些數(shù)據(jù)包都是紙質(zhì)文件或一次性文件，非常難于管理。

由此可見，傳統(tǒng)制造模式存在諸多問題，數(shù)字化制造技術(shù)成為解決這些問題的重要手段。

3 數(shù)字化制造總體架構(gòu)

3.1 系統(tǒng)組成

航天產(chǎn)品數(shù)字化制造系統(tǒng)組成如圖2所示。數(shù)字化制造系統(tǒng)離不開底層信息系統(tǒng)、各類硬件設(shè)備以及客戶端軟件等的支持。以服務(wù)器為代表的信息系統(tǒng)是數(shù)字化制造的后勤保障，用來存儲數(shù)字化制造過程中的各類文件和數(shù)據(jù)等過程記錄，并給各類人員賦予相應(yīng)的權(quán)限三。車間現(xiàn)場的各種硬件設(shè)備是數(shù)字化制造的重要工具，實現(xiàn)現(xiàn)場人員對系統(tǒng)的應(yīng)用、物料的條碼化流轉(zhuǎn)、各類刀具的自動化管理等。以TC系統(tǒng)和MES系統(tǒng)為代表的軟件系統(tǒng)是數(shù)字化制造的核心架構(gòu)，通過不同的軟件系統(tǒng)實現(xiàn)對各個制造環(huán)節(jié)的數(shù)字化管理，并通過打通各個軟件系統(tǒng)間的接口，使各類軟件系統(tǒng)達到集成互通，最終實現(xiàn)整個制造流程的數(shù)字化。

3.2 TC系統(tǒng)

TC系統(tǒng)是Siemens公司旗下PDM（Product Data Management，產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理）系統(tǒng)Teamcenter的簡稱，能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、三維結(jié)構(gòu)化工藝等功能。通過結(jié)構(gòu)化BOM管理、工藝編制管理、工作流管理等功能，提高加工工藝的編制效率和規(guī)范化程度，確保各類工藝信息的一致性和安全性，實現(xiàn)了各類產(chǎn)品工藝的快速查詢、三維數(shù)模的快速定位和下載、制造數(shù)據(jù)的電子化歸檔等。TC系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.3 MES系統(tǒng)

MES（Manufacturing Execution System）是制造執(zhí)行系統(tǒng)的簡稱，用來實現(xiàn)從訂單創(chuàng)建到產(chǎn)品入庫的中間各環(huán)節(jié)一系列過程的記錄。MES系統(tǒng)功能十分龐大，涉及科研生產(chǎn)全過程，計劃階段、工藝階段和生產(chǎn)階段都離不開MES系統(tǒng)。通過MES系統(tǒng)實現(xiàn)了階段任務(wù)和工序任務(wù)的編制下達、工藝和生產(chǎn)人員的執(zhí)行反饋、各類過程表單的電子化簽署和流轉(zhuǎn)、基于條碼的產(chǎn)品出入庫等功能。MES系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖4所示。

4 數(shù)字化制造關(guān)鍵技術(shù)

4.1 基于模型的數(shù)字化制造

基于模型的數(shù)字化制造（ModelBasedManufacturing，簡稱MBM）使用的數(shù)?；谀Ｐ投x（Model Based Design，簡稱MBD），該模型的幾何形狀完全無誤，并且?guī)в性O(shè)計人員和工藝人員關(guān)心的三維 PMI（Product Manufacturing Information，即產(chǎn)品制造信息）標注，如圖5所示。

4.2 結(jié)構(gòu)化三維模型與工藝

基于TC系統(tǒng)建立結(jié)構(gòu)化的三維模型與工藝，如圖6所示。車間操作人員根據(jù)零件圖號和名稱就可以定位到該零件的節(jié)點，展開此零件節(jié)點即可直觀看到該零件的工藝過程、每道工序的內(nèi)容、帶PMI標注的模型文件等一系列技術(shù)數(shù)據(jù)，方便了數(shù)據(jù)的查看和數(shù)據(jù)包的管理。

4.3 加工數(shù)據(jù)包審核與歸檔

數(shù)控程序和CAM數(shù)模等加工數(shù)據(jù)包的管理是一項重要工作，對加工數(shù)據(jù)包的有效管理能夠減少很多數(shù)控編程當中不必要的重復(fù)工作。TC系統(tǒng)中建立了結(jié)構(gòu)化的工藝模型樹，在每個零件的每道工序節(jié)點下都建有“精加工數(shù)據(jù)”文件夾，將各類加工數(shù)據(jù)文件拖入該文件夾，并發(fā)起“精加工數(shù)據(jù)審批流程”，走完審核流程后即實現(xiàn)了加工程序的歸檔，如圖7所示。通過這種方式，實現(xiàn)了加工數(shù)據(jù)包的有效管理，如果后續(xù)遇到相似的零件任務(wù)，可以通過搜索的方式快速定位找到該零件的加工數(shù)據(jù)包，利用此數(shù)據(jù)包參考將大大簡化編程時間。

4.4 生產(chǎn)狀態(tài)的實時跟蹤

隨著生產(chǎn)任務(wù)的逐年加大，車間現(xiàn)場的生產(chǎn)狀態(tài)越來越難以獲悉。MES系統(tǒng)實現(xiàn)了生產(chǎn)狀態(tài)的實時跟蹤，車間領(lǐng)導和調(diào)度人員可以通過MES系統(tǒng)直觀看到每個零件的工序進展，以及每道工序的責任人、節(jié)點要求和完成情況，如圖8所示。

4.5 過程文件的電子化管理

在生產(chǎn)制造過程中會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)和文件，MES系統(tǒng)實現(xiàn)了制造過程中各類數(shù)據(jù)的記錄、各類表單的電子化，并將這些數(shù)據(jù)和文件按照一定的規(guī)則保存起來，不斷積累形成制造過程的大數(shù)據(jù)。利用大數(shù)據(jù)可以進行任務(wù)完成率、產(chǎn)品合格率、工時統(tǒng)計等一系列復(fù)雜的數(shù)據(jù)統(tǒng)計工作。

5 系統(tǒng)運行

5.1 計劃排產(chǎn)階段

經(jīng)營規(guī)劃處人員在MES系統(tǒng)中填寫訂單信息（包括任務(wù)內(nèi)容與交付時間）并下發(fā)給科研生產(chǎn)處，科研生產(chǎn)處調(diào)度在MES系統(tǒng)中進行產(chǎn)品級計劃的編制，并下發(fā)工藝階段任務(wù)給研究室。

5.2 工藝制定階段

科研生產(chǎn)處調(diào)度下發(fā)階段任務(wù)時，會在TC系統(tǒng)中產(chǎn)生該任務(wù)節(jié)點。研究室工藝人員在MES系統(tǒng)中接收到該任務(wù)之后，在TC系統(tǒng)中該任務(wù)節(jié)點下建立模型BOM和工藝BOM，并發(fā)起工藝審核流程。流程結(jié)束后這些工藝數(shù)據(jù)即在TC系統(tǒng)中歸檔受控，并可被生產(chǎn)人員查看。

5.3 下料生產(chǎn)階段

TC系統(tǒng)工藝數(shù)據(jù)審核流程結(jié)束時，會在MES系統(tǒng)中產(chǎn)生該零部件的工藝過程?？蒲猩a(chǎn)處調(diào)度根據(jù)工藝過程，在MES系統(tǒng)中下發(fā)生產(chǎn)階段任務(wù)給精密機構(gòu)中心并通知物資處下料，精密機構(gòu)中心調(diào)度根據(jù)MES系統(tǒng)中的工藝過程，進行工序級計劃的編制并安排生產(chǎn)。精密機構(gòu)中心編程操作人員登錄到MES系統(tǒng)中接受任務(wù)，在TC系統(tǒng)中查找獲悉該零件的工藝要求，并從TC系統(tǒng)下載三維數(shù)模導入NX軟件中進行編程，編程完畢后通過DNC系統(tǒng)將數(shù)控程序發(fā)送到機床加工。如果產(chǎn)品合格，數(shù)控程序正確無誤，編程操作人員會將程序文件和CAM數(shù)模等加工數(shù)據(jù)包上傳到TC系統(tǒng)該零件的工序節(jié)點下進行歸檔。

5.4 檢驗入庫階段

編程操作人員完成所負責的工序任務(wù)后，在MES系統(tǒng)中提交任務(wù)。質(zhì)量技術(shù)處檢驗人員在MES系統(tǒng)中接受任務(wù)，登錄TC系統(tǒng)中查看該零件的工藝要求，根據(jù)工藝要求在MES系統(tǒng)中填寫檢驗數(shù)據(jù)。對于三坐標檢驗人員，需要從TC系統(tǒng)下載模型，并導入PC-DMIS或AC-DMIS等三坐標測量軟件中編制三坐標檢測程序。檢驗完畢后在MES系統(tǒng)中提交任務(wù)，即自動流轉(zhuǎn)到下道工序。如果下道工序是外包工序，則需要檢驗人員在MES系統(tǒng)中進行入庫操作。

綜上所述，通過TC和MES等各類軟硬件系統(tǒng)的相互配合，實現(xiàn)了航天產(chǎn)品科研生產(chǎn)制造全流程的數(shù)字化。航天產(chǎn)品數(shù)字化制造流程如圖9所示。

6 結(jié)束語

本文針對傳統(tǒng)制造模式存在的問題，提出了一種基于TC和MES的航天產(chǎn)品數(shù)字化制造技術(shù)。通過對系統(tǒng)框架和關(guān)鍵技術(shù)的闡述，以及系統(tǒng)實際運行的驗證，體現(xiàn)了此種技術(shù)的優(yōu)越性和可行性。該技術(shù)實現(xiàn)了航天產(chǎn)品全制造過程的數(shù)字化，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，對于離散型制造企業(yè)有借鑒意義。

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Digital Manufacturing Technology of Aerospace Products based on TC and MES

Zhao JiaqiZhu ZhaohuiJiao YunleiLei Xubing Xin Yang
(Tianjin Institute ofAerospace Mechanical and Electrical Equipment,Tianjin 300458)

Taking the author’s institute as an example,this paper analyzes the problems existing in the traditional manufacturing mode,and puts forward a kind of digital manufacturing technology suitable for aerospace products.The system composition and key technology of the digital manufacturing technology are elaborated in this paper,and the technology has already realized digitization during the whole manufacturing process by the cooperation of digital systems,such as TC and MES,etc,which improve quality and efficiency of products.

aerospace products；multi variety and small batch；Teamcenter；MES；digital manufacturing technology

趙佳琪（1988-），碩士，機械工程專業(yè)；研究方向：數(shù)字化制造與生產(chǎn)管理信息化。

2016-12-07