基于CAXA PLM的数字化工厂平台的构建及应用
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引言 “十二五”规划纲提出要在工业企业升级换代过程中构建现代产业体系及提高自主创新能力，从而逐步提高在全球化产业链中的位势，因此工业与信息化融合走新型工业化道路是必然趋势。 数字化工厂(Digital Factory，简称DF)是以PLM(product lifecycle management)产品生命周期管理系统提供的数据为基础，在计算机虚拟环境中，对整个生产过程进行仿真、评估和优化，并进一步扩展到整个产品生命周期的新型生产组织方式。它主要借助计算机技术和虚拟仿真技术，通过虚拟环境模拟制造、装配、物流等各环节，最大限度地确定产品设计和制造之间的不确定因素，并作出评估、检验及修改，从而缩短产品由设计到生产的转化时间，并且提高产品的可靠性与试制成功率。 贵阳学院数字化工厂是一个产学研合作平台，不仅承担了机电专业、计算机专业、管理专业的实践教学工作，还承担了大学产业园校企合作项目的新产品试制工作。本文以平台的软、硬件构建及新产品试制在平台上的运作为例，对数字化工厂的构建及应用作一个简述。 1 数字化工厂硬件平台的构建 1.1 平台背景 数字化工厂是贵阳学院大学科技产业园区的组成部分，由创新设计室、数控车间、云存储中心组成，是以CAXAI业软件为基础，综合应用无线网络技术、云存储技术构建的创新设计平台、数字化工艺平台和生产过程管理平台，在数据源统一管理的前题下，实现设计、工艺、生产一体化流程，形成无纸化、数字化的生产过程管理。 1.2 平台硬件构建 1)创新设计室：创新设计室承担图纸设计和工艺设计任务，由设计组和工艺组组成，所有订单信息、产品技术文件、管理文件均统一存储在云存储中心进行管理，设计人员、工艺人员通过创新设计室网络从云存储中心调用技术资料，实现协同设计并在修改后实现同步更新。 2)数控车间：数控车间主要承担制造任务，车间内拥有数控车、数控铣、加工中心、线切割、电火花等数控设备，所有数控设备通过智能终端和无线网络联接到数控车间的交换机上，加工数据和信息通过DNC(Distributed Numerical Control)分布式数控网络从云存储中心获取，设备信息及加工过程信息也通过DNC网络回馈到云存储中心，供相关部门调用。这种数据资源协同共享的方式，有效地解决了过去单机工作时由于信息不通，设计或工艺更改造成的错误及浪费。 3)云存储中心：云存储中心主要承担所有技术资料数据的存储、管理任务，通过PDM(Product Data Management)产品数据管理软件将订单信息以及创新设计室、数控车间的技术数据进行分类管理，建立图纸数据库、工艺数据库、制造代码数据库，对外提供统一的数据存储和业务访问功能。 数字化工厂硬件构架如图1所示。
图1 贵阳学院数字化工厂硬件架构图 2 数字化工厂软件系统的构建 贵阳学院数字化工厂平台主要承担新产品的研发及试制，属于多品种、小批量，面向订单的设计和生产。样机试制对设计、工艺要求高，生产周期短，必须在PLM软件系统的配合下才能发挥出硬件的最大生产能力，满足市场的需要。 贵阳学院数字化工厂PLM软件系统由数字化设计软件、数字化工艺软件、数字化制造软件及协同管理软件所组成。软件架构图如图2所示。数字化设计软件包括CAXA电子图板和实体设计两个软件；数字化工艺设计软件包括CAXA工艺图表和工艺汇总两个软件；数字化制造软件包括CAXA数控车、制造工程师、线切割、编程助手、网络DNC软件组成；PDM协同管理软件作为产品数据和设计过程的管理平台。
图2 贵阳学院数字化工厂软件架构图 3 数字化工厂的工程应用 3.1 应用过程 贵阳学院数字化工厂与某企业合作研发一个机械产品，以该产品的研发和样机试制过程为任务，在PLM系统的框架下，完成设计、工艺、制造诸环节，实现对产品各类信息的统一管理，规范包括图纸数据、文档、业务流程、操作规范等在内产品设计过程和设计标准；实现设计、工艺、制造过程的并行、高效的协同工作和信息共享，从而达成产品工艺数据与工艺资源的立体管理，最终形成完整的产品技术文件及样机试制目标的全过程。 1)数字化设计环节 (1)数字化工厂在接到企业合作研发订单后，由总工程师将对研发工作进行立项，并确定总体设计方案； (2)由总工程师确定项目经理，项目经理分配创新设计室内设计员、工艺员，数控车间内施工员、制造工人等，并按角色的不同分配工作权限； (3)设计员从云存储中心电子仓库中查询是否有类似产品的记录，并调用可重用的技术资料； (4)设计员根据订单中的具体要求，用CAXA电子图板软件设计二维工程图； (5)设计员以二维工程图为基础，作用CAXA实体设计软件生成三维模型并进行产品模拟装配，发现设计过程中可能出现的干涉和错误，避免样机试制过程中造成的损失，同时三维图为为关键零部件的有限元分析提供了三维数据模型，也为产品外观造型设计提供了直观的效果； (6)在项目经理和总工程师审核批准后，PDM系统将所有设计图纸资料纳入统一的设计资料库中。 2)数字化工艺环节 (1)工艺员根据审核后的工程图纸使用CAXA工艺图表软件完成各加工零件的工艺过程卡、工序卡、材料定额、工时定额等一系列工作，并汇总出生产所需的各种BOM信息； (2)工艺员使用CAXA工艺汇总软件对产品设计数据和工艺数据进行统计汇总，从而生成产品明细表、材料定额报表、管理用工艺表格，大大减轻了人工统计的工作量，提高了生产效率； (3)在项目经理和总工程师审核批准后，PDM系统将所有工艺资料纳入统一的工艺资料库中； (4)采购人员可从工艺资料库中调取标准件明细表、外购件明细表、材料采购表进行配套采购。 3)数字化制造环节 (1)工艺员根据工艺路线的要求，使用数控车、制造工程师、线切割等制造软件进行加工数控编程，输出G代码，通过对生成的代码进行校验及加工仿真，避免加工过程中造成的浪费； (2)工艺员根据加工仿真情况，将存在工艺缺陷的图纸反馈给设计员，进行图纸修改。在此过程中PDM系统自动对修订过程进行记录和标识； (3)数控车间制造工人可通过DNC网络将数控加工程序直接调用至数控机床上进行生产，通过DNC网络还可在车间显示屏上查看生产用图纸和工艺，实现无纸化生产； (4)车间管理人员可通过DNC网络它可对数控车间内的设备进行联网通讯及管理，总工程师、项目经理能及时掌握设备状态、作业进度及质量问题等信息，实现远程监控，从而提高数字化工厂的生产自动化水平以及关键设备的综合利用率； (5)所有加工数据、生产进度等制造信息PDM系统自动对记录； (6)零件加工完毕检验合格后，由装配工人根据图纸进行装配、试机；设计员根据试机情况进行设计修改及产品定型。PDM系统根据修改情况进行各次版本的记录； (7)PDM系统可把产品分类，建立通用零部件库，按照合理的结构规范进行管理，以便设计时快速借用。 3.2 应用效果 由于贵阳学院数字化工厂承担工作的局限性，新产品试制案例只使用了PLM系统中设计和制造环节的功能，但通过其设计、制造手段和管理模式已极大地提高了设计和制造效率。 1)电子图板与实体设计的有机结合，不仅使设计更加直观，而且三维模拟装配可在实际生产前验证工程图纸的正确性，并进行装配干涉检查，降低产品试制失败的风险。另外实体设计为关键零部件的有限元分析提供了三维数据模型，从而使产品设计更加优化。 2)由工艺图表和工艺汇总组成的CAPP工艺管理系统，不仅使工艺文档标准化，解决了传统工艺编制效率不高、信息统计汇总不准确的问题，而且使工艺人员可以将企业的工艺信息和工艺经验加以积累和延用，因此能快速处理各种工艺信息，并汇总出生产所需的各种BOM信息：各类产品明细表、材料定额报表、管理用工艺表格可自动生成，大大减轻了人工统计的工作量，提高了生产效率。 3)数控车、制造工程师、线切割等制造软件实现了自动编程，而且可对生成的代码进行校验及加工仿真，避免加工过程中造成的浪费。 4)网络DNC将管理、设计、工艺、制造通过内部网络连接起来，管理层可实时了解设计、工艺、制造各环节的进度以及存在的问题；设计、工艺、制造环节也可在统一的产品数据库基础上通过DNC网络进行沟通，避免各环节信息不畅造成的错误和浪费；网络DNC还为实现无纸化生产提供了的基础，从而使数字化工厂更加环保和高效。 5)PDM系统以数据管理和流程管控为核心，实现对产品从订单、设计、工艺编制、红线批注、审核、批准、打印、归档、发图、维护等整个产品生命周期中相关数据的集中有效管理，实现了产品各类信息的统一管理，规范了图纸数据、工艺文档、业务流程、操作规范等设计过程和设计标准。设计、工艺、制造过程的并行、协同工作，极大地提高了生产效率，有效保障了设计、工艺、制造数据的适时交流和共享，在对角色划分并进行权限控制的基础上，保障了数据的安全。 4 结束语 CAXA PLM在贵阳学院数字化工厂的建设和应用，通过PDM使所有技术数据实现了集中管理；在网络DNC平台上，所有技术数据实现了无纸化交流；通过数字化设计和工艺软件的应用，使用设计、工艺及管理得以规范化和数字化，使设计水平、工艺水平和制造水平得以提升，从而带动了管理水平和管理质量的提升。 要充分发挥PLM的作用，不仅要靠高质量的软、硬件，更重要的要靠企业负责人、各级管理人员对企业信息化的理解、执行的力度，只有各生产环节以高度责任心，在产品的全生命周期中实施数字化管理，才能保证统一产品数据库中的内容真实、可靠，并逐步建立起具有企业自身特色的数据库，最终实现信息化与工业化融合，构建数字化企业的目标。
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