徐曼菲， 張弦弦， 邱 楓， 劉治紅

（中國兵器裝備集團(tuán)自動化研究所智能制造事業(yè)部， 四川綿陽 621000）

0 引言

近年來，國家相繼推出了兩化融合及中國制造2025制造能力提升工程及各項(xiàng)政策， 各部委積極響應(yīng)制定并發(fā)布了多項(xiàng)智能制造發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃和項(xiàng)目指南， 如科技部《智能制造科技發(fā)展“十二五”重點(diǎn)專項(xiàng)規(guī)劃》、工信部《智能制造發(fā)展規(guī)劃（2016—2020 年）》等； 2018 年，科工局發(fā)布了《智能制造專項(xiàng)行動計(jì)劃項(xiàng)目指南》，旨在推動智能制造在軍工產(chǎn)品研制中的應(yīng)用， 提升研制能力和研制水平，為國防和軍隊(duì)建設(shè)提供保障[1]。 車間與生產(chǎn)線的數(shù)字化與智能化建設(shè)是我國軍工制造企業(yè)實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展、價(jià)值創(chuàng)造戰(zhàn)略的基本途徑，是提升企業(yè)整體現(xiàn)代化水平的必經(jīng)之路[2]。

軍工數(shù)字化生產(chǎn)線制造過程屬于典型離散制造過程，主要承擔(dān)著計(jì)劃生產(chǎn)與科研試制雙重任務(wù)，即需要進(jìn)行成熟型號的批量化生產(chǎn)， 也需要進(jìn)行科研型號的小批量試產(chǎn)，變產(chǎn)成為軍工生產(chǎn)企業(yè)一種典型的特征[3]。 在智能制造技術(shù)不斷發(fā)展的趨勢下， 新一代身管武器制造模式亟需從傳統(tǒng)的大批量生產(chǎn)模式向以柔性供給模式為主的多品種、變批量、高度定制的供給能力轉(zhuǎn)變。

因此， 筆者面向軍工行業(yè)數(shù)字化車間多品種、 變批量、剛?cè)岵?jì)的模式發(fā)展需求，采用先進(jìn)的數(shù)字化制造技術(shù)，提出了一種基于C/S 架構(gòu)的身管武器加工過程集成管控方法，構(gòu)建柔性與效率平衡的身管武器加工過程集成管控系統(tǒng)，形成面向新一代武器平臺發(fā)展需求的柔性、精準(zhǔn)、智能管控新模式，為軍隊(duì)“能打仗、打勝仗”提供優(yōu)質(zhì)的基礎(chǔ)產(chǎn)品保障。

1 國內(nèi)外現(xiàn)狀分析

1.1 國外現(xiàn)狀

美國通用電氣作為全球大型軍工企業(yè)智能化發(fā)展的領(lǐng)跑者，其生產(chǎn)的產(chǎn)品種類多、產(chǎn)品批量和市場規(guī)模大， 通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)及裝備的融合，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品多品種、變批量、跨地域、高效、敏捷生產(chǎn)制造，提高了產(chǎn)品研制生產(chǎn)質(zhì)量、降低制造成本[4]；雷聲導(dǎo)彈系統(tǒng)公司亨茨韋爾紅石兵工廠使用了SAP 公司的制造創(chuàng)新與智能軟件系統(tǒng)，提供計(jì)劃調(diào)度、質(zhì)量監(jiān)控、現(xiàn)場管理、數(shù)據(jù)采集、設(shè)備監(jiān)控、人員管理、物料追溯等生產(chǎn)管理功能[5]；白萌設(shè)計(jì)了一種跨網(wǎng)段信息異步交互的數(shù)字孿生車間架構(gòu)， 基于數(shù)字孿生五維模型描述了數(shù)字孿生車間的組成， 提出了虛實(shí)融合的分層管控模式[6]。

1.2 國內(nèi)現(xiàn)狀

王偉在分析彈藥生產(chǎn)業(yè)務(wù)流程和管控需求基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于MES 的生產(chǎn)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對生產(chǎn)線的綜合管理[7]；劉春明提出了一種面向離散型小微制造企業(yè)的車間管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，建立了訂單模型、工藝模型、班組模型和排產(chǎn)模型，最終構(gòu)建一個(gè)能自動分解訂單、實(shí)現(xiàn)企業(yè)排程與推演的車間管理系統(tǒng)[8]。

張新生提出一種基于數(shù)字孿生重構(gòu)了車間管控系統(tǒng)的體系架構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)計(jì)劃執(zhí)行、生產(chǎn)過程調(diào)度、產(chǎn)品質(zhì)量管控、生產(chǎn)績效統(tǒng)計(jì)分析等功能[9]。從整體而言，國內(nèi)在排產(chǎn)計(jì)劃的精細(xì)程度、 可視化全粒度智能管控應(yīng)用方面相較國外軍工制造企業(yè)仍有較大差距。

2 身管武器機(jī)精密加工生產(chǎn)線

以某廠身管武器精密加工單元為對象， 目前該廠生產(chǎn)線共有約30 個(gè)生產(chǎn)相關(guān)自動化設(shè)備單元，具體情況如表1 所示。通過集成肖布林高精度車床、雷尼紹多功能比對儀、機(jī)器人系統(tǒng)、超聲波研磨清洗機(jī)、隨行工裝、自動上下料站、工裝吹掃機(jī)構(gòu)、氣密檢測機(jī)構(gòu)、單元安全防護(hù)系統(tǒng)等，如圖1 所示，實(shí)現(xiàn)工件裝夾后無需人工干預(yù)即可完成該工序段工件的加工、拋光、清洗、烘干、檢驗(yàn)等內(nèi)容；同時(shí)， 配合生產(chǎn)過程一體化管控系統(tǒng)， 可對生產(chǎn)執(zhí)行情況、 設(shè)備狀態(tài)、 工件加工質(zhì)量檢測等方面進(jìn)行數(shù)字化管理，最終實(shí)現(xiàn)無人化、高效化、智能化的目標(biāo)。

表1 自動化設(shè)備情況

圖1 單元三維布局圖

3 總體設(shè)計(jì)方案

總體技術(shù)架構(gòu)如圖2 所示。采用層次化的體系架構(gòu)，自下向上分為四個(gè)層次：設(shè)備層、數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)管理層、管控層。集中管控系統(tǒng)負(fù)責(zé)高精度數(shù)控車床、機(jī)器人、超聲波研磨清洗機(jī)、比對儀、人工操作單元的管理，以及與上層一體化管控系統(tǒng)信息交互， 并預(yù)留可能接入的雙主軸排刀車床、研磨設(shè)備的數(shù)據(jù)采集接口。通過對單元內(nèi)設(shè)備數(shù)據(jù)采集和各設(shè)備的自動化控制， 實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品在本單元內(nèi)完成要求的加工及檢測。

圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

（1）設(shè)備層：由六軸工業(yè)機(jī)器人、高精度車床、超聲波清洗研磨機(jī)、比對儀等組成，所有設(shè)備均帶數(shù)字化通信接口。

（2）數(shù)據(jù)采集層：通過與各設(shè)備自動化控制系統(tǒng)集成，自動獲取設(shè)備狀態(tài)、工藝參數(shù)、質(zhì)量數(shù)據(jù)等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并下傳生產(chǎn)指令數(shù)據(jù)到設(shè)備； 對于工件在單元內(nèi)的物流狀態(tài)、實(shí)時(shí)檢測數(shù)據(jù)將通過RFID、傳感器等方式自動采集。

（3）數(shù)據(jù)管理層：實(shí)現(xiàn)從工件進(jìn)入單元到運(yùn)出單元所有生產(chǎn)過程環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，構(gòu)建制造過程數(shù)據(jù)中心。

（4）管控層：接收ERP 或外部輸入的生產(chǎn)任務(wù)數(shù)據(jù)，進(jìn)行生產(chǎn)任務(wù)執(zhí)行管理、設(shè)備運(yùn)維管理、生產(chǎn)質(zhì)量管理、生產(chǎn)安全管理、物流運(yùn)行管理、信息發(fā)布管理、系統(tǒng)管理、系統(tǒng)集成等。

3.1 數(shù)據(jù)采集與交互

針對不同采集對象的實(shí)際數(shù)據(jù)接口情況， 對于含控制器的自動設(shè)備，通過網(wǎng)口、串口采用WebService、Socket、API 以及DB-Link 的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)自動采集；對于質(zhì)檢設(shè)備等自身含數(shù)據(jù)存儲的設(shè)備， 采用Socket、WebService、API 等形式進(jìn)行數(shù)據(jù)集成；對于RFID 等設(shè)備，通過TCP/IP 進(jìn)行采集；對于傳感器，可通過RS-232/485 接口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。 身管武器精密加工單元數(shù)據(jù)采集項(xiàng)見表2。

表2 精密加工單元數(shù)據(jù)項(xiàng)

（1）FANUC 系列： 通過OPC-FOCAS，F(xiàn)OCAS 2 協(xié)議采集。 在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，通過OPC-FOCAS 獲取控制系統(tǒng)命令來進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)采集和記錄機(jī)床的各種狀態(tài)值。接線方式，見圖3。

圖3 Fanuc 系列設(shè)備接線方式

（2）新代10.114：通過API，協(xié)議開發(fā)包定制采集。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，通過API 獲取設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，采集和記錄機(jī)床的各種狀態(tài)值。接線方式如圖4 所示。

圖4 新代系列設(shè)備接線方式

（3）西門子802D：通過數(shù)據(jù)采集器外掛采集。采集的各類電信號（數(shù)字量或模擬量），轉(zhuǎn)換成通用協(xié)議進(jìn)行記錄機(jī)床的各種狀態(tài)值，見圖5。

圖5 西門子系列設(shè)備接線方式

3.2 多品種混線智能排產(chǎn)

針對四種類型加工產(chǎn)品及生產(chǎn)線流水、離散作業(yè)一體化，制造單元、制造設(shè)備等資源協(xié)同調(diào)度的特點(diǎn)， 對高密度數(shù)字陣列組件產(chǎn)品生產(chǎn)中涉及到的制造單元、制造設(shè)備等各資源、工藝流程以及訂單、工藝路線等調(diào)度約束進(jìn)行統(tǒng)一建模，其技術(shù)路線見圖6。

圖6 身管武器多品種智能排產(chǎn)技術(shù)路線

（1）多品種、變批量訂單建模：根據(jù)訂單所屬圖號找出排產(chǎn)涉及的所有產(chǎn)品的品種；再根據(jù)訂單交貨期、訂單數(shù)量、訂單優(yōu)先級等訂單信息，利用編碼技術(shù)建立數(shù)學(xué)模型，并形成對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫表，從而實(shí)現(xiàn)對訂單的建模過程。

（2）資源建模：根據(jù)各資源的特征，分別利用編碼技術(shù)建立數(shù)字模型，并形成對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，從而實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)資料的資源建模過程。

（3）工藝流程建模：在資源模型形成的基礎(chǔ)上，對四種類型身管產(chǎn)品生產(chǎn)工藝流程進(jìn)行建模。 工藝流程模型體現(xiàn)為，從資源角度出發(fā)建立的加工單元內(nèi)流水/制造設(shè)備內(nèi)離散作業(yè)一體化模型， 確保生產(chǎn)過程中生產(chǎn)資源較高的利用率和較合理的資源調(diào)配。

（4）調(diào)度約束建模：利用面向任務(wù)和資源的調(diào)度約束篩選技術(shù)篩選出制約最優(yōu)生產(chǎn)方式的調(diào)度約束并建立數(shù)字模型，從而形成了以工藝路線約束模型、生產(chǎn)資源約束模型和任務(wù)優(yōu)先級約束模型為主的調(diào)度約束模型。 其約束與目標(biāo)分析表，見表3。

表3 多品種變批量混流排產(chǎn)調(diào)度約束與目標(biāo)分析表

3.3 可視化運(yùn)維監(jiān)控

針對目前身管加工過程環(huán)境復(fù)雜、運(yùn)維人工參與多、運(yùn)維數(shù)據(jù)分析挖掘難、管控效率低等問題，開展身管加工單元三維建模運(yùn)維狀態(tài)三維可視化顯示模塊設(shè)計(jì)，構(gòu)建基于管理實(shí)體、輸出層、功能層、接入展現(xiàn)層的運(yùn)維管控模式；結(jié)合系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對身管高效加工運(yùn)行狀態(tài)的系統(tǒng)監(jiān)測和服務(wù)管理；通過設(shè)備、環(huán)境特征的提取和建模，建立身管高效加工單元模型庫， 實(shí)現(xiàn)數(shù)字化三維模型與系統(tǒng)現(xiàn)實(shí)狀態(tài)的實(shí)時(shí)映射，支撐其應(yīng)用層的可視化運(yùn)維監(jiān)控、系統(tǒng)柔性調(diào)度、故障診斷等功能，快速提升身管高效加工智能運(yùn)維管控和決策能力，技術(shù)架構(gòu)，見圖7。

圖7 可視化監(jiān)控技術(shù)架構(gòu)

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及驗(yàn)證

身管加工一體化集成管控系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)采集與交互、多品種混線排產(chǎn)、可視化監(jiān)控3 個(gè)模塊的集成管控平臺，前端采用elmentUI+VUE，后端采用springboot 框架，主流的JAVA 語言， 數(shù)據(jù)庫采用Mysql， 包含了遠(yuǎn)程報(bào)警、加工準(zhǔn)備、加工監(jiān)控、加工執(zhí)行、加工數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、系統(tǒng)管理6 個(gè)功能板塊，見圖8。

圖8 身管加工過程集成管控系統(tǒng)

5 結(jié)束語

筆者以身管武器精密加工生產(chǎn)線為應(yīng)用對象， 對其通過底層數(shù)據(jù)采集感知、四種產(chǎn)品混線智能排產(chǎn)、全粒度的可視化分析展示等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，開發(fā)了一種基于C/S架構(gòu)的身管武器加工過程集成管控系統(tǒng)與產(chǎn)線進(jìn)行配套使用，并可與現(xiàn)有MES 系統(tǒng)進(jìn)行無縫對接。

身管武器加工過程集成管控系統(tǒng)建立了一套從數(shù)據(jù)智能感知、接收任務(wù)執(zhí)行排產(chǎn)、加工結(jié)果反饋、異常報(bào)警等一系列與加工任務(wù)執(zhí)行有關(guān)的信息通道， 實(shí)現(xiàn)了智能排產(chǎn)、 數(shù)據(jù)采集與交互、 可視化監(jiān)控等功能的一體化運(yùn)行，讓整個(gè)精密加工任務(wù)執(zhí)行過程“可知、可管、可控”，為軍工企業(yè)推行智能制造戰(zhàn)略提供應(yīng)用示范。