加工中心實訓教學可視化管控平臺開發

羅龍君， 周世權，，， 孫祥仲， 張新建， 金 磊

（1.華中科技大學工程實踐創新中心，武漢 430074；2.文華學院機械與電子工程學部，武漢 430070；3.武漢高德信息產業有限公司，武漢 430068）

0 引 言

在制造強國戰略的指引下，企業通過智能制造實現轉型升級已經成為不可抗拒的潮流。工程訓練是高校重要的的工程實踐課之一，是工科類高校中教學規模最大、學生受眾最多的課程［1］，由此相適應的工程訓練中心是高校實施工程實踐教育的重要基地，是高校人才培養與國家產業需求銜接的橋梁。由于全國大部分高校工程訓練中心都建于2010 年左右［2］，其模式繼承了傳統金工實習的集中裝備建立的獨立工作單元，簡稱為工種，制造信息各自封閉，成為信息孤島，實訓教學管理主要依靠人工記錄，導致實訓管理水平低下、可視化水平不足、學生難以感受現代制造的高效優質特點。

在這樣的背景下，構建基于智能制造學習工廠的新工程訓練實踐教學平臺和課程體系，已經成為工程訓練教學改革的發展方向［3-4］。如何從龐大的工訓數據中獲取有意義的數據，實現高效的可視化管控，提供科學的決策支持，成為了制造工程教學中的新熱點。華南理工大學廣州學院以計算機軟件和智能自動化技術為橋梁，鏈接以前獨立分割的傳統實訓模塊如鑄造、沖壓、焊接和注塑［5］。吉林大學通過設備的聯網管控，自動記錄識別每一臺設備的使用者，設備的開關機記錄，以及對設備故障的報修、修理等相關信息的管理［6］。湖南大學以物聯網智能控制、計算機智能管控為核心，輔以業務管理平臺多樣化的功能模塊、移動端APP、數據可視化，大數據分析等，將工程訓練中心設備設施、實訓管理等工作統一納入基于云技術的系統管理［7-8］。但相比其他高校而言，服務于單個智能制造裝備實訓教學的信息化、可視化實際應用及研究較少，研究深度和廣度也不及整個工程實訓智能制造系統和企業車間的智能生產系統。

本文對加工中心實訓教學流程進行了詳細分析，基于CDIO教學理念，確定了加工工步管理、作業計劃管理、物流倉儲管理、制造執行管理、質量監測管理所需的各項核心指標，并進行了功能實現、平臺開發及界面可視化。通過對加工中心實訓管控平臺的實際教學應用，實現了制造實訓教學過程中的學生、工藝、計劃、制造、質量及物料庫存等數據的可視化應用，為加工中心的智能化、信息化、可視化管理提供了科學有效的數據依據［9-10］，為學生提供了一個系統性、工程性、開放性和創新性的實踐平臺，構建了早實踐、多實踐、反復實踐的體驗式教學環境，促進了信息技術與加工中心實訓的深度融合。

1 管控平臺流程分析

以教學加工對象殼體、法蘭等為例，實訓教學過程包含了工步設計、刀路軌跡設計、數控程序生成、訂單生成派工、物料領料、輔助工具領取、機床加工、檢測反饋等過程。殼體、法蘭等零件的主要制造流程涵蓋設計工序工步、零件加工、檢測報工等過程。按照流程計劃，殼體的制造主要可以分為工藝設計階段、制造執行階段、檢測報工階段。

從CDIO的工程教育理念進行劃分，在工藝設計階段主要是構思和設計，包括制定殼體的加工工序，加工工序包括了推薦的加工工步，對應的主軸轉數、進給速度、背吃刀量、選用刀具等工藝參數。根據工藝參數選用合理的加工策略制定加工刀路，通過后處理軟件生成加工中心可執行的G 代碼并通過管控平臺上傳到對應機床上。制作執行階段主要是工程實踐的實現階段，包括了毛坯的領料、量器具領用、加工中心設備點檢、訂單生成派工、安排加工中心作業任務、加工中心故障報警、剩余加工時間、當前加工情況。檢測報工階段主要是制造作品的質量檢測反饋、產出統計、數據決策分析。

因此，要進一步提高加工中心的制造運維可視化管理水平，應針對加工中心裝備的工藝設計階段、制造執行階段和檢測報工階段，實施信息化、精細化管理。

2 管控平臺方案設計

根據加工中心裝備制造運維可視化管理水平流程現狀分析，利用現代智能管理技術、工業物聯網、AR技術、人工智能和工業大數據、先進減材制造技術，涵蓋了工程管理、3D 制造工藝設計、CAD 設計、APS 自動排產、CAM程序設計、虛擬仿真加工、監測數據無線傳輸等多學科知識，制定了信息化高度整合的可視化制造管控平臺整體架構，全面實現數字化、網絡化加工中心制造裝備的動態感知、實時分析、自主決策和精準執行的智能制造特征。

可視化管控平臺的整體架構如圖1 所示，分為4個層次，從下至上依次為裝備層、物聯層、執行層、決策層。裝備層由各類加工中心、設計計算機、立體倉庫、工業機器人組成；物聯層由平板電腦、藍牙檢測儀器、二維碼、SCADA 數據采集系統組成；執行層包括了制造執行管理系統MES 和信息化軟件CAD、CAM、3DCAPP；決策層形成了生產決策控制塔，包括成本效益分析、SPC質量分析、設備狀態，并用電子看板進行動態可視化顯示，3D電子地圖進行仿真模擬。

方案主要實現以下功能：①在制造源頭，建設計算機工作站，使用3DCAPP 工藝設計軟件，采用HTTP方式集成，GET方式由3DCAPP創建，智能制造平臺調用，打通工藝設計與智能制造管控平臺信息交互，實現數字化工藝設計與制造執行一體化，在具體教學上體現為工藝設計平臺與加工中心實訓教學的一體化。②在出入庫管理上設計出入庫需求單和確認單，進出庫信息可實時更新，對即將缺貨或缺貨材料，包括刀具，量具，毛坯，圖紙等進行預警或者報警。③在作業訂單上實現作業下單，訂單錄入并一鍵生產作業任務，作業任務派工，領取作業任務進行開工，加工完成后進行報工。④引入三軸、四軸和五軸加工中心、對刀檢測儀、工業機器人、平板電腦、立體倉庫等智能裝備，將其與信息化管理系統聯網集成，實現各設備之間的快捷高效運行。⑤使用數據采集技術及設備，包括SCADA數據采集系統、平板電腦、二維碼、機床負載監測、RFID對實訓室設備、倉庫進行實時數據采集，涉及加工程序管理、加工數據統計分析、機床效能統計分析、設備預約管理、工藝參數實時監控、裝備級別基礎數據維護等，實現學生制造實訓的數據信息透明化。⑥利用AR技術，在設備上設立圖形標識，通過平板電腦識別進行空間定位，建立工步引導功能，指導學生進行操作，也可通過三維模型識別，實現加工指導視頻，輔助學生操作。⑦理清實訓過程中的信息流傳遞邏輯，建立貫穿產品制造全流程的單獨二維碼流轉管理機制［11-12］，學生憑學號掃碼生成獨立的物流二維碼，該二維碼跟隨物料盒從毛坯直至工件加工檢驗結束。⑧平臺帶異常管理功能，通過現場觸發、系統錄入、現場展示、異常判定、進度跟蹤、異常分析與追責、異常關閉等流程組成。⑨帶質量檢測模型，收集檢測數據形成樣本，通過檢測自動生成質檢單，并對單件工件進行符合性判斷，具備輸出SPC 能力報告，并可掃碼打印生成質量及成本報告。

3 管控平臺的可視化

可視化生產管控平臺開發的硬件環境為Intel CPU I7/6700、內存DRR4/16 GB、固態硬盤256 GB，軟件環境為操作系統Windows10、數據庫MySQL8.0、主要開發工具Eclispe、Unity3D。業務信息流采用WebService進行通信，硬件數據采集使用OPC 通信協議。

參照QJ、GB/T和ISO、IPC 等國家和行業標準體系，利用工程實踐創新中心智能制造平臺建設采購的高速高精五軸、四軸加工中心，通過部署可視化生產管控平臺方案，打通裝備層到決策層的各個關節，將CAD建模、工藝設計、訂單作業、檢測、物流傳輸與數據采集系統、制造執行系統、決策控制塔進行了高度集成，實現了“人、機、料、法、環、測”六大制造要素的互聯互通和信息采集［13-15］。

根據平臺功能，考慮到實訓室還有部分老式加工中心，結合加工程序管理DNC、設備數據采集SCADA、設備數據展現MDC、設備預約管理、基礎數據管理等技術，布置的設備集成硬件架構如圖2 所示，考慮到未來繼續引入新設備的接口擴展性，引入基于OPC標準接口協議的數據采集系統，實時采集實訓數據，該數據系統支持Modbus、RS-485、RS232、GEM、CFX、OPC、ODBC等多種通協議，可執行被動/主動/定時方式的數據采集［16］。

圖2 設備集成硬件架構

平臺在流程上整體開發為工藝設計階段、制造執行階段、檢測報工三大區業務場景，主要業務場景流程圖如圖3 所示。因工藝設計軟件由第三方訂制，并未向外提供標準接口，所以為實現工藝設計平臺和智能生產管控平臺之間的數據集成，可視化管控平臺通過解析工藝設計軟件的文件包進行集成，打通工藝設計和刀軌處理的數據交換。具體做法為，平臺定時刷新工藝設計軟件特定文件下的XML文件，并將文件內容解析成jason 格式并對數據進行處理后存入MySql 數據庫中。為使信息交互順暢，在工藝設計和刀軌處理之間進行了標準的字段設計，包括物料檔案字段設計和工藝路線字段設計，分別如表1、2 所示。

表1 物料檔案字段設計

表2 工藝路線字段設計

圖3 主要業務場景流程

基于實現平臺功能需求，根據不同的業務場景構建了不同的程序框架，其中業務主程序框架分為表現層、邏輯層、數據層，三者主要通過Web 服務器、應用服務器、MySql數據庫進行數據交換，主要完成人機交互的主要業務流程；設備數據采集程序主要完成業務主程序與設備之間的數據通訊，包括了創建任務、啟動多任務調度、A/D采集任務、串口采集任務、網口采集任務等節點；數據展示程序則通過對業務過程數據及設備采集數據進行數據的清洗整理，按照一定的形式進行展示，程序框架圖如圖4 所示。

圖4 數據展示程序框架圖

4 可視化管控平臺運行實例

基于該平臺的實踐教學采用了項目化的教學方法，模擬工廠應用實景，使教學內容充滿工程背景。通過MES系統設計典型產品的制造過程方案，通過教學產品制造工藝流程訓練，并在平臺設計環節中體現節能、環保、優質、低耗、高效等意識。學生在系統中可以扮演計劃員、設備員、領料員、質檢員、設計員等角色。學生可以根據教師發布的教學任務，選擇產品任務物料編碼，填入訂單號、加工數量、計劃開始時間、計劃結束時間、優先級等，平臺中優先級設置為0 ～99，數值越高越優先制造，用于實際制造中的緊急訂單、增補訂單等。通過該平臺的訓練，學生不僅能夠體會到不同的崗位（設計、工藝、制造、質量、維護、組織管理等）的角色及相應職責，而且可以加深對企業資源計劃ERP的原理和方法的理解。

以機械學院2020 級本科生的加工中心實訓教學為例，課堂共有40 人，分成10 個小組，加工對象以渦噴發動機的壓氣輪為例，課程目標是學生在立體倉庫中領取毛坯、圖紙、量具、刀具，按照圖紙，利用3DCAPP工藝設計中的子模塊3DMPS 分組完成壓氣輪的工藝設計，利用UG軟件完成刀軌設計，使用后處理軟件完成G 代碼生成，并上傳至加工中心、操作加工中心完成實物制作、利用帶無線傳輸的游標卡尺和千分尺完成實物檢測和數據上傳。

可視化管控平臺根據各種加工消耗計算生產成本，加工結束后零件經過學生手工測量，數據通過藍牙傳回平臺，平臺可以從加工程序管理、加工數據統計分析、機床效能統計分析、設備預約管理、工藝參數實時監控、車間級別基礎數據維護等可視化報表，同時平臺將檢測數據形成樣本，建立控制圖模板，結合歸納規則實時進行統計過程控制，教師可通過登錄后臺下載打印SPC分析及單組成本分析報告，成本分析報告如圖5 所示。

圖5 成本分析報告

平臺也可以匯總數據，形成所有小組成本分析布局圖和整體質量情況匯總，學生也可在前端登錄閱覽，通過可視化的質量分析、成本分析，讓學生反思學習方法，讓教師反思教學環節更有針對性，從而提升加工中心實訓教學的技術水平和管理水平，如圖6 所示。

圖6 成本分析和質量統計匯總

可視化管控平臺運行時通過RFID 技術、各類傳感器獲取到工程實訓數據庫內的信息，如學生名單、所在小組、程序預計時間、零件、加工、計劃、物料、庫存、質量、成本數據，并對加工中心實訓車間的各類生產信息進行可視化展示，生成可視化看板如圖7 所示。平臺極大地提升了傳統工訓課堂的信息化、智能化程度，提升了工訓實踐的真實程度，為同學們真刀實槍的實踐提供了環境條件。

5 結 語

可視化制造管控平臺建成以來極大地豐富了工程實訓教學手段，改變了傳統的單獨工種學習或者人工串聯工種的局面。從市場用人需求出發，從新技術發展需求出發，建立了智能化的管控、追溯機制，使制造系統和加工數據可視可查，形成了伴隨產品全生命周期的實訓加工要素管控和質量記錄體系，優化了工程訓練課程體系

可視化制造管控平臺的建成為實訓室智能制造人才培養夯實了基礎。平臺通過制造調度執行、制造過程管理、數據收集，讓學生在產品全生命周期中參與扮演各類角色，對現代企業信息化、智能化的生產管理系統有更深刻的印象。通過實際的制造管控平臺實踐訓練，感受信息化、可視化現代生產制造模式，深層次的認識和理解智能生產管控系統的相關理論和技術，為制造強國戰略的實施提供可行方案，為智能制造人才隊伍建設和發展打下了良好的基礎。