摘要：數(shù)字化工廠是智能制造的重點(diǎn)研究方向，是裝備制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要內(nèi)容。該文根據(jù)軍用電子裝備企業(yè)研制生產(chǎn)特點(diǎn)，聚焦未來智能工廠目標(biāo)，研究數(shù)字化工廠相關(guān)技術(shù)在軍用電子裝備制造領(lǐng)域的應(yīng)用，包括數(shù)字化工廠整體架構(gòu)、制造運(yùn)營系統(tǒng)功能組成、自動化物流與立體倉庫管理和自動化脈動生產(chǎn)線管理。通過這些技術(shù)應(yīng)用，實現(xiàn)關(guān)鍵部件多品種、小批量制造的自動化、柔性化和可視化管理，為智能制造打下良好基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化工廠;制造運(yùn)營系統(tǒng);自動化;柔性化

中圖分類號：TN05;TP278? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）07-0146-05

Research on Digital Factory of Military Electronic Equipment Enterprise

PAN Hongwei

（Nanjing Research Institute of Electronics Technology，Nanjing? 210039，China）

Abstract：Digital factory is the key research direction of intelligent manufacturing and an important content of digital transformation of equipment manufacturing industry. According to the development and production characteristics of military electronic equipment enterprises，focusing on the goal of future intelligent factory，this paper studies the application of relevant technologies of digital factory in the field of military electronic equipment manufacturing，including the overall architecture of digital factory，the functional composition of manufacturing operation system，automatic logistics，three-dimensional warehouse management and automatic pulsating production line management. Through the application of these technologies，the automation，flexibility and visual management of multi variety and small batch manufacturing of key components are realized，which lays a good foundation for intelligent manufacturing.

Keywords：digital factory;manufacturing operation system;automation;flexibility

收稿日期：2021-02-12

0? 引? 言

制造業(yè)是其他產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，對國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和綜合國力提升至關(guān)重要，在21世紀(jì)全球化競爭環(huán)境中，制造業(yè)是大國競爭的制高點(diǎn)，直接決定國家興衰成敗。為了縮短產(chǎn)品研制生產(chǎn)周期，同時應(yīng)對產(chǎn)品制造復(fù)雜性和不確定性日益增加的形勢，數(shù)字化工廠（Digital Factory）概念應(yīng)運(yùn)而生。數(shù)字化工廠技術(shù)由德國為代表的西方國家在1999年首次提出[1]，并在歐美日等西方發(fā)達(dá)國家得到快速響應(yīng)和發(fā)展[2，3]。2013年，德國在漢諾威工業(yè)博覽會上首次提出“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略后，我國多個行業(yè)協(xié)會和多家企業(yè)也開啟了數(shù)字化工廠技術(shù)研究，近幾年在國家主導(dǎo)下，取得了一系列成果和形成了若干示范數(shù)字化工廠[4]，如中航工業(yè)的總裝數(shù)字化工廠、華為智能手機(jī)數(shù)字化工廠等。

數(shù)字化工廠既是產(chǎn)品全生命周期的重要環(huán)節(jié)，也是企業(yè)價值鏈的重要組成部分，它是連接項目管理、設(shè)計、工藝、設(shè)備與操作人員的橋梁。它集成各生產(chǎn)要素，協(xié)同各專業(yè)和環(huán)節(jié)，可以降低產(chǎn)品制造的不確定性，同時工廠規(guī)劃與布局可以對固定資產(chǎn)投資的成本及風(fēng)險進(jìn)行事前分析、預(yù)警與控制[2]。主要數(shù)字化工廠技術(shù)包括虛擬制造、高級作業(yè)排程、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、自動化生產(chǎn)線、智能物流等技術(shù)[3]。當(dāng)前數(shù)字化工廠在國內(nèi)外的應(yīng)用主要集中在批量離散制造行業(yè)，包括汽車總裝生產(chǎn)線、通信設(shè)備裝配線等[5]。本文對多品種、小批量的軍工電子裝備行業(yè)的數(shù)字化工廠進(jìn)行應(yīng)用性研究，運(yùn)用數(shù)字化和自動化技術(shù)改造傳統(tǒng)制造模式。

1? 軍用電子裝備制造數(shù)字化工廠

目前，基于產(chǎn)品全生命周期流程，工業(yè)界聚集客戶、供應(yīng)商、合作伙伴和服務(wù)商等相關(guān)方，形成了完整產(chǎn)品價值鏈的敏捷性組織管理網(wǎng)絡(luò)。狹義數(shù)字化工廠以自動化、柔性化生產(chǎn)線為中心，集成制造資源、工藝、生產(chǎn)作業(yè)和硬件設(shè)備，將數(shù)字化產(chǎn)品定義、工藝和制造等模型數(shù)據(jù)貫穿產(chǎn)品實現(xiàn)全過程，實現(xiàn)制造企業(yè)全鏈條信息化管理。

與傳統(tǒng)離散制造業(yè)相比，軍工電子裝備制造行業(yè)的產(chǎn)品組成和工藝復(fù)雜，具有新技術(shù)多、品種多、批量小、技術(shù)狀態(tài)不確定等特點(diǎn)，這就造成管理難度大大增加。本文根據(jù)軍工電子裝備制造行業(yè)特點(diǎn)，重點(diǎn)研究與實踐以制造為中心的狹義數(shù)字化工廠。

軍工電子裝備制造主要涉及計劃、工藝執(zhí)行管理和設(shè)備運(yùn)行等職能，分別對應(yīng)PLM（含精益設(shè)計平臺）、ERP、MOM和自動化產(chǎn)線等數(shù)字化管理平臺。他們之間邏輯關(guān)系如圖1所示。

2? 制造運(yùn)營系統(tǒng)

2.1? 制造運(yùn)營系統(tǒng)主要功能

制造運(yùn)營系統(tǒng)（Manufacturing Operations Management，MOM）是數(shù)字化工廠的核心管理平臺，啟動承上啟下的作用，向上接收ERP生產(chǎn)指令和PLM設(shè)計與工藝模型和數(shù)據(jù)，向下控制物流系統(tǒng)和生產(chǎn)線。在車間資源約束下，MOM根據(jù)ERP下達(dá)的生產(chǎn)計劃和物料配套計劃進(jìn)行車間作業(yè)排程，形成作業(yè)計劃并派工到班組、設(shè)備或產(chǎn)線，同時讀取PLM設(shè)計模型，獲取工藝規(guī)程、檢驗規(guī)程和物料配套表等。MOM通過與班組、倉儲、物流和產(chǎn)線等資源無縫集成，對生產(chǎn)現(xiàn)場實施集成管控，同步采集并管理現(xiàn)場數(shù)據(jù)和質(zhì)量數(shù)據(jù)等，通過對制造大數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析，動態(tài)顯示制造狀態(tài)，實現(xiàn)數(shù)字化工廠可視、智能管理。

MOM系統(tǒng)主要由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、工藝規(guī)程管理、作業(yè)計劃與調(diào)度、物料與配送管理、生產(chǎn)線管理、現(xiàn)場管理、可視化看板和統(tǒng)計分析等功能組成，如圖2所示。

2.2? MOM運(yùn)行組織方式

MOM在產(chǎn)品中的應(yīng)用場景，首先編制工藝規(guī)程、設(shè)定生產(chǎn)線、作業(yè)計劃排程與派工等步驟，其次進(jìn)行物料齊套與配送及現(xiàn)場作業(yè)，最后對制造數(shù)據(jù)、質(zhì)量數(shù)據(jù)和物流數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計與分析，實時動態(tài)顯示生產(chǎn)狀態(tài)。MOM運(yùn)行流程的主要功能及角色如圖3所示。

3? 電子裝備自動化生產(chǎn)

3.1? 自動化倉儲與物流系統(tǒng)

軍用電子裝備元器件品種多、配套難度大，為保證電子裝備的高效高質(zhì)量制造，物資要求齊套效率高、配送速度快和差錯率低，因此需要建設(shè)自動化倉儲與物流系統(tǒng)。它由立體庫、緩沖庫和傳送線組成，庫與庫、庫與車間工位之間通過堆垛機(jī)和穿梭車等自動化設(shè)備進(jìn)行物料流轉(zhuǎn)與配送。倉儲與物流系統(tǒng)設(shè)備如圖4所示。

物料周轉(zhuǎn)以通用料箱或?qū)Ｓ霉ぱb作為載體，工位間使用專用工裝周轉(zhuǎn)半成品，入庫存儲物料則使用通用料箱存放與配送。

3.2? 自動化流水線生產(chǎn)

電子裝備制造采用推拉結(jié)合的脈動流水生產(chǎn)方式，生產(chǎn)節(jié)奏由瓶頸工序節(jié)拍控制，給產(chǎn)品工藝規(guī)程設(shè)計、MBOM（制造物料清單）和工序合并與分批提出了挑戰(zhàn)。

MOM中根據(jù)生產(chǎn)訂單需求和制造現(xiàn)場狀態(tài)，結(jié)合資源能力負(fù)荷情況，自動計算裝配節(jié)拍，首先，確定制件進(jìn)入制造工位的開始時間與完工時間差為該工序的單次節(jié)拍;然后，根據(jù)制件令號、圖號、批號、生產(chǎn)線和時間區(qū)間等參數(shù)算出工序平均節(jié)拍。工藝人員根據(jù)制造對象工藝特點(diǎn)，參照工序的節(jié)拍，對工藝路線和工藝方法進(jìn)行優(yōu)化，形成優(yōu)化后的MBOM。對于電子裝備中篩選、三防和拷機(jī)等特殊工序，通過立體庫或緩沖庫進(jìn)行中轉(zhuǎn)。

3.3? 自動化裝配與焊接生產(chǎn)線

為提高裝備生產(chǎn)質(zhì)量與效率，降低人力資源投入，將傳統(tǒng)手工制造工藝改進(jìn)成數(shù)控設(shè)備或自動化生產(chǎn)線，優(yōu)化裝配焊接工藝，結(jié)合數(shù)字化設(shè)備或生產(chǎn)線需求，規(guī)劃、設(shè)計和應(yīng)用系列化、模塊化和組合化工裝，實現(xiàn)基于工藝全流程的自動化與敏捷化制造，如圖5所示。通過制造自動化和可視化，大幅縮減生產(chǎn)加工人員數(shù)量，同時提高制造柔性、質(zhì)量和效率。

自動化流水線對內(nèi)實現(xiàn)裝配自動化，對外與MOM系統(tǒng)和物流系統(tǒng)集成，通過MOM平臺驅(qū)動物流及生產(chǎn)線，實現(xiàn)物料配套、配送與轉(zhuǎn)工全流程自動化，進(jìn)而實現(xiàn)ERP生產(chǎn)訂單下發(fā)和制造任務(wù)的一體化集成管控。自動化生產(chǎn)線與MOM的業(yè)務(wù)流、數(shù)據(jù)流和控制流的集成信息化流程如圖6所示。

MOM與生產(chǎn)線管理系統(tǒng)通過制造數(shù)據(jù)倉庫進(jìn)行數(shù)據(jù)集成，采用任務(wù)接口單下達(dá)制造任務(wù)和反饋執(zhí)行狀態(tài)，通過標(biāo)準(zhǔn)料箱和取料信息兩種接口實現(xiàn)生產(chǎn)線物料需求與倉儲物流系統(tǒng)集成。MOM驅(qū)動物料配送系統(tǒng)，實現(xiàn)生產(chǎn)任務(wù)的多工位綜合調(diào)度配料和單工位自動化配料。

4? 電子裝備工廠的信息化管理

4.1? MBOM及質(zhì)量追蹤

EBOM（Engineering BOM）是工程物料清單，只描述了產(chǎn)品組成，缺少工藝和制造信息。為實現(xiàn)數(shù)字化環(huán)境下的物料自動化管理，在工藝規(guī)程設(shè)計時，根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)線特點(diǎn)，對EBOM進(jìn)行變形設(shè)計，轉(zhuǎn)換成PBOM（Process BOM），再轉(zhuǎn)換成MBOM（Manufacturing BOM），即按裝配工藝路線定義物料組成，生成工序級配套表，同時依據(jù)物料形狀、尺寸大小和特殊要求（如防靜電等）優(yōu)化物料組箱策略。

基于工序/工位的物料配套單，記錄加工/裝配過程的質(zhì)量信息和異常事件，確保產(chǎn)品全過程質(zhì)量可追溯，裝配制件中關(guān)鍵元器件的質(zhì)量數(shù)據(jù)管理流程如圖7所示。在設(shè)計環(huán)節(jié)，產(chǎn)品負(fù)責(zé)人識別關(guān)鍵元器件，工藝師在MBOM中標(biāo)識關(guān)鍵元器件;在生產(chǎn)環(huán)節(jié)，關(guān)鍵元器件在物料配套組箱時，物料配送人員對批次信息初始化，作業(yè)人員在工位物料接收并實施裝配，記錄物料批次裝入信息;上述批次信息記錄通過MBOM進(jìn)行整合與結(jié)構(gòu)化顯示，實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量可追溯。

在物料配套環(huán)節(jié)，依據(jù)MBOM及物料組箱策略，將物料按工序/工位的配套單進(jìn)行組箱，并將料箱存放到庫房中。根據(jù)制造作業(yè)計劃節(jié)點(diǎn)要求，物料自動配送到對應(yīng)工位，大大提高多品種、小批量的物流效率。

4.2? 產(chǎn)品三維工藝

三維設(shè)計可模擬和優(yōu)化裝備制造過程，提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計差錯和制造風(fēng)險，大幅減少制造過程中的設(shè)計更改，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期、降低質(zhì)量損失。在產(chǎn)品三維結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上，進(jìn)行工藝規(guī)劃與設(shè)計、模型拆解與工藝過程仿真，釋放結(jié)構(gòu)裝配干涉和接口差錯，運(yùn)用三維動畫形式，制作工藝全流程指導(dǎo)書，提高操作人員對新任務(wù)的消化和理解效率，如圖8所示。

4.3? 制造可視化管理

制造可視化是數(shù)字化管理的重要組成部分，包括虛擬樣機(jī)技術(shù)、三維輕量化顯示技術(shù)、設(shè)備調(diào)度監(jiān)控技術(shù)和執(zhí)行看板等方面，顯著提高設(shè)計、制造和管理效率。制造可視化生產(chǎn)看板如圖9所示。

5? 結(jié)? 論

數(shù)字化工廠是智能制造的基礎(chǔ)，是一項新興生產(chǎn)組織方式。數(shù)字化工廠在電子裝備制造企業(yè)的應(yīng)用，促進(jìn)裝備制造的產(chǎn)能提升、計劃精細(xì)化管理、成本控制、質(zhì)量全過程管控和管理持續(xù)改進(jìn)，發(fā)展前景非常廣闊。筆者后續(xù)將繼續(xù)研究脈動生產(chǎn)線、高級作業(yè)排程、生產(chǎn)統(tǒng)計過程控制（SPC）等技術(shù)，進(jìn)一步推動電子裝備制造的數(shù)字化和信息化水平，推動企業(yè)信息化轉(zhuǎn)型工作，為企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展助力。

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作者簡介：潘紅偉（1978.04—），男，漢族，江蘇南京人，工程師，本科，研究方向：軍工科研生產(chǎn)管理。