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论结构化工艺对智能制造的支撑

2020/4/13    来源:e-works    作者:付红旭      
关键字:结构化工艺  参数化工艺  数字化车间  智能制造  
本文通过分析研究提出面向智能制造模式下的结构化工艺设计思路及方法,利用参数化和模块化的工艺设计方法快速构建符合集团化多工厂多专业下的工艺协同设计模式,并通过与下游车间生产和质量检验的反馈形成闭环体系,从而推进企业的精益化和数字化。
1.结构化工艺的内涵及外延
 
       工艺设计是在承接上游设计任务基础上对零部件加工、制造和检验活动的标准约束,是企业计划、组织和控制生产、确保质量的基本依据。工艺工程师根据加工特征制定对应产品的加工要求、工序逻辑及加工资源等,明确各工序的操作方法、技术要求和注意事项,并附有工艺简图,最终输出成为工艺文件发送下游指导生产和检验。工艺设计是连接设计与制造的桥梁与纽带,起到承上启下的作用,把设计师的设计意图转换成制造工程师理解的制造语言,以确保产品的可制造性和质量要求。

工艺设计的桥梁作用

工艺设计的桥梁作用
 
       传统意义上的工艺设计是采用CAD/CAPP工具软件基于某型号产品的BOM结构完成各道工序卡片的编制和下发,车间现场则基于二维为主的产品图纸和工序卡片进行加工和检验,由于文字和简图表述信息有限,现场需要借阅大量纸质文件,管理和追溯困难等。另外由于传统CAD/CAPP/PDM以文件为管理对象进行工艺管理,相关产品、BOM、工艺、工序和制造资源(设备、工装)之间缺少结构化的逻辑关联,当设计模型发生变更或现场工况条件产生变化后很难第一时间做出应对,导致生产效率低下。

传统工艺与结构化工艺设计的区别

传统工艺与结构化工艺设计的区别
 
       顺应企业数字化和智能化的变革需求,结构化工艺的设计内涵则是以数据和对象为基础,以BOM和工艺流程为牵引,将各类工艺资源进行对象化管理,结构化关联和存储,并利用结构化的数据约束现场的生产和质量检验,也为企业基于大数据分析优化设计参数和工艺标准提供了可能,最终形成设计工艺到制造的闭环数据流。而结构化工艺的外延则是顺应企业三维化应用的趋势,充分利用上游三维设计模型展开三维工艺的设计并将传统二维电子卡片转换为基于三维模型编制的图文并茂、可交互式的作业指导书,真正架起从设计到制造和检验的桥梁,从而最大限度地提高现场工人对设计意图、工艺要求的快速理解和准确操作。
 
2.结构化工艺是智能制造的基础
 
       数字化时代制造企业必须通过信息化手段加速变革和创新。全新的数字化工厂及智能制造提供了一种创新和变革的手段,旨在通过信息技术和管理技术的充分融合促进人机物之间的充分协作和交流,达到诸如状态感知、实时分析、自主决策、精准执行、学习提升等目标。工艺数据的结构化管理是企业实现数字化和智能化的基础。企业只有将各类工艺方法、工艺流程、工艺模板、工艺资源和工艺过程、检验标准等进行数据化和结构化后才可具备对研发、设计、仿真及制造和检验的生命周期活动进行约束和执行,并在此过程中基于多专业多部门跨组织之间建立一体化的协同机制,实现以数字模型和结构化数据为支撑的智能制造。
 
       1)结构化工艺数据对多工厂跨专业模式的支撑
 
       当今企业逐步趋向于集团化、多工厂、产业链协同等经营模式,企业的产品设计、生产制造和检验维修等分别由分布在不同区域的若干个单位协同完成。尤其在某些复杂成套产品的生产中都涉及众多的工艺门类,例如铸造、锻造、机加、热表、装配、维修、外协等,不同工艺种类下的加工要求和检验要求都有很大差异性,如何将不同工艺种类下的加工和检验参数进行结构化管理并与生产同步进行,形成协同的多工厂一体化配套能力,是智能制造时代下必须突破的关键技术。

结构化工艺对多工厂多专业的协同支撑

结构化工艺对多工厂多专业的协同支撑
 
       如上图所示,基于BOM结构树将对应整机、部件和零件的物料、工装、设备和工艺逻辑进行结构化建模,并按照组织和权限完成工艺任务的多级分工,各专业设计师根据不同零件的加工特性和质量要求完成专业工艺的设计,最终形成总装拉动的分专业工艺协作体系和多工厂模式下的协同工艺设计与制造体系,并利用ERP、MES系统的任务分工完成多工厂间工艺和制造的关联执行,构建起一体化的闭环业务场景。
 
       2)结构化工艺对数字化生产及质量检验的支撑
 
       工艺设计的目的是为生产、检验提供可执行的逻辑和标准,是为制造提供服务的过程。而企业的制造过程、工艺逻辑、加工标准、装配顺序和检验规范等则必须来源于工艺数据的结构化,否则所谓的数字化和智能化都是空谈。结构化工艺管理的主旨思想就是将企业在工艺过程中的各项资源和约束条件进行结构化定义,通过基于对象的建模方法和逻辑关联机制建立产品与各项资源及工艺BOM、工艺流程、工时定额、检验参数之间的约束关系来形成标准的工艺控制,以此指导现场的各项生产、加工和检验活动。

结构化工艺对ERP、APS及MES和QMS的支撑

结构化工艺对ERP、APS及MES和QMS的支撑
 
       如上图所示,结构化工艺系统将对应零件的BOM、工艺路线、工艺资源、工时定额、检验参数等信息进行结构化的封装,再通过系统集成方式将这些信息发送到ERP及APS排产、MES制造执行及QMS质量检验系统中,通过基于单一数据源的工艺结构化数据支撑后续的各项生产计划和任务执行、质量检验活动,从而帮助企业在生产组织、资源配套、生产过程及质量控制等方面提升管理。
 
       ●在ERP计划层面,结构化工艺数据可以有效支撑企业基于MBOM的物料需求运算,并产生针对此订单的采购计划和生产计划。能够利用BOM信息进行订单的成本预测和实作产品成本分析,能够利用BOM、工艺路线和工艺资源约束条件进行生产计划的APS模拟排产,为各级生产单位产生对应的生产工单和资源计划等。
 
       ●在MES制造层面,结构化工艺数据是支撑MES工单执行的主要依据,通过结构化数据输出电子跟踪卡片,关联工序和设备资源等,在现场进行工序的逻辑和流程控制,同时通过电子作业卡片指导现场生产,对各类报警及不合格事务进行逻辑控制等。
 
       ●在QMS质量层面,结构化工艺数据约束了每道工序的检测标准(公差范围、上下限、合格指标等)和检验要求(检验事务、检验流程、实测值记录表模板及不合格审理流程、返修报废等),当工序执行到检验工序时将基于这些标准和参数要求进行强制检验,录入实测值并进行合格判定等。
 
       3)结构化工艺对企业决策分析和质量优化的支撑
 
       生产制造过程的检测数据电子化实时采集是实现质量大数据分析的重要基础,数字化车间和智能制造模式对企业的质量检验标准和规范提出了更高的要求。企业只有通过对大量实测值结果数据的采集反馈并利用大数据挖掘和分析技术不断优化和修订这些标准,让其趋于更加规范和精细的范围则是提升企业质量水平的关键所在。

基于结构化工艺的闭环质量优化分析

基于结构化工艺的闭环质量优化分析
 
       在编制工艺过程中,工艺人员可以利用PDCA的戴明循环方法逐步优化和迭代。一方面工艺设计人员可以结合历史经验给出对应工序加工和检验的参考标准,用于约定该产品的质量范围用于现场作业执行。另一方面基于大量实测值结果数据形成工艺和质量知识库,在新工艺的编制过程中可以对这些模板、知识进行调用和推送,减少人为错误。最后通过质量大数据分析,找出影响加工及装配质量的关键因素及核心参数,并对这些标准和规范进行修订,使其达到更加合理和真实的区间,从而在下一批产品制造过程中提高质量和性能。
 
3.结构化工艺的核心框架及关键技术
 
       工艺数据结构化管理的目标就是要建立起集中的工艺数据管理中心,实现以PLM系统平台为核心的结构化工艺数据支撑平台,通过与上游设计系统集成构建以“3P+1R”为主的结构化工艺管理模式,将产品(Product)、工艺(Process)、车间(Plant)、工艺资源(Resource)等数据以对象的形式进行存储和管理,并通过集成为ERP/MES等下游系统提供准确、可识别的数据源。其次,结构化工艺管理平台将通过历史数据的积累完善建立工艺知识库,形成知识共享和智能化的信息推送机制,从而规范设计标准、优化设计效率、固化审签流程、确保设计质量,提升管理水平。

结构化工艺设计平台系统架构

结构化工艺设计平台系统架构
 
       通力公司基于多年制造业信息化服务经验,提出基于结构化数据的工艺设计解决方案,以数字主线(Digital Thread)为基础,实现全数字化设计、工艺与制造信息链路贯通。充分利用三维模型的标注信息和产品检验的质量信息进行结构化数据的提取及存储,着重建立统一制造工艺体系和精细化工艺管理(GBOP),弥合设计与制造之间鸿沟。结构化工艺设计平台通过对三维设计模型PMI尺寸的抽取和结构化、工艺参数和检验指标的结构化、文档模板及知识经验的结构化及设备工装工艺资源的结构化等构建企业的数字化工艺支撑体系,为智能制造打下坚实基础。
 
       本解决方案将重点围绕如下几项关键技术的突破,帮助企业建立数字化工艺管理平台:
 
       1)基于MBD的三维工艺数据结构化
 
       当前大部分企业都已采用三维设计软件进行产品的开发设计和仿真验证,部分企业已经采用MBD技术进行零件尺寸的标注和模型检查、工艺设计等。在基于MBD的三维工艺设计环节,工艺设计人员可以借助三维模型的尺寸标注进行公差尺寸的仿真分析和计算,并将这些数据进行提取和结构化存储,为后续的检测及加工程序代码生成、自动在线检测、检测结果分析与设计模型优化等提供闭环的支撑。

将三维模型的PMI尺寸通过DPV工具进行结构化

将三维模型的PMI尺寸通过DPV工具进行结构化
 
       如上图所示,基于MBD的三维工艺设计过程不同于传统意义上的工艺编制。工艺设计人员首先选定对应零件模型并创建工艺节点、生成工艺路线,之后基于工艺路线的指引展开专业工艺(例如机加、热处理、焊接、装配等)的设计。例如在某零件机加工艺设计时工艺人员可以通过模型查看工具快速获取零件名称、图号、视图、几何注释集、PMI数据并生成加工尺寸、加工检测点、PMI工序视图等,再利用三维模型的同步建模技术(WAVE)快速创建工序模型,并利用工艺模板快速生成对应的工序卡片和工序附图,最终创建交互式的3D作业卡片及整本工艺,为生产现场车间工人提供可视化的作业指导。

基于过滤条件的PMI特征参数提取

基于过滤条件的PMI特征参数提取
 
       如上图所示,在工序模型设计过程中,工艺人员将基于当前的零件模型、加工特征、尺寸标注、公差标注、加工区域标识、表面粗糙度、装夹定位、工艺技术要求及检验要求等信息进行相关PMI数据的抽取,通过添加过滤条件将对应的公差数据自动提取并输出到Excel文件或工艺系统数据库中。同时工艺人员在工序模型编辑界面中可以直接调用这些参数数据,关联到具体工序中的检验尺寸要求中,用于后续的工序执行和质量检验。当然结构化的PMI尺寸信息也可以自动导入工序卡片中,生成工序的检验要求和尺寸、公差范围。车间工人和检验员均可通过客户端程序或MES系统查看三维工序模型(包括模型上的标注尺寸和工序对应的检验要求),并按照结构化的加工参数和检验指标进行加工、检验。在自动化的生产设备、产线及在线检测工位,实现与设备联动的自动加工和自动检测功能。
 
       2)基于Excel模板的工艺参数结构化
 
       在集团化多工厂跨专业工艺设计过程中,企业需要对各类专业工艺(钣金、铸造、锻造、机加、焊接、热处理、表面处理、装配、调试等)进行结构化的编排,实现不同专业下个性化工艺参数和检验指标的参数化、模块化管理。对工艺过程及检验结果实施全面的、可量化的精细化控制,实现量化参数可追溯,以保证质量满足技术要求。通力公司基于众多客户的工艺设计经验,提出利用Excel进行工艺参数量化管理的思路,将各类专业工艺的参数属性进行梳理和定义,并结合工艺参数卡片模板量化固化这些数据,规范和细化工艺卡片模板及特种工艺编制过程中工艺参数的量化要求,提高工艺文件的规范性、准确性、可读性。

工艺参数结构化功能框架

工艺参数结构化功能框架
 
       结构化工艺设计方案规划了工艺规程从创建到更改的所有业务过程,并重点关注通过工艺参数填写与术语库结合方式来解决数据结构化、编辑效率与工艺输出等业务问题。在工艺设计过程中,首先需结合不同专业工艺进行工艺参数的分类和梳理。例如在热处理工序中需要记录设备、装炉方式、保温温度、保温时间、冷却方式、冷却介质、真空度、升温速率、降温速率等参数,通过对这些参数进行梳理形成不同的量化参数记录表(如下图Excel格式)。结构化工艺设计过程中工艺人员只需通过导入这些Excel参数记录表即可形成针对热处理工序的量化结构化参数(当然也包括各类工艺术语、特征符号等),工序内容将自动匹配参数属性,输出为完整的工序内容。

基于Excel参数记录表的快速工艺编制界面

基于Excel参数记录表的快速工艺编制界面
 
       如上图所示,系统提供基于Excel模板编制工序的参数信息和工序术语信息,在工艺编制过程中可通过输入工序类型,系统自动加载针对本工序的参数信息和本工序的术语信息,快速生成本工序的详细描述,工艺人员也可以根据需要对引入的参数数据和术语信息进行编辑、修改、发布使用。最终通过系统集成将结构化工艺要素传输下游MES系统和自动化中控系统,由MES和中控系统按照这些工艺要求进行生产执行。
 
       3)工艺知识结构化和工艺文件的模板化
 
       在工艺设计过程中,将各类工艺资源、工艺模板、特征参数、材料定额、控制方法、失效模式等进行结构化的知识封装,以便在工艺设计过程中可以对这些知识的提炼、存储、管理和使用。产品工艺知识管理是在产品工艺知识有机组织、合理分类和有效标识的基础上,提供工艺知识的获取、审核、检索、共享、维护和安全性控制等管理功能,促进工艺知识的再利用与进化,最终构建一个工艺知识的共享服务平台。

工艺知识的结构化与情景式智能推送

工艺知识的结构化与情景式智能推送
 
       工艺设计过程中除了对各类数据、对象、资源和流程等进行结构化定义以外,还可以对各类工艺模板、工艺卡片、技术通知单、工艺更改单、流程图、控制计划、PFMEA等文件进行模板化定义,形成一系列标准的模板文件库。相关文件模板中的属性信息与后台数据库建立关联,工艺设计过程中,操作人员只需要选择对应的模板文件即可快速生成符合本专业工艺需要的各类文件。工艺文件模板支持自定义模式,用户可以根据需要进行灵活的调整,同时这些工艺文件模板支持Excel、Word、XMI和DWG、PDF等多种格式。

工艺模板库的生成与调用

工艺模板库的生成与调用
 
       4)基于MES/QMS的实测数据结构化
 
       当设计人员完成结构化工艺的编制和工艺文件下发后即可通过现场的MES/QMS系统进行生产加工和质量检验。工艺系统通过集成接口将相关图号对应的BOM、工艺流程(BOP)、图文档等信息传递到下游MES/QMS系统,车间计划员在工单创建过程中将自动对应具体产品的这些结构化参数(例如创建质量跟踪卡时自动关联图号信息、工艺流程、工序信息、质量参数和设备工装资源信息等)。当工序执行过程中将按照这些工艺和参数要求完成现场数据采集和质量反馈(不合格、返修、报废等)。通过大量实测值记录的信息反馈,上游工艺系统也可进一步对这些工艺参数进行优化和迭代,以细化和规范不合理的参数定义。

结构化工艺与生产和质量的闭环数据流

结构化工艺与生产和质量的闭环数据流
 
       企业生产和质量检验过程中将产生大量的工业数据(包括实时数据和历史数据),未来智能制造模式下我们需要更多的关注数据价值。因此如何对这些数据进行治理和优化,并利用大数据分析、人工智能等先进技术驱动管理创新才是未来的发展方向。通力公司在此基础上推出了质量数据包及台份管理系统、基于数据中心的决策指挥调度系统、车间三维可视化数字双胞胎系统等一系列创新解决方案,助力更多企业的数字化转型。
 
4.结束语
 
       工艺数据结构化是一套以对象为基础、数据为载体、流程为牵引、文件为指导、知识为驱动的全新设计思想,完全符合未来新技术的发展趋势,也是企业实现数字化和智能化转型的必要条件。企业可以利用三维设计模型PMI数据提取、Excel工艺参数化模板、工艺知识和文件结构化等方法将BOM、工艺流程、工艺资源、工艺模板、工艺文件等有机的建立关联,并通过MES/QMS等系统的集成完成标准化的生产执行和质量检验,建立设计、工艺到制造和质量的闭环体系,实现工艺的精细化和高效化管理。
责任编辑:程玥
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