数字化加工集成管理的发展及展望

郭宗祥

摘要：数字化加工是数控加工发展的必然趋势，数字化加工集成管理能有效打破加工过程信息孤岛，实现信息共享和重用，从而降低信息化成本，提高产品研发效率。在对企业数字化加工集成管理现状总结的基础上，对全三维数字化设计制造、数字化加工业务流程管理、数字化加工系统集成等数字化加工集成管理未来的发展方向进行了分析和展望。

关键词：数字化加工;集成管理;业务流程

中图分类号：TU17;TU758.16                       文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2020）22-0186-02

0  引言

数控技术的发展使制造业得到了革命性的改革，使制造业的发展进入了崭新的阶段，数控技术其以高效率、高精度的技术特性解决了普通机床无法解决的工艺结构复杂产品的机加工问题，使企业的制造水平不断提高，取得了优异的经济效益[1]。然而，面对越来越复杂的零件数控加工需求，单纯的人工数控编程远远无法满足需求，计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing）技术应运而生，数控加工也由单一的车间编程加工进入包含产品造型至成品检测在内的数字化加工阶段。机械产品数字化加工是一项复杂的过程，需要分布异地的多个厂所单位部门参与、涉及多个专业学科领域而且协同过程业务活动交互频繁、产品研发制造任务繁重而且周期短，其工艺设计及管控的水平直接影响着最终的产品加工质量及效率。企业迫切需要整合产品研发制造信息，对信息进行集中管理，打破加工过程信息孤岛，实现共享和重用，从而降低信息化成本，提高产品研发效率。因此，有必要对数字化加工集成管理问题进行探讨。

1  数字化加工集成管理进展

数字化加工，即在数字化技术和制造技术融合的背景下，在虚拟现实、计算机网络、快速原型、數据库和多媒体等支撑技术的支持下，根据用户的需求，迅速收集资源信息，对产品信息、工艺信息和资源信息进行分析、规划和重组，实现对产品设计和功能的仿真以及原型制造，进而快速生产出达到用户要求性能的产品整个制造全过程。某种程度来说，数字化加工是数控加工向上下游的延伸。产品数字化加工过程涉及CAD、CAE、CAM（前置处理）、后置处理、加工仿真、实际加工、成品检测等多个系统及应用程序的参与，在企业信息化的大背景下，集成多个系统进行数字化加工过程的管理，是提高产品研发效率、保证制造数据唯一性的有效途径。

目前，UG、CATIA、solidworks、PRO/E等CAD软件均可出色的完成产品三维数模的建立，并通过ANSYS、Abaqus、Hyperworks、Adams等CAE软件对结构进行优化，修改三维数模后直接进入CAM模块进行前置处理。前置处理，即由三维设计模型生成刀位文件（APT/CL），目前已经非常成熟，当前广泛应用的CAD/CAM软件如UG，CATIA的CAM模块已经能够满足企业生产的需求。后置处理，即将APT/CL文件转化为机床可识别的数控代码文件。目前，高档数控机床所用那发科、西门子、海德汉、马扎克等数控系统均为封闭式数控系统，无法识别CAM软件生成的只含刀尖点位置和刀轴矢量的刀位文件，必须采用IMSPost等专用后置处理软件针对机床特点开发专用后置处理器，将刀位文件后置处理成机床可识别的G/M数控代码。由于机床和数控系统的多样性，导致了后置处理器开发的复杂性。后置处理器的开发是目前的数控工艺规划中的重要环节，也是难点。随着新型机床的不断出现，后置处理器及后置处理算法也在不断的革新。总体来说，后置处理器的开发虽然复杂，但技术条件相对成熟。四轴、五轴加工时，刀轴矢量随时变化，数控加工工业设计不合理，很可能造成过切、欠切、碰撞等问题，因此在零件实际加工前，必须进行数控加工仿真。在数控加工仿真方面，目前通用的做法是采用美国CGTECH公司开发的高级数控加工仿真软件VERICUT进行虚拟仿真，验证后置处理生成的NC程序的正确性，并对数控程序进一步优化。对于机床联网控制，目前技术已经非常成熟。

虽然数字化加工的每一个关键节点都已经有了比较成熟的技术及装备基础，但是对于整个过程的集成管控却缺乏有效的手段。基于计算机及网络技术，以提升生产效率、加强管理为目的，相关人员在数字化加工集成管理方面进行了大量的研究。早期的研究主要集中在CAD/CAPP/CAM的集成，期望以CAPP作为CAD与CAM的桥梁，完成CAD与CAM的集成。然而，CAD/CAPP/CAM集成模式下的数控加工过程往往是：设计部门将三维设计模型投影转化为二维工程图纸下发工艺设计部门，工艺设计部门为保证产品数据的准确无误，根据工程图再次建模，形成工艺设计模型，再通过CAM软件完成数控工艺的设计。这种模式下，制造信息来回转换繁琐且各部门间协作性、一致性差，在制造信息的转换过程中，还可能会出现相关人员识图、制图不准确导致偏离设计意图的问题。但是由于其代替了手工制图，极大地缩短了研发周期、提高了效率，不少中小型企业仍沿用至今。

2  数字化加工集成管理技术发展趋势

2.1 全三维数字化设计制造技术

基于三维模型定义（Model Based Definition，MBD），是一种数字化产品定义技术，它是以全三维数字化模型为基础，用这种集成的三维实体模型来完整表达产品定义信息，从而消除或者减少2D图纸的使用，将设计信息和制造信息共同定义到产品模型中，实现面向制造的设计。它既能保证数据的唯一性，又能使三维实体模型作为生产制造过程中唯一依据，这对于工艺信息的集成管理是非常有益的。国外对此进行了大量的研究，并应用到了工业生产中。波音、空客等飞机制造企业通过将MBD技术应用于飞机研发中，取得了巨大的成功。在波音787研制过程中，公司全面采用MBD技术，摒弃二维工程图，建立了三维数字化设计制造一体化集成应用体系，以产品三维数字模型作为产品研发全生命周期的唯一数据依据，实现了产品设计、工艺设计、工装设计、零件加工、装配与检测的高度信息集成、并行协同和融合，开创了飞机研发领域基于三维数字化设计制造的崭新模式，大幅度提高了产品研制能力，缩短了产品研发周期，确保客机的研制周期和质量。国内对基于MBD的数字化集成制造技术也进行了探索，如中航工业集团对于MBD技术在飞机制造领域的应用进行了大量研究，并逐步应用于生产。这些研究主要侧重于系统结构的搭建以及对企业现有技术装备进行升级，以适应基于MBD的设计制造的需求。

MBD技术为数字化加工集成管理提供了有效的解决方案，目前国外已经取得了较好的成果，并转化为实际生产。但是国内目前尚处于探索阶段，且由于工业技术人员的习惯问题，尚未得到有效推广，具体实用场景有限。但是由于MBD技术的优势，随着相关技术的进一步完善，技术的优势得以明显体现后，它必将成为数控加工的重要发展方向。

2.2 数字化加工业务流程管理

随着工业技术的发展，零件的形状越来越复杂，其数控加工难度也成倍增加，一个产品的研制往往需要多个厂所、单位、部门的参与，高效的业务管理模式，能够有效的对产品数字化加工过程进行有效的监督管控，对于产品研发效率的提高有着重要意义。近年来，众多研究人员针对设计、制造及装配的业务管理模式进行了研究，并应用到了实际生产中。如针对纺织机械制造企业产品加工制造全生命周期的数据管理问题而建立的面向企业领导决策层、业务管理层和业务执行层的数字化智能化管理模型[2]，面向建材装备制造企业、基于多层次视图的项目进度监控、基于项目物料需求的物料流控制、基于项目装箱单的制造过程管理模式[3]，面向飞机工艺过程的柔性化管理的基于过程驱动的飞机制造工艺管理模式等[4]。

产品数字化加工业务流程环环相扣，每个环节都对后续工作有着极大的影响。同时，高档数控加工设备价格昂贵，是企业生存的命脉，因数控工艺错误而导致机床损坏，不但影响加工精度，也会给企业带来巨大的损失，如何有效的对业务流程进行管理，对于企业有着重要意义。采用数据和领导决策相结合的基于过程驱动的方式可进行业务的有效管理与推进。其主要理念为：面向业务流程，对工艺子过程进行封装，对于业务的推进采用“数据+领导决策”的模式。即对制造任务层级分解编码落实到人，对每个子任务设置“资源+指令”的驱动条件，从而对业务流程进行分级多层的控制，随时把握项目的进度，同时，对于流程间的业务转移，需要下一环节所需的启动数据、授权指令、提醒指令同时满足，才可以进行，从而达到业务流程监控的效果。

2.3 数字化加工系统集成

将数字化加工过程各环节所需的软件、硬件系统进行整合，统一集成管理，打通各系统间的数据和信息通道，是数字化加工的另一个重要发展方向。目前，主要的解决策略有基于STEP/XML标准的CAD/CAE/CAM信息集成解决方案，即开发基于STEP标准的统一接口，实现对XML文档高效地访问、操作。该策略有效解决了CAD/CAE/CAM之间的信息交换共享问题，但仍无法解决CAM至CNC之间的信息通道。近年来，随着STEP-NC标准的制定，数控加工领域掀起了基于STEP-NC的CAD/CAM/CNC闭环制造系统的热潮，以STEP-NC为唯一数据源，将产品设计至数控加工在线监测的整个流程进行集成管理，从而形成一个“CAD—CAM—CNC”的制造链。基于STEP-NC的开放式数控加工是未来的必然趋势，但在现阶段，由于封闭式数控系统的限制，以G/M代码为核心的数控加工仍是主流。此外，也有学者研究基于自定义加工特征的方法来构建集成系统，但主要应用于一些特征明确固定的场合，通用性不强。随着软件及计算机网络技术的发展，以COM/DCOM和Web Service技术实现各软件系统间的集成和数据交换是另一个研究方向。然而，产品数字化加工相关软件对人机交互性要求均比较高，目前的集成技术尚不能有效满足用户需求。

3  总结

随着大数据、云计算等相关计算机网络技术的发展，在绿色制造、智能制造的背景和要求下，进行数字化加工的集成管理可有效提高产品研发效率，提升企业信息化水平。未来，全三维数字化设计制造、数字化加工业务流程管理、数字化加工系统集成将是实现数字化加工集成管理的重要技术手段。

参考文献：

[1]程晓波，马彩凤.数控加工在制造业中的应用[J].装备制造技术，2013（7）：194-196.

[2]李西兴，郭顺生，杜百岗.纺织机械制造企业数字化智能化制造与管理平台设计与实现[J].计算机集成制造系统，2016（03）：672-685.

[3]郭顺生，杜百岗，孙利波，等.建材装备制造企业数字化管理平台设计与实现[J].计算机集成制造系统，2015（01）：226-234.

[4]董思洋，许建新，王克勤，等.飞机制造工藝管理模式及关键技术[J].计算机集成制造系统，2013，19（4）：704-713.