李偉，陳勇彪，楊坪豪，肖耘亞，胡小龍，孟國(guó)飛

技術(shù)創(chuàng)新

復(fù)雜型材智能加工制造系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李偉1，陳勇彪1，楊坪豪1，肖耘亞2，胡小龍1，孟國(guó)飛3

（1.湖南大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410082；2.韶關(guān)學(xué)院 智能工程學(xué)院，廣東 韶關(guān) 512005；3.佛山市鐳科智能設(shè)備有限公司，廣東 佛山 528231）

實(shí)現(xiàn)新一代信息技術(shù)背景下傳統(tǒng)鋁門窗幕墻型材加工行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，以應(yīng)對(duì)復(fù)雜型材加工制造存在的成本高、工序繁多等諸多挑戰(zhàn)。根據(jù)型材加工工藝流程及該行業(yè)定制化生產(chǎn)的特點(diǎn)，提出一種涵蓋網(wǎng)上下單、訂單自動(dòng)處理、機(jī)床智能加工生產(chǎn)的復(fù)雜型材智能加工制造系統(tǒng)架構(gòu)，重點(diǎn)針對(duì)自主開發(fā)的門窗幕墻型材一站式加工智能機(jī)床，研發(fā)出一套復(fù)雜型材智能加工制造系統(tǒng)。研究了加工信息數(shù)字化模型、工藝數(shù)據(jù)庫(kù)等關(guān)鍵技術(shù)。通過(guò)工藝數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)編程系統(tǒng)的搭建。結(jié)合Web Service與XML技術(shù)，研發(fā)出訂單自助處理系統(tǒng)、機(jī)床智能操作管理系統(tǒng)及其與ERP系統(tǒng)的集成互連，打通了生產(chǎn)各環(huán)節(jié)之間的技術(shù)壁壘，形成了復(fù)雜型材一體化加工工藝。實(shí)際測(cè)試表明，經(jīng)復(fù)雜型材智能加工制造系統(tǒng)一體化制造的復(fù)雜型材從接受訂單到產(chǎn)品加工完成只需40分鐘，大幅提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低了加工成本。本研究為復(fù)雜型材智能加工及其他傳統(tǒng)制造行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)提供了有益的借鑒和參考。

型材加工；制造系統(tǒng)；數(shù)據(jù)庫(kù)；加工信息；數(shù)字化模型

我國(guó)是全球最大的鋁材生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，鋁材產(chǎn)量約占世界總產(chǎn)量的40%以上，其中建筑鋁型材（門窗和幕墻兩大類）用量最多[1-2]。但是現(xiàn)有鋁門窗幕墻行業(yè)型材加工多以傳統(tǒng)產(chǎn)線為主，加工機(jī)床設(shè)備品種多、功能單一、工藝流程長(zhǎng)、用工量大、產(chǎn)線柔性化程度差、生產(chǎn)和管理困難，碎片化的非標(biāo)訂單在大規(guī)模生產(chǎn)中不被重視，屬于典型的傳統(tǒng)制造業(yè)[3]。國(guó)家“十四五”規(guī)劃綱要明確指出，要“推動(dòng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)高端化、智能化、綠色化，發(fā)展服務(wù)型制造”，并“加快壯大高端裝備產(chǎn)業(yè)”[4]。在國(guó)內(nèi)國(guó)際雙循環(huán)的戰(zhàn)略背景下，隨著國(guó)家“碳中和”“碳達(dá)峰”政策的影響，5G數(shù)字互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的來(lái)臨及人們生活水平的提高，對(duì)于個(gè)性化配置、綠色環(huán)保、高端智能門窗幕墻產(chǎn)品的需求日趨強(qiáng)烈，由此也導(dǎo)致鋁門窗幕墻產(chǎn)品呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工藝要求高、裝配精度高等特點(diǎn)[5-6]。可見，鋁門窗幕墻行業(yè)正處于轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵時(shí)期，而基于互聯(lián)網(wǎng)的柔性化、數(shù)字化、智能化加工模式是其發(fā)展的必然趨勢(shì)[7-8]。

目前關(guān)于門窗幕墻行業(yè)的轉(zhuǎn)型之路才剛起步，相關(guān)的研究文獻(xiàn)和案例也較少，但是廣大學(xué)者在紡織、汽車、生物制藥、石油化工等領(lǐng)域關(guān)于智能化轉(zhuǎn)型已經(jīng)做了大量研究，鮑勁松等[9]研究了一種面向認(rèn)知的紡織智能制造體系，該體系以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)認(rèn)知處理實(shí)現(xiàn)紡織制造過(guò)程的智能化轉(zhuǎn)型，使得紡織生產(chǎn)工藝流程得到優(yōu)化，從而有望提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，但是該研究只是停留在理論方面的研究，缺乏實(shí)際案例的支撐。Kusiak[10]概述了智能制造的關(guān)鍵特征，將數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)化、連接、資源共享、彈性和可持續(xù)理念應(yīng)用到智能加工制造中，形成了成熟的智能加工系統(tǒng)。Lenz[11]通過(guò)在制造階段利用智能產(chǎn)品內(nèi)的主動(dòng)傳感器系統(tǒng)來(lái)加強(qiáng)智能制造系統(tǒng)（SMS）的感知、傳感和控制。智能制造利用豐富的過(guò)程數(shù)據(jù)，通常由SMS（如機(jī)床）收集，以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)過(guò)程鏈中單個(gè)產(chǎn)品的精確跟蹤和監(jiān)控。陳艷霞等[12]研究了一種中藥提取車間的智能制造系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)新一代信息技術(shù)與藥品制造生產(chǎn)過(guò)程的深度融合，賦予了自身真正的智能決策能力，為實(shí)現(xiàn)整個(gè)制藥行業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)奠定了基礎(chǔ)，但是只針對(duì)系統(tǒng)各層的功能和實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行了研究，缺乏有效的案例來(lái)指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。Lu等[13]提出了網(wǎng)絡(luò)物理智能制造模型，使模型搭建和制造結(jié)果之間建立了有效鏈接，在3D打印智能制造過(guò)程得到了很好的應(yīng)用。徐凱等[14]研究了面向壓鑄車間的智能制造系統(tǒng)，介紹了該制造系統(tǒng)軟件原型的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，通過(guò)該制造系統(tǒng)軟件的實(shí)施，有效地消除了加工過(guò)程中存在的信息孤島現(xiàn)象，簡(jiǎn)化了業(yè)務(wù)流程，極大地提高了生產(chǎn)效率。該系統(tǒng)沒(méi)有考慮數(shù)據(jù)訪問(wèn)的優(yōu)化，隨著數(shù)據(jù)量的不斷增大，會(huì)出現(xiàn)運(yùn)行效率低下的情況，缺乏實(shí)際工況的檢驗(yàn)。Desmit等[15]提出了一種系統(tǒng)地識(shí)別網(wǎng)絡(luò)物理漏洞并分析其在智能制造系統(tǒng)中潛在影響的方法，采用了交叉點(diǎn)映射來(lái)識(shí)別制造業(yè)中的網(wǎng)絡(luò)物理漏洞，利用決策分析法對(duì)網(wǎng)絡(luò)物理漏洞的影響進(jìn)行分析，解決了智能制造過(guò)程中由于算法帶來(lái)的加工誤差甚至報(bào)錯(cuò)，但還未能應(yīng)用到復(fù)雜智能制造系統(tǒng)中。

文中在充分借鑒其他行業(yè)智能化轉(zhuǎn)型成功案例的基礎(chǔ)上，深入分析現(xiàn)有鋁型材門窗幕墻行業(yè)的現(xiàn)狀，瞄準(zhǔn)該傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)未來(lái)智能化生產(chǎn)趨勢(shì)，構(gòu)建門窗幕墻型材智能加工制造系統(tǒng)架構(gòu)。深入探究系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合自主研發(fā)的門窗幕墻型材一站式智能加工機(jī)床，建立從自助訂單、訂單自動(dòng)處理到智能加工生產(chǎn)的型材智能加工制造系統(tǒng)，為門窗幕墻型材加工行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)提供重要的技術(shù)支持。

1 型材智能加工制造系統(tǒng)總體框架

1.1 生產(chǎn)現(xiàn)狀需求分析

門窗幕墻型材加工生產(chǎn)包括型材供料、型材切割、角碼切割、孔的加工、五金槽口加工、銑榫、包裝入庫(kù)等環(huán)節(jié)。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)存在以下問(wèn)題：型材品種規(guī)格多，更新快，截面多變；產(chǎn)線機(jī)床多，占地面積大，能源消耗大；混排加工，管理難度大；需要工人多，且對(duì)熟練工人技能要求高；廢料、鋁灰/塵污染大。不僅如此，整個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)需要人工接單，并根據(jù)訂單要求制定相應(yīng)的生產(chǎn)計(jì)劃，即在接收訂單后還需經(jīng)過(guò)一系列中間處理環(huán)節(jié)才能進(jìn)行生產(chǎn)，這也導(dǎo)致個(gè)性化的高端需求難以得到及時(shí)響應(yīng)，而且生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備缺乏統(tǒng)一集成管控，只實(shí)現(xiàn)了單個(gè)機(jī)床的自動(dòng)化，不同設(shè)備之間難以進(jìn)行信息傳遞，存在信息孤島現(xiàn)象。由此推斷，門窗幕墻型材智能加工制造系統(tǒng)需重點(diǎn)解決以下問(wèn)題：

1）加工信息模型的建立。由于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)存在著不同信息源，因此需要制定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)對(duì)信息進(jìn)行抽象概括處理，根據(jù)信息的數(shù)據(jù)類型和種類建立標(biāo)準(zhǔn)化的信息模型，并將信息模型映射到數(shù)據(jù)庫(kù)中，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲(chǔ)和管理。

2）基于互聯(lián)網(wǎng)的管控一體化平臺(tái)系統(tǒng)的開發(fā)。將生產(chǎn)管控的各個(gè)環(huán)節(jié)集成到統(tǒng)一的平臺(tái)中進(jìn)行管理，并以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)為依托構(gòu)建工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)信息的互聯(lián)互通。

3）基于工藝數(shù)據(jù)庫(kù)的自動(dòng)編程系統(tǒng)的開發(fā)。為解決現(xiàn)有加工生產(chǎn)中過(guò)于依賴人工導(dǎo)致的生產(chǎn)效率低下及產(chǎn)品質(zhì)量難以保證的問(wèn)題，亟需建立型材加工工藝數(shù)據(jù)庫(kù)，將優(yōu)選的工藝參數(shù)存儲(chǔ)于工藝數(shù)據(jù)庫(kù)中，根據(jù)工件加工特征來(lái)實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的自動(dòng)匹配，同時(shí)結(jié)合自動(dòng)編程技術(shù)，根據(jù)優(yōu)選的工藝參數(shù)自動(dòng)生成數(shù)控代碼，進(jìn)行生產(chǎn)加工。

1.2 智能加工制造系統(tǒng)架構(gòu)

本研究充分考慮門窗幕墻型材加工行業(yè)現(xiàn)狀的特點(diǎn)，在借鑒其他行業(yè)智能化加工制造系統(tǒng)成功案例的基礎(chǔ)上，結(jié)合上述需求分析，提出針對(duì)門窗幕墻型材的智能加工制造系統(tǒng)4層架構(gòu)，如圖1所示。

1）感知執(zhí)行層：主要由部署在現(xiàn)場(chǎng)的感知設(shè)備、加工設(shè)備和信息傳輸網(wǎng)絡(luò)組成。本研究采用位移傳感器、熱電偶、視頻監(jiān)測(cè)器等感知設(shè)備，用于采集上下料位移、溫度、現(xiàn)場(chǎng)加工信息等。項(xiàng)目組自主開發(fā)了一站式智能加工機(jī)床設(shè)備，可將門窗幕墻型材各加工工序集成在一臺(tái)機(jī)床上進(jìn)行。信息傳輸方式主要包括串口通信、工業(yè)以太網(wǎng)通信、無(wú)線局域網(wǎng)通信、蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信等[16-17]，為了保證數(shù)據(jù)傳輸在復(fù)雜工況下的穩(wěn)定性以及便于同企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫連接，本研究采用工業(yè)以太網(wǎng)作為通信方式。

2）信息處理層：該層是制造系統(tǒng)中間層，由數(shù)據(jù)的分析處理和控制指令的發(fā)送兩部分功能組成，是連接企業(yè)和加工現(xiàn)場(chǎng)的樞紐，其本質(zhì)是一個(gè)運(yùn)行于加工現(xiàn)場(chǎng)的智能管控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由項(xiàng)目組自主開發(fā)，集訂單處理、控制指令生成、狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能于一身，是整個(gè)制造系統(tǒng)信息得以互聯(lián)互通的關(guān)鍵。

3）業(yè)務(wù)層：該層主要包括企業(yè)提供的相關(guān)業(yè)務(wù)，包括客戶服務(wù)、生產(chǎn)管理、物流運(yùn)輸、采購(gòu)、財(cái)務(wù)等，它們依托于企業(yè)ERP系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理，充分應(yīng)用信息技術(shù)以提高其運(yùn)作效率。此外，由于本研究使用的企業(yè)ERP系統(tǒng)和位于加工現(xiàn)場(chǎng)的智能管控系統(tǒng)是兩個(gè)獨(dú)立的管理系統(tǒng)，它們之間無(wú)法直接通信，因此，針對(duì)異構(gòu)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)兼容問(wèn)題進(jìn)行了相關(guān)研究。

4）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層：該層負(fù)責(zé)為該系統(tǒng)的正常運(yùn)作提供必要的數(shù)據(jù)支持，主要包括企業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)、工藝數(shù)據(jù)庫(kù)、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)等?？紤]到本系統(tǒng)需要頻繁與數(shù)據(jù)庫(kù)交互，對(duì)于數(shù)據(jù)庫(kù)性能要求較高，同時(shí)為了便于后續(xù)的業(yè)務(wù)擴(kuò)展，因此，使用SQL Server作為數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。

圖1 智能加工制造系統(tǒng)架構(gòu)

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 加工信息模型的建立

根據(jù)門窗幕墻型材加工實(shí)際情況，將加工信息模型分為車間總體信息、生產(chǎn)管理信息、診斷維護(hù)信息和物流管理信息4個(gè)部分，每個(gè)部分又具體劃分為靜態(tài)信息和動(dòng)態(tài)信息兩類[18]，如圖2所示。

根據(jù)上述加工信息模型建立數(shù)據(jù)表，并根據(jù)數(shù)據(jù)表將上述加工信息模型映射到關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)中。以生產(chǎn)管理信息部分為例，該部分包括產(chǎn)品、生產(chǎn)計(jì)劃、原材料、工藝參數(shù)等不同信息，在實(shí)際存儲(chǔ)過(guò)程中，每條信息都存儲(chǔ)到一張數(shù)據(jù)表中，表中聲明了變量名及變量的數(shù)據(jù)類型，同時(shí)，不同數(shù)據(jù)表之間存在一定的邏輯關(guān)系，以此構(gòu)成生產(chǎn)管理信息數(shù)據(jù)表，如圖3所示，其他部分與此相同。

將建立的數(shù)據(jù)表實(shí)例化，實(shí)例化過(guò)程中需重點(diǎn)考慮信息的編碼方式[19-20]。以生產(chǎn)管理信息模型中的產(chǎn)品信息表為例，該信息表進(jìn)行實(shí)例化的關(guān)鍵是建立一套簡(jiǎn)潔有效的字符編碼格式表征產(chǎn)品的孔位信息、榫位信息和銑斷信息等加工特征信息。本研究采用特定字符的方法，并考慮特征所在的面、特征類型、特征的幾何參數(shù)等信息對(duì)加工特征進(jìn)行表征，如孔加工的信息包括定形和定位信息，其中，孔位信息主要包括孔所在的面、孔位類型、形心坐標(biāo)等；孔形信息主要包括孔的總長(zhǎng)、總寬、倒角半徑、直徑、層屬、連筋等，按照以上順序?qū)γ恳粋€(gè)待加工的表面依次選擇不同標(biāo)識(shí)符構(gòu)成一個(gè)完整的字符串，進(jìn)而表示出一個(gè)完整的孔加工信息。

2.2 ERP系統(tǒng)與機(jī)床操作管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成

ERP系統(tǒng)和機(jī)床操作管理系統(tǒng)是兩個(gè)完全獨(dú)立的系統(tǒng)，分別處理不同來(lái)源的信息，采用的編寫語(yǔ)言、數(shù)據(jù)庫(kù)類型、數(shù)據(jù)格式等存在差異，導(dǎo)致難以直接實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之間的信息交換。目前常用的信息交換方法是基于中間件的方法[21]，由于XML語(yǔ)言具有通用性好、開放性好、獨(dú)立于平臺(tái)和應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)，在系統(tǒng)集成中采用該語(yǔ)言進(jìn)行中性文件信息的描述。考慮到Web Service是一種用于實(shí)現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)的跨平臺(tái)信息傳輸?shù)募夹g(shù)，采用Web Service與XML技術(shù)結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)ERP系統(tǒng)和機(jī)床操作管理系統(tǒng)間異構(gòu)信息的傳輸，其基本原理如圖4所示。

實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵是數(shù)據(jù)庫(kù)與XML文件的映射，主要有基于模板驅(qū)動(dòng)的映射和基于模型驅(qū)動(dòng)的映射兩種方法。由于基于模型驅(qū)動(dòng)的映射具有信息傳遞效率高、數(shù)據(jù)傳輸精確、易于編程實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)[22]，因此，采用該方法來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。該方法的關(guān)鍵在于XML文檔與數(shù)據(jù)表之間的映射，采取以下步驟建立XML文檔和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)的聯(lián)系：

圖2 加工信息模型

圖3 生產(chǎn)管理信息數(shù)據(jù)模型

圖4 ERP與機(jī)床操作管理系統(tǒng)信息傳輸原理

1）每一個(gè)數(shù)據(jù)表都和XML文件里的一個(gè)節(jié)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)；

2）數(shù)據(jù)表中的每一列對(duì)應(yīng)XML文件中的一個(gè)屬性；

3）通過(guò)數(shù)據(jù)表中的主鍵和外鍵來(lái)表示XML文檔中的子父類關(guān)系。

生產(chǎn)計(jì)劃信息的XML文檔中包含簡(jiǎn)單元素（不存在子元素）和復(fù)雜元素（存在子元素），簡(jiǎn)單元素可直接映射到數(shù)據(jù)表的列，復(fù)雜元素通過(guò)主鍵和外鍵（PK-FK）來(lái)表示不同數(shù)據(jù)表之間的關(guān)系。

2.3 基于工藝數(shù)據(jù)庫(kù)的自動(dòng)編程技術(shù)

基于工藝數(shù)據(jù)庫(kù)的自動(dòng)編程實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：首先讀取待加工工件信息文件，從中提取出加工特征信息和加工位置信息；根據(jù)加工特征信息選擇對(duì)應(yīng)的加工方式；根據(jù)不同加工方式選擇對(duì)應(yīng)的工藝參數(shù)；結(jié)合加工方式、工藝參數(shù)、加工位置等信息生成數(shù)控代碼。該自動(dòng)編程技術(shù)涉及工藝數(shù)據(jù)庫(kù)和自動(dòng)編程兩大關(guān)鍵技術(shù)。

2.3.1 工藝數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建

首先需要根據(jù)需求分析構(gòu)建工藝數(shù)據(jù)庫(kù)的概念模型，概念模型常用E-R圖，即實(shí)體-聯(lián)系圖進(jìn)行表示。本研究構(gòu)建的工藝數(shù)據(jù)庫(kù)E-R圖如圖5所示，主要包括工件、加工方式、工藝參數(shù)、刀具參數(shù)等4個(gè)實(shí)體集，每個(gè)實(shí)體集對(duì)應(yīng)著不同的屬性，不同的實(shí)體集之間存在一定的聯(lián)系，從而構(gòu)成了整個(gè)實(shí)體聯(lián)系模型[23]。

圖5 工藝數(shù)據(jù)庫(kù)E-R圖

工藝數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息主要以數(shù)據(jù)表的形式存儲(chǔ)，根據(jù)上述概念模型建立如下主要數(shù)據(jù)表：

1）用戶信息表：存儲(chǔ)用戶登陸賬號(hào)、密碼及權(quán)限等信息。

2）工藝路線表：存儲(chǔ)用于型材加工的所有加工方式，包括銑斷、銑榫、指銑和激光切割等。

3）銑斷工藝參數(shù)表：銑斷刀起刀點(diǎn)坐標(biāo)、出刀坐標(biāo)、銑斷基準(zhǔn)速度等。

4）銑榫工藝參數(shù)表：銑榫刀起點(diǎn)坐標(biāo)、終點(diǎn)坐標(biāo)、銑榫基準(zhǔn)速度、讓刀安全距離等。

5）指銑工藝參數(shù)表：指狀刀刀起刀坐標(biāo)、出刀坐標(biāo)、指銑進(jìn)給基準(zhǔn)速度等。

6）激光切割工藝參數(shù)表：存儲(chǔ)切割速度、切割功率、噴嘴距離等信息。

7）刀具信息表：存儲(chǔ)刀具代號(hào)（含刀具材料、刀具規(guī)格等）、刀具修整信息等。

工藝數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)了不同的加工方式、工藝參數(shù)、刀具參數(shù)等與加工有關(guān)的信息，在選擇相關(guān)參數(shù)時(shí)先根據(jù)訂單特征信息提取出影響加工質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)，然后利用提取出的參數(shù)自動(dòng)在數(shù)據(jù)庫(kù)中匹配。該工藝數(shù)據(jù)庫(kù)具備增減操作功能，可人為添加難以匹配的參數(shù)，以此不斷完善數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.3.2 自動(dòng)編程系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

自動(dòng)編程主要依據(jù)待加工工件信息及優(yōu)選的工藝參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備和數(shù)控程序的生成。

數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備工作主要包括加工特征信息的提取和工藝數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)。本研究使用DXF文件來(lái)存儲(chǔ)加工特征信息，該文件可由CAD軟件自動(dòng)生成，在提取加工特征信息時(shí)通過(guò)編程遍歷該文件，提取出特定標(biāo)識(shí)后面的數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過(guò)一定的數(shù)學(xué)運(yùn)算獲得圖形不同特征的起始點(diǎn)坐標(biāo)等數(shù)控編程所必須的信息[24-25]；工藝數(shù)據(jù)庫(kù)中預(yù)先存儲(chǔ)了不同特征優(yōu)選的工藝參數(shù)，根據(jù)提取出的特征在數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行匹配。

考慮到在門窗型材加工過(guò)程中的各零部件采用固定的加工方法，每一個(gè)加工方法對(duì)應(yīng)的數(shù)控程序基本格式固定，因此，采用預(yù)先設(shè)置程序段的方法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)編程。具體是以特征為主鍵設(shè)置數(shù)控程序段，形成數(shù)控程序庫(kù)，涉及到的特征參數(shù)和工藝參數(shù)使用變量替代，在使用過(guò)程中查找出加工信息數(shù)據(jù)庫(kù)中的工件加工定型定位尺寸信息和工藝數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)應(yīng)的工藝參數(shù)進(jìn)行變量賦值。

3 研發(fā)實(shí)例

在上述關(guān)鍵技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)針對(duì)自主開發(fā)的門窗幕墻型材一站式加工智能機(jī)床，研發(fā)出一套復(fù)雜型材智能加工制造系統(tǒng)，如圖6所示，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化加工制造。

圖6 門窗幕墻型材一站式加工智能機(jī)床

3.1 ERP軟件模塊

依據(jù)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)現(xiàn)有技術(shù)和管理水平，選擇門窗行業(yè)廣泛采用的專用ERP軟件，其業(yè)務(wù)架構(gòu)如圖7所示。該軟件包含供應(yīng)鏈管理、財(cái)務(wù)管理、生產(chǎn)制造、技術(shù)支持、渠道管理、條碼管理等功能模塊，符合門窗生產(chǎn)企業(yè)實(shí)際情況，也與本研究提出的智能加工制造系統(tǒng)匹配度更好。

3.2 訂單軟件模塊

根據(jù)前述需求分析研發(fā)了應(yīng)用于門窗幕墻型材加工的專業(yè)定制軟件模塊，如圖8所示。該軟件采用模塊化定制方式，預(yù)設(shè)有框、扇、梃、填充物等組件，只需要按照設(shè)計(jì)意圖組合即可，不需要相關(guān)繪圖基礎(chǔ)，同時(shí)增加了等比例縮放、實(shí)時(shí)渲染等功能，可幫助快速完成產(chǎn)品定制。

3.3 機(jī)床操作管理系統(tǒng)的開發(fā)及其與ERP集成

為實(shí)現(xiàn)對(duì)加工過(guò)程的直接管控，基于國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)了運(yùn)行于工控機(jī)上的機(jī)床操作管理系統(tǒng)（圖9），該系統(tǒng)采用C#語(yǔ)言編寫，支持windows操作系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)企業(yè)管理和現(xiàn)場(chǎng)加工之間信息交換的樞紐。根據(jù)生產(chǎn)加工的業(yè)務(wù)流程可將其主要功能劃分為系統(tǒng)設(shè)置、一鍵加工、手動(dòng)調(diào)試和診斷維護(hù)4個(gè)功能模塊，各功能模塊根據(jù)其具體功能又可劃分為若干子模塊，如圖10所示。該系統(tǒng)可根據(jù)訂單信息對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化選擇及自動(dòng)生成相應(yīng)的數(shù)控程序，該數(shù)控程序通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送實(shí)現(xiàn)對(duì)加工過(guò)程的自動(dòng)控制，采集到的加工狀態(tài)信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)匯入該系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)加工過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，相關(guān)操作界面如圖11所示。該機(jī)床操作管理系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的智能夾持、智能調(diào)焦（光刀）、智能避障、智能補(bǔ)償、智能變速/變位切割、多工位多通道智能協(xié)同、智能編程、智能監(jiān)測(cè)與潤(rùn)滑等智能化自主加工。

圖7 ERP系統(tǒng)業(yè)務(wù)架構(gòu)

圖8 訂單軟件操作界面

圖9 機(jī)床操作管理系統(tǒng)示意圖

圖10 機(jī)床操作管理系統(tǒng)功能模塊

圖11 機(jī)床操作管理系統(tǒng)界面

機(jī)床操作管理系統(tǒng)與ERP系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通過(guò)XML文件轉(zhuǎn)換，并借助Web Service調(diào)用接口實(shí)現(xiàn)信息的傳遞，其中，機(jī)床操作管理系統(tǒng)讀取XML文件信息的相關(guān)代碼如下：

TSProduceHelper.TSProductInfoEvent += TSPro-du--ceHelper_TSProductInfoEvent;

private void TSProduceHelper_TSProduc-tInfoE-v-e-n-t(

TSProductInfoArgs e)

{

SoftModel.ERP_ProcessingPlans = ModelCon-v-e-rt-H-elper

.ConvertToModel(e.ProcessingPlan).ToList();

SoftModel.ERP_ProductInfos=

ModelConvertHelper

.ConvertToModel(e.ProductInfo).ToList();

SoftModel.ERP_MachiningInfos = ModelConvert-H-elper

.ConvertToModel(e.MachiningInfo).ToList();

SoftModel.ERP_MaterialContours = ModelConvert--H--e-l-per

.Convert ToModel(e.MaterialContour).ToList();

SoftModel.ERP_TenonInfos = ModelConvertHelper

.ConvertToMo del(e.TenonInfo).ToList();

frmMaterialList.ImportERP_MaterialContours();

frmTenonInfoList.ImportERP_TenonInfos();

}

本研究在傳統(tǒng)門窗生產(chǎn)企業(yè)引入信息化技術(shù)，打通各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，大幅提高了生產(chǎn)效率，樣窗實(shí)際測(cè)試表明，從接受訂單到產(chǎn)品加工完成只需約40分鐘。而傳統(tǒng)的生產(chǎn)形式因存在諸多中間環(huán)節(jié)，不同環(huán)節(jié)之間的銜接又存在諸多不確定性因素，生產(chǎn)周期要長(zhǎng)很多。

4 結(jié)論

將“互聯(lián)網(wǎng)+”新業(yè)態(tài)模式引入傳統(tǒng)門窗幕墻型材加工行業(yè)，通過(guò)構(gòu)建加工信息數(shù)字化模型、工藝數(shù)據(jù)庫(kù)等關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)了機(jī)床智能操作管理系統(tǒng)，結(jié)合Web Service與XML技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床操作管理系統(tǒng)與ERP系統(tǒng)之間異構(gòu)信息的互聯(lián)互通，突破了網(wǎng)上下單、訂單自動(dòng)處理、機(jī)床智能加工生產(chǎn)等各環(huán)節(jié)之間的技術(shù)壁壘。實(shí)際測(cè)試表明，從接受訂單到產(chǎn)品加工完成只需約40分鐘，極大地提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率，為門窗幕墻型材加工及其他傳統(tǒng)生產(chǎn)行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)提供了有益的借鑒和參考。

[1] KAMI?LI F, TURAN C. A Study on Usability of Magnesium Oxide with Titanium Dioxide in PVC Door and Window Profiles[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2005, 159(1): 40-47.

[2] ZHONG R Y, XU Xun, KLOTZ E, et al. Intelligent Manufacturing in the Context of Industry 4.0: A Review[J]. Engineering, 2017, 3(5): 616-630.

[3] 黃圻. 鋁門窗行業(yè)形勢(shì)分析[J]. 中國(guó)建筑金屬結(jié)構(gòu), 2013(7): 28-31.

HUANG Qi. Situation Analysis of Aluminum Door and Window Industry[J]. China Construction Metal Structure, 2013(7): 28-31.

[4] 周濟(jì). 智能制造——“中國(guó)制造2025”的主攻方向[J]. 中國(guó)機(jī)械工程, 2015, 26(17): 2273-2284.

ZHOU Ji. Intelligent Manufacturing—Main Direction of “Made in China 2025”[J]. China Mechanical Engineering, 2015, 26(17): 2273-2284.

[5] LI Bo-hu, HOU Bao-cun, YU Wen-tao, et al. Applications of Artificial Intelligence in Intelligent Manufacturing: A Review[J]. Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering, 2017, 18(1): 86-96.

[6] 姚錫凡, 練肇通, 楊屹, 等. 智慧制造——面向未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)的人機(jī)物協(xié)同制造新模式[J]. 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng), 2014, 20(6): 1490-1498.

YAO Xi-fan, LIAN Zhao-tong, YANG Yi, et al. Wisdom Manufacturing: New Humans-Computers-Things Collaborative Manufacturing Model[J]. Computer Integrated Manufacturing Systems, 2014, 20(6): 1490-1498.

[7] CHU Ye-ping, PAN Lin, LENG Kai-jun, et al. Retraction Note: Research on Key Technologies of Service Quality Optimization for Industrial IoT 5G Network for Intelligent Manufacturing[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2020, 107(3): 1071-1080.

[8] SHAN Si-qing, WEN Xin, WEI Yi-gang, et al. Intelligent Manufacturing in Industry 4.0: A Case Study of Sany Heavy Industry[J]. Systems Research and Behavioral Science, 2020, 37(4): 679-690.

[9] 鮑勁松, 江亞南, 劉家雨. 面向認(rèn)知的新一代紡織智能制造體系[J]. 東華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2022, 48(2): 56-62.

BAO Jin-song, JIANG Ya-nan, LIU Jia-yu. A New Generation of Cognitive-Oriented Textile Intelligent Manufacturing System[J]. Journal of Donghua University (Natural Science), 2022, 48(2): 56-62.

[10] KUSIAK A. Fundamentals of Smart Manufacturing: A Multi-Thread Perspective[J]. Annual Reviews in Control, 2019, 47: 214-220.

[11] LENZ J, MACDONALD E, HARIK R, et al. Optimizing Smart Manufacturing Systems by Extending the Smart Products Paradigm to the Beginning of Life[J]. Journal of Manufacturing Systems, 2020, 57: 274-286.

[12] 陳艷霞. 中藥提取車間智能制造系統(tǒng)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2018.

CHEN Yan-xia. Research on Design and Key Technology of the Intelligent Manufacturing System for Chinese Medicine Extraction Workshop[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2018.

[13] LU Yan, JU Feng. Smart Manufacturing Systems Based on Cyber-Physical Manufacturing Services (CPMS)[J]. IFAC-PapersOnLine, 2017, 50(1): 15883-15889.

[14] 徐凱. 壓鑄車間智能制造系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)及開發(fā)研究[D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2017.

XU Kai. Research on Development and Architecture Design of Die-Casting Plant Intelligent Manufacturing System Software[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2017.

[15] DESMIT Z, ELHABASHY A E, WELLS L J, et al. An Approach to Cyber-Physical Vulnerability Assessment for Intelligent Manufacturing Systems[J]. Journal of Manufacturing Systems, 2017, 43: 339-351.

[16] 王立平, 張兆坤, 邵珠峰, 等. 機(jī)床制造加工數(shù)字化車間信息模型及其應(yīng)用研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2019, 55(9): 154-165.

WANG Li-ping, ZHANG Zhao-kun, SHAO Zhu-feng, et al. Research on the Information Model of Digital Machining Workshop for Machine Tools and Its Applications[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2019, 55(9): 154-165.

[17] SHEN Wei-ming, NORRIE D H. Agent-Based Systems for Intelligent Manufacturing: A State-of-the-Art Survey[J]. Knowledge and Information Systems, 1999, 1(2): 129-156.

[18] ZHOU Ming-gui, YAN Gong-xing. Performance of Ferroelectric Materials in the Construction of Smart Manufacturing for the New Infrastructure of Smart Cities[J]. Advances in Materials Science and Engineering, 2022, 2022: 1-13.

[19] CAI hong-xia, DAI ming-yu, YU Tao. Material Coding for Aircraft Manufacturing Industry[J]. Journal of Aerospace Technology and Management, 2014, 6(2): 183-191.

[20] LIANG S, RAJORA M, LIU Xian-li, et al. Intelligent Manufacturing Systems: A Review[J]. International Journal of Mechanical Engineering and Robotics Research, 2016, 7(2): 324-330.

[21] 徐愛萍, 宋先明, 徐武平. 分布式異構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)集成系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[J]. 計(jì)算機(jī)工程與科學(xué), 2015, 37(10): 1909-1916.

XU Ai-ping, SONG Xian-ming, XU Wu-ping. Research and Implementation of a Distributed Heterogeneous Database Integration System[J]. Computer Engineering & Science, 2015, 37(10): 1909-1916.

[22] SUBRAMANIAM S, HAW S C, HOONG P K. S-XML: An Efficient Mapping Scheme to Bridge XML and Relational Database[J]. Knowledge-Based Systems, 2012, 27: 369-380.

[23] 陳鵬程. 齒輪數(shù)控加工工藝數(shù)據(jù)庫(kù)開發(fā)與數(shù)據(jù)挖掘研究[D]. 合肥: 合肥工業(yè)大學(xué), 2014.

CHEN Peng-cheng. Development of Process Database for CNC Gear Machining System and Research of Data Mining[D]. Hefei: Hefei University of Technology, 2014.

[24] CHENG Kun, NI jun-fang, LV li-li, et al. Research on Automatic Programming System of High Speed Wire Cutting Machine[J]. Applied Mechanics and Materials, 2010, 43: 637-640.

[25] ZHOU Ji, LI Pei-gen, ZHOU Yan-hong, et al. Toward New-Generation Intelligent Manufacturing[J]. Engineering, 2018, 4(1): 11-20.

Design of Intelligent Processing and Manufacturing System for Complex Profile

LI Wei1, CHEN Yong-biao1, YANG Ping-hao1, XIAO Yun-ya2, HU Xiao-long1, MENG Guo-fei3

(1. College of Mechanical and Vehicle Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China; 2. College of Intelligent Engineering, Shaoguan University, Guangdong Shaoguan 512005, China; 3. Foshan Link Intelligent Equipment Co., Ltd., Guangdong Foshan 528231, China)

The work aims to realize transformation and upgrading of the traditional aluminum door and window curtain wall profile processing industry in the context of new generation information technology, to cope with the high cost, many processes and other challenges of complex profile processing and manufacturing. According to the profile processing process and the customized production characteristics of this industry, a complex profile intelligent processing and manufacturing system architecture covering online order placing, automatic order processing, and intelligent processing and production of machine tools was proposed to develop a complex profile intelligent processing and manufacturing system for self-developed one-stop processing intelligent machine tools for door and window curtain wall profiles. Key technologies such as digital model of processing information and process database were studied. Through the construction of the process database, the automatic programming system was realized. Combining Web Service and XML technologies, an order self-service processing system, a machine tool intelligent operation management system and its integrated interconnection with ERP system were developed. The technical barriers between the production links were broken and an integrated processing process for complex profiles was formed. The actual test shows that it takes only 40 minutes from the acceptance of order to the completion of product processing when the complex profile is manufactured by the integrated complex profile intelligent processing manufacturing system, which significantly improves the production efficiency and product quality and reduces the processing cost. This study provides a useful reference for transformation and upgrading of intelligent processing of complex profiles and other traditional manufacturing industries.

profile processing; manufacturing system; database; processing information; digital model

10.3969/j.issn.1674-6457.2023.02.016

TG48

A

1674-6457(2023)02-0132-10

2022-11-18

2022-11-18

國(guó)家自然科學(xué)基金（51505140）；湖南省杰出青年基金（2022JJ10010）

National Natural Science Foundation of China (51505140); Hunan Province Fund for Distinguished Young Scholars (2022JJ10010)

李偉（1983—），男，博士，副教授，主要研究智能加工制造技術(shù)及機(jī)床裝備。

LI Wei (1983-), Male, Doctor, Associate professor, Research focus: intelligent manufacturing technology and machine tool equipment.

李偉, 陳勇彪, 楊坪豪, 等. 復(fù)雜型材智能加工制造系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 精密成形工程, 2023, 15(2): 132-141.

LI Wei, CHEN Yong-biao, YANG Ping-hao, et al. Design of Intelligent Processing and Manufacturing System for Complex Profile[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(2): 132-141.