面向MES的航天機加車間刀具集成管理系統設計

周 勇，劉金山，陳世英，何 杰

ZHOU Yong, LIU Jin-shan, CHEN Shi-ying, HE Jie

（北京衛星制造廠，北京 100094）

0 引言

刀具是機加車間最重要的生產資源，刀具管理水平直接影響著機床使用率。據統計國內機床平均有效利用率為20%～30%，遠低于國際先進企業機床平均有效利用率為60%～80%[1]。調研發現機床配套刀具不齊套是造成機床空轉等待的重要原因，MES（車間制造執行系統）是車間運轉“指揮”系統，借助MES系統中生產任務來協調、配置刀具資源，對縮短項目周期，降低生產成本具有重要意義。

1 項目背景

航天機加車間大多采用單件、小批量的離散研制方式，加工過程自動化程度較高，數控機床數量占設備總數量的70%～90%，數控機床設備已接近國際先進水平，然而刀具管理水平沒有同步提升，造成了先進設備與落后管理之間的“代差”，先進設備優勢沒有充分發揮。MES系統在部分航天機加車間已應用多年，在任務調度、質量檢測、數據采集方面效果顯著。設計面向MES系統符合航天安全保密要求的刀具集成管理系統，有利于發揮MES系統生產調度和資源配置能力優勢，提升車間刀具全過程管理能力，提高刀具準備效率。

2 系統方案設計

2.1 業務過程分析

車間刀具由物質部門采購下發，分散存放在靠近數控機床加工區的多臺刀具立體庫中，刀具可跨立體庫調撥使用。車間設置刀具管理員負責刀具臺賬管理和刀具維保工作，車間生產準備組人員根據工藝刀具清單和生產計劃提前一個班次進行刀具選配、組裝、測量、出庫，并按配送計劃將準備好的刀具送至機床現場。在加工完成后回收刀具、拆刀入庫。過程涉及庫房管理、刀具準備、刀具配送、刀具日常維保、倉儲設備管理等工作，其業務模型如圖1所示。

圖1 車間刀具業務模型

2.2 系統總體方案

車間刀具集成管理系統以自動化立體庫為倉儲工具，重點從縮短生產準備時間、提升刀具資源配置響應速度、實現信息物流一體化管理的角度進行系統設計。

2.2.1 系統基本框架

系統覆蓋硬件和軟件兩部分，硬件部分包括自動化倉儲設備、刀具標識、維保、配送工具，以及車間數字化看板、電視墻中控室等；軟件部分以刀具信息管理平臺為主，外加車間刀具配套管理制度。組織結構中設庫房管理、刀具配送、日常維保三個業務單元。系統框架如圖2所示。

圖2 車間刀具集成管理系統基本框架

系統對外接收從物資采購部門（即企業ERP系統）下發的刀具資源，以MES系統生產任務為指令輸入，以數控機床為服務目標，安排刀具相關生產準備活動。整個系統重點實施刀具信息標準化，建立刀具檔案生成唯一編碼的刀具標簽，以此作刀具實物跟蹤和信息傳遞依據。

2.2.2 系統流程設計

車間刀具相關業務是建立在車間生產環境的基礎上，通過系統和外圍的數控設備、DNC網絡、MES系統、CAPP系統的集成和通訊，驅動刀具出庫配送響應、滿足車間的一線生產需求。系統流程設計是通過對車間數控加工刀具需求過程分解得到的，MES系統的生產任務觸發了刀具準備計劃，刀具準備計劃驅動了刀具的出庫、組刀、配送業務，刀具的出入庫、組刀、拆卸等應用需求，驅動了刀具立體庫數字化、智能化管理，數控工藝對在庫刀具參數信息準確詳實的查詢要求，驅動了刀具信息管理和刀具維保管理業務。系統總體業務流程如圖3所示。

2.2.3 數字化集成環境

車間刀具集成管理系統需要數字化集成環境支撐。基于企業總線(ESB)，將刀具立體庫系統與工藝系統（CAPP）、MES、DNC、機床監控系統、以及企業ERP集成設計，建立覆蓋刀具應用功能和工藝信息、計劃信息、控制信息、經營信息等相互融合的綜合系統集成環境。在任務派發、刀具選擇、參數傳遞、組刀配送、使用頻次、成本消耗等業務上，實現刀具管理與上下游環節以及車間內部業務的集成。硬件方面以智能立體庫設備為核心，工位設備全網絡覆蓋，配置大屏幕車間看板，動態展示刀具庫存與流轉數據，工位配備條碼槍、讀卡器、瘦客戶終端，提供數據采集工具。

2.2.4 刀具編碼標識方案

車間刀具集成管理系統應用以刀具編碼標識為基礎。刀具編碼由四部分組成：第一至三部分為主碼，第四部分為輔碼。主碼采用剛性編碼系統，即位數一定，輔碼采用柔性編碼方式[2]。

表1 編碼形式

a：類別代碼(一位)：D是刀具，F是非標準刀具；

b：大類代碼(兩位)：

刀具(D)：01(銑刀)、02(車刀) … 06(鉆頭)…；

量具(L)：01(螺紋塞規)、02(螺紋環規)…；

非標刀具(F)：01(銑刀)、02(車刀)、…06(鉆頭)…；

c：小類代碼(兩位)：10，11，12，…。小類代碼是對大類的進一步細分；如D01(銑刀)類中，10為直柄立銑刀，11為錐柄立銑刀；L01(螺紋塞規)類中，lO為普通螺紋塞規，11為新國標螺紋塞規…

d：輔碼(多位)：以刀具參數為輔碼，以一位參數個數識別位標識參數數目，最多用3個參數唯一標識一種規格。

刀具標識通常采用激光標刻、條碼、RFID等方式，航天機加車間由于安全保密的特殊要求刀具標識采用前兩種方式，刀具標識條碼適合采用PDF417二維條形碼，該條碼是目前應用最廣泛的二維條碼之一，具有多層、可變長、高數據容量和錯誤糾正能力的優點，已被包括多個國家及國際標準化機構采納[3]。刀具物理標識上除文字標注刀具編碼和主要屬性參數外，將信息按預定規則處理，圖形化存入二維條形碼中，以便后續通過條碼槍掃描跨系統快速準確錄入數據。刀具物理條碼上除了包括二維條形碼外，還包括刀具編碼、名稱、型號、廠商等參數信息。樣式實例如圖4所示。

圖4 車間刀具條碼設計樣例

3 系統軟件設計

3.1 軟件體系架構

車間刀具集成管理系統軟件框架分為五層，包括設備層、控制層、數據層、業務層、展示層五部分，其框架如圖5所示，設備層和控制層主要對以智能立體庫設備為主的硬件資源進行自動化控制和安全接入；數據層和業務層以刀具編碼標識和刀具工藝卡為基礎進行刀具庫管、維保、生產準備、配送；展示層用于刀具信息共享，實現刀具資源的平衡調度。

圖5 車間刀具立體庫軟件系統架構

3.2 系統功能設計

車間刀具集成管理系統軟件包括刀具管理子系統和立體庫控制子系統兩部分。前者采用B/S架構通過企業內網向生產一線提供刀具業務服務，后者運行于庫房直連立體庫設備的計算機上，系統之間通過共享數據庫中間表方式進行數據傳遞和交換。

3.2.1 刀具管理子系統模塊設計

1）參數設置模塊：參數設置模塊提供了刀具標準化所需的刀具屬性及管理參數的設置，如刀具型號、規格、廠商、圖片、裝卡配件、組配要求、編號、二維碼、復驗周期、最低庫存等，通過刀具分類樹組織參數信息，生成刀具檔案。

2）庫房管理模塊：該模塊提供了刀具出入庫管理、庫房管理、配送管理和修磨維保四項功能，以“刀具編碼”和“生產計劃號”為線索，在出入庫、配送、維修、裝車、回收、盤庫、報廢各環節通過條碼掃描方式，跟蹤刀具物流追蹤和生產資源的動態協同。

3）配送調度管理模塊：本模塊提供刀具配送與調度功能。配送功能分兩步執行，首先根據數控工藝刀具卡在MES系統發起刀具配送申請，觸發配送調度管理模塊生成配送任務，配送人員查詢庫存挑選刀具，生成刀具出庫清單，執行刀具批量出庫和組刀，完成之后將預配送刀具置于“就緒”狀態；其次由系統根據“配送目標機床”、“配送到達時間”，采用預制的配送策略生成配送方案，調度確認配送方案后下發給配送工人裝車執行配送，同時定時收回現場空閑刀具。

4）刀具維保檢測模塊：本模塊包括刀具修磨管理、檢定管理、處置管理三個功能。修磨管理用于處理刀具日常維修、刃磨、改制業務。當修磨改變原刀具參數屬性時，對此刀具信息同步刷新，即將原刀先“特殊報廢”再入庫處理；檢定管理用于處理刀具檢驗與測量業務，歸檔刀具檢測數據，當送外單位檢定時，生成檢驗任務，跟蹤刀具檢定過程。處置管理用于處理刀具丟失、損壞、報廢業務，采集刀具消耗成本信息。

5）任務監控預警模塊：本模塊面向數控機床生產狀態，對重要生產任務進行監控和預警，其中包括配送任務、檢測任務、修磨任務、報廢任務等，并對出現異常狀態進行報警提示，如庫存數量少于最低庫備量、借用刀具超出可借數量或逾期未歸還、配送任務未完成等。

6）刀具查詢分析模塊：本模塊針對MES系統的查詢需求,對采集到數據進行統計匯總和報表輸出；對外提供數據訪問接口，支持數據視圖、Web鏈接網頁鏈接形式數據訪問。

3.2.2 立體庫控制子系統模塊設計

1）庫存和空間定義模塊：本模塊提供立體庫運行所需的系統及硬件環境參數的設置。具體包括兩類，一類是信息通信控制類參數設置，如通信端口參數、GPS設備端口參數、通信間隔時間、是否多臺設備聯及操作等；另一類是庫存空間與業務類參數設置，如倉庫儲存單元、存儲箱、通道節點、托盤、工作站、外圍設備、存儲規則、操作用戶、訪問權限等。

2）存儲和揀選子系統：本模塊以托盤為存儲單元，通過驅動提取器的升降和水平運動，將存放貨物的托盤取出或送到立體庫合適的貨位。系統采用絕對認址方式控制提取器的升降運動，采用感應開關控制提取器的水平運動，通過數學算法進行路徑優化和尋找最佳存儲位置，實現“物到人”的智能管理。

3）數據導入模塊：本模塊用于上游系統或系統外原始數據的快捷導入和集成應用。提供條碼掃描、TXT文本、Excel文件、集成接口等多方式批量導入基礎數據，包括：預存放物料定義、物料條碼編號、料箱尺寸規 格等。

4）可視化展示模塊：本模塊提供立體庫倉儲狀態的可視化功能。包括以托盤為單位展示個托盤中料箱的3D外觀、擺放位置、占用率；以物料為單位統計存品的出入庫頻率、庫存分布；跟蹤模擬提取器在立體庫門的運動路線；誤操作時狀態回退的操作方法等。

3.3 集成接口設計

車間刀具集成管理系統與企業ERP、MES系統、CAPP系統有系統集成關系，其接口主要包括5種，如表2所示。

圖6 立體庫聯網接入網絡拓撲圖

表2 車間刀具立體庫軟件系統架構

4 系統硬件設計

4.1 立體庫聯網接入方案

為滿足立體庫設備適合航天安全保密要求，在企業內網與立體庫專用局域網之間部署信息交換與安全隔離系統，形成數據同步區，采用“安全隔離網閘”進行數據通信，立體庫聯網接入網絡方案如圖6所示。

本方案核心思路是在航天企業內網之外搭建一個立體庫專用局域網，企業內網區域處理用戶對系統的數據訪問請求，立體庫專用局域網區域處理設備對系統的數據訪問請求，并署立體庫設備。企業內網和立體庫專用局域網中設置用于立體庫設備訪問數據交換的代理服務器，將業務數據轉換成數據文件。在企業內網和立體庫專用局域網之間配置控制信息單向網閘和采集信息單向網閘，分別對系統下發給設備的控制指令、設備響應后反饋給系統的狀態信息進行“專用通道、單向”傳輸。實現信息流單向可控傳輸與雙向數據交換需求。

防護措施包括網絡防護措施（業務鏈路剝離、物理隔離、安全域邊界防護、邊界病毒防護、威脅檢測、接入控制），設備防護措施（服務器安全防護、工控設備安全防護、網絡設備安全防護），應用平臺防護措施（身份鑒別、權限劃分、安全審計、數據剝離、數據安全檢查、密級標識校驗、完整性校驗、存儲安全性、數據傳輸安全性、協議封裝），業務系統防護措施，應急處置措施等。

4.2 輔助設施配置

車間刀具集成管理系統配套的輔助設施包括：信息錄入工具（條碼掃描槍、讀卡器等）、刀具標識工具（技改刻字機、條碼打印機）、刀具維保設備（磨床、對刀儀、刀架、轉運小車等）、信息發布設備（大屏幕電子看板、LED屏、瘦客戶電子終端等）。通過條碼掃描、刷卡過賬、車間看板信息提醒等方式，縮短信息采集與交互時間，快速響應生產任務。

5 結束語

本文針對航天機加車間因刀具不齊套影響機床使用率的問題，從航天機加車間的刀具應用現狀出發，提出了面向MES系統生產任務配置刀具資源的車間立體庫系統方案，設計了系統框架、業務流程、數字化集成環境、刀具編碼標識，詳細介紹了系統軟件架構、功能模塊、集成接口，提出采用安全隔離網閘的立體庫設備安全入網方案，適應航天安全保密管理要求。

[1] 曾國平,黎小華.流程主導的數字化車間綜合集成與協同[J].航空制造技術,2014.14:46-48 .

[2] 劉胤,等.制造企業刀具自動化管理系統建設與實施方法研究[J].工具技術,2008.9:72-75 .

[3] 范哲意,江帆,劉志文.基于拍攝圖像的PDF417條碼識別[J].北京理工大學學報,2008.12:1088-1092.