基于模具制造業的數控車間管理系統開發及應用

段彩云++周興蒽

摘 要：文章結合當前模具企業車間管理需求，開發一套基于模具制造業的數控車間管理系統MES，以解決模具制造企業的模具生產管理問題。本系統分為三大模塊：數控程序工藝管理模塊，數控程序智能DNC模塊、數控系統分析管理模塊。通過系統的運行，減輕了車間管理人員的工作量，完善了車間生產管理的功能，提高了生產管理的實時性和準確性，使車間管理更加高效。

關鍵詞：模具制造；數控車間管理系；MES

引言

為進一步推動山東工業快速發展，《山東省國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要》中明確提出，全面落實“中國制造 2025”國家發展戰略，推動生產方式向柔性、智能、精細轉變，打造擁有自主知識產權、精工制造水平和較高市場美譽度的山東品牌，建成全國重要的先進制造業基地。目前，機械制造業特別是模具行業面臨著更加激烈的市場競爭。企業為求生存和發展，不斷采用新技術，提高產品質量和生產管理水平。許多大中型企業已分批、分階段引進數控機床，形成數控工段或車間。如何充分發揮這些高柔性、高效率、高精度數控設備的優勢，是企業管理者們面臨的重要問題之一。

多年來模具制造企業的生產管理一直困擾著企業。模具加工的復雜性和多樣性，使得從編程到加工之間的管理更加復雜和不易。如何管理好這個影響著整個模具制造業發展的瓶頸，傳統的管理手段已經無法適應現代模具制造企業的要求。為了適應制造業信息化發展的需要，解決模具制造數控車間管理上的難題，本課題組結合多年模具數控管理方面的知識經驗，開發了一套基于模具制造業的數控車間管理系統，以解決模具制造企業的難題。

制造執行系統（Manufacturing Execution System，MES）與企業其他信息系統（如CAPP、ERP等）一起能夠通過合理的生產計劃、完善及時的配套以及嚴格的過程管理來縮短生產準備時間，提高產品質量，從而提升數控機床的使用效率，因此車間層的生產管理與信息資源集成是企業生產系統中的重要一環。

1 MES數控車間管理系統整體架構

通過對模具產品加工整個過程進行調研和分析，可將其劃分為產品設計、工藝編制、數控程序編制、產品加工、質量檢測、過程統計與分析等幾個環節。傳統的車間現場管理形式是訂單確定后以現場調度、現場檢查等形式，這種管理方式具有效率較低、信息傳遞實時性差、文件保存和查找不方便等問題。針對模具數控加工車間存在的問題與缺陷，通過構建加工車間控制網絡來實現車間數控機床的集中控制管理以及數據的分析與檢測，最終實現了數控車間管理工藝參數統一化、加工現場可視化、數據統計規范化。

通過網絡化的管理，從產品工藝的制定、程序生成、DNC通訊、數據的收集整理全部實現了統一管理，大大提高了加工效率，數控車間網絡控制管理如圖1所示。

為此，我們將模具數控車間現場加工各環節形成功能模塊， 設計了MES數控車間管理系統，主要包含三大模塊：數控程序工藝管理模塊、數控程序智能DNC模塊、數控系統分析管理模塊。

1.1 數控程序工藝管理模塊

數控程序工藝管理模塊主要用于改變長期以來手工書寫程序單的模式。通過自動分析CNC加工程序，將CNC程序中的參數信息自動填寫到表格中，從而避免了手工書寫程序單、效率低、不規范、容易出錯、不宜長期保存等弊端。開放的模版設置、適合各CAM后處理格式，并滿足企業的個性化要求。可提供CNC程序備份管理功能，能夠方便地將CNC程序及相關的工藝圖片資料發布到程序服務器上，使加工數據得到了統一的管理。

1.2 數控程序智能DNC模塊

數控程序智能DNC模塊是實現工藝卡程序單管理無紙化的解決方案。可提供網絡下載功能，輕松下載服務器上的CNC加工程序、工藝卡、程序單等相關加工數據。在表格上直接選擇程序與機床做DNC程序通訊加工，則操作者可直觀地看到正在通訊的各項加工參數。整個通訊過程會及時地反饋到局域網服務器上，為本系統提供了實時的機床狀況及歷史加工數據。

1.3 數控系統分析管理模塊

在數控程序工藝管理模塊與數控程序智能DNC模塊的數據支持上，利用企業局域網絡，建立起來的基于web方式的監控數控機床方式，更加方便管理人員對數控機床的全面管理。通過對數控機床通訊過程的數據采集，真實地反映了在數控機床的工作狀態。

2 數控車間管理系統運行

2.1 工藝管理

具有編輯、調取工藝卡及程序的功能，數控程序工藝管理模塊可改變傳統的操作方式，使操作更加簡單。在軟件中新建表格，讀入CAM后處理的NC程序，程序名稱可自動填寫到對應表格中。系統自動分析G代碼中的信息，將這些信息自動填入到表格中，無須干預。填寫出的加工參數便于真實地反映出程序的加工參數，同樣也幫助編程員校核程序。同時工藝卡圖形區域具有插入圖片、兼容通用圖片格式，按照圖框區域自動適應大小、居中圖片翻白、抓圖功能，圖片插入文本、圖形、尺寸標注、箭頭、圖框等。同時軟件可搜索出來豐富的工藝信息包括：文件名稱、刀具參數、加工余量、切削速度、主軸轉速、Z向切深、加工時間、XY的加工范圍、開放的模版設置等。

2.2 智能DNC

機床操作員可直接在程序單界面操作程序，做DNC通訊、可以進行單段程序的DNC通訊或任意選擇多段程序進行DNC通訊。DNC通訊適合大多數控制系統以及R232串口的DNC通訊方式。本系統具有專業的通訊界面，通訊端口的設置，當前程序的坐標值、進度條、時間狀態等參數，操作員可實時了解程序通訊狀態。通訊現場日志文件，幫助分析整個零件的加工過程，分析事故原因和責任，并為數控機床的網絡管理提供數據管理客戶端服務。

對于加工中心程序通訊有獨特的管理方式，模具的數控加工和程序的調整是經常的。如果在CAM軟件中將刀具軌跡合并輸出一個大的文件，無論在調整和管理上都不方便，本系統可以解決這方面的問題，程序還是依照傳統的單段程序進行后處理，數控程序智能DNC模塊可以直接選擇多段程序與機床進行DNC通訊，通訊過程還可以選擇單段程序傳輸完畢暫停和連續傳送的方式。

2.3 數據分析管理

實現數控車間加工信息的監管及決策，在軟件運行時將車間加工的詳細資料信息數據傳送到服務器進行監管及分析；當網絡不通或服務器沒有正常運行時，通訊系統將把相應數據暫存儲到機床通訊電腦的相應數據庫中。一旦服務器可以連通，系統將把未能傳送到服務器的數據從本機傳送到服務器的數據庫中，保證整個車間統計數據的有效性。

（1）實時監控

本設計MES可以在企業內部任何一臺局域網電腦通過身份驗證進入系統。可以監控到系統指定的NC機床的實時生產情況：包括每臺機床實時的加工狀態、每臺機床當前的操作人員是誰、每臺機床的當前加工的是哪個零件、當前加工零件的編程人員是誰、每臺機床當前的加工零件的理論應用工時是多少等。在實時監控時，可以設置頁面是否自動刷新及刷新周期或手工刷新，并將機床不同的狀態以不同的顏色區分開。

（2）統計分析

統計分析功能可對所有機床的加工數據信息進行綜合的統計，包括：每臺機床在一段時間內的總的實際加工時間、停工時間、閑置時間、準備時間、利用率、加工效率等。在時間選擇控制上，用戶可以自己設定一個時間段，或直接應用系統的某年、某月、某周、某日等功能直接察看相應時間段的數據。在機床的選擇上，用戶可以選擇全部機床或只選擇一臺機床。系統會根據用戶選擇產生的數據產生相應的匯總報表，并以餅圖及圖列說明非常直接地顯示給用戶，供用戶查看。

（3）數據查詢

數據查詢功能主要是對加工數據信息進行查詢，在服務器數據庫中記錄著每臺機床的所有加工日志數據信息。通過它，管理人員可以查看每臺機床的歷史加工情況的詳細信息。

3 數控車間管理系統應用

本設計MES開發的數控車間管理系統在海爾模具、屹豐模具等數控車間中得到了應用。在使用數控車間管理系統之前，產品主要以注塑模和沖壓模為主。產品存在多樣性，結構復雜、精度要求高等特點。日常生產任務較重，特別是在產品銷售旺季，更需要生產車間能夠保證生產效率。因此目前的車間管理方式明顯落后于企業生產的需求，主要存在以下問題：車間資源管理不規范，導致生產準備時間長，生產效率低下；數控加工程序運行效率不穩定，人為因素較多，特別是夜班生產，機床進給率成倍下降，停機停工現象普遍；企業在管理上沒有手段和數據說明問題，只有盲目地增加設備和人員，無形地增加了企業的生產成本，減弱了競爭力，長時間的發展最終要被管理完善、成本低、效率高的企業所淘汰。

針對上述企業存在的問題，本文設計了數控車間管理系統MES，規范了企業工藝及編程部門在統一系統平臺下，實現了程序電子化管理；減少了程序單工藝文件差錯，提高了效率和產品的合格率。通過DNC通訊的加工數據采集，生產管理部門每日都可以得到車間內的數控設備的生產效率、機床利用率等重要的管理數據統計，從而更加科學地針對問題加強管理，提高了車間的數字化管理水平和生產效率。

4 結束語

數控車間管理系統MES操作簡單、直觀、易于理解，通過系統的運行，減輕了車間管理人員的工作量，完善了車間生產管理的功能，提高了生產管理的實時性和準確性，使車間管理更加高效。

參考文獻

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作者簡介：段彩云（1979-），女，山東煙臺人，副教授，碩士，研究方向：先進制造技術。