基于MES的車間三維輕量可視化工藝指導系統

李 冬，彭 慧，姜麗蘋

LI Dong1,2,PENG Hui1,JIANG Li-ping1

(1. 中國科學院 沈陽自動化研究所，沈陽 110016；2. 中國科學院大學，北京 100049)

0 引言

近年來，隨著制造企業信息化的不斷深入，很多企業實現了從產品設計到工藝規劃的全三維化。然而指導車間生產的工藝文件依然停留在二維工藝階段，導致了產品從設計到生產的脫節，需要重復錄入數據，二維工藝文件表現力弱等諸多不便。因此，三維工藝直接指導車間生產將是未來發展的趨勢。

目前一些企業嘗試著運用三維可視化系統來指導車間的生產，但是主要存在以下一些問題：

1）成本昂貴。現有的三維可視化系統通常將三維建模軟件直接部署在車間現場。三維建模軟件對硬件平臺的要求很高而且本身價格昂貴，帶來很大的成本壓力，一般的中小企業很難承受。

2）CAD格式不統一。一些企業由于歷史原因導致使用多種三維CAD設計軟件或需要加工其他企業設計的產品，此時將不同的三維設計軟件均直接部署在車間現場已變得不現實，所以需要一種支持不同三維CAD格式的文件格式來實現三維建模軟件的無關聯性。

3）工藝資源與車間的生產任務脫節。當前系統工藝資源與任務規劃相互獨立，不能有效的集成，工人需要根據當前任務去查詢相應的工藝資源，由于很多企業生產種類多，批量少，很多工藝資源差別不大，很容易導致錯查，漏查，加重了車間加工人員的責任和負擔。

本文提出了基于MES的三維輕量可視化工藝指導系統，在提高車間管理自動化水平的基礎上有效的降低系統應用成本。

1 三維模型輕量化技術

本文提出使用輕量化模型作為三維設計信息的展示載體，來實現文件輕量化及三維建模軟件的無關聯性。

圖1 CAD模型到輕量化

輕量化模型通過將CAD模型的幾何信息、參數信息、產品制造信息、裝配信息、零部件屬性信息等進行提取，用壓縮算法對非結構化的幾何信息進行處理，同時對結構化的標注信息、屬性信息、裝配信息等進行簡化提取，得到體積小、效率高、方便展示的輕量化模型（如圖1 所示）。

目前已經有很多成熟的輕量化模型標準，例如達索公司的3Dxm1，eDrawing，Adob1e的U3D等。本文中選用eDrawing作為統一的輕量化格式。

eDrawings不僅是一種極度壓縮的、自行解壓和瀏覽的特殊文件，而且支持通用的CAD格式，通過安裝特定的插件可以直接從UG,So1id Edge，Inventor,AutoCAD ,CATIA ,Pro/ENGINEER 等發布eDrawings，經發布后可在車間終端流暢的瀏覽并對三維模型進行在線測量或剖切等查看操作（如圖2所示）。

圖2 輕量化模型的使用

通過使用輕量化模型代替原始的三維模型統一了異構的CAD模型，有效地降低了數據量，提高了系統的響應速度。同時輕量化模型的瀏覽對硬件要求不高，在車間通過較低配置的終端便可以方便的對輕量化的模型進行查看，有效的降低了企業的成本負擔。

2 基于MES系統的功能分析

MES（制造執行系統）是位于產品設計與底層工業控制之間的，面向車間層的管理信息系統。為操作人員和管理人員提供計劃的執行，跟蹤以及其他資源（人、設備、物料、客戶需求等方面）當前狀態的信息。基于MES系統的三維可視化技術可以更好的發揮自身的作用，利用MES對生產任務的規劃可以準確的將工藝資源發布到相關設備上。同時通過車間可視化終端可以實時跟蹤生產任務的完成情況，并對生產過程進行控制以及糾正，增強MES系統對生產的控制能力。

基于MES的三維可視化技術不僅僅是產品的3D模型的展示，更重要的是將產品生產過程中涉及到的全部數據信息完整的與生產控制過程進行結合，從而嚴格控制生產過程的運行。其中主要包含以下三個主要內容：基于MES生成的生產任務規劃可以完成車間生產任務、工藝資源的發布以及生產任務完成情況的實時跟蹤等。

1）基于MES生產任務的自動發布。系統可以將MES規劃好的具體的生產任務下達的具體的工位或員工，替代原有的車間任務發布模式，提高車間管理的智能化，簡化管理流程。

2）基于MES生產工藝的自動發布。通過系統終端，可以將與生產任務對應的工藝資源下放到對應的員工或設備上。通過這種模型來替代原有的紙質工藝卡片或圖紙的下放方式，減輕車間對工藝資源的管理負擔，解決了由于設計更改帶來的數據不一致問題。

三維可視化指導的生產工藝并不僅包括經過輕量化處理的3D模型的展示，還包括數字化三維工藝卡片，工藝仿真視頻，以及物料清單等文件（如圖3所示）。

圖3 車間工藝指導內容

3）基于MES生產任務的跟蹤。系統需要對工位完成任務的情況進行實時跟蹤，并通過終端的反饋記錄維護任務完成進度；同時對已完成的任務進行歸檔，為MES系統進行質量回溯，生產分析統計提供依據。

另外三維可視化系統還可以作為MES系統在車間的一個延伸，完成在線審核，物料確定等功能，完善MES對車間生產動態的追蹤監控。

基于MES的可視化數據管理可以完成生產任務、三維輕量化工藝資源的自動化發布，從而快速，準確的指導生產，改變了傳統生產任務以及工藝資源的下放模式，簡化了車間管理流程，提高了車間對新產品新工藝反應的敏捷性。

3 系統架構及實施

3.1 系統信息流圖

如果企業有完善的PDM或PLM系統，可以直接從PDM或PLM系統中提取出對應的三維工藝資源。但如果企業產品數據管理平臺不完善或者沒有，系統可以從三維CAD中提取出統一的三維輕量化模型，從三維CAPP中提取三維數字化工藝卡片，工藝仿真視頻以及BOM信息。通過對這些資源進行整合綁定，存入系統維護的工藝資源庫中。最終基于MES平臺完成工藝媒體庫的管理，維護，根據需要將相應的工藝資源發送到對應的設備終端上（如圖4所示）。

圖4 系統的信息流圖

3.2 系統架構

三維工藝設計系統采用C/S結構，由UI 層、業務邏輯層、數據庫層三部分組成（如圖5所示）。

系統用戶訪問層是 UI 層，即統一用戶界面層。包括不同的用戶角色如工藝員、車間技術人員，車間工人，車間檢驗人員等。不同的人員有不同的權限和職責，主要包括工藝上傳，工藝更改，工藝查看以及質量監督等模塊，是進行可視化指導的最直接界面。

系統的中間層是業務邏輯層。該層主要包括系統應用組件與系統核心組件、自定義開發組件等幾個部分。系統應用組件主要根據業務需求進行數據和邏輯運算，比如：實現工藝規程的編制、審批、歸檔、更改、管理。系統核心組件包括對象的定制、用戶的管理、產品生產過程的回溯、系統權限的控制、業務流程的審批及集成接口。通過業務邏輯層可以根據車間需要靈活地增加新功能，提高了系統的可擴展性。

圖5 系統架構圖

系統底層是數據庫層，包括工藝數據庫、設備數據庫、實時任務數據庫。其中工藝數據庫負責維護當前的工藝資源，設備數據庫維護當前可用的設備資源，實時任務數據庫維護當前進行的作業集合，及其完成情況。通過這些數據庫為業務邏輯層提供統一數據接口，底層數據庫是系統與MES實現集成的數據紐帶，通過對底層數據庫的共享保證了可視化系統與MES系統數據的一致性。

圖6 系統工藝指導界面

3.3 系統實施及應用

三維可視化系統的設計，采用C#開發語言，基于VS2010開發工具，綜合應用XML， Linq，WPF等技術，底層數據庫采用Sq1 Sever2008。目前該系統的原型已經開發成功，正在某工廠進行現場調試（如圖6所示為車間終端指導生產的發動機輕量化模型）。可以預見，該系統將徹底的改變原有車間的工作方式，簡化車間管理流程，提高車間對新產品的反應能力。

4 結束語

制造業的信息化，智能化將是未來的發展趨勢。文中提出的基于MES的三維輕量化可視化系統應用三維輕量化技術有效地降低了系統的實施成本，通過與MES系統的集成完成了車間的三維輕量化工藝指導，改變了車間傳統工作方式，在提高了車間指導的生動性、準確性的同時簡化了車間管理流程，提高了車間生產的自動化，智能化，有效地增強了車間生產的敏捷性。

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