基于模具制造業(yè)的數(shù)控車(chē)間管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用

段彩云++周興蒽

摘 要：文章結(jié)合當(dāng)前模具企業(yè)車(chē)間管理需求，開(kāi)發(fā)一套基于模具制造業(yè)的數(shù)控車(chē)間管理系統(tǒng)MES，以解決模具制造企業(yè)的模具生產(chǎn)管理問(wèn)題。本系統(tǒng)分為三大模塊：數(shù)控程序工藝管理模塊，數(shù)控程序智能DNC模塊、數(shù)控系統(tǒng)分析管理模塊。通過(guò)系統(tǒng)的運(yùn)行，減輕了車(chē)間管理人員的工作量，完善了車(chē)間生產(chǎn)管理的功能，提高了生產(chǎn)管理的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，使車(chē)間管理更加高效。

關(guān)鍵詞：模具制造；數(shù)控車(chē)間管理系；MES

引言

為進(jìn)一步推動(dòng)山東工業(yè)快速發(fā)展，《山東省國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃綱要》中明確提出，全面落實(shí)“中國(guó)制造 2025”國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略，推動(dòng)生產(chǎn)方式向柔性、智能、精細(xì)轉(zhuǎn)變，打造擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、精工制造水平和較高市場(chǎng)美譽(yù)度的山東品牌，建成全國(guó)重要的先進(jìn)制造業(yè)基地。目前，機(jī)械制造業(yè)特別是模具行業(yè)面臨著更加激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。企業(yè)為求生存和發(fā)展，不斷采用新技術(shù)，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)管理水平。許多大中型企業(yè)已分批、分階段引進(jìn)數(shù)控機(jī)床，形成數(shù)控工段或車(chē)間。如何充分發(fā)揮這些高柔性、高效率、高精度數(shù)控設(shè)備的優(yōu)勢(shì)，是企業(yè)管理者們面臨的重要問(wèn)題之一。

多年來(lái)模具制造企業(yè)的生產(chǎn)管理一直困擾著企業(yè)。模具加工的復(fù)雜性和多樣性，使得從編程到加工之間的管理更加復(fù)雜和不易。如何管理好這個(gè)影響著整個(gè)模具制造業(yè)發(fā)展的瓶頸，傳統(tǒng)的管理手段已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)代模具制造企業(yè)的要求。為了適應(yīng)制造業(yè)信息化發(fā)展的需要，解決模具制造數(shù)控車(chē)間管理上的難題，本課題組結(jié)合多年模具數(shù)控管理方面的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)發(fā)了一套基于模具制造業(yè)的數(shù)控車(chē)間管理系統(tǒng)，以解決模具制造企業(yè)的難題。

制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）與企業(yè)其他信息系統(tǒng)（如CAPP、ERP等）一起能夠通過(guò)合理的生產(chǎn)計(jì)劃、完善及時(shí)的配套以及嚴(yán)格的過(guò)程管理來(lái)縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，提高產(chǎn)品質(zhì)量，從而提升數(shù)控機(jī)床的使用效率，因此車(chē)間層的生產(chǎn)管理與信息資源集成是企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中的重要一環(huán)。

1 MES數(shù)控車(chē)間管理系統(tǒng)整體架構(gòu)

通過(guò)對(duì)模具產(chǎn)品加工整個(gè)過(guò)程進(jìn)行調(diào)研和分析，可將其劃分為產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝編制、數(shù)控程序編制、產(chǎn)品加工、質(zhì)量檢測(cè)、過(guò)程統(tǒng)計(jì)與分析等幾個(gè)環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)管理形式是訂單確定后以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度、現(xiàn)場(chǎng)檢查等形式，這種管理方式具有效率較低、信息傳遞實(shí)時(shí)性差、文件保存和查找不方便等問(wèn)題。針對(duì)模具數(shù)控加工車(chē)間存在的問(wèn)題與缺陷，通過(guò)構(gòu)建加工車(chē)間控制網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)車(chē)間數(shù)控機(jī)床的集中控制管理以及數(shù)據(jù)的分析與檢測(cè)，最終實(shí)現(xiàn)了數(shù)控車(chē)間管理工藝參數(shù)統(tǒng)一化、加工現(xiàn)場(chǎng)可視化、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)范化。

通過(guò)網(wǎng)絡(luò)化的管理，從產(chǎn)品工藝的制定、程序生成、DNC通訊、數(shù)據(jù)的收集整理全部實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一管理，大大提高了加工效率，數(shù)控車(chē)間網(wǎng)絡(luò)控制管理如圖1所示。

為此，我們將模具數(shù)控車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)加工各環(huán)節(jié)形成功能模塊， 設(shè)計(jì)了MES數(shù)控車(chē)間管理系統(tǒng)，主要包含三大模塊：數(shù)控程序工藝管理模塊、數(shù)控程序智能DNC模塊、數(shù)控系統(tǒng)分析管理模塊。

1.1 數(shù)控程序工藝管理模塊

數(shù)控程序工藝管理模塊主要用于改變長(zhǎng)期以來(lái)手工書(shū)寫(xiě)程序單的模式。通過(guò)自動(dòng)分析CNC加工程序，將CNC程序中的參數(shù)信息自動(dòng)填寫(xiě)到表格中，從而避免了手工書(shū)寫(xiě)程序單、效率低、不規(guī)范、容易出錯(cuò)、不宜長(zhǎng)期保存等弊端。開(kāi)放的模版設(shè)置、適合各CAM后處理格式，并滿足企業(yè)的個(gè)性化要求。可提供CNC程序備份管理功能，能夠方便地將CNC程序及相關(guān)的工藝圖片資料發(fā)布到程序服務(wù)器上，使加工數(shù)據(jù)得到了統(tǒng)一的管理。

1.2 數(shù)控程序智能DNC模塊

數(shù)控程序智能DNC模塊是實(shí)現(xiàn)工藝卡程序單管理無(wú)紙化的解決方案。可提供網(wǎng)絡(luò)下載功能，輕松下載服務(wù)器上的CNC加工程序、工藝卡、程序單等相關(guān)加工數(shù)據(jù)。在表格上直接選擇程序與機(jī)床做DNC程序通訊加工，則操作者可直觀地看到正在通訊的各項(xiàng)加工參數(shù)。整個(gè)通訊過(guò)程會(huì)及時(shí)地反饋到局域網(wǎng)服務(wù)器上，為本系統(tǒng)提供了實(shí)時(shí)的機(jī)床狀況及歷史加工數(shù)據(jù)。

1.3 數(shù)控系統(tǒng)分析管理模塊

在數(shù)控程序工藝管理模塊與數(shù)控程序智能DNC模塊的數(shù)據(jù)支持上，利用企業(yè)局域網(wǎng)絡(luò)，建立起來(lái)的基于web方式的監(jiān)控?cái)?shù)控機(jī)床方式，更加方便管理人員對(duì)數(shù)控機(jī)床的全面管理。通過(guò)對(duì)數(shù)控機(jī)床通訊過(guò)程的數(shù)據(jù)采集，真實(shí)地反映了在數(shù)控機(jī)床的工作狀態(tài)。

2 數(shù)控車(chē)間管理系統(tǒng)運(yùn)行

2.1 工藝管理

具有編輯、調(diào)取工藝卡及程序的功能，數(shù)控程序工藝管理模塊可改變傳統(tǒng)的操作方式，使操作更加簡(jiǎn)單。在軟件中新建表格，讀入CAM后處理的NC程序，程序名稱(chēng)可自動(dòng)填寫(xiě)到對(duì)應(yīng)表格中。系統(tǒng)自動(dòng)分析G代碼中的信息，將這些信息自動(dòng)填入到表格中，無(wú)須干預(yù)。填寫(xiě)出的加工參數(shù)便于真實(shí)地反映出程序的加工參數(shù)，同樣也幫助編程員校核程序。同時(shí)工藝卡圖形區(qū)域具有插入圖片、兼容通用圖片格式，按照?qǐng)D框區(qū)域自動(dòng)適應(yīng)大小、居中圖片翻白、抓圖功能，圖片插入文本、圖形、尺寸標(biāo)注、箭頭、圖框等。同時(shí)軟件可搜索出來(lái)豐富的工藝信息包括：文件名稱(chēng)、刀具參數(shù)、加工余量、切削速度、主軸轉(zhuǎn)速、Z向切深、加工時(shí)間、XY的加工范圍、開(kāi)放的模版設(shè)置等。

2.2 智能DNC

機(jī)床操作員可直接在程序單界面操作程序，做DNC通訊、可以進(jìn)行單段程序的DNC通訊或任意選擇多段程序進(jìn)行DNC通訊。DNC通訊適合大多數(shù)控制系統(tǒng)以及R232串口的DNC通訊方式。本系統(tǒng)具有專(zhuān)業(yè)的通訊界面，通訊端口的設(shè)置，當(dāng)前程序的坐標(biāo)值、進(jìn)度條、時(shí)間狀態(tài)等參數(shù)，操作員可實(shí)時(shí)了解程序通訊狀態(tài)。通訊現(xiàn)場(chǎng)日志文件，幫助分析整個(gè)零件的加工過(guò)程，分析事故原因和責(zé)任，并為數(shù)控機(jī)床的網(wǎng)絡(luò)管理提供數(shù)據(jù)管理客戶端服務(wù)。

對(duì)于加工中心程序通訊有獨(dú)特的管理方式，模具的數(shù)控加工和程序的調(diào)整是經(jīng)常的。如果在CAM軟件中將刀具軌跡合并輸出一個(gè)大的文件，無(wú)論在調(diào)整和管理上都不方便，本系統(tǒng)可以解決這方面的問(wèn)題，程序還是依照傳統(tǒng)的單段程序進(jìn)行后處理，數(shù)控程序智能DNC模塊可以直接選擇多段程序與機(jī)床進(jìn)行DNC通訊，通訊過(guò)程還可以選擇單段程序傳輸完畢暫停和連續(xù)傳送的方式。

2.3 數(shù)據(jù)分析管理

實(shí)現(xiàn)數(shù)控車(chē)間加工信息的監(jiān)管及決策，在軟件運(yùn)行時(shí)將車(chē)間加工的詳細(xì)資料信息數(shù)據(jù)傳送到服務(wù)器進(jìn)行監(jiān)管及分析；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)不通或服務(wù)器沒(méi)有正常運(yùn)行時(shí)，通訊系統(tǒng)將把相應(yīng)數(shù)據(jù)暫存儲(chǔ)到機(jī)床通訊電腦的相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)中。一旦服務(wù)器可以連通，系統(tǒng)將把未能傳送到服務(wù)器的數(shù)據(jù)從本機(jī)傳送到服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)中，保證整個(gè)車(chē)間統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的有效性。

（1）實(shí)時(shí)監(jiān)控

本設(shè)計(jì)MES可以在企業(yè)內(nèi)部任何一臺(tái)局域網(wǎng)電腦通過(guò)身份驗(yàn)證進(jìn)入系統(tǒng)。可以監(jiān)控到系統(tǒng)指定的NC機(jī)床的實(shí)時(shí)生產(chǎn)情況：包括每臺(tái)機(jī)床實(shí)時(shí)的加工狀態(tài)、每臺(tái)機(jī)床當(dāng)前的操作人員是誰(shuí)、每臺(tái)機(jī)床的當(dāng)前加工的是哪個(gè)零件、當(dāng)前加工零件的編程人員是誰(shuí)、每臺(tái)機(jī)床當(dāng)前的加工零件的理論應(yīng)用工時(shí)是多少等。在實(shí)時(shí)監(jiān)控時(shí)，可以設(shè)置頁(yè)面是否自動(dòng)刷新及刷新周期或手工刷新，并將機(jī)床不同的狀態(tài)以不同的顏色區(qū)分開(kāi)。

（2）統(tǒng)計(jì)分析

統(tǒng)計(jì)分析功能可對(duì)所有機(jī)床的加工數(shù)據(jù)信息進(jìn)行綜合的統(tǒng)計(jì)，包括：每臺(tái)機(jī)床在一段時(shí)間內(nèi)的總的實(shí)際加工時(shí)間、停工時(shí)間、閑置時(shí)間、準(zhǔn)備時(shí)間、利用率、加工效率等。在時(shí)間選擇控制上，用戶可以自己設(shè)定一個(gè)時(shí)間段，或直接應(yīng)用系統(tǒng)的某年、某月、某周、某日等功能直接察看相應(yīng)時(shí)間段的數(shù)據(jù)。在機(jī)床的選擇上，用戶可以選擇全部機(jī)床或只選擇一臺(tái)機(jī)床。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)用戶選擇產(chǎn)生的數(shù)據(jù)產(chǎn)生相應(yīng)的匯總報(bào)表，并以餅圖及圖列說(shuō)明非常直接地顯示給用戶，供用戶查看。

（3）數(shù)據(jù)查詢

數(shù)據(jù)查詢功能主要是對(duì)加工數(shù)據(jù)信息進(jìn)行查詢，在服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中記錄著每臺(tái)機(jī)床的所有加工日志數(shù)據(jù)信息。通過(guò)它，管理人員可以查看每臺(tái)機(jī)床的歷史加工情況的詳細(xì)信息。

3 數(shù)控車(chē)間管理系統(tǒng)應(yīng)用

本設(shè)計(jì)MES開(kāi)發(fā)的數(shù)控車(chē)間管理系統(tǒng)在海爾模具、屹豐模具等數(shù)控車(chē)間中得到了應(yīng)用。在使用數(shù)控車(chē)間管理系統(tǒng)之前，產(chǎn)品主要以注塑模和沖壓模為主。產(chǎn)品存在多樣性，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度要求高等特點(diǎn)。日常生產(chǎn)任務(wù)較重，特別是在產(chǎn)品銷(xiāo)售旺季，更需要生產(chǎn)車(chē)間能夠保證生產(chǎn)效率。因此目前的車(chē)間管理方式明顯落后于企業(yè)生產(chǎn)的需求，主要存在以下問(wèn)題：車(chē)間資源管理不規(guī)范，導(dǎo)致生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)，生產(chǎn)效率低下；數(shù)控加工程序運(yùn)行效率不穩(wěn)定，人為因素較多，特別是夜班生產(chǎn)，機(jī)床進(jìn)給率成倍下降，停機(jī)停工現(xiàn)象普遍；企業(yè)在管理上沒(méi)有手段和數(shù)據(jù)說(shuō)明問(wèn)題，只有盲目地增加設(shè)備和人員，無(wú)形地增加了企業(yè)的生產(chǎn)成本，減弱了競(jìng)爭(zhēng)力，長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展最終要被管理完善、成本低、效率高的企業(yè)所淘汰。

針對(duì)上述企業(yè)存在的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了數(shù)控車(chē)間管理系統(tǒng)MES，規(guī)范了企業(yè)工藝及編程部門(mén)在統(tǒng)一系統(tǒng)平臺(tái)下，實(shí)現(xiàn)了程序電子化管理；減少了程序單工藝文件差錯(cuò)，提高了效率和產(chǎn)品的合格率。通過(guò)DNC通訊的加工數(shù)據(jù)采集，生產(chǎn)管理部門(mén)每日都可以得到車(chē)間內(nèi)的數(shù)控設(shè)備的生產(chǎn)效率、機(jī)床利用率等重要的管理數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，從而更加科學(xué)地針對(duì)問(wèn)題加強(qiáng)管理，提高了車(chē)間的數(shù)字化管理水平和生產(chǎn)效率。

4 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)控車(chē)間管理系統(tǒng)MES操作簡(jiǎn)單、直觀、易于理解，通過(guò)系統(tǒng)的運(yùn)行，減輕了車(chē)間管理人員的工作量，完善了車(chē)間生產(chǎn)管理的功能，提高了生產(chǎn)管理的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，使車(chē)間管理更加高效。

參考文獻(xiàn)

[1]侯小林.數(shù)控車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及應(yīng)用[J].航空制造技術(shù)，2012（16）：99-101.

[2]張發(fā)平，孫厚芳.數(shù)控車(chē)間信息集成技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2007（9）：1732-1737.

[3]王黎輝，周宏根，張勝文.數(shù)控車(chē)間管理控制系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2006（2）：74-76.

作者簡(jiǎn)介：段彩云（1979-），女，山東煙臺(tái)人，副教授，碩士，研究方向：先進(jìn)制造技術(shù)。