基于MES的車間三維輕量可視化工藝指導(dǎo)系統(tǒng)

李 冬，彭 慧，姜麗蘋

LI Dong1,2,PENG Hui1,JIANG Li-ping1

(1. 中國科學(xué)院 沈陽自動化研究所，沈陽 110016；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

0 引言

近年來，隨著制造企業(yè)信息化的不斷深入，很多企業(yè)實(shí)現(xiàn)了從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到工藝規(guī)劃的全三維化。然而指導(dǎo)車間生產(chǎn)的工藝文件依然停留在二維工藝階段，導(dǎo)致了產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)的脫節(jié)，需要重復(fù)錄入數(shù)據(jù)，二維工藝文件表現(xiàn)力弱等諸多不便。因此，三維工藝直接指導(dǎo)車間生產(chǎn)將是未來發(fā)展的趨勢。

目前一些企業(yè)嘗試著運(yùn)用三維可視化系統(tǒng)來指導(dǎo)車間的生產(chǎn)，但是主要存在以下一些問題：

1）成本昂貴。現(xiàn)有的三維可視化系統(tǒng)通常將三維建模軟件直接部署在車間現(xiàn)場。三維建模軟件對硬件平臺的要求很高而且本身價(jià)格昂貴，帶來很大的成本壓力，一般的中小企業(yè)很難承受。

2）CAD格式不統(tǒng)一。一些企業(yè)由于歷史原因?qū)е率褂枚喾N三維CAD設(shè)計(jì)軟件或需要加工其他企業(yè)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，此時(shí)將不同的三維設(shè)計(jì)軟件均直接部署在車間現(xiàn)場已變得不現(xiàn)實(shí)，所以需要一種支持不同三維CAD格式的文件格式來實(shí)現(xiàn)三維建模軟件的無關(guān)聯(lián)性。

3）工藝資源與車間的生產(chǎn)任務(wù)脫節(jié)。當(dāng)前系統(tǒng)工藝資源與任務(wù)規(guī)劃相互獨(dú)立，不能有效的集成，工人需要根據(jù)當(dāng)前任務(wù)去查詢相應(yīng)的工藝資源，由于很多企業(yè)生產(chǎn)種類多，批量少，很多工藝資源差別不大，很容易導(dǎo)致錯查，漏查，加重了車間加工人員的責(zé)任和負(fù)擔(dān)。

本文提出了基于MES的三維輕量可視化工藝指導(dǎo)系統(tǒng)，在提高車間管理自動化水平的基礎(chǔ)上有效的降低系統(tǒng)應(yīng)用成本。

1 三維模型輕量化技術(shù)

本文提出使用輕量化模型作為三維設(shè)計(jì)信息的展示載體，來實(shí)現(xiàn)文件輕量化及三維建模軟件的無關(guān)聯(lián)性。

圖1 CAD模型到輕量化

輕量化模型通過將CAD模型的幾何信息、參數(shù)信息、產(chǎn)品制造信息、裝配信息、零部件屬性信息等進(jìn)行提取，用壓縮算法對非結(jié)構(gòu)化的幾何信息進(jìn)行處理，同時(shí)對結(jié)構(gòu)化的標(biāo)注信息、屬性信息、裝配信息等進(jìn)行簡化提取，得到體積小、效率高、方便展示的輕量化模型（如圖1 所示）。

目前已經(jīng)有很多成熟的輕量化模型標(biāo)準(zhǔn)，例如達(dá)索公司的3Dxm1，eDrawing，Adob1e的U3D等。本文中選用eDrawing作為統(tǒng)一的輕量化格式。

eDrawings不僅是一種極度壓縮的、自行解壓和瀏覽的特殊文件，而且支持通用的CAD格式，通過安裝特定的插件可以直接從UG,So1id Edge，Inventor,AutoCAD ,CATIA ,Pro/ENGINEER 等發(fā)布eDrawings，經(jīng)發(fā)布后可在車間終端流暢的瀏覽并對三維模型進(jìn)行在線測量或剖切等查看操作（如圖2所示）。

圖2 輕量化模型的使用

通過使用輕量化模型代替原始的三維模型統(tǒng)一了異構(gòu)的CAD模型，有效地降低了數(shù)據(jù)量，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。同時(shí)輕量化模型的瀏覽對硬件要求不高，在車間通過較低配置的終端便可以方便的對輕量化的模型進(jìn)行查看，有效的降低了企業(yè)的成本負(fù)擔(dān)。

2 基于MES系統(tǒng)的功能分析

MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）是位于產(chǎn)品設(shè)計(jì)與底層工業(yè)控制之間的，面向車間層的管理信息系統(tǒng)。為操作人員和管理人員提供計(jì)劃的執(zhí)行，跟蹤以及其他資源（人、設(shè)備、物料、客戶需求等方面）當(dāng)前狀態(tài)的信息。基于MES系統(tǒng)的三維可視化技術(shù)可以更好的發(fā)揮自身的作用，利用MES對生產(chǎn)任務(wù)的規(guī)劃可以準(zhǔn)確的將工藝資源發(fā)布到相關(guān)設(shè)備上。同時(shí)通過車間可視化終端可以實(shí)時(shí)跟蹤生產(chǎn)任務(wù)的完成情況，并對生產(chǎn)過程進(jìn)行控制以及糾正，增強(qiáng)MES系統(tǒng)對生產(chǎn)的控制能力。

基于MES的三維可視化技術(shù)不僅僅是產(chǎn)品的3D模型的展示，更重要的是將產(chǎn)品生產(chǎn)過程中涉及到的全部數(shù)據(jù)信息完整的與生產(chǎn)控制過程進(jìn)行結(jié)合，從而嚴(yán)格控制生產(chǎn)過程的運(yùn)行。其中主要包含以下三個主要內(nèi)容：基于MES生成的生產(chǎn)任務(wù)規(guī)劃可以完成車間生產(chǎn)任務(wù)、工藝資源的發(fā)布以及生產(chǎn)任務(wù)完成情況的實(shí)時(shí)跟蹤等。

1）基于MES生產(chǎn)任務(wù)的自動發(fā)布。系統(tǒng)可以將MES規(guī)劃好的具體的生產(chǎn)任務(wù)下達(dá)的具體的工位或員工，替代原有的車間任務(wù)發(fā)布模式，提高車間管理的智能化，簡化管理流程。

2）基于MES生產(chǎn)工藝的自動發(fā)布。通過系統(tǒng)終端，可以將與生產(chǎn)任務(wù)對應(yīng)的工藝資源下放到對應(yīng)的員工或設(shè)備上。通過這種模型來替代原有的紙質(zhì)工藝卡片或圖紙的下放方式，減輕車間對工藝資源的管理負(fù)擔(dān)，解決了由于設(shè)計(jì)更改帶來的數(shù)據(jù)不一致問題。

三維可視化指導(dǎo)的生產(chǎn)工藝并不僅包括經(jīng)過輕量化處理的3D模型的展示，還包括數(shù)字化三維工藝卡片，工藝仿真視頻，以及物料清單等文件（如圖3所示）。

圖3 車間工藝指導(dǎo)內(nèi)容

3）基于MES生產(chǎn)任務(wù)的跟蹤。系統(tǒng)需要對工位完成任務(wù)的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，并通過終端的反饋記錄維護(hù)任務(wù)完成進(jìn)度；同時(shí)對已完成的任務(wù)進(jìn)行歸檔，為MES系統(tǒng)進(jìn)行質(zhì)量回溯，生產(chǎn)分析統(tǒng)計(jì)提供依據(jù)。

另外三維可視化系統(tǒng)還可以作為MES系統(tǒng)在車間的一個延伸，完成在線審核，物料確定等功能，完善MES對車間生產(chǎn)動態(tài)的追蹤監(jiān)控。

基于MES的可視化數(shù)據(jù)管理可以完成生產(chǎn)任務(wù)、三維輕量化工藝資源的自動化發(fā)布，從而快速，準(zhǔn)確的指導(dǎo)生產(chǎn)，改變了傳統(tǒng)生產(chǎn)任務(wù)以及工藝資源的下放模式，簡化了車間管理流程，提高了車間對新產(chǎn)品新工藝反應(yīng)的敏捷性。

3 系統(tǒng)架構(gòu)及實(shí)施

3.1 系統(tǒng)信息流圖

如果企業(yè)有完善的PDM或PLM系統(tǒng)，可以直接從PDM或PLM系統(tǒng)中提取出對應(yīng)的三維工藝資源。但如果企業(yè)產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理平臺不完善或者沒有，系統(tǒng)可以從三維CAD中提取出統(tǒng)一的三維輕量化模型，從三維CAPP中提取三維數(shù)字化工藝卡片，工藝仿真視頻以及BOM信息。通過對這些資源進(jìn)行整合綁定，存入系統(tǒng)維護(hù)的工藝資源庫中。最終基于MES平臺完成工藝媒體庫的管理，維護(hù)，根據(jù)需要將相應(yīng)的工藝資源發(fā)送到對應(yīng)的設(shè)備終端上（如圖4所示）。

圖4 系統(tǒng)的信息流圖

3.2 系統(tǒng)架構(gòu)

三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用C/S結(jié)構(gòu)，由UI 層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)庫層三部分組成（如圖5所示）。

系統(tǒng)用戶訪問層是 UI 層，即統(tǒng)一用戶界面層。包括不同的用戶角色如工藝員、車間技術(shù)人員，車間工人，車間檢驗(yàn)人員等。不同的人員有不同的權(quán)限和職責(zé)，主要包括工藝上傳，工藝更改，工藝查看以及質(zhì)量監(jiān)督等模塊，是進(jìn)行可視化指導(dǎo)的最直接界面。

系統(tǒng)的中間層是業(yè)務(wù)邏輯層。該層主要包括系統(tǒng)應(yīng)用組件與系統(tǒng)核心組件、自定義開發(fā)組件等幾個部分。系統(tǒng)應(yīng)用組件主要根據(jù)業(yè)務(wù)需求進(jìn)行數(shù)據(jù)和邏輯運(yùn)算，比如：實(shí)現(xiàn)工藝規(guī)程的編制、審批、歸檔、更改、管理。系統(tǒng)核心組件包括對象的定制、用戶的管理、產(chǎn)品生產(chǎn)過程的回溯、系統(tǒng)權(quán)限的控制、業(yè)務(wù)流程的審批及集成接口。通過業(yè)務(wù)邏輯層可以根據(jù)車間需要靈活地增加新功能，提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。

圖5 系統(tǒng)架構(gòu)圖

系統(tǒng)底層是數(shù)據(jù)庫層，包括工藝數(shù)據(jù)庫、設(shè)備數(shù)據(jù)庫、實(shí)時(shí)任務(wù)數(shù)據(jù)庫。其中工藝數(shù)據(jù)庫負(fù)責(zé)維護(hù)當(dāng)前的工藝資源，設(shè)備數(shù)據(jù)庫維護(hù)當(dāng)前可用的設(shè)備資源，實(shí)時(shí)任務(wù)數(shù)據(jù)庫維護(hù)當(dāng)前進(jìn)行的作業(yè)集合，及其完成情況。通過這些數(shù)據(jù)庫為業(yè)務(wù)邏輯層提供統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口，底層數(shù)據(jù)庫是系統(tǒng)與MES實(shí)現(xiàn)集成的數(shù)據(jù)紐帶，通過對底層數(shù)據(jù)庫的共享保證了可視化系統(tǒng)與MES系統(tǒng)數(shù)據(jù)的一致性。

圖6 系統(tǒng)工藝指導(dǎo)界面

3.3 系統(tǒng)實(shí)施及應(yīng)用

三維可視化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采用C#開發(fā)語言，基于VS2010開發(fā)工具，綜合應(yīng)用XML， Linq，WPF等技術(shù)，底層數(shù)據(jù)庫采用Sq1 Sever2008。目前該系統(tǒng)的原型已經(jīng)開發(fā)成功，正在某工廠進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試（如圖6所示為車間終端指導(dǎo)生產(chǎn)的發(fā)動機(jī)輕量化模型）?？梢灶A(yù)見，該系統(tǒng)將徹底的改變原有車間的工作方式，簡化車間管理流程，提高車間對新產(chǎn)品的反應(yīng)能力。

4 結(jié)束語

制造業(yè)的信息化，智能化將是未來的發(fā)展趨勢。文中提出的基于MES的三維輕量化可視化系統(tǒng)應(yīng)用三維輕量化技術(shù)有效地降低了系統(tǒng)的實(shí)施成本，通過與MES系統(tǒng)的集成完成了車間的三維輕量化工藝指導(dǎo)，改變了車間傳統(tǒng)工作方式，在提高了車間指導(dǎo)的生動性、準(zhǔn)確性的同時(shí)簡化了車間管理流程，提高了車間生產(chǎn)的自動化，智能化，有效地增強(qiáng)了車間生產(chǎn)的敏捷性。

[1] 鄭志男,楊建軍.三維可視化在裝配車間現(xiàn)場的應(yīng)用[J].航空精密制造技術(shù),2013(1)∶47-50.

[2] 丘宏俊,俞文靜.基于產(chǎn)品三維模型的工藝設(shè)計(jì)及其可視化技術(shù)研究[J].中國制造業(yè)信息化,2009(11)∶28-31.

[3] 常智勇,趙杰,等.裝配制造數(shù)字化研究綜述[J].航空制造技術(shù),2008,(11).

[4] 盧鵠,韓爽,范玉青.基于模型的數(shù)字化定義技術(shù)[J].航空制造技術(shù),2008(3)∶78-81.

[5] 常智勇,趙杰,等.裝配制造數(shù)字化研究綜述[J].航空制造技術(shù),2008,(11).

[6] 姜紅明,張豐華,等.MBD技術(shù)實(shí)施研究[J].制造業(yè)自動化,2012,(12).