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摘要：数字化工厂是智能制造的重点研究方向，是装备制造业数字化转型的重要内容。该文根据军用电子装备企业研制生产特点，聚焦未来智能工厂目标，研究数字化工厂相关技术在军用电子装备制造领域的应用，包括数字化工厂整体架构、制造运营系统功能组成、自动化物流与立体仓库管理和自动化脉动生产线管理。通过这些技术应用，实现关键部件多品种、小批量制造的自动化、柔性化和可视化管理，为智能制造打下良好基础。
关键词：数字化工厂;制造运营系统;自动化;柔性化
中图分类号：TN05;TP278 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2021）07-0146-05
Research on Digital Factory of Military Electronic Equipment Enterprise
PAN Hongwei
（Nanjing Research Institute of Electronics Technology，Nanjing 210039，China）
Abstract：Digital factory is the key research direction of intelligent manufacturing and an important content of digital transformation of equipment manufacturing industry. According to the development and production characteristics of military electronic equipment enterprises，focusing on the goal of future intelligent factory，this paper studies the application of relevant technologies of digital factory in the field of military electronic equipment manufacturing，including the overall architecture of digital factory，the functional composition of manufacturing operation system，automatic logistics，three-dimensional warehouse management and automatic pulsating production line management. Through the application of these technologies，the automation，flexibility and visual management of multi variety and small batch manufacturing of key components are realized，which lays a good foundation for intelligent manufacturing.
Keywords：digital factory;manufacturing operation system;automation;flexibility
收稿日期：2021-02-12
0 引 言
制造業是其他产业的基础，对国家的经济发展和综合国力提升至关重要，在21世纪全球化竞争环境中，制造业是大国竞争的制高点，直接决定国家兴衰成败。为了缩短产品研制生产周期，同时应对产品制造复杂性和不确定性日益增加的形势，数字化工厂（Digital Factory）概念应运而生。数字化工厂技术由德国为代表的西方国家在1999年首次提出[1]，并在欧美日等西方发达国家得到快速响应和发展[2，3]。2013年，德国在汉诺威工业博览会上首次提出“工业4.0”战略后，我国多个行业协会和多家企业也开启了数字化工厂技术研究，近几年在国家主导下，取得了一系列成果和形成了若干示范数字化工厂[4]，如中航工业的总装数字化工厂、华为智能手机数字化工厂等。
数字化工厂既是产品全生命周期的重要环节，也是企业价值链的重要组成部分，它是连接项目管理、设计、工艺、设备与操作人员的桥梁。它集成各生产要素，协同各专业和环节，可以降低产品制造的不确定性，同时工厂规划与布局可以对固定资产投资的成本及风险进行事前分析、预警与控制[2]。主要数字化工厂技术包括虚拟制造、高级作业排程、物联网、大数据、云计算、自动化生产线、智能物流等技术[3]。当前数字化工厂在国内外的应用主要集中在批量离散制造行业，包括汽车总装生产线、通信设备装配线等[5]。本文对多品种、小批量的军工电子装备行业的数字化工厂进行应用性研究，运用数字化和自动化技术改造传统制造模式。
1 军用电子装备制造数字化工厂
目前，基于产品全生命周期流程，工业界聚集客户、供应商、合作伙伴和服务商等相关方，形成了完整产品价值链的敏捷性组织管理网络。狭义数字化工厂以自动化、柔性化生产线为中心，集成制造资源、工艺、生产作业和硬件设备，将数字化产品定义、工艺和制造等模型数据贯穿产品实现全过程，实现制造企业全链条信息化管理。
与传统离散制造业相比，军工电子装备制造行业的产品组成和工艺复杂，具有新技术多、品种多、批量小、技术状态不确定等特点，这就造成管理难度大大增加。本文根据军工电子装备制造行业特点，重点研究与实践以制造为中心的狭义数字化工厂。 军工电子装备制造主要涉及计划、工艺执行管理和设备运行等职能，分别对应PLM（含精益设计平台）、ERP、MOM和自动化产线等数字化管理平台。他们之间逻辑关系如图1所示。
2 制造运营系统
2.1 制造运营系统主要功能
制造运营系统（Manufacturing Operations Management，MOM）是数字化工厂的核心管理平台，启动承上启下的作用，向上接收ERP生产指令和PLM设计与工艺模型和数据，向下控制物流系统和生产线。在车间资源约束下，MOM根据ERP下达的生产计划和物料配套计划进行车间作业排程，形成作业计划并派工到班组、设备或产线，同时读取PLM设计模型，获取工艺规程、检验规程和物料配套表等。MOM通过与班组、仓储、物流和产线等资源无缝集成，对生产现场实施集成管控，同步采集并管理现场数据和质量数据等，通过对制造大数据统计与分析，动态显示制造状态，实现数字化工厂可视、智能管理。
MOM系统主要由基础数据管理、工艺规程管理、作业计划与调度、物料与配送管理、生产线管理、现场管理、可视化看板和统计分析等功能组成，如图2所示。
2.2 MOM运行组织方式
MOM在产品中的应用场景，首先编制工艺规程、设定生产线、作业计划排程与派工等步骤，其次进行物料齐套与配送及现场作业，最后对制造数据、质量数据和物流数据进行统计与分析，实时动态显示生产状态。MOM运行流程的主要功能及角色如图3所示。
3 电子装备自动化生产
3.1 自动化仓储与物流系统
军用电子装备元器件品种多、配套难度大，为保证电子装备的高效高质量制造，物资要求齐套效率高、配送速度快和差错率低，因此需要建设自动化仓储与物流系统。它由立体库、缓冲库和传送线组成，库与库、库与车间工位之间通过堆垛机和穿梭车等自动化设备进行物料流转与配送。仓储与物流系统设备如图4所示。
物料周转以通用料箱或专用工装作为载体，工位间使用专用工装周转半成品，入库存储物料则使用通用料箱存放与配送。
3.2 自动化流水线生产
电子装备制造采用推拉结合的脉动流水生产方式，生产节奏由瓶颈工序节拍控制，给产品工艺规程设计、MBOM（制造物料清单）和工序合并与分批提出了挑战。
MOM中根据生产订单需求和制造现场状态，结合资源能力负荷情况，自动计算装配节拍，首先，确定制件进入制造工位的开始时间与完工时间差为该工序的单次节拍;然后，根据制件令号、图号、批号、生产线和时间区间等参数算出工序平均节拍。工艺人员根据制造对象工艺特点，参照工序的节拍，对工艺路线和工艺方法进行优化，形成优化后的MBOM。对于电子装备中筛选、三防和拷机等特殊工序，通过立体库或缓冲库进行中转。
3.3 自动化装配与焊接生产线
为提高装备生产质量与效率，降低人力资源投入，将传统手工制造工藝改进成数控设备或自动化生产线，优化装配焊接工艺，结合数字化设备或生产线需求，规划、设计和应用系列化、模块化和组合化工装，实现基于工艺全流程的自动化与敏捷化制造，如图5所示。通过制造自动化和可视化，大幅缩减生产加工人员数量，同时提高制造柔性、质量和效率。
自动化流水线对内实现装配自动化，对外与MOM系统和物流系统集成，通过MOM平台驱动物流及生产线，实现物料配套、配送与转工全流程自动化，进而实现ERP生产订单下发和制造任务的一体化集成管控。自动化生产线与MOM的业务流、数据流和控制流的集成信息化流程如图6所示。
MOM与生产线管理系统通过制造数据仓库进行数据集成，采用任务接口单下达制造任务和反馈执行状态，通过标准料箱和取料信息两种接口实现生产线物料需求与仓储物流系统集成。MOM驱动物料配送系统，实现生产任务的多工位综合调度配料和单工位自动化配料。
4 电子装备工厂的信息化管理
4.1 MBOM及质量追踪
EBOM（Engineering BOM）是工程物料清单，只描述了产品组成，缺少工艺和制造信息。为实现数字化环境下的物料自动化管理，在工艺规程设计时，根据现场生产线特点，对EBOM进行变形设计，转换成PBOM（Process BOM），再转换成MBOM（Manufacturing BOM），即按装配工艺路线定义物料组成，生成工序级配套表，同时依据物料形状、尺寸大小和特殊要求（如防静电等）优化物料组箱策略。
基于工序/工位的物料配套单，记录加工/装配过程的质量信息和异常事件，确保产品全过程质量可追溯，装配制件中关键元器件的质量数据管理流程如图7所示。在设计环节，产品负责人识别关键元器件，工艺师在MBOM中标识关键元器件;在生产环节，关键元器件在物料配套组箱时，物料配送人员对批次信息初始化，作业人员在工位物料接收并实施装配，记录物料批次装入信息;上述批次信息记录通过MBOM进行整合与结构化显示，实现产品质量可追溯。
在物料配套环节，依据MBOM及物料组箱策略，将物料按工序/工位的配套单进行组箱，并将料箱存放到库房中。根据制造作业计划节点要求，物料自动配送到对应工位，大大提高多品种、小批量的物流效率。
4.2 产品三维工艺
三维设计可模拟和优化装备制造过程，提前发现设计差错和制造风险，大幅减少制造过程中的设计更改，缩短产品生产周期、降低质量损失。在产品三维结构模型基础上，进行工艺规划与设计、模型拆解与工艺过程仿真，释放结构装配干涉和接口差错，运用三维动画形式，制作工艺全流程指导书，提高操作人员对新任务的消化和理解效率，如图8所示。
4.3 制造可视化管理 制造可视化是数字化管理的重要组成部分，包括虚拟样机技术、三维轻量化显示技术、设备调度监控技术和执行看板等方面，显著提高设计、制造和管理效率。制造可视化生产看板如图9所示。
5 结 论
数字化工厂是智能制造的基础，是一项新兴生产组织方式。数字化工厂在电子装备制造企业的应用，促进装备制造的产能提升、计划精细化管理、成本控制、质量全过程管控和管理持续改进，发展前景非常广阔。笔者后续将继续研究脉动生产线、高级作业排程、生产统计过程控制（SPC）等技术，进一步推动电子装备制造的数字化和信息化水平，推动企业信息化转型工作，为企业高质量发展助力。
参考文献：
[1] ROOKS B. Digital Factory Arrives at CIM’98 [J].Assembly Automation，1999，19（2）：109-113.
[2] Z?H M F，PATRON C，FUSCH T. Die Digitale Fabrik [J].Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb，2003，98（3）：75-77.
[3] MATSUDA M，KASHIWASE K，SUDO Y. Agent Oriented Construction of a Digital Factory for Validation of a Production Scenario [J].Procedia CIRP，2012（3）：115-120.
[4] SHAN L，WANG Y E，CHEN B，et al. Study on Modeling and Simulation of Digital Factory Technology in Complex Production Development [J].Advanced Materials Research，2012（1518）：2383-2389.
[5] 洪云.基于用戶驱动的广州汽车产业数字化转型研究 [J].现代信息科技，2020，4（3）：135-137.
作者简介：潘红伟（1978.04—），男，汉族，江苏南京人，工程师，本科，研究方向：军工科研生产管理。
关键词：数字化工厂;制造运营系统;自动化;柔性化
中图分类号：TN05;TP278 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2021）07-0146-05
Research on Digital Factory of Military Electronic Equipment Enterprise
PAN Hongwei
（Nanjing Research Institute of Electronics Technology，Nanjing 210039，China）
Abstract：Digital factory is the key research direction of intelligent manufacturing and an important content of digital transformation of equipment manufacturing industry. According to the development and production characteristics of military electronic equipment enterprises，focusing on the goal of future intelligent factory，this paper studies the application of relevant technologies of digital factory in the field of military electronic equipment manufacturing，including the overall architecture of digital factory，the functional composition of manufacturing operation system，automatic logistics，three-dimensional warehouse management and automatic pulsating production line management. Through the application of these technologies，the automation，flexibility and visual management of multi variety and small batch manufacturing of key components are realized，which lays a good foundation for intelligent manufacturing.
Keywords：digital factory;manufacturing operation system;automation;flexibility
收稿日期：2021-02-12
0 引 言
制造業是其他产业的基础，对国家的经济发展和综合国力提升至关重要，在21世纪全球化竞争环境中，制造业是大国竞争的制高点，直接决定国家兴衰成败。为了缩短产品研制生产周期，同时应对产品制造复杂性和不确定性日益增加的形势，数字化工厂（Digital Factory）概念应运而生。数字化工厂技术由德国为代表的西方国家在1999年首次提出[1]，并在欧美日等西方发达国家得到快速响应和发展[2，3]。2013年，德国在汉诺威工业博览会上首次提出“工业4.0”战略后，我国多个行业协会和多家企业也开启了数字化工厂技术研究，近几年在国家主导下，取得了一系列成果和形成了若干示范数字化工厂[4]，如中航工业的总装数字化工厂、华为智能手机数字化工厂等。
数字化工厂既是产品全生命周期的重要环节，也是企业价值链的重要组成部分，它是连接项目管理、设计、工艺、设备与操作人员的桥梁。它集成各生产要素，协同各专业和环节，可以降低产品制造的不确定性，同时工厂规划与布局可以对固定资产投资的成本及风险进行事前分析、预警与控制[2]。主要数字化工厂技术包括虚拟制造、高级作业排程、物联网、大数据、云计算、自动化生产线、智能物流等技术[3]。当前数字化工厂在国内外的应用主要集中在批量离散制造行业，包括汽车总装生产线、通信设备装配线等[5]。本文对多品种、小批量的军工电子装备行业的数字化工厂进行应用性研究，运用数字化和自动化技术改造传统制造模式。
1 军用电子装备制造数字化工厂
目前，基于产品全生命周期流程，工业界聚集客户、供应商、合作伙伴和服务商等相关方，形成了完整产品价值链的敏捷性组织管理网络。狭义数字化工厂以自动化、柔性化生产线为中心，集成制造资源、工艺、生产作业和硬件设备，将数字化产品定义、工艺和制造等模型数据贯穿产品实现全过程，实现制造企业全链条信息化管理。
与传统离散制造业相比，军工电子装备制造行业的产品组成和工艺复杂，具有新技术多、品种多、批量小、技术状态不确定等特点，这就造成管理难度大大增加。本文根据军工电子装备制造行业特点，重点研究与实践以制造为中心的狭义数字化工厂。 军工电子装备制造主要涉及计划、工艺执行管理和设备运行等职能，分别对应PLM（含精益设计平台）、ERP、MOM和自动化产线等数字化管理平台。他们之间逻辑关系如图1所示。
2 制造运营系统
2.1 制造运营系统主要功能
制造运营系统（Manufacturing Operations Management，MOM）是数字化工厂的核心管理平台，启动承上启下的作用，向上接收ERP生产指令和PLM设计与工艺模型和数据，向下控制物流系统和生产线。在车间资源约束下，MOM根据ERP下达的生产计划和物料配套计划进行车间作业排程，形成作业计划并派工到班组、设备或产线，同时读取PLM设计模型，获取工艺规程、检验规程和物料配套表等。MOM通过与班组、仓储、物流和产线等资源无缝集成，对生产现场实施集成管控，同步采集并管理现场数据和质量数据等，通过对制造大数据统计与分析，动态显示制造状态，实现数字化工厂可视、智能管理。
MOM系统主要由基础数据管理、工艺规程管理、作业计划与调度、物料与配送管理、生产线管理、现场管理、可视化看板和统计分析等功能组成，如图2所示。
2.2 MOM运行组织方式
MOM在产品中的应用场景，首先编制工艺规程、设定生产线、作业计划排程与派工等步骤，其次进行物料齐套与配送及现场作业，最后对制造数据、质量数据和物流数据进行统计与分析，实时动态显示生产状态。MOM运行流程的主要功能及角色如图3所示。
3 电子装备自动化生产
3.1 自动化仓储与物流系统
军用电子装备元器件品种多、配套难度大，为保证电子装备的高效高质量制造，物资要求齐套效率高、配送速度快和差错率低，因此需要建设自动化仓储与物流系统。它由立体库、缓冲库和传送线组成，库与库、库与车间工位之间通过堆垛机和穿梭车等自动化设备进行物料流转与配送。仓储与物流系统设备如图4所示。
物料周转以通用料箱或专用工装作为载体，工位间使用专用工装周转半成品，入库存储物料则使用通用料箱存放与配送。
3.2 自动化流水线生产
电子装备制造采用推拉结合的脉动流水生产方式，生产节奏由瓶颈工序节拍控制，给产品工艺规程设计、MBOM（制造物料清单）和工序合并与分批提出了挑战。
MOM中根据生产订单需求和制造现场状态，结合资源能力负荷情况，自动计算装配节拍，首先，确定制件进入制造工位的开始时间与完工时间差为该工序的单次节拍;然后，根据制件令号、图号、批号、生产线和时间区间等参数算出工序平均节拍。工艺人员根据制造对象工艺特点，参照工序的节拍，对工艺路线和工艺方法进行优化，形成优化后的MBOM。对于电子装备中筛选、三防和拷机等特殊工序，通过立体库或缓冲库进行中转。
3.3 自动化装配与焊接生产线
为提高装备生产质量与效率，降低人力资源投入，将传统手工制造工藝改进成数控设备或自动化生产线，优化装配焊接工艺，结合数字化设备或生产线需求，规划、设计和应用系列化、模块化和组合化工装，实现基于工艺全流程的自动化与敏捷化制造，如图5所示。通过制造自动化和可视化，大幅缩减生产加工人员数量，同时提高制造柔性、质量和效率。
自动化流水线对内实现装配自动化，对外与MOM系统和物流系统集成，通过MOM平台驱动物流及生产线，实现物料配套、配送与转工全流程自动化，进而实现ERP生产订单下发和制造任务的一体化集成管控。自动化生产线与MOM的业务流、数据流和控制流的集成信息化流程如图6所示。
MOM与生产线管理系统通过制造数据仓库进行数据集成，采用任务接口单下达制造任务和反馈执行状态，通过标准料箱和取料信息两种接口实现生产线物料需求与仓储物流系统集成。MOM驱动物料配送系统，实现生产任务的多工位综合调度配料和单工位自动化配料。
4 电子装备工厂的信息化管理
4.1 MBOM及质量追踪
EBOM（Engineering BOM）是工程物料清单，只描述了产品组成，缺少工艺和制造信息。为实现数字化环境下的物料自动化管理，在工艺规程设计时，根据现场生产线特点，对EBOM进行变形设计，转换成PBOM（Process BOM），再转换成MBOM（Manufacturing BOM），即按装配工艺路线定义物料组成，生成工序级配套表，同时依据物料形状、尺寸大小和特殊要求（如防静电等）优化物料组箱策略。
基于工序/工位的物料配套单，记录加工/装配过程的质量信息和异常事件，确保产品全过程质量可追溯，装配制件中关键元器件的质量数据管理流程如图7所示。在设计环节，产品负责人识别关键元器件，工艺师在MBOM中标识关键元器件;在生产环节，关键元器件在物料配套组箱时，物料配送人员对批次信息初始化，作业人员在工位物料接收并实施装配，记录物料批次装入信息;上述批次信息记录通过MBOM进行整合与结构化显示，实现产品质量可追溯。
在物料配套环节，依据MBOM及物料组箱策略，将物料按工序/工位的配套单进行组箱，并将料箱存放到库房中。根据制造作业计划节点要求，物料自动配送到对应工位，大大提高多品种、小批量的物流效率。
4.2 产品三维工艺
三维设计可模拟和优化装备制造过程，提前发现设计差错和制造风险，大幅减少制造过程中的设计更改，缩短产品生产周期、降低质量损失。在产品三维结构模型基础上，进行工艺规划与设计、模型拆解与工艺过程仿真，释放结构装配干涉和接口差错，运用三维动画形式，制作工艺全流程指导书，提高操作人员对新任务的消化和理解效率，如图8所示。
4.3 制造可视化管理 制造可视化是数字化管理的重要组成部分，包括虚拟样机技术、三维轻量化显示技术、设备调度监控技术和执行看板等方面，显著提高设计、制造和管理效率。制造可视化生产看板如图9所示。
5 结 论
数字化工厂是智能制造的基础，是一项新兴生产组织方式。数字化工厂在电子装备制造企业的应用，促进装备制造的产能提升、计划精细化管理、成本控制、质量全过程管控和管理持续改进，发展前景非常广阔。笔者后续将继续研究脉动生产线、高级作业排程、生产统计过程控制（SPC）等技术，进一步推动电子装备制造的数字化和信息化水平，推动企业信息化转型工作，为企业高质量发展助力。
参考文献：
[1] ROOKS B. Digital Factory Arrives at CIM’98 [J].Assembly Automation，1999，19（2）：109-113.
[2] Z?H M F，PATRON C，FUSCH T. Die Digitale Fabrik [J].Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb，2003，98（3）：75-77.
[3] MATSUDA M，KASHIWASE K，SUDO Y. Agent Oriented Construction of a Digital Factory for Validation of a Production Scenario [J].Procedia CIRP，2012（3）：115-120.
[4] SHAN L，WANG Y E，CHEN B，et al. Study on Modeling and Simulation of Digital Factory Technology in Complex Production Development [J].Advanced Materials Research，2012（1518）：2383-2389.
[5] 洪云.基于用戶驱动的广州汽车产业数字化转型研究 [J].现代信息科技，2020，4（3）：135-137.
作者简介：潘红伟（1978.04—），男，汉族，江苏南京人，工程师，本科，研究方向：军工科研生产管理。