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摘要：简要介绍了数字化车间的概念和组成结构，并具体分析了数字化车间技术在机械加工车间的应用情况和实施效果。
关键词：数字化车间，机械加工
中图分类号：TH161 文献标识码：A 文章编号：
近年来，为实现我国装备制造业的转型升级，国家大力推行精益制造、智能制造、敏捷制造等先进制造理念，并高度重视信息化在制造中的促进作用。数字化车间理论与应用研究方兴未艾。
数字化车间的概念
数字化车间是数字化技术在制造车间集成应用而形成的一种制造车间的模式，即从数字化产品工艺设计、工艺试验、生产组织和管理等方面入手，将制造车间中的数字化设备与工艺设计及生产管理的信息进行集成，形成基于数字化设备和信息集成于信息流自动化的集成制造系统，从整体上改善生产的组织与管理，提高制造系统的柔性，提高数字化设备的效率。
数字化车间目前存在两个方面的含义。一方面，它是指从制造的现实出发，对制造过程中产生的数据进行数字化，并对它们进行加工处理，产生相关的信息，在制造系统中进行存储和交换，并直接应用于车间对生产过程的管理和控制，通常把这种生产方式称为数字化制造。另一方面，它是指“车间”生存于数字化世界，在真实工厂或生产过程还没有开始前，这个车间在虚拟空间中运作，对真实车间进行虚拟现实的仿真，提供优化的结果，是虚拟制造技术的发展。
本文讨论的是前一种含义，其实质是数字化技术在车间的综合应用，即利用计算机辅助进行信息管理、生产工艺安排、生产计划制定和生产过程控制，在车间范围内实现CAD/CAPP/CAM,PDM,MRP,MES,DNC等数字化技术的集成应用。
2、数字化车间的组成结构
数字化车间的总体结构如图1所示，分为企业计划层、制造执行层和控制层。通常，数字化车间本身包括制造执行和控制两个层次，企业计划层是数字化车间的上游，是数字化车间运行的外部环境。制造执行层是数字化车间的核心，它协调车间各个部门完成车间的技术管理、生产计划和调度及整个生产过程的管理与控制，而控制层则完成设备管理、现场数据采集和物流监控。数字化车间需要实现企业以生产计划和执行控制为主线的生产管理信息系统集成应用，以CAD/CAPP/CAM和PDM集成为特征的技术信息系统集成，以及基于网络实现DNC、现场数据采集和物流标识等监控系统集成应用。制造执行系统为车间范围内的这三种集成提供了应用平台。
实施数字化车间的关键是基于车间数字化装备、综合网络（DNC）和数据管理系统建立制造执行系统，实现生产作业计划管理与执行控制，以及实现制造执行系统与企业资源管理系统和产品与工艺过程设计系统的集成应用。
3、典型机械加工数字化车间
数字化车间在各种类型车间中已有广泛实践，以机械加工车间最为典型。机械加工车间通过制造执行系统将工厂生产计划信息引入车间，并根据工厂生产计划进行具体执行计划——生产作业计划的指定，把企业下达的生产任务具体分配到车间的各个生产单元（工段）、工作地和工人，规定他们在月、旬、周、日以及轮班和小时内的具体生产任务；并通过现场终端将生产指令直接下达到操作者，同时及时采集任务状态信息，组织产品生产过程各阶段、各工序在时间上和空间上的衔接协调，实现生产进度控制、产品质量控制、物料消耗与库存控制及生产成本费用控制等。生产计划与控制是实现生产计划，提高产品质量，降低生产消耗和产品成本的重要手段。
车间可通过PDM集成和运行CAD/CAPP/CAM软件，支持车间的工艺准备技术工作，实现设计数据直接引入、工艺建模、自动编程和程序仿真。DNC系统通过网络与CAD/CAPP/CAM相连，直接从NC程序库中读取所需要的加工程序和参数，也可以将生产现场经调试的实际应用程序回收后统一存放、归档。同样，机床的CNC参数也可以通过此系统进行传输。
车间建立刀具管理系统，实现数控用刀具的管理和预调，考虑到生产规模的扩大和品种的变化速度加快，在加强CAD/CAPP/CAM的同时，应注重生产准备环节的技术改造。刀具综合管理和预调制度的建立及刀具管理系统的采用可以实现在车间（单元）范围内的刀具参数和寿命管理，实现刀具的统一调配和配送，将缩短生产准备时间，降低车间刀具占有量，提高刀具的利用率，以及稳定产品质量，还可以通过DNC系统实现刀具参数的传递。
4、机械加工数字化车间的实施效果
通过数字化车间系统的实施，机械加工车间在管理手段、生产效率、生产成本等方面都会有明显效果，为精益生产模式的建立奠定了良好的基础。
1）彻底消除机床信息孤岛，实现了工厂的完全网络化管理
通过机床网络DNC的建设，彻底改变了以前数控机床的单机通信方式，全面实现了机床的集中管理与控制，机床由以前的信息孤岛转变为整个工厂的一个信息节点，实现了数控程序的传输网络化、管理规范化、仿真虚拟化、数据采集自动化。
2）通过图形化的高级排成，最大程度地优化了生产计划
通过高级自动排产算法，可将生产任务分解到每一工序、每一设备、每一分钟，并可通过方便直观的图形看板形式，以即时的方式提供准确的交货日期，实时获知落后于计划的作业，查明是哪里出现了生产“瓶颈”，实现了生产任务的精确管理。
3）实现生产过程的全透明化管理
通过准确、及时、自动的机床生产信息反馈，可以同时采集所有机床的实时状态，随时查看机床的开机、运行、故障等信息，实施获知每台机床的工件生产数量，并结合条码扫描等手动采集方式，实现生产过程全方位的透明化管理。
4）减少机床辅助时间，提高机床利用率
通过协同制造平台，实现了技术、物料、工具、质量等生产准备协同，从根本上避免了因某一环节的准备不足而影响生产的不良情况。通过高级排产、程序网络传输、模拟仿真、程序数据库管理，将生产计划、程序编辑、仿真、管理等生产辅助任务在计算机端快速高效地完成，这些管理措施与手段均可最大程度地提高机床的有效利用率。
5）实现对库房的精细管理，优化库存，降低生产成本
充分利用先进的计算机网络技术，全面实现对车间各类（包括刀具、物料、在制品等）库房的计算机管理，可有效优化各类库存，明显地降低车间库存成本。
6）与PDM/ERP系統全面集成，整合企业制造资源
通过与PDM/ERP等系统的有机集成，以及MES系统自动导入ERP的生产计划等上游信息，实现企业各管理系统之间数据资源最大程度的共享，为实现企业级的精益生产奠定良好的技术与管理基础。
参考文献：
[1] 杨文通，王蕾，刘志峰 编著. 数字化网络化制造技术. 电子工业出版社
[2] 吴澄 主编. 现代集成制造技术导论——概念、方法、技术和应用. 清华大学出版社
[3] 杨汉，刘安明，祝云. 数字化技术在冲压模具设计与制造中的应用. 航空制造技术
关键词：数字化车间，机械加工
中图分类号：TH161 文献标识码：A 文章编号：
近年来，为实现我国装备制造业的转型升级，国家大力推行精益制造、智能制造、敏捷制造等先进制造理念，并高度重视信息化在制造中的促进作用。数字化车间理论与应用研究方兴未艾。
数字化车间的概念
数字化车间是数字化技术在制造车间集成应用而形成的一种制造车间的模式，即从数字化产品工艺设计、工艺试验、生产组织和管理等方面入手，将制造车间中的数字化设备与工艺设计及生产管理的信息进行集成，形成基于数字化设备和信息集成于信息流自动化的集成制造系统，从整体上改善生产的组织与管理，提高制造系统的柔性，提高数字化设备的效率。
数字化车间目前存在两个方面的含义。一方面，它是指从制造的现实出发，对制造过程中产生的数据进行数字化，并对它们进行加工处理，产生相关的信息，在制造系统中进行存储和交换，并直接应用于车间对生产过程的管理和控制，通常把这种生产方式称为数字化制造。另一方面，它是指“车间”生存于数字化世界，在真实工厂或生产过程还没有开始前，这个车间在虚拟空间中运作，对真实车间进行虚拟现实的仿真，提供优化的结果，是虚拟制造技术的发展。
本文讨论的是前一种含义，其实质是数字化技术在车间的综合应用，即利用计算机辅助进行信息管理、生产工艺安排、生产计划制定和生产过程控制，在车间范围内实现CAD/CAPP/CAM,PDM,MRP,MES,DNC等数字化技术的集成应用。
2、数字化车间的组成结构
数字化车间的总体结构如图1所示，分为企业计划层、制造执行层和控制层。通常，数字化车间本身包括制造执行和控制两个层次，企业计划层是数字化车间的上游，是数字化车间运行的外部环境。制造执行层是数字化车间的核心，它协调车间各个部门完成车间的技术管理、生产计划和调度及整个生产过程的管理与控制，而控制层则完成设备管理、现场数据采集和物流监控。数字化车间需要实现企业以生产计划和执行控制为主线的生产管理信息系统集成应用，以CAD/CAPP/CAM和PDM集成为特征的技术信息系统集成，以及基于网络实现DNC、现场数据采集和物流标识等监控系统集成应用。制造执行系统为车间范围内的这三种集成提供了应用平台。
实施数字化车间的关键是基于车间数字化装备、综合网络（DNC）和数据管理系统建立制造执行系统，实现生产作业计划管理与执行控制，以及实现制造执行系统与企业资源管理系统和产品与工艺过程设计系统的集成应用。
3、典型机械加工数字化车间
数字化车间在各种类型车间中已有广泛实践，以机械加工车间最为典型。机械加工车间通过制造执行系统将工厂生产计划信息引入车间，并根据工厂生产计划进行具体执行计划——生产作业计划的指定，把企业下达的生产任务具体分配到车间的各个生产单元（工段）、工作地和工人，规定他们在月、旬、周、日以及轮班和小时内的具体生产任务；并通过现场终端将生产指令直接下达到操作者，同时及时采集任务状态信息，组织产品生产过程各阶段、各工序在时间上和空间上的衔接协调，实现生产进度控制、产品质量控制、物料消耗与库存控制及生产成本费用控制等。生产计划与控制是实现生产计划，提高产品质量，降低生产消耗和产品成本的重要手段。
车间可通过PDM集成和运行CAD/CAPP/CAM软件，支持车间的工艺准备技术工作，实现设计数据直接引入、工艺建模、自动编程和程序仿真。DNC系统通过网络与CAD/CAPP/CAM相连，直接从NC程序库中读取所需要的加工程序和参数，也可以将生产现场经调试的实际应用程序回收后统一存放、归档。同样，机床的CNC参数也可以通过此系统进行传输。
车间建立刀具管理系统，实现数控用刀具的管理和预调，考虑到生产规模的扩大和品种的变化速度加快，在加强CAD/CAPP/CAM的同时，应注重生产准备环节的技术改造。刀具综合管理和预调制度的建立及刀具管理系统的采用可以实现在车间（单元）范围内的刀具参数和寿命管理，实现刀具的统一调配和配送，将缩短生产准备时间，降低车间刀具占有量，提高刀具的利用率，以及稳定产品质量，还可以通过DNC系统实现刀具参数的传递。
4、机械加工数字化车间的实施效果
通过数字化车间系统的实施，机械加工车间在管理手段、生产效率、生产成本等方面都会有明显效果，为精益生产模式的建立奠定了良好的基础。
1）彻底消除机床信息孤岛，实现了工厂的完全网络化管理
通过机床网络DNC的建设，彻底改变了以前数控机床的单机通信方式，全面实现了机床的集中管理与控制，机床由以前的信息孤岛转变为整个工厂的一个信息节点，实现了数控程序的传输网络化、管理规范化、仿真虚拟化、数据采集自动化。
2）通过图形化的高级排成，最大程度地优化了生产计划
通过高级自动排产算法，可将生产任务分解到每一工序、每一设备、每一分钟，并可通过方便直观的图形看板形式，以即时的方式提供准确的交货日期，实时获知落后于计划的作业，查明是哪里出现了生产“瓶颈”，实现了生产任务的精确管理。
3）实现生产过程的全透明化管理
通过准确、及时、自动的机床生产信息反馈，可以同时采集所有机床的实时状态，随时查看机床的开机、运行、故障等信息，实施获知每台机床的工件生产数量，并结合条码扫描等手动采集方式，实现生产过程全方位的透明化管理。
4）减少机床辅助时间，提高机床利用率
通过协同制造平台，实现了技术、物料、工具、质量等生产准备协同，从根本上避免了因某一环节的准备不足而影响生产的不良情况。通过高级排产、程序网络传输、模拟仿真、程序数据库管理，将生产计划、程序编辑、仿真、管理等生产辅助任务在计算机端快速高效地完成，这些管理措施与手段均可最大程度地提高机床的有效利用率。
5）实现对库房的精细管理，优化库存，降低生产成本
充分利用先进的计算机网络技术，全面实现对车间各类（包括刀具、物料、在制品等）库房的计算机管理，可有效优化各类库存，明显地降低车间库存成本。
6）与PDM/ERP系統全面集成，整合企业制造资源
通过与PDM/ERP等系统的有机集成，以及MES系统自动导入ERP的生产计划等上游信息，实现企业各管理系统之间数据资源最大程度的共享，为实现企业级的精益生产奠定良好的技术与管理基础。
参考文献：
[1] 杨文通，王蕾，刘志峰 编著. 数字化网络化制造技术. 电子工业出版社
[2] 吴澄 主编. 现代集成制造技术导论——概念、方法、技术和应用. 清华大学出版社
[3] 杨汉，刘安明，祝云. 数字化技术在冲压模具设计与制造中的应用. 航空制造技术