0 引言

    重型機床是高端裝備的重要組成部分，是振興裝備制造的重點之一，廣泛應(yīng)用于能源、交通、船舶、工程機械、冶金、航空航天、軍工等重點行業(yè)和領(lǐng)域。重型機床種類多、數(shù)量多、生命周期長、階段復雜：機床數(shù)據(jù)包括設(shè)計、制造、運行環(huán)境、狀態(tài)、使用等數(shù)據(jù)；機床數(shù)據(jù)在生命周期各階段不斷變化，特別是運行過程和運行環(huán)境。重型機床數(shù)據(jù)數(shù)量大、種類多、動態(tài)性強，具有大數(shù)據(jù)特點_。近年來，我國重型機床行業(yè)在設(shè)計制造能力和產(chǎn)品智能化方面都有長足進步，但是在全生命周期管理方面還有很大不足，如重型機床生命周期數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)利用效率，運行維護管理以及基于數(shù)據(jù)的反饋設(shè)計等。

    通過行業(yè)分析與典型企業(yè)調(diào)研，重型機床業(yè)在設(shè)計、運行、維護維修和大數(shù)據(jù)管理等方面還存在五個方面的顯著需求：(1)管理生命周期數(shù)據(jù)，反饋到設(shè)計端，驗證原始設(shè)計的正確性，并進行優(yōu)化設(shè)計和創(chuàng)新設(shè)計：(2)提取制造過程中的關(guān)鍵要素，形成加工資源庫，為重型機床加工使用提供參考：(3)建立MRO數(shù)據(jù)平臺，分析健康度、診斷故障，實現(xiàn)MRO智能化管理；(4)追蹤和回溯白身信息，實現(xiàn)設(shè)計、制造、使用維護、服務(wù)一體化集成；(5)建立面向重型機床的共性知識服務(wù)體系，整合行業(yè)創(chuàng)新資源，解決重型機床發(fā)展中的共性、關(guān)鍵技術(shù)問題。

    為有效管理重型機床生命周期大數(shù)據(jù)，用生命周期后期階段數(shù)據(jù)反饋于生命周期前期階段，指導重型機床設(shè)計、加工服務(wù)和MRO智能服務(wù)，需要研究與構(gòu)建重型機床閉環(huán)產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng)模型及其關(guān)鍵技術(shù)。

1 智能閉環(huán)PLM模型

    國內(nèi)外的專家學者對閉環(huán)PLM系統(tǒng)做了一些研究，Kiritsis以通訊技術(shù)和智能產(chǎn)品為基礎(chǔ)，提出了相應(yīng)閉環(huán)管理的框架。Matsokis建立了以本體為基礎(chǔ)的支持閉環(huán)PLM的產(chǎn)品數(shù)據(jù)和知識管理語義對象模型。重慶大學的王旭教授對此進行過綜述研究，提出：閉環(huán)PLM是一種有效管理產(chǎn)品生命周期活動的信息化戰(zhàn)略，通過獲取全生命周期內(nèi)與產(chǎn)品相關(guān)的數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)的集成、轉(zhuǎn)化和分享實現(xiàn)全生命周期內(nèi)跨組織問信息流的閉環(huán)管理_。現(xiàn)階段，針對閉環(huán)PLM系統(tǒng)的研究也集中于綜述以及階段性的閉環(huán)系統(tǒng)，沒有建立從產(chǎn)品MRO到產(chǎn)品設(shè)計的大閉環(huán)模型，更沒有相關(guān)的技術(shù)研究，提出實際的企業(yè)應(yīng)用方案。

    結(jié)合重型機床裝備的行業(yè)需求、PLM發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，本文提出一種新型的基于MRO的閉環(huán)PLM系統(tǒng)模型（如圖1所示），實現(xiàn)基于知識的產(chǎn)品全生命周期過程精細化、智能化管控。集成機床全生命周期大數(shù)據(jù)，進行分類管理和使用目標性管理。

圖1 基于MRO的三重閉環(huán)PLM模型

    (1)重型機床運行智能閉環(huán)模型

    針對重型機床運行工況復雜、環(huán)境對產(chǎn)品性能影響大、產(chǎn)品對環(huán)境感知能力差、白適應(yīng)和白調(diào)整能力不足的特點，建立運行智能閉環(huán)。通過有效的反饋機制，機床數(shù)據(jù)反作用于機床運行過程，根據(jù)加工環(huán)境和加工狀態(tài)，進行白調(diào)整和白適應(yīng)，保證設(shè)備和人員安全以及加工精度和加工質(zhì)量，提高重型機床的加工穩(wěn)定性。

    (2)重型機床維護智能閉環(huán)模型

    針對重型機床裝配調(diào)試難度大、故障損失影響大、使用壽命艮、可靠性要求高、故障診斷困難、人工干預能力差、故障預警能力低等特點，建立維護智能閉環(huán)。整理融合機床生命周期各階段數(shù)據(jù)、故障診斷知識和經(jīng)驗以及機床運行數(shù)據(jù)，形成基于知識的MRO服務(wù)體系，進行健康度分析和故障診斷，提供機床維護維修計劃，提高機床運行可靠性及無故障運行時間，延長使用壽命。

    (3)基于MRO的設(shè)計閉環(huán)模型

    重型機床產(chǎn)品設(shè)計階段對運行使用、維護維修及故障分析考慮不足，缺少對原始設(shè)計的驗證和結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進．難以滿足重型機床單臺套定制化設(shè)計、高精度和高可靠性要求；缺少對機床使用階段的工藝設(shè)計和指導，缺乏機床操作使用標準和工藝規(guī)劃參考。針對這一特點，建立基于MR0數(shù)據(jù)反饋的設(shè)計閉環(huán)。機床數(shù)據(jù)反作用于機床設(shè)計，支持機床優(yōu)化和創(chuàng)新，更好地為機床開發(fā)服務(wù)。

2 閉環(huán)PLM系統(tǒng)實現(xiàn)

    為了實現(xiàn)上述基于MRO的重型機床裝備閉環(huán)PLM系統(tǒng)，提出了如圖2所示的面向重型機床裝備的閉環(huán)PLM系統(tǒng)構(gòu)架，包括基礎(chǔ)資源層、數(shù)據(jù)集成層、平臺功能層和產(chǎn)品應(yīng)用層。

圖2 閉環(huán)PLM系統(tǒng)架構(gòu)

    基礎(chǔ)資源層。系統(tǒng)構(gòu)架的最底層，由數(shù)據(jù)采集設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和集成開發(fā)環(huán)境組成。采集機床運行狀態(tài)數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)集成層。提供數(shù)據(jù)和知識支持。運用數(shù)據(jù)處理技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)集成，并采用知識獲取、知識識別等技術(shù)，提取機床的各階段知識并與專家系統(tǒng)有效地整合在一起，形成覆蓋機床全生命周期的知識體系。平臺功能層。將知識數(shù)據(jù)功能化，提供各項服務(wù)功能，包括機床狀態(tài)監(jiān)控、運行環(huán)境監(jiān)控、機床知識服務(wù)、機床設(shè)計反饋、遠程故障診斷、維修維護計劃、維修執(zhí)行監(jiān)控、機床操作指導和加工工藝制定等。產(chǎn)品應(yīng)用層。將閉環(huán)PLM系統(tǒng)付諸實踐的過程，結(jié)合機床共性和不同機床的特性，構(gòu)建不同機床系列的閉環(huán)PLM體系，實現(xiàn)機床全生命周期的數(shù)據(jù)管理以及數(shù)據(jù)反饋，提高運行質(zhì)量和運行穩(wěn)定性，實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計。

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

    3.1系統(tǒng)開發(fā)基礎(chǔ)技術(shù)

    系統(tǒng)開發(fā)的基礎(chǔ)技術(shù)包括數(shù)據(jù)接入與感知技術(shù)、數(shù)據(jù)融合與處理技術(shù)、產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)管理技術(shù)和知識服務(wù)技術(shù)。獲取重型機床生命周期各階段的復雜、動態(tài)以及分散的數(shù)據(jù)：根據(jù)數(shù)據(jù)特性，分析處理后實現(xiàn)統(tǒng)一管理；結(jié)合云計算和云制造的思想，整合機床業(yè)分布的知識資源，將整合后的知識資源發(fā)布出去，提供知識服務(wù)。

    3.2 系統(tǒng)開發(fā)專項技術(shù)

    1.運行智能閉環(huán)關(guān)鍵技術(shù)

    應(yīng)用傳感器和ECU模塊，感知機床所處環(huán)境狀態(tài)和運行狀態(tài)，通過白檢測技術(shù)、白調(diào)整與白適應(yīng)技術(shù)，實現(xiàn)運行閉環(huán)功能。

    重型機床ECU白監(jiān)測技術(shù)。針對實時故障診斷難、安全預警需求強、突發(fā)狀況處理及時性要求高等特點，運用嵌入式ECU系統(tǒng)，實時獲取機床加工狀態(tài)，鑒別機床當前工作狀態(tài)，對非安全狀態(tài)提出預警；對處于突發(fā)異常狀態(tài)的機床采取自處理措施，智能控制機床的啟停狀態(tài)，切換機床的工作模式。

    重型機床ECU白調(diào)整與白適應(yīng)技術(shù)。重型機床的加工性能受到工作環(huán)境、工作狀態(tài)及加工對象的影響較大，通過分析機床所處環(huán)境信息、運行信息、關(guān)鍵零部件壽命信息，形成基于設(shè)備ECU智能控制系統(tǒng)，根據(jù)環(huán)境情況調(diào)整機床參數(shù)。

    2.維護智能閉環(huán)關(guān)鍵技術(shù)

    基于知識的健康狀態(tài)分析與故障診斷技術(shù)。提取設(shè)備狀態(tài)特征，確定狀態(tài)評價標準，評價設(shè)備當前狀態(tài)及健康度，預測其變化和發(fā)展趨勢。及時正確地對異常狀態(tài)或故障狀態(tài)做出預警，診斷出引起狀態(tài)變化的本質(zhì)原因，定位故障位置和失效模型，并提出合理的維修方案。

    基于知識的MR0管理體系與技術(shù)。將MRO各管理模塊結(jié)合起來，形成管理框架，調(diào)用診斷知識數(shù)據(jù)，為MRO決策提供數(shù)據(jù)支持；同時，決策產(chǎn)生的維修數(shù)據(jù)也可以反饋到知識庫，使知識不斷豐富。主要包括MRO需求管理模塊、MRO過程管理模塊、過程優(yōu)化模塊、服務(wù)評價模塊和備品備件管理模塊。

    3.基于MRO反饋的設(shè)計閉環(huán)關(guān)鍵技術(shù)

    從產(chǎn)品設(shè)計和工程設(shè)計兩個方面對重型機床進行優(yōu)化設(shè)計，提高設(shè)計可靠性，同時提高重型復雜機床的無故障運行時間，延長使用壽命。

    基于故障數(shù)據(jù)反饋的d-FMEA產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)，通過對故障數(shù)據(jù)的分析，確定產(chǎn)品故障的類型：由設(shè)計缺陷導致的故障、由產(chǎn)品壽命導致的故障、由顧客誤用所導致的故障，根據(jù)不同的故障類型，采取相應(yīng)的措施，進行設(shè)計改進，避免故障再次發(fā)生。基于運行數(shù)據(jù)反饋的工程設(shè)計技術(shù)，針對運行環(huán)境和機床加工對象的差異性，進行輔助工藝編制和產(chǎn)品加工，提供關(guān)鍵工藝的工程設(shè)計服務(wù)，保證設(shè)備的最佳運行狀態(tài)。

4 結(jié)束語

    隨著重型機床設(shè)備業(yè)的不斷發(fā)展，用戶對于機床的定制化、個性化需求越來越強烈，同時對于機床大數(shù)據(jù)管理、維護維修要求也越來越高，基于MRO的閉環(huán)PLM系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品大數(shù)據(jù)管理，運行狀態(tài)監(jiān)控，提供維護服務(wù)，反饋產(chǎn)品設(shè)計，將越來越受企業(yè)的青睞。本文在深入分析重型機床的行業(yè)大數(shù)據(jù)管理、智能設(shè)計和運行維護需求，行業(yè)發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上，提出基于MR0的重型機床裝備閉環(huán)PLM系統(tǒng)；描述了閉環(huán)PLM理論模型和系統(tǒng)架構(gòu)：然后詳細闡述了實施閉環(huán)PLM系統(tǒng)的基礎(chǔ)技術(shù)和專項技術(shù)。為重型機床生命周期管理提供新的方向，同時也為閉環(huán)PLM系統(tǒng)的開發(fā)實踐提供了詳細的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

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本文標題：基于MRO的重型機床閉環(huán)PLM模型及關(guān)鍵技術(shù)研究

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