近30年來，與信息化相關的先進制造技術（如CAD、CAM、CAPP、PDM、ERP等）在航空工業中得到了廣泛的重視，在關鍵技術攻關、目標產品開發、基礎研究、推廣應用等方面開展了深入的研究，在單項技術和系統集成方面都取得了很大進展，在數控加工生產系統中實現了生產管理、資源管理、工藝數據準備等軟件的集成，成效顯著。但一些新的高端軟件，如三維CAD軟件、產品數據管理軟件、企業資源計劃系統的引入和應用，使得以往軟件系統的集成度和集成平臺都不能滿足企業當前發展的需求，從而產生了新的信息孤島和離散的軟件系統，給企業未來的發展帶來了新的問題。
本文研究目的就是針對航空數控車間對制造工程軟件的應用需求，以航空數控零件制造過程為對象，以三維數字樣機為協調依據，將目前分散、獨立和孤島式的數字化制造軟件進行應用集成，建立航空數控車間數字化制造應用軟件系統，同時滿足飛機數控零件制造過程中數字量協調的工作體系，初步形成滿足現代航空企業數控生產制造流程的集成化協同工作環境。其成果可作為支持在研及未來航空產品研制和生產的數字化集成工作平臺，并為今后建立基于網絡化和數字化環境的制造系統提供支撐平臺，為實現航空產品的制造過程和制造系統集成奠定基礎。
數控車間數字化制造軟件體系結構
數控車間生產現場和生產過程異常復雜，涉及“人”、“機”、“料”、“法”、“環”等眾多信息，相關的信息系統分布在計劃、執行、控制等多個層面，通過對航空數控車間調研、分析和歸納總結的基礎上，提出了航空數控車間數字化制造軟件體系結構，如圖1 所示。該系統包含8個分系統，其中核心系統5個，分別是制造資源編碼系統、制造資源管理系統、制造數據準備系統、車間計劃管理系統和生產現場管理系統；輔助系統3個，分別是系統基礎平臺、生產準備運行系統和現場控制采集系統。
圖1 數控車間數字化制造軟件體系結構
系統基礎平臺作為整個集成系統的應用門戶，將實現各個分系統的統一管理和單點登錄。用戶在獲取特定信息時不需要再進入眾多的應用系統，而是通過門戶方便快捷地得到。另外，在系統基礎平臺中，只確定每位用戶可以應用哪些分系統，分系統內部的功能權限和數據權限分布在各個分系統中定義。
制造資源編碼系統是體系結構的基礎，為其他各個系統提供唯一的制造資源編碼，并通過本系統完成對制造資源編碼的建立、審批及變更過程的管理。同時通過系統接口為其他子系統提供編碼申請及編碼檢索服務。
制造資源管理系統統一管理與數字化制造相關的實物信息。制造資源包括設備、刀具、量具、夾具、模具、其他工具和材料等。制造資源管理系統管理企業制造資源的形成（制造/采購/其他）、標識、儲存、使用等工作的實現方式、工作流程及流程控制模式，一般可分為5個模塊，分別為物資管理、刀具管理、夾具管理、設備管理和量具管理。
制造數據準備系統統一管理與數字化制造相關的所有數據信息，主要是CAD/CAM/CAPP系統與PDM系統的集成應用。其中產品結構維護模塊為CAPP系統提供產品結構信息和3D模型，工藝資源庫模塊提供制造資源參數和資源編碼，工藝知識庫和切削參數庫分別提供工藝知識和切削參數，最終生成工藝信息，包括工藝路線、材料定額、工藝規程、檢驗規程、NC程序、制造資源匯總表等。一般該模塊中還提供裝卡方案設計、工裝設計、仿真校驗和打印輸出等功能。
車間計劃管理系統接收企業生產計劃，對于首次生產任務，系統將把任務信息提交給制造數據準備系統，完成工藝準備；對于多次投產任務，則依據產品結構、材料定額、工藝規程等信息生成車間生產計劃和物料需求計劃。
生產現場管理系統是針對數控車間生產過程管理的主要軟件系統。根據車間生產計劃、在崗人員信息、工藝信息以及制造資源庫存信息等，進行任務排產和自動調度，生成車間作業任務列表。通過實行AO/FO管理，記錄和監控車間作業任務的執行情況，并把生產統計信息反饋給車間計劃管理系統。在生產現場管理系統中還包括質量管理和設備效率測評等功能。
生產準備運行系統是車間執行層和控制層之間的接口，根據作業任務確定生產過程中需要上傳的NC程序列表和配送的具體制造資源列表，同時確定NC文件傳送的機床和傳送時間以及物料配送時間和目標工位。
現場控制采集系統主要用于控制物料自動配送系統、NC文件傳遞和自動化刀庫的運行，同時可以網絡化DNC系統實時取得機床加工數據，將其作為機床效率測評的基礎。
數控車間數字化制造軟件系統集成
數控車間數字化制造軟件系統集成方案是基于“數控車間數字化制造軟件體系結構”而制定的，其中，系統基礎平臺、制造資源編碼系統、制造資源管理系統和制造數據準備系統是系統集成的基礎，這4個系統的緊密集成可以保證在車間計劃管理系統、生產現場管理系統、生產運行準備系統及現場控制采集系統中運行的所有人員信息、數據信息和實物信息有唯一標識和單一數據來源，保證數據的一致性。車間計劃管理系統、生產現場管理系統、現場控制采集系統的集成是車間計劃層到執行層再到控制層的集成，生產運行準備系統是車間執行層到車間控制層的集成適配器和人工參與接口。本文將以制造數據準備系統和生產現場管理系統為中心介紹系統的集成方案。
1.制造數據準備系統集成技術
在制造數據準備系統中建立制造BOM數據，并且針對變更情況建立變更信息，車間計劃管理系統根據制造BOM及變更信息匯總，形成最新的制造BOM數據；在制造BOM中統一對零件進行工藝數據及工藝變更管理，其中包括詳細工藝規程、材料定額、提前期以及相關工具、工裝、輔料等列表信息，這些信息是車間計劃管理系統生成車間生產計劃和物料需求計劃的依據，也是生產現場管理系統做排產調度和開工檢查的依據。所以，制造數據準備系統是為車間計劃管理系統和生產現場管理系統提供基礎數據的“數據基地”，同時生產現場管理系統中具體的生產組織過程還是以車間計劃管理系統生成的車間生產計劃作為主要依據。因此，從信息流來看，制造數據準備系統在車間計劃管理系統的上游，而生產現場管理系統在車間計劃管理系統的下游，所以，這些系統與車間計劃管理系統的數據集成可以簡單地概括為：制造數據準備系統向車間計劃管理系統和生產現場管理系統傳遞制造數據，是一個相對單向的集成；車間計劃管理系統向生產現場管理系統傳遞生產計劃和物料需求信息，生產現場管理系統向車間計劃管理系統反饋計劃執行情況，是一個雙向的集成，該部分集成的主要信息集成平臺是車間計劃管理系統。
圖2 數控車間數字化制造軟件集成方案
另外，制造數據的工程變更對下游車間計劃和生產過程的影響是該部分集成的討論焦點，文章背景課題采用的方案是：車間計劃管理系統、生產現場管理系統中生產計劃、配套計劃、工序作業計劃的下達，采用最新的BOM和工藝數據，如果期間制造數據準備系統中發生制造BOM變更，計劃管理系統、生產現場管理系統中已經下達的計劃、庫存等信息均不變，系統將在后續的計劃中進行體現。這種集成方式，既可以保證生產過程的穩定性，同時也符合軍工生產對于型號、批次的基本要求。系統總體集成思路。
2.生產現場管理系統集成技術
生產現場管理系統調度排產的結果經過確認以后，會形成指導實際生產的作業任務列表。生產準備運行系統通過遍歷作業任務列表，得到需要上傳到各個加工設備的順序相關的NC程序列表，以及需要配送到各個工位的毛坯、工裝、夾具、量具等制造資源列表。在確定NC程序列表過程中，系統將掃描NC程序列表，得到加工過程所需要的刀具列表，生產運行準備系統將統一確定刀具和其他制造資源的配送時間和目標工位。在刀具列表和毛坯列表中，一般只有制造資源的參數信息，還不能完全確認配送的具體制造資源個體，一般需要人員干預，在眾多系統推薦的可選資源中進行最終確認。生產準備運行系統將需要上傳到各個加工設備的NC程序順序表和經過確認的制造資源的配送清單發送到現場控制采集系統。現場控制采集系統將接收這些信息，通過DNC 模塊控制NC 程序的傳輸及物料自動配送系統的運行。此外，現場控制采集系統還將采集生產現場狀態信息反饋給生產現場管理系統，作為生產統計和設備效率測評的基礎數據，集成示意圖。
圖3 制造數據準備系統集成接口
文章背景課題采用的是基于嵌入式系統的網絡化DNC系統，用單一的網絡化DNC系統服務器與可直接嵌入現場制造設備的嵌入式系統模塊取代了眾多分置于現場的加工工作站，構成了結構簡捷﹑線路清晰的網絡化現場制造系統。現場所有設備包括數控機床、配送車等，都統一分配IP地址，作為標準的網絡資源進行管理，成功實現了生產準備運行系統和現場控制采集系統的緊密集成。
現場狀態信息分為2類，一類與設備緊密相關，可以通過DNC系統自動采集，如設備開關機信息、故障信息等；另外一類需要通過其他信息系統或數據終端人工輸入，包括在制零件信息、在崗人員信息和人員上崗時間等。背景課題采用的基于嵌入式系統的網絡化DNC系統的現場信息采集系統結構，通過采用條碼、IC卡、磁卡、RF-IC卡等技術方法將嵌入式系統與信息采集技術成功融合。
圖4 車間計劃管理系統與制造數據準備系統、現場生產管理系統的總體集成思路
信息系統集成技術與方法
隨著軟件技術的突飛猛進，系統集成技術也得到了極快的發展，在數據層、應用層、表示層和服務層等都有大量技術可供選擇，集成模式也有點到點系統集成、企業應用集成（EntERPrise Application Integration，EAI）等，近來基于面向服務架構（Service Oriented Architecture，簡稱SOA）的系統集成模式，也得到了多方關注。下邊分別介紹幾種在數字化制造軟件系統集成中常見的軟件集成技術。
（1）面向數據庫訪問層的集成技術。數據庫訪問層集成是2個系統間在數據庫訪問層進行數據交換的集成方法。該方法接口性能穩定、數據交換實時性強、可跨系統平臺等特點，適用于后臺批量數據交換。隨著數據庫技術的不斷發展，數據庫訪問層的數據交換的手段也日益豐富，目前可以實現不同操作系統平臺下的異地數據庫間的數據實時互訪或基于任務計劃的定期數據同步。同時配合使用存儲過程及XML技術也可以實現異構數據庫間的數據傳遞。
雖然數據庫訪問層的數據集成方法，不論在穩定性指標、系統實時性及跨平臺訪問能力方面均有良好的表現，但由于完成數據庫訪問層的數據集成需要接口開發人員對雙方系統與接口部分數據結構有深入的了解，所以在具體項目實施過程中具有一定的局限性。
（2）面向應用層方法調用的集成技術。
該系統集成技術主要體現在大型商業系統二次開發上，這些系統會提供一個系統集成開發工具包，通過對工具包中提供的類和函數的調用，可以訪問系統數據和業務流程。這些集成開發工具包，一般會基于某種主流中間件技術平臺給出，主要有Sun的J2EE、Microsoft的DNA 2000、OMG的CORBA等。但集成深度和廣度受廠商提供的開發工具包的功能開放程度限制。
（3）面向頁面表示層的集成技術。
面向頁面表示層的集成方式應用范圍比較窄，主要用于B/S系統結構中，一般待集成系統會提供一個集成接口，只要集成雙方提供的功能名稱和頁面地址符合特定的規則，就可以實現頁面的相互訪問。這種集成方式只能進行功能拼湊，一般不能進行深度集成。此種集成方式的難點是系統集成后訪問權限的控制。
圖5 生產現場管理系統接口
（4）基于Web Service服務的集成技術。
Web Services是在Internet上進行分布式計算的基本構造塊。開放的標準以及用戶和應用程序之間的通信協議產生了一種新的環境，在這種環境下，Web Services成為應用集成的平臺。應用程序通過使用多個不同來源的Web服務構造而成，不管這些服務到底位于何處或者如何實現，它們都可以相互協同工作。Web Service有以下好處：
●支持多種開發環境和開發語言，使不同開發語言之間進行通信成為可能；
●支持HTTP協議，可以跨域防火墻，實現遠距離傳輸和通信；
●支持可查找性，可以UDDI服務對Web Service進行檢索；
●具有自描述性，多系統之間的接口只需要提供一個接口即可實現；
●大量的Web Service互相交互，可以通過一個中間的代理來實現，這個代理被稱為Web Service Proxy Bus（Web服務代理信息總線），所有的Web Service的調用都通過這個信息總線進行。
（5）基于Portal平臺的集成技術。Portal是近年IT領域的一項重要新技術，它幫助用戶在獲取特定信息時不需要再進入眾多的應用系統，而是通過門戶方便快捷地得到。Portal本身已經由靜態網頁、內容集成、企業運營平臺、應用集成發展到今天完善的Portal。將Portal作為信息集成平臺來實現企業信息應用的整合、集成、增值，已經成為企業信息應用集成的重要基礎框架。Portal技術針對本地應用集成、遠程應用集成、結構化數據集成和非結構化數據集成方面都提供了非常全面的技術支持和解決方案。
（6）基于SOA架構的集成技術。面向服務架構（Service Oriented Architecture，SOA）是分布式計算的一種模式。在這種模式下，軟件功能在網絡上展現為服務的形式，這些服務可以分布于不同的物理地點，可以彼此發現，互相調用，它們之間的耦合是松散的，又是靈活的，可以按照業務需求的變化重新組合。SOA這些特點使其在應用系統集成方面受到廣泛關注。應用SOA架構，可以集成不同操作系統下的、不同數據來源的、不同語言開發的、基于不同框架的信息系統。SOA不僅關注信息交換和流程對接，更進一步關注系統流程的優化，在服務共享、系統安全和系統擴展方面提供了強大的支持。但基于SOA的集成系統運行速度慢，系統開銷大，需要投入大量硬件資源，且系統開發平臺的構建也需要投入大量資金。
結束語
對于一個涉及大量數據和流程的集成信息系統，系統穩定性和數據安全性是需要在技術選擇和系統設計過程中著重考慮的問題。集成信息系統的性能和易用性是系統能否順利推行的一個重要因素。條件允許的情況下，還應該投入一定的時間進行人員培訓，這對系統的推廣應用有非常重要的意義。
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本文標題：航空制造數控車間軟件集成技術
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