基于智能加工站IMS的生產管控系統研究

吳青長

摘要：系統介紹了智能加工站（IMS）技術及產品特點、功能和關鍵技術;基于IMS技術，提出了智能生產管控系統的設計結構和功能實現。

Abstract： The system introduces the intelligent processing station （IMS） technology and product features， functions and key technologies; based on the IMS technology， the design structure and function realization of the intelligent production management and control system are proposed.

關鍵詞：智能加工站;智能排產算法;工序整合;管控系統

Key words： intelligent processing station;intelligent scheduling algorithm;process integration;management and control system

0 ?引言

智能加工站（Intelligent Manufacturing System，IMS）技術集多工序、多工位加工制造單元于一體。IMS通過控制中心集成的“生產管控系統”結合企業ERP、PLM、MES等信息化系統，實現從優化排程、物料準備、加工制造、質量檢驗到成品輸出的完整制造序列任務。智能加工站具有小批量、定制化的柔性化數字生產特點，在降低人力成本、工序優化的同時提高生產效率。通過智能加工站（IMS）的生產管控系統研究及與航空發動機零部件等生產企業的ERP、MES、獨立工作站之間的協同，實現縱向一體化，進而實現小批量、定制化的柔性化數字生產，在降低人力成本、工序優化的同時提高生產效率[1]。

1 ?IMS特點及關鍵技術

1.1 IMS工作特點、功能

隨著工業4.0、中國制造2025興起，航空制造企業也順應國家制造業發展戰略，紛紛加大信息化投入，比如ERP、PLM、MES等;制造裝備方面也以提高設備自動化程度、批量生產、降低制造成本為導向，采用引入大量工業機器人，搭建出一套由PLM、ERP-MES-MC-ROBOT組成的高效率的兩化融合體系，可最終使用的效果遠低于預期。MES-自動化（PLC）或MES-DNC-PLC（ROBOT）架構，側重生產任務的下發、生產結果的反饋以及機床狀態（維護，故障等）的方式，主要應用于整線或整線群。MES-SCADA-PLC（ROBOT）架構，主要應用于SPC站或者自動化PLC（ROBOT）不統一的多站點（機床）環境。MES-自動化（PLC）或MES-DNC-PLC（ROBOT）架構不對MES任務單進行系統分解排產、不具備站點之間協同匹配能力、機床程序無法滿足PLM到機床的一致性、無法進行大批量在線刀具夾具管理管理。與PLM-ERP-MES-“管控系統”-ROBOT架構，存在本質區別。

智能加工站（IMS）主要針對小批量、多品種、定制化、柔性化的機加工需求，多應用于航空航天等行業，如：作動器、閥體組件、葉片等的加工制造。IMS結合數據聚合、數字協同、智能識別、精益控制等技術，可以實現智能排產、程序分發、刀庫擴展、刀具管理、夾具管理、質量管理、生產KPI能源管理、人員管理以及數據管理等功能。

某種IMS產品功能參數表如表1所示。

例如，一套航空航天作動筒關鍵零件有三部分組成，每個零件有6-11道工序，合計31道工序。由于材料與性能特殊，工序用時（節拍）從2分鐘到2小時不等，原材料需要間隔不一;工裝夾具、刀具分散，雖然ERP、MES進行管理，但需要大量人工進行維護及周轉;工序間加工程序不同，程序的導入及版本升級，無法與PLM同步，需要專業技術人員現場對比測試;ERP訂單以批量套數方式分發至MES，MES經過分解，再以月計劃套數方式分配到線端，無法進行優先定制化排產;引入機器人單工序效率提高，但前后工序無協同，工序節拍差異，后工序設備只能以前序周轉輸出量進行臨時排產，設備開動率底下等等，現場實際問題是阻礙高效率生產的主要原因。

基于以上分析，以“機器換人”理念的技術升級改造主要解決的是單站高人工成本問題，而實際面臨的問題是PLM-EPR-MES-ROBOT全環節的“軟件”協同問題，是精益生產管理軟件化，智能排產、工序整合、小批量、定制化、柔性化生產的問題。智能管控系統正是這樣一套軟件系統，存在于MES與ROBOT之間。對MES訂單進行解析，依據交期前后、原材料、刀具、夾具、工序節拍、機床狀態等進行智能匹配，排列出適宜的生產序列;對線內刀具進行壽命自動評估，提前進行生產預判并反饋到MES/ERP系統;對工序夾具進行智能庫管理，依據工序自動調度夾具更換;管控系統實時同步PLM內的加工程序，自動進行導入與升級，并進行多重校驗;根據生產序列自動調度ROBOT進行協同生產，實現由生產管理到自動控制的一套完成管控體系——PLM-ERP-MES-“管控系統”-ROBOT[2]。

1.2 IMS關鍵技術

IMS關鍵技術在于智能排產算法和加工程序與刀具、夾具緩存庫管理技術。一個零件工序的投入生產，涉及到前期物料準備、刀具庫存、夾具庫存、加工程序的有無、零件的銷售交貨期，當前機床狀態、刀具夾具狀態、加工剩余時間，以及后序庫存位置、后序時間間隔、機床開動率、檢測機床的負荷等等非常復雜的因素，智能排產算法不僅涉及到本身的科學技術知識、還涉及到銷售策略、加工工藝、測量工藝等很多方面。加工程序與刀具、夾具緩存庫管理：由于CNC系統程序容量無法滿足多品種、多工序柔性化加工程序容量需要，管控系統就需要對來自PLM的加工程序進行同步緩存，保持版本一致、內容一致;管控系統根據進入生產的產品自動導入加工程序，并進行多重校驗，保證工件程序匹配。同樣，多品種、多工序柔性化加工就需要大量的刀具及夾具，數量可以達到100-300套，系統如何保證它們之間的一一匹配也是系統的核心技術之一。

2 ?基于IMS的生產管控系統設計

2.1 生產管控系統結構設計

管控系統主要包括計劃管理，半、成品緩存庫管理，刀具緩存庫管理，夾具緩存庫管理，機器人調度，設備機床管控，基礎信息管理等幾大功能模塊。如圖1所示。

2.2 生產管控系統功能設計

管控系統計劃管理主要是接收ERP、MES下達的主生產計劃，按照排程算法計算出產品的生產序列。生產線根據生產序列進行生產加工。系統同時生成物料需求、刀具需求、工裝夾具需求等，并將其同步發送到對應的業務流程。

半、成品緩存庫管理實現在于管控系統根據零件工藝路線，生產序列及加工狀態，通過裝載站進行半、成品提前入庫，根據加工生產排程，自動調度零件出庫加工，加工完畢自動調度入庫。同步MES、EPR庫存狀態。管控系統的刀具緩存庫管理，即管控協同根據生產序列，分析庫存刀具壽命，提前進行匹配;分析機床內刀具剩余數量進行刀具更換;分析不同工序刀具需求，調度機器人進行刀具調配;刀具參數協同刀具調度同步導入機床參數。管控系統提前分析庫存夾具，分解出最適合的零件工序，為計劃排產提供基礎數據，實現夾具緩存庫管理。

管控系統的機器人調度，改變了孤島式機器人應用方式，讓機器人更智能化，依據生產序列調度機器人進行不同工序的不同動作，運用第七軸機器人或RACD進行多機器人協同工作，進行工件輸送、刀具更換、夾具更換。設備機床管控在于管控系統分析當前工序，從PLM進行程序同步及校驗，自動導入機床;根據刀具更換結果進行刀具補償等參數導入;配合生產序列自動進行夾具更換;實時分析機床狀態，提前預警保養維護，保證機床開動率最大化[3]。

管控系統的排產系統及多工序協同能力，可以提高機床、機器人利用率，提高整線生產效率;管控系統的加工程序管理，零件庫、刀具、夾具庫的管理能力，可以完全實現小批量、定制化的柔性化生產，實現物流與生產的協同，實現短期無人化生產。

3 ?結語

未來5-10年，正是我國智能制造裝備產業發展的關鍵期和重大機遇期。現如今，隨著后金融危機時代及后工業時代的到來，制造業逐步向環境友好、資源節約、綠色化、智能化、可持續發展等方向發展趨勢明顯，工業發達國家重視高端技術的應用，竭力在智能制造裝備領域繼續保持傳統優勢和世界壟斷地位。隨著我國制造業2025概念的提出，我國在傳統制造業升級改造、重大工程建設、重點產業規劃布局、戰略新興產業扶持方面提出了更高要求。

參考文獻：

[1]彭莉.基于智能管道承載的IMS系統部署方案研究[J].移動通信，2013（16）：73-77.

[2]王磊，郭順生，李西興，等.基于多Agent的建材裝備制造企業智能生產進度管控系統研究與應用[J].計算機集成制造系統，2017，23（6）：1310-1319.

[3]張志強，陳杰，楊燕，等.基于華中HNC-IMS的機床邏輯單元群系統開發[J].現代制造技術與裝備，2019（7）：68-70.