管理創新：基於信息物理系統的航天數字化生產線構建與實施

首都航天機械公司隸屬中國航天科技集團運載火箭技術研究院，是我國規模最大的運載火箭總裝集成企業和唯一的火箭氫氧發動機製造企業。歷經百年榮光的首都航天機械公司作為我國航天製造企業旗艦，是第一家被推薦註冊具有承擔總裝備部裝備承製資格的航天企業，是國家發展航天事業、探索宇宙空間的重要保障。

首都航天機械公司自2013年起，圍繞信息技術與製造技術深度融合的發展主線，針對航天產品及製造模式特點，開展航天柔性數字化生產線構建與實施。

一、實施背景

（一）在經濟發展新常態下，製造業須向智能製造方向轉型升級

近年來，美國和德國分別提出「工業互聯網」和「工業4.0」的再工業化戰略，其核心是將第三次工業革命以來在信息技術和互聯網領域取得的成果與工業領域技術深度融合來推進智能製造，目的在於佔領21世紀世界製造技術領域制高點。

為引領這場製造業革命，2015年國務院印發《中國製造2025》，目標是完成中國製造業轉型升級並全面提升中國製造競爭力。該綱要指出，現階段一重要任務就是推進信息化與工業化深度融合發展，把智能製造作為兩化深度融合的主攻方向，著力發展智能裝備和智能產品，推進位造過程智能化。綱要提出要大力推動優勢和戰略產業突破發展，率先在十大重點領域實現突破，並逐步覆蓋智能製造全應用領域。航天領域作為綱要所列十大重點領域之一，全力推進並實現航天領域智能製造是全面實現我國智能製造的重要環節。

2015年，國務院印發《關於積極推進「互聯網+」行動的指導意見》，意見提出推動互聯網、雲計算、大數據、物聯網等新一代信息化技術與現代製造業融合，提升製造業數字化、網路化和智能化水平，在重點領域推進智能製造、大規模個性化定製和網路化協同製造。

航天科技工業是國家戰略性高科技產業，航天製造業是中國高端製造業的代表。首都航天機械公司作為承擔國家戰略性核心任務的航天製造企業，將新一代信息技術與航天先進位造技術深度融合推進航天領域智能製造，是落實我國建設航天強國的戰略需求，也是實現首都航天機械公司轉型發展的內在必然。

（二）在軍民融合戰略下，航天製造企業須不斷提升市場競爭力

黨的十八大提出深入發展軍民融合戰略，將軍民融合發展上升為國家戰略，並印發《關於經濟建設和國防建設融合發展的意見》。在軍民融合大背景下，軍工行業開啟了一場軍工研製體系引入民營企業的民參軍浪潮。截止目前，我國已有超過1000家民營企業獲得武器裝備科研生產許可證，軍工行業已拉開市場化競爭的序幕。

近年來，民用航天市場快速發展，隨著准入門檻進一步降低，市場對低成本、高性能、響應速度快的航天發射需求日益增大，國內外一些科技公司也積極進入到航天運載火箭領域，該領域市場競爭將日趨激烈。

首都航天機械公司作為國內最大的運載火箭總裝企業，為應對這一競爭，已開啟由面向任務的生產模式向面向市場、的生產模式轉變，以不斷提升公司在運載火箭和軍工產品製造領域的競爭優勢。

（三）航天產品多品種、多狀態、小批量定製化加工的特點日益突出，傳統生產管理方式，研製與批產任務難以按需如期完成

首都航天機械公司承擔著數十個型號航天產品研製與批產任務，生產採用訂單式生產方式，產品具有高度定製性特點。研製型號具有邊研製、邊生產、邊改進、邊定型的「四邊」特點，批產型號要求按需準時交付。

各型號產品均由數萬甚至數十萬個零件組成，要求機加生產線適應多種型號上千種零件小批量生產，生產線生產管控難度大，產品質量控制難度大，同時要求生產線需具備高度柔性。原有生產線全流程人工管控的生產模式生產效率低、過程質量控制模式落後、問題處理速度慢，已無法滿足現階段型號數量多，周期短，多型號並行生產的需求。

為實現航天多品種、小批量、研製快速響應、批產按需交付的目標，急需探索先進數字化製造生產模式，實現對生產全過程的信息化管控，提高生產線自動化水平，優化生產周期，提升過程質量控制能力，提高設備產能，提升型號研製與批產快速轉換能力，提升產品混線生產管理能力和製造執行能力。

二、內涵及主要做法

基於信息物理系統的航天數字化生產線構建與實施的內涵是，在國家深度推進兩化融合和軍民融合的形勢下，針對航天產品「多型號並舉、小批量定製化、研製與批產並存」的生產特點和製造過程質量保證與控制的要求，首都航天機械公司通過搭建基於工業乙太網的車間物聯網，實現生產線人、機、物、刀具、工裝等製造資源與信息系統的互聯互通；通過構建單元級、加工系統級和生產線級信息物理系統，實現生產線內資源高效配置並基於生產計划進行柔性重構；通過構建基於加工系統物理模型的數控加工數字化雙胞胎，實現產品在信息空間進行虛擬模擬加工；通過開發MES製造執行系統，實現生產製造全流程和全要素信息化管理；通過構建基於數據採集與監控系統的工業大數據平台，實現生產線透明化管理和知識庫迭代優化。

通過實施上述做法並搭建數字化柔性機加生產線，生產線具備基於實時數據驅動的生產計劃、過程式控制制和決策應對等功能，實現生產線運行信息化、生產組織柔性化、產品生產定製化、加工過程透明化、資源配置高效化。同時，提升型號研製與批產快速轉換能力，提升產品混線生產管理能力和製造執行能力。

基於信息物理系統構建數字化生產線的主要做法如下：

（一）構建航天數字化柔性機加工生產線的總體框架

首都航天機械公司以「引領航天製造業」為使命，面對中國製造業轉型升級、兩化深度融合、軍民融合和航天製造領域的重大機遇與挑戰，提出「建設新型總裝企業，打造中國航天製造企業旗艦」的戰略目標，並將「推進數字化生產線先進位造技術廣泛應用，開展典型示範數字化生產線建設、打造示範工程」列入公司「十二五」和「十三五」規劃重點發展方向。

為實現航天多品種、小批量、研製快速響應、批產按需交付的目標，首都航天機械公司建立了項目制的生產線推進組織並制定了相應的生產線保障機制來確保生產線建設順利推進，公司將新一代信息技術與航天先進位造技術深度融合，通過構建車間物聯網、多層級信息物理系統、數控加工數字化雙胞胎、面向多品種小批量的柔性製造執行系統和工業大數據平台，全力推進基於信息物理系統的航天數字化柔性機加生產線建設，實現對生產全過程的信息化管控、生產周期優化、過程質量控制能力提升、設備產能提高和型號研製與批產快速轉換能力提升。

基於信息物理系統的航天數字化生產線構建與實施總體框架

（二）建立全員參與的航天數字化柔性機加生產線推進組織與保障制度

數字化生產線構建與實施涉及到車間各相關班組、公司內相關職能處室和公司外企業高校，原先以職能班組和職能處室為核心的生產線建設組織已無法滿足多部門、多相關方協同的要求。為保證數字化生產線建設高效順利推進，首都航天公司建立了項目制的生產線推進組織與相應的保證制度。

1.構建基於項目制的數字化生產線推進組織

為打造一條定位高端、面向航天製造的柔性定製化數字化生產線，首都航天機械公司在車間組建以車間領導機構為核心的數字化生產線構建與實施領導機構，對數字化生產線建設進行集中管理，以課題為支撐配備人力、物力和財力資源，將車間作為抓總實施主體，全力推進生產線建設。數字化生產線構建與實施領導機構根據數字化生產線建設目標，在深度調研車間生產實際需求的基礎上確定生產線建設子項目。數字化生產線構建與實施以車間內部技術班組、管理班組和生產班組為主體，以各項目負責人為核心組建各子項目團隊，負責子項目的實施，實現數字化生產線構建與實施過程全員參與、全員創造。同時，車間各員工可根據生產線建設需求提起成立項目團隊申請，經生產線構建與實施領導機構審議通過實現子項目立項。

2.構建基於項目制的保障制度

為保障數字化生產線各項目高效、高質量開展，車間制定了《生產線項目團隊管理辦法》，明確項目團隊成立與變更方式、職責與權力、考核與監督和項目獎勵。各項目負責人負責子項目推進實施、對項目組資源、人員、進度進行管理，並定期向數字化生產線構建與實施領導機構彙報。項目負責人根據項目需求可申請調用車間內部資源、公司內部資源，並可聯繫外部高校企業作為技術相關方參與項目實施。項目團隊取得的成果由項目組成員共享，實現項目團隊的責權利一致。

（三）基於工業乙太網構建車間物聯網，實現生產線人、機、物、刀具、工裝等製造資源信息互聯互通

針對車間生產現場人、機、物和刀具人工獨立管理無法快速有效查詢資源所在位置、所處狀態和使用記錄的問題，以及各資源處於孤立狀態無法實現資源間的信息互聯互通的問題。首都航天機械公司通過構建由ICM信息編碼管理系統、工業乙太網、編碼載體、編碼識別設備和生產線製造資源組成的車間物聯網，實現生產線人、機、物、刀具、工裝和信息等互聯互通，物理製造資源與信息空間編碼信息互相映射，實現生產線產品與製造資源全生命周期管理和位置追蹤。

1.構建ICM信息編碼管理系統

根據目前車間數字化生產線的要求及實際情況確定編碼對象和範圍，通過ICM信息編碼系統按人、機、料、法、環對生產線內人、設備、物、刀具、工裝、工藝規程和指控卡等製造資源按標準規則進行編碼創建，建立的編碼作為該製造資源在生產線唯一標識號與生產線製造資源資料庫互聯。

信息編碼對象示意圖

同時，信息編碼管理系統含有編碼列印和編碼查詢模塊，通過編碼查詢模塊，可根據編碼號、任務編號或質控卡號等快速提取編碼對象在系統內部所包含的所有信息，對應編碼信息選取後可通過編碼推送命令將編碼信息自動推送至列印設備，編碼可通過條碼印表機或激光打標機按需列印。

2.基於工業乙太網構建辦公網路和工控網路

基於工業乙太網、普通交換機、光纖交換機、工控伺服器、辦公伺服器建立生產線辦公網路和工業控制網路。生產線網路拓撲圖如圖所示，辦公網路與工控網路分開管理，辦公網路主要實現生產管理各流程的信息互聯互通，工控網路主要實現生產線數控機床和自動化設備的互聯互通。通過網閘將辦公網路與工控網路連接實現兩網路數據及信息交互，有效規避了由於工控網路信息來源問題引起的企業辦公網路信息泄密或病毒攻擊，同時有效避免由於辦公網路佔用工控網路資源導致的工控網路故障報警，可有效提升辦公網路和工控網路可靠性。

生產線網路拓撲圖

3.生產線人、機、物、刀具、工裝等信息識別及互聯

具有通信模塊的製造資源直接通過通信模塊接入工業乙太網，如數控機床、自動化立體倉庫、AGV自動配送小車、刀具立體貨櫃、刀具預調儀和現場控制終端等；不具備通信模塊的製造資源通過條碼識別設備識別該製造資源條碼信息，條碼識別設備將識別的條碼信息直接寫入聯網現場控制終端，如原材料、在制品、成品、工裝、人員和刀具等。根據條碼在生產線傳遞周期和使用環境，條碼識別採用RFID電子標籤、二維碼覆膜金屬卡片或二維碼貼紙標籤。在編碼傳遞過程中，考慮保密因素在編碼標籤中只存儲編碼對象編號，具體編碼對象所具備的屬性存儲在MES系統中的資源管理模塊中，當操作者通過編碼識別終端讀取編碼時，編碼識別終端自動獲取製造資源身份識別號並通過辦公網路中MES系統提取所需屬性信息，並在信息終端顯示。在製造過程信息採集與管理中，通過人機交互終端或自動編碼讀取設備獲取過程製造數據，並經數據處理後傳輸至MES系統中，實現製造資源在生產過程中的信息數據提取與存儲，建立製造資源全生命周期管理信息體系。

（四）構建單元級、系統級、生產線級信息物理系統，實現生產線內資源高效配置並基於生產計划進行快速重構

針對航天產品多品種、多狀態、小批量定製化加工生產任務特點，傳統生產管理方式不能滿足研製與批產任務並存、多型號小批量並舉任務的按需準時交付的問題，首都航天機械公司通過構建基於信息物理系統的三層次數字化製造系統，實現研製與批產任務並存、多型號小批量並舉的生產需求。針對研製產品和極少量產品，生產線內多個工序級加工系統依次完成產品各工序加工，有效利用生產線內資源進行加工快速響應和柔性化製造；針對中小批量產品，生產線內功能單元快速重構形成產品級加工系統，該加工系統具備流水加工的特點，可面向成組產品進行高效快速加工。產品加工結束後加工系統自動解散，功能單元重新回到生產線中。

基於信息物理系統構建的數字化製造系統由功能單元級、加工系統級和生產線級三層級組成。功能單元是具有獨立感知、分析、決策和執行的獨立功能的軟硬體設備，如數控機床、自動化立體庫、AGV自動配送小車、刀具立體貨櫃等。加工系統分為工序級和產品級兩種類型，加工系統是多個功能單元通過DNC工控網路、MDC數據採集系統和MES製造執行系統構建的可獨立完成工序加工或零件生產全部功能的單元集合，其功能包括從刀具管理、物料倉儲與配送管理、加工執行管理和質量檢測管理等。生產線是全部工序級和產品級加工系統通過DNC工控網路、MDC數據採集系統和MES製造執行系統構建的可滿足多種產品同時生產的加工系統集合。

1.構建生產線功能單元

功能單元是具有獨立感知、分析、決策和執行的獨立功能的軟硬體設備，功能單元根據功能劃分為信息編碼系統、自動化物料倉儲及AGV自動配送系統、數控加工系統、刀具管理系統、離線裝夾系統、在線測量與補償加工系統和機內精密對刀儀等。

a、信息編碼系統

由編碼管理系統、激光打標設備、條碼列印設備組成，對生產線人、機、料等資源進行編碼生成、編碼列印和編碼傳遞，通過編碼識別和編碼管理實現生產過程產品全生命周期管理和製造資源位置追蹤。

b、自動化物料倉儲及AGV自動配送系統

由倉儲物流管理系統、自動化立體庫、AGV自動配送小車和防錯防呆授貨台組成，對生產線毛坯、在制品、成品和工裝進行在立體庫集中自動化存儲及AGV準時自動化配送。管理任務執行進度和物料流向，最終實現生產線內部物流的自動化管理，大幅減少物料周轉等待與查詢追蹤時間，提升生產線物料精準配送能力。各系統配備有目視化聲光報警設備，根據物流輸送執行設備狀態和物料配送指令執行情況發出對應提示聲音或相應燈光顏色，以便操作人員及時掌握設備狀態、發送下一任務指令或進行設備故障排查。

通過自動化物料倉儲及AGV自動配送系統解決了現場物料隨意堆放佔用大量生產空間的問題，過程管理實現數字化和信息化，徹底杜絕物料管理混淆現象，且可在任何電腦終端實時查詢物料狀態，有效提升現場物料管理水平；物料配送實現高度自動化管理，物料配送實現遠程編碼掃描指令發送，配送過程無需人工干涉，實現物料精準高效配送，且在輸送過程中配備AGV自動掃描編碼易錯功能，如物料配送錯誤，系統內部自動邏輯判斷並將錯誤信息反饋至管理人員，避免物料錯誤配送情況發生，同時物料管理人員下降80%。

c、刀具系統由TDM刀具管理系統、刀具預調儀和刀具立體貨櫃組成

刀具數據管理系統通過統一資料庫服務各生產環節，實現刀具的全參數量化管理，是實現數字化生產線的必要支撐技術。通過TDM刀具管理軟體、立體刀庫、刀具預調儀等軟硬體建設可實現刀具自動存儲、刀具預調、刀具數據管理、刀具庫房管理、刀具編碼管理等，提高刀具集成管理能力。

依託刀具數據管理系統，將現場庫房中的刀具詳細信息（含全部刀具參數及TDM根據參數自動生成的二維圖紙及三維模型）錄入TDM系統，形成與現場庫房對應的虛擬刀具庫房，實現刀具分級管理，區分刀具零部件、組件和刀具列表，刀具位置追蹤，含庫房位置信息和現場位置信息，使用頻率統計功能，幫助優化刀具庫存量，使虛擬庫房與現場庫房刀具一一對應。TDM庫存管理模塊包含刀具庫存管理、刀具借入借出、庫存評估和庫存維護等功能，可管理刀具庫房、機床刀具存放和刀具維護的刀具信息。除刀具管理外，庫房管理模塊可管理資料庫中的量具和工裝存放信息，實現庫房資源的精準管理。

TDM中刀具數據通過集成介面遠程傳送至對刀儀，操作人員根據TDM裝配信息對刀具組裝體測試並預調，待測試完成後，對刀儀測量的刀具信息可通過介面遠程回傳到TDM中，用於機床實際加工使用。通過刀具管理集成系統設計開發，解決了傳統刀具管理方式各自為戰，相互間互不關聯導致生產現場刀具不可控的問題，通過統一刀具資料庫服務各生產環節，實現了刀具全參數量化科學管理，有效提升產品切削過程質量穩定性，為確保數字化殼體生產線穩定運行奠定基礎，有效提升產品加工安全及質量，同時刀具管理人員下降40%。

d、數控加工系統由程序管理系統、數控設備和機床附件組成

生產線核心數控加工設備包括立式數控車床、卧式數控鏜銑床、立式數控鑽銑床。生產線典型產品加工工藝流程為從原材料出庫開始、經過鉗工協調、立車粗加工、銑床粗加工、立車精加工、銑床精加工、鉗工去毛刺、檢驗、入庫、交付等，產品在立車、銑床、鉗工這三個工位間多次流轉，每個工位執行的工序節拍長短不一，差異較大（每道工序的加工時間相差較大），工位很難形成類似剛性流水線。這些設備具有功能齊全精度高、安裝複雜且成本高昂，考慮調整設備布局成本及調整設備導致設備精度損失的風險，設備布局採用現有機群式布局。

數控加工系統配置有機內精密對刀儀：機床在產品加工過程中定期執行刀長檢測指令，通過MDC數據採集系統採集刀具刀長變化，當刀具長度發生異常時，機床自動停止加工，避免由於刀具拔出造成產品報廢。

e、在線測量與補償加工系統由測量數據自動採集與處理系統、壁厚測量裝置和精密測頭組成

產品精加工前，根據粗加工程序自動生成殼段測量程序通過壁厚測量裝置或精密測頭對產品壁厚和尺寸自動測量並進行數據採集，測量數據自動採集與處理系統根據採集的產品壁厚和尺寸數據自動生成補償加工程序進行補償加工。整個測量過程無需操作人員干涉。殼體類零件內型複雜，尺寸要求高，傳統精加工方法是精加工前進行試切、人工測量尺寸、人工調整刀具或坐標系、進行補償加工，該方法不僅打斷加工流程，影響工序節拍量化，更易引起操作失誤，造成質量問題。通過開發在線測量與補償加工系統實現測量及補償加工過程自動化，降低人為干預率，提高工序節拍量化程度，可有效保障生產線運行效果。

f、離線裝夾系統由離線裝夾找正裝備和快換工裝組成。離線裝夾技術可將裝夾和部分找正工作在線下完成，是實現生產線自動化、數字化生產的一項重要系統。降低機床操作者技能差異對裝夾質量的影響，降低設備因裝夾導致的停機等待時間，零件停機裝夾時間從傳統150~240min降低至15~20分鐘，顯著提高設備利用率。

2.構建生產線加工系統

加工系統是由多個功能單元與人構建的可獨立完成工序加工或零件生產全部功能的功能單元集合，加工系統包括的功能加工單元有刀具單元、自動化物料倉儲及AGV自動配送單元、數控加工單元和在線測量與補償加工單元，實現加工系統從刀具自動預調、刀具自動倉儲與配送、物料自動倉儲與配送、產品數控加工、產品離線裝夾找正到在線測量與補償加工等生產加工全部功能。

加工系統根據面向產品的加工階段分為工序級加工系統和產品級加工系統，工序級加工系統僅含有1個數控加工單元進行單個工序組加工，產品級加工系統含有2個以上數控加工單元進行多個工序組連續加工。

加工系統內各功能單元通過DNC工控網路實現實時交互，通過MDC數據採集系統進行加工系統內生產狀態、設備狀態、物料狀態、人員狀態和刀具狀態進行實時數據採集與監控，車間調度與控制平台根據MDC數據採集與監控系統採集的狀態信息對加工系統內各功能單元進行動態調度與控制，實現加工系統內各功能單元高效協同。

3.構建數字化生產線

生產線全部功能單元與DNC聯網通訊系統、MDC數據採集系統、MES製造執行系統共同構成數字化生產線。針對研製產品和極少量產品，生產線內多個工序級加工系統依次完成產品各工序加工，有效利用生產線內資源進行加工快速響應和柔性化製造；針對中小批量產品進行價值流圖分析，針對價值流圖中爆炸點進行優化改進，形成最終加工流程，加工時生產線內功能單元快速重構形成產品級加工系統，該加工系統具備流水加工的特點，可面向成組產品進行高效快速加工。產品加工結束後加工系統自動解散，功能單元重新回到生產線中。

（五）基於加工系統物理模型構建數控加工數字化雙胞胎，實現產品在信息空間進行虛擬模擬加工

針對航天產品結構複雜、加工周期長、製造成本高的特點，在實際加工中有因數控程序錯誤、刀具錯誤和加工方法錯誤導致產品超差報廢的風險，發生產品超差報廢會嚴重影響整個型號任務的生產進度、交付周期，甚至影響型號發射節點。首都航天機械公司通過梳理產品製造流程，按照產品流程劃分為虛擬製造和實體製造兩個階段。在虛擬製造階段通過應用數字化手段構建並行協同與模擬虛擬驗證條件，以虛擬製造替代實物驗證製造，大幅降低製造成本、有效降低實際製造過程的風險，提升產品加工質量並縮短產品加工周期。

基於數控加工編程軟體、數控加工模擬軟體和刀具管理系統構建數控加工數字化雙胞胎，該數字化雙胞胎包含數控機床、產品、毛坯、工裝和刀具三維模型等數控加工核心製造資源。產品在進入生產線加工前，預先在編程軟體中編製數控程序並在模擬軟體中進行加工過程虛擬模擬，在虛擬環境中驗證刀路合理性、切削過程安全性和所需切削時間，保證產品在生產線加工過程中數控程序的正確性，有效提高數字化生產線可靠性。以模擬為核心，以虛擬製造代替實物驗證，縮短研製周期及成本。

刀具管理系統通過介面與數控編程軟體和數控加工模擬軟體集成，在數控程序和數控加工模擬時，直接調用刀具三維模型、幾何參數和切削參數進行虛擬加工和模擬驗證。完成模擬驗證後形成產品各工序加工刀具列表返回刀具管理系統，產品加工數控程序和刀具清單上傳到數控程序管理系統。待加工任務需要實施時，MES生產製造執行系統將任務指令發送到刀具管理系統和數控程序管理系統，刀具工程師根據任務指令和刀具列表實施刀具裝配和參數預調，刀具物流系統將預調完成的刀具發送到數控機床。數控程序通過數控程序管理系統將數控程序和刀具清單發送到數控機床。數控機床操作人員接收到數控程序、刀具清單和毛坯後實施機械加工。

產品虛擬製造與實物製造流程示意圖

（六）構建生產製造執行系統，實現生產線製造資源信息化管理及生產全流程動態管控

針對航天產品多品種、多狀態、小批量定製化任務特點，原有依賴人工密集型生產調度、溝通協調、紙質媒介傳遞的粗放式生產管控模式難以有效應對新形勢下航天產品生產管控和資源管控要求。首都航天機械公司通過構建MES製造執行系統，實現生產全流程信息化集中管控和資源信息化管理。MES製造執行系統具備計劃管理、生產準備管理、排產派工管理、生產執行管理和交檢管理五大功能，實現生產線從接收生產計划到完成產品交付全過程的信息化集中管控。同時，MES製造執行系統與ICM信息編碼系統、WMS物料倉儲系統、DNC分散式數字控制系統集成、刀具管理系統、MDC數據採集系統集成，實現對生產線內各類資源的實時信息化管理。

1.生產計劃管理

MES製造執行系統通過介面與公司ERP企業資源計劃系統集成，車間調度人員通過MES系統計劃管理模塊對ERP下發的生產計划進行簽收，並根據訂單交期、級別對生產計划進行管理。並對生產計劃按新簽收計劃、未下發計劃、已下發計劃和已完成計劃四類型進行管理。

2.生產準備管理

調度人員通過MES系統生產準備管理模塊對生產計劃中各項訂單的資源準備進度進行管理，並以目視化進度條監控各訂單生產準備狀態。系統自動識別未完成資源準備的訂單，並自動推送相關人員進行工藝規程、質控卡、原材料和工時定額的準備。MES製造執行系統與PPS工藝設計系統、QMS質量管理系統、WMS立體庫管理系統和工時定額系統集成，當各系統中工藝規程、質控卡、原材料和工時定額已完成準備後，系統自動對資源準備狀態進行識別並與訂單自動匹配。

調度人員在確認生產準備完成後，通過計劃管理中的計劃調度功能對生產訂單進行劃分，並下發至工序排產派工模塊。

3.排產派工管理

MES系統排產派工模塊根據各任務交期、任務級別、任務類型，以及數據採集系統採集的生產線產品加工狀態、設備狀態、人員狀態、工裝狀態和車間日曆對任務進行計劃排程和設備派工。針對中等批量批產產品，生產線內功能單元快速重構形成產品級加工系統，該加工系統具備流水加工的特點，可面向成組產品進行高效快速加工；針對研製產品和極少量產品，生產線內功能單元快速重構形成工序級加工系統按工序排程計划進行加工，有效利用生產線內資源進行加工快速響應和柔性化製造，實現生產線內各加工系統均衡化生產。

4.生產加工執行管理

生產線離線裝夾人員、立體庫與AGV導引車管理人員、刀具預調與配送人員、加工人員和檢驗人員根據MES系統各加工系統排產派工計劃開展加工準備、加工執行和工序檢驗。

MES系統通過介面與WMS物料倉儲及自動配送系統、刀具管理系統和數控程序管理系統集成。離線裝夾找正人員根據加工系統排產派工計劃對需離線裝夾找正的產品，通過與MES集成的WMS系統呼叫AGV導引車配送指定工裝及物料到離線裝夾區授貨台，使用離線裝夾工作台對產品進行離線裝夾找正，並呼叫AGV導引車將完成離線裝夾找正的產品自動運送回立體庫存儲；立體庫管理人員根據加工系統排產派工計劃通過AGV導引車將產品準時配送到指定數控設備授貨台；刀具管理人員根據加工系統排產派工計劃刀具列表信息通過與MES系統集成的刀具管理系統進行刀具預調並將刀具準時配送到指定數控設備刀具台；MES系統自動將工序級電子工藝規程同步到MES加工執行模塊，加工人員在各工序開工時和工序結束後分別刷卡報工序開工及完工，通過與MES終端集成的數控程序管理系統將所需數控程序下發到數控設備，將完成離線裝夾的產品依據電子工藝規程吊裝到數控機床並裝夾找正，依據電子工藝規程安裝程序用刀，依據電子工藝規程依次完成產品或工序各工步加工；加工人及檢驗人員依據電子工藝規程執行工序間自檢互檢，並將工序間檢驗結果填報到MES系統。

5.交檢管理模塊

當所有加工任務完成時，現場管理人員通過MES系統交檢管理模塊提交檢驗申請，MES系統依據產品信息自動匹配檢驗人員，並將檢驗申請推送至檢驗人員賬戶。檢驗人員根據個人賬戶待檢計劃執行檢驗，根據檢驗結果對檢驗記錄進行確認並上報，並開具產品合格證。

（七）基於數據採集系統構建工業大數據平台，實現生產線透明化管理和知識庫迭代優化

針對原有人工密集型生產調度、溝通協調、紙質媒介傳遞的粗放式生產管控模式，導致的產品在生產全過程製造數據無法及時有效採集、生產過程管理不透明、生產線內各類資源位置及狀態不能有效監控、生產過程異常不能有效識別、質量問題複查難度大的問題。首都航天機械公司通過構建基於數據採集系統的工業大數據平台，建立基於實時數據生產線監控體系和生產線知識庫體系，並基於實時數據進行生產過程決策，實現生產過程透明化管理、生產全過程製造數據採集存檔、生產線內各類資源有效監控、生產異常快速識別和質量問題原因高效準確複查。

數據採集根據數據源不同可採用多種方式，檢測數據採集方式有自動數據採集、數據文件導入、手工錄入和資料庫系統中讀取數據四種方式。基於DNC分散式數字控制系統和MDC數據採集系統對產品數據、工藝數據、機床數據、生產進度數據、物料數據、刀具數據、工裝數據和人員數據等進行採集，實現隱性物理數據顯性化，並基於實時數據進行生產決策、生產線監控體系建立和生產線知識庫體系迭代升級。

1.構建可視化監控體系，實現生產線透明化管理

基於MDC數據採集系統構建一套生產線可視化監控體系，包括車間狀態監控、數控機床監控、立體庫物料存儲監控、自動物流監控和任務執行狀態監控，實現生產線透明化管理和異常快速識別處理。

a、任務執行狀態監控

生產任務執行狀態監控通過採集設備開工完工刷卡數據、設備排產派工數據、設備執行程序數據獲得，可實時監控各設備當前加工的產品、產品當前工序、工序加工進度等信息，並可對生產任務執行超期的產品進行警示。

b、生產線狀態監控

設計生產線設備布局圖並以設備實時狀態數據標識生產線各設備，實現對生產線各設備狀態的監控，設備運行狀態有在線、離線、運行、空閑和報警，實現生產線整體運行狀態監控並對異常設備進行識別處理。

c、數控機床監控

機床狀態監控根據數據採集系統採集到的設備開關機狀態、負載狀態、電流狀態、開機時間、負載時間、設備故障信息、設備加工的產品信息、設備執行的程序、程序加工時間，對相關採集數據進行二次計算實現生產線設備平均故障間隔時間MTBF、設備平均故障修復時間、設備利用率、設備開機率、設備負荷率、設備空閑率設備故障率等數據進行實時統計計算。

通過生產線各數控機床監控數據，對高績效設備與低績效設備進行原因分析，總結高績效設備經驗進行推廣應用，對低績效設備問題進行針對性改善。

d、物料存儲庫存監控與物料配送監控

物料存儲庫存監控電子看板對生產線立體庫運行狀態、指令執行過程進行監控。自動監控立體庫庫存狀態，對超期獃滯庫存進行自動感知，並觸發庫存異常處理機制，對庫存異常狀態進行處理。通過數據決策優化改善庫存水平，提升庫存質量，保證生產線物料的合理需求，形成穩定的物料消耗速率，通過信息化技術的運用使各倉庫能及時響應生產現場需求，縮短物料配送提前期，降低安全庫存。

生產線物料配送監控電子看板對生產線AGV自動導引車運行狀態、所在位置、執行指令、授貨台狀態和指令執行狀態進行監控，實現AGV自動導引車高效穩定運行，並可對AGV運行異常狀態進行識別，有效提升生產線自動配送過程安全性和穩定性。

2.建生產線知識庫迭代優化體系，實現生產線持續優化升級

基於MDC數據採集系統構建生產線工業大數據平台，依託工業大數據平台下的設備運行數據、設備報警信息、刀具切削參數、排產派工數據、工序刷卡數據和程序執行數據構建設備維護診斷系統、產品加工工藝迭代優化、刀具切削參數自積累和工時定額精確化。

a、構建設備診斷專家系統

基於設備報警號及設備報警信息，以及設備維護人員設備歷史維修維護經驗構建設備診斷專家系統。當數據採集系統採集到數控機床報警號、報警信息時，依據報警號和報警信息在設備診斷專家系統中自動匹配推薦故障類型和解決方案，並結合設備運行數據快速準確找到故障點，分析出故障原因，及時排除故障，恢復設備的正常運行。

同時將設備維修過程故障機理與維修結論錄入設備診斷專家系統，通過數據迭代，實現專家系統基於故障號和故障信息的故障定位與故障解決方案精準推薦。

b、產品加工工藝迭代優化

產品加工前，完成數控程序模擬的數控程序通過NCB數控程序管理系統下發到數控機床進行加工製造，研製產品在實際加工過程會對數控程序程序切削參數做適應性優化，完成優化的數控程序回傳到NCB數控程序管理系統，並由工藝人員對回傳的數控程序進行審核，實現在研產品工藝不斷迭代優化。產品在加工過程，數據採集系統實時採集主軸、伺服軸扭矩和電流，針對加工過程扭矩過大過小的情形，結合產品加工過程，對工藝進行不斷迭代優化，並同時實現刀具切削參數自積累。

c、定額工時精確化

本生產線基於數控加工數字化雙胞胎、MES製造執行系統和MDC數據採集系統進行信息化工時定額。產品加工前，對產品各工序進行數控程序模擬來預估定額工時，並將定額工時傳遞到MES製造執行系統工時定額模塊。通過數據採集系統採集工序開工完工刷卡數據、數控程序執行數據來逐步迭代完善工時定額數據。數據包括加工任務基本信息、平均加工時間、最長加工時間、最短加工時間和開工完工時間等。

三、實施效果

（一）成功建設完成一條航天數字化柔性機加生產線，提升國防產品保障能力，實現航天產品多品種小批量、研製與批產並存生產模式下的生產線全流程信息化管控和透明化管理

通過基於信息物理系統的航天數字化柔性機加生產線構建與實施，建成車間物聯網，實現車間內各類資源信息互聯互通，實現各類資源位置、狀態追蹤；建成單元級、系統級和生產線級三層級信息物理系統，實現生產線內資源高效配置及快速重構；建成現場數控機床的數字化雙胞胎，實現產品在投產前在信息空間進行虛擬模擬加工；開發完成1套MES生產製造執行系統實現生產全流程信息化集成管控和製造資源信息化集中管理；開發完成1套數據採集與監控系統，實現對生產線各類資源的數字化、信息化採集，實現基於實時數據的生產線透明化管控、知識庫迭代優化和生產過程決策。

航天數字化柔性機加生產線實現生產線設備、工位和終端100%互聯互通，實現線內產品工藝規程、質控卡、質疑單、合格證、現場派工等100%電子化，生產線毛坯、半成品、成品和主要工裝實現100%數字化立體存儲和線內物料流轉流程80%自動化準時配送，實現生產線90%刀具自動化預調和100%自動化存儲。實現從生產計劃管理、生產準備管理、排產派工管理、加工執行和交檢管理等生產全流程信息化集中管控和製造資源信息化集中管理，同時避免生產過程信息孤島出現。

航天數字化柔性機加生產線建設完成後，航天產品多品種小批量、研製與批產並存生產模式下的生產線全流程信息化管控和透明化管理能力顯著提升，同時顯著提升公司對國防產品的需求保障能力。

（二）增強航天企業在軍民融合大背景下核心競爭力，實現生產線產能提高和質量提升

航天數字化柔性機加生產線的建設運行，大幅度提升了零件產品加工效率和質量保證能力，促進企業核心運營能力的提升。

產品在投產前，在數控加工數字化雙胞胎中進行虛擬模擬加工，一方面有效識別出實際加工過程易錯點和不合理點保證實際加工程序、工藝方法正確可靠，避免由於工藝方法和加工程序導致的產品超差報廢；另一方面通過虛擬加工可預先查看產品加工全流程，進行加工程序和工藝方法優化，避免由於加工程序和加工方法不合理造成設備停機等待。產品投產後，車間物聯網、MES製造執行系統和數據採集系統對產品加工過程全生命周期各要素數據進行電子化採集記錄，提升產品質量保證能力和質量複查效率。在產品加工過程中，通過可視化監控體系對生產過程進行異常監控，實現問題快速高效識別和針對性處理。通過生產線運行過程積累的數據對生產線各知識庫進行迭代優化，不斷提高生產線效率和質量。

2016年，數字化生產線經過一年生產運行，產品加工能力和質量保證能力顯著提升。某重點型號伺服艙相比生產線建設前，產能提升100%，生產線生產型號數量翻番。典型產品瓶頸工序加工時間縮短30%，生產線平衡率從30.6%提升到53%。產品交檢合格率從建線前59.5%提升到89.3%，讓步放行產品的百件產品缺陷數從122個下降為3個。生產線物料管理人員較少80%、刀具管理人員較少40%。

（三）提升企業數字化生產線建設能力，促進公司兩化深度融合戰略目標實現

首都航天機械公司成功建設完成一條航天中型殼體數字化柔性機加示範生產線，建立了基於項目制的數字化生產線推進組織並制定了《數字化生產線項目團隊管理辦法》來保證數字化生產線高效建設與推進，建設完成數字化生產線相關自動化、數字化和信息化系統平台。在該數字化生產線建設與運營過程積累的豐富經驗以及系統開發建設過程突破的技術和取得的成果，已應用到公司多條數字化生產線構建與實施過程，並為公司全面推廣數字化生產線建設，促進公司兩化深度融合目標的實現打下堅實基礎，有利保障公司「十三五」規劃技術重點實現。

（四）健全了面向航天製造的數字化柔性機加生產線構建與實施方法，形成數字化機加生產線全系統集成管控全套解決方案

首都航天機械公司在《中國製造2025》大背景下，開展的基於信息物理系統的航天數字化柔性機加生產線構建與實施，實現了基於航天產品多品種、小批量、研製與批產並存生產模式下的生產線全流程信息化管控和透明化管理。

通過本數字化生產線的建設健全了面向航天製造的數字化柔性機加生產線構建與實施方法，形成數字化機加生產線全系統集成管控全套解決方案和成套技術，為航天領域開展數字化生產線建設提供示範指導作用，並可有效促進航天機加領域智能製造水平的提升。

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