吳青長(zhǎng)

摘要：系統(tǒng)介紹了智能加工站（IMS）技術(shù)及產(chǎn)品特點(diǎn)、功能和關(guān)鍵技術(shù);基于IMS技術(shù)，提出了智能生產(chǎn)管控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和功能實(shí)現(xiàn)。

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(guān)鍵詞：智能加工站;智能排產(chǎn)算法;工序整合;管控系統(tǒng)

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(shù)集多工序、多工位加工制造單元于一體。IMS通過(guò)控制中心集成的“生產(chǎn)管控系統(tǒng)”結(jié)合企業(yè)ERP、PLM、MES等信息化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)從優(yōu)化排程、物料準(zhǔn)備、加工制造、質(zhì)量檢驗(yàn)到成品輸出的完整制造序列任務(wù)。智能加工站具有小批量、定制化的柔性化數(shù)字生產(chǎn)特點(diǎn)，在降低人力成本、工序優(yōu)化的同時(shí)提高生產(chǎn)效率。通過(guò)智能加工站（IMS）的生產(chǎn)管控系統(tǒng)研究及與航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件等生產(chǎn)企業(yè)的ERP、MES、獨(dú)立工作站之間的協(xié)同，實(shí)現(xiàn)縱向一體化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)小批量、定制化的柔性化數(shù)字生產(chǎn)，在降低人力成本、工序優(yōu)化的同時(shí)提高生產(chǎn)效率[1]。

1 ?IMS特點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)

1.1 IMS工作特點(diǎn)、功能

隨著工業(yè)4.0、中國(guó)制造2025興起，航空制造企業(yè)也順應(yīng)國(guó)家制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)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(shè)備自動(dòng)化程度、批量生產(chǎn)、降低制造成本為導(dǎo)向，采用引入大量工業(yè)機(jī)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(yuǎn)低于預(yù)期。MES-自動(dòng)化（PLC）或MES-DNC-PLC（ROBOT）架構(gòu)，側(cè)重生產(chǎn)任務(wù)的下發(fā)、生產(chǎn)結(jié)果的反饋以及機(jī)床狀態(tài)（維護(hù)，故障等）的方式，主要應(yīng)用于整線或整線群。MES-SCADA-PLC（ROBOT）架構(gòu)，主要應(yīng)用于SPC站或者自動(dòng)化PLC（ROBOT）不統(tǒng)一的多站點(diǎn)（機(jī)床）環(huán)境。MES-自動(dòng)化（PLC）或MES-DNC-PLC（ROBOT）架構(gòu)不對(duì)MES任務(wù)單進(jìn)行系統(tǒng)分解排產(chǎn)、不具備站點(diǎn)之間協(xié)同匹配能力、機(jī)床程序無(wú)法滿足PLM到機(jī)床的一致性、無(wú)法進(jìn)行大批量在線刀具夾具管理管理。與PLM-ERP-MES-“管控系統(tǒng)”-ROBOT架構(gòu)，存在本質(zhì)區(qū)別。

智能加工站（IMS）主要針對(duì)小批量、多品種、定制化、柔性化的機(jī)加工需求，多應(yīng)用于航空航天等行業(yè)，如：作動(dòng)器、閥體組件、葉片等的加工制造。IMS結(jié)合數(shù)據(jù)聚合、數(shù)字協(xié)同、智能識(shí)別、精益控制等技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)智能排產(chǎn)、程序分發(fā)、刀庫(kù)擴(kuò)展、刀具管理、夾具管理、質(zhì)量管理、生產(chǎn)KPI能源管理、人員管理以及數(shù)據(jù)管理等功能。

某種IMS產(chǎn)品功能參數(shù)表如表1所示。

例如，一套航空航天作動(dòng)筒關(guān)鍵零件有三部分組成，每個(gè)零件有6-11道工序，合計(jì)31道工序。由于材料與性能特殊，工序用時(shí)（節(jié)拍）從2分鐘到2小時(shí)不等，原材料需要間隔不一;工裝夾具、刀具分散，雖然ERP、MES進(jìn)行管理，但需要大量人工進(jìn)行維護(hù)及周轉(zhuǎn);工序間加工程序不同，程序的導(dǎo)入及版本升級(jí)，無(wú)法與PLM同步，需要專業(yè)技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比測(cè)試;ERP訂單以批量套數(shù)方式分發(fā)至MES，MES經(jīng)過(guò)分解，再以月計(jì)劃套數(shù)方式分配到線端，無(wú)法進(jìn)行優(yōu)先定制化排產(chǎn);引入機(jī)器人單工序效率提高，但前后工序無(wú)協(xié)同，工序節(jié)拍差異，后工序設(shè)備只能以前序周轉(zhuǎn)輸出量進(jìn)行臨時(shí)排產(chǎn)，設(shè)備開動(dòng)率底下等等，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際問(wèn)題是阻礙高效率生產(chǎn)的主要原因。

基于以上分析，以“機(jī)器換人”理念的技術(shù)升級(jí)改造主要解決的是單站高人工成本問(wèn)題，而實(shí)際面臨的問(wèn)題是PLM-EPR-MES-ROBOT全環(huán)節(jié)的“軟件”協(xié)同問(wèn)題，是精益生產(chǎn)管理軟件化，智能排產(chǎn)、工序整合、小批量、定制化、柔性化生產(chǎn)的問(wèn)題。智能管控系統(tǒng)正是這樣一套軟件系統(tǒng)，存在于MES與ROBOT之間。對(duì)MES訂單進(jìn)行解析，依據(jù)交期前后、原材料、刀具、夾具、工序節(jié)拍、機(jī)床狀態(tài)等進(jìn)行智能匹配，排列出適宜的生產(chǎn)序列;對(duì)線內(nèi)刀具進(jìn)行壽命自動(dòng)評(píng)估，提前進(jìn)行生產(chǎn)預(yù)判并反饋到MES/ERP系統(tǒng);對(duì)工序夾具進(jìn)行智能庫(kù)管理，依據(jù)工序自動(dòng)調(diào)度夾具更換;管控系統(tǒng)實(shí)時(shí)同步PLM內(nèi)的加工程序，自動(dòng)進(jìn)行導(dǎo)入與升級(jí)，并進(jìn)行多重校驗(yàn);根據(jù)生產(chǎn)序列自動(dòng)調(diào)度ROBOT進(jìn)行協(xié)同生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)由生產(chǎn)管理到自動(dòng)控制的一套完成管控體系——PLM-ERP-MES-“管控系統(tǒng)”-ROBOT[2]。

1.2 IMS關(guān)鍵技術(shù)

IMS關(guān)鍵技術(shù)在于智能排產(chǎn)算法和加工程序與刀具、夾具緩存庫(kù)管理技術(shù)。一個(gè)零件工序的投入生產(chǎn)，涉及到前期物料準(zhǔn)備、刀具庫(kù)存、夾具庫(kù)存、加工程序的有無(wú)、零件的銷售交貨期，當(dāng)前機(jī)床狀態(tài)、刀具夾具狀態(tài)、加工剩余時(shí)間，以及后序庫(kù)存位置、后序時(shí)間間隔、機(jī)床開動(dòng)率、檢測(cè)機(jī)床的負(fù)荷等等非常復(fù)雜的因素，智能排產(chǎn)算法不僅涉及到本身的科學(xué)技術(shù)知識(shí)、還涉及到銷售策略、加工工藝、測(cè)量工藝等很多方面。加工程序與刀具、夾具緩存庫(kù)管理：由于CNC系統(tǒng)程序容量無(wú)法滿足多品種、多工序柔性化加工程序容量需要，管控系統(tǒng)就需要對(duì)來(lái)自PLM的加工程序進(jìn)行同步緩存，保持版本一致、內(nèi)容一致;管控系統(tǒng)根據(jù)進(jìn)入生產(chǎn)的產(chǎn)品自動(dòng)導(dǎo)入加工程序，并進(jìn)行多重校驗(yàn)，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(shù)量可以達(dá)到100-300套，系統(tǒng)如何保證它們之間的一一匹配也是系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。

2 ?基于IMS的生產(chǎn)管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 生產(chǎn)管控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

管控系統(tǒng)主要包括計(jì)劃管理，半、成品緩存庫(kù)管理，刀具緩存庫(kù)管理，夾具緩存庫(kù)管理，機(jī)器人調(diào)度，設(shè)備機(jī)床管控，基礎(chǔ)信息管理等幾大功能模塊。如圖1所示。

2.2 生產(chǎn)管控系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

管控系統(tǒng)計(jì)劃管理主要是接收ERP、MES下達(dá)的主生產(chǎn)計(jì)劃，按照排程算法計(jì)算出產(chǎn)品的生產(chǎn)序列。生產(chǎn)線根據(jù)生產(chǎn)序列進(jìn)行生產(chǎn)加工。系統(tǒng)同時(shí)生成物料需求、刀具需求、工裝夾具需求等，并將其同步發(fā)送到對(duì)應(yīng)的業(yè)務(wù)流程。

半、成品緩存庫(kù)管理實(shí)現(xiàn)在于管控系統(tǒng)根據(jù)零件工藝路線，生產(chǎn)序列及加工狀態(tài)，通過(guò)裝載站進(jìn)行半、成品提前入庫(kù)，根據(jù)加工生產(chǎn)排程，自動(dòng)調(diào)度零件出庫(kù)加工，加工完畢自動(dòng)調(diào)度入庫(kù)。同步MES、EPR庫(kù)存狀態(tài)。管控系統(tǒng)的刀具緩存庫(kù)管理，即管控協(xié)同根據(jù)生產(chǎn)序列，分析庫(kù)存刀具壽命，提前進(jìn)行匹配;分析機(jī)床內(nèi)刀具剩余數(shù)量進(jìn)行刀具更換;分析不同工序刀具需求，調(diào)度機(jī)器人進(jìn)行刀具調(diào)配;刀具參數(shù)協(xié)同刀具調(diào)度同步導(dǎo)入機(jī)床參數(shù)。管控系統(tǒng)提前分析庫(kù)存夾具，分解出最適合的零件工序，為計(jì)劃排產(chǎn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)夾具緩存庫(kù)管理。

管控系統(tǒng)的機(jī)器人調(diào)度，改變了孤島式機(jī)器人應(yīng)用方式，讓機(jī)器人更智能化，依據(jù)生產(chǎn)序列調(diào)度機(jī)器人進(jìn)行不同工序的不同動(dòng)作，運(yùn)用第七軸機(jī)器人或RACD進(jìn)行多機(jī)器人協(xié)同工作，進(jìn)行工件輸送、刀具更換、夾具更換。設(shè)備機(jī)床管控在于管控系統(tǒng)分析當(dāng)前工序，從PLM進(jìn)行程序同步及校驗(yàn)，自動(dòng)導(dǎo)入機(jī)床;根據(jù)刀具更換結(jié)果進(jìn)行刀具補(bǔ)償?shù)葏?shù)導(dǎo)入;配合生產(chǎn)序列自動(dòng)進(jìn)行夾具更換;實(shí)時(shí)分析機(jī)床狀態(tài)，提前預(yù)警保養(yǎng)維護(hù)，保證機(jī)床開動(dòng)率最大化[3]。

管控系統(tǒng)的排產(chǎn)系統(tǒng)及多工序協(xié)同能力，可以提高機(jī)床、機(jī)器人利用率，提高整線生產(chǎn)效率;管控系統(tǒng)的加工程序管理，零件庫(kù)、刀具、夾具庫(kù)的管理能力，可以完全實(shí)現(xiàn)小批量、定制化的柔性化生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)物流與生產(chǎn)的協(xié)同，實(shí)現(xiàn)短期無(wú)人化生產(chǎn)。

3 ?結(jié)語(yǔ)

未來(lái)5-10年，正是我國(guó)智能制造裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵期和重大機(jī)遇期。現(xiàn)如今，隨著后金融危機(jī)時(shí)代及后工業(yè)時(shí)代的到來(lái)，制造業(yè)逐步向環(huán)境友好、資源節(jié)約、綠色化、智能化、可持續(xù)發(fā)展等方向發(fā)展趨勢(shì)明顯，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家重視高端技術(shù)的應(yīng)用，竭力在智能制造裝備領(lǐng)域繼續(xù)保持傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)和世界壟斷地位。隨著我國(guó)制造業(yè)2025概念的提出，我國(guó)在傳統(tǒng)制造業(yè)升級(jí)改造、重大工程建設(shè)、重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)規(guī)劃布局、戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)扶持方面提出了更高要求。

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