基于物聯(lián)技術(shù)的快速可重構(gòu)三維數(shù)字化車間

張大舜，苗立琴，高小嬌，姜繼春，崔萬(wàn)瑞，李福坤

(中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)第五五研究所，吉林 長(zhǎng)春 130012)

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基于物聯(lián)技術(shù)的快速可重構(gòu)三維數(shù)字化車間

張大舜，苗立琴，高小嬌，姜繼春，崔萬(wàn)瑞，李福坤

(中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)第五五研究所，吉林 長(zhǎng)春 130012)

摘要：針對(duì)某軍工企業(yè)機(jī)加車間制造過(guò)程中資源利用率低、生產(chǎn)效率低和信息采集能力差等問(wèn)題，開展了可重構(gòu)三維數(shù)字化車間體系結(jié)構(gòu)、物聯(lián)技術(shù)、制造資源重構(gòu)、車間動(dòng)態(tài)調(diào)度與監(jiān)控、車間制造執(zhí)行系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用等內(nèi)容研究，建立了三維可重構(gòu)數(shù)字化示范車間，提高了資源的綜合利用率及計(jì)劃履約率。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)技術(shù)；資源重構(gòu)；制造執(zhí)行系統(tǒng)；全三維模型

隨著企業(yè)軍品品種和數(shù)量逐年增加，其機(jī)加過(guò)程呈現(xiàn)出多品種研制、批次生產(chǎn)轉(zhuǎn)換頻繁等特點(diǎn)。目前，在生產(chǎn)中存在如下問(wèn)題：1)生產(chǎn)指揮效率有較大提升空間，排產(chǎn)工作依靠簡(jiǎn)單排產(chǎn)系統(tǒng)，對(duì)于種類繁多的產(chǎn)品排產(chǎn)準(zhǔn)確性不夠，作業(yè)方案可控性差；2)制造資源管理落后，數(shù)控設(shè)備、工裝等資源的狀態(tài)缺乏控制，難以充分地進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃與管理；3)數(shù)據(jù)獲取實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性較差，主要通過(guò)手工獲取，以各種表單記錄生產(chǎn)信息，信息傳遞慢且容易出錯(cuò)；4)尚未實(shí)現(xiàn)基于全三維模型的設(shè)計(jì)、工藝和制造的系統(tǒng)集成，以二維工藝為手段，制約工藝設(shè)計(jì)、資源配置及生產(chǎn)管理的效率。因此，迫切需要針對(duì)產(chǎn)品的生產(chǎn)現(xiàn)狀，研究制造執(zhí)行過(guò)程信息采集跟蹤、基于全三維信息模型的資源優(yōu)化配置、數(shù)字化車間作業(yè)動(dòng)態(tài)調(diào)度與執(zhí)行過(guò)程監(jiān)控等技術(shù)，提高資源利用率及生產(chǎn)管理效率。

1總體方案

基于物聯(lián)技術(shù)的快速可重構(gòu)三維數(shù)字化車間的總體方案如圖1所示。在企業(yè)已有數(shù)字化系統(tǒng)基礎(chǔ)上，開展數(shù)字化車間體系結(jié)構(gòu)研究，構(gòu)建覆蓋工藝設(shè)計(jì)與準(zhǔn)備、生產(chǎn)制造、質(zhì)量檢驗(yàn)與管理的三維數(shù)字化車間[1]；開展車間物聯(lián)技術(shù)研究，從二維碼信息采集跟蹤與數(shù)控機(jī)床集成聯(lián)網(wǎng)入手，完成數(shù)據(jù)采集、處理與控制[2]；開展基于全三維模型的制造資源快速重構(gòu)技術(shù)研究，建立可重構(gòu)制造資源的優(yōu)化配置平臺(tái)；根據(jù)產(chǎn)品制造流程，設(shè)計(jì)開發(fā)面向軍品機(jī)加車間的快速制造執(zhí)行系統(tǒng)[3-4]，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化并實(shí)施有效的管理與控制。

2基于物聯(lián)技術(shù)的可重構(gòu)三維數(shù)字化車間體系結(jié)構(gòu)

針對(duì)目前研制中全三維的工藝與制造之間不能實(shí)現(xiàn)快速協(xié)同、數(shù)據(jù)鏈路沒(méi)有打通和信息采集滯后等現(xiàn)狀，結(jié)合車間現(xiàn)有的制造體系，開展跨工藝部門、質(zhì)量部門和生產(chǎn)車間的數(shù)字化技術(shù)研究，并建立工程數(shù)據(jù)庫(kù)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

1)數(shù)字化車間集成接口技術(shù)。數(shù)據(jù)集成主要包括現(xiàn)場(chǎng)制造數(shù)據(jù)采集層、現(xiàn)場(chǎng)制造數(shù)據(jù)模型層、制造執(zhí)行系統(tǒng)核心功能層、系統(tǒng)支撐層、用戶界面層以及包括3D-CAPP、PDM和ERP等系統(tǒng)的其他系統(tǒng)應(yīng)用層。數(shù)據(jù)采集主要通過(guò)DNC/MDC系統(tǒng)、二維碼采集設(shè)備和智能工業(yè)手持終端，完成對(duì)車間制造現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的全面采集。

2)數(shù)字化車間工程數(shù)據(jù)庫(kù)規(guī)劃與建立。建立統(tǒng)一的數(shù)字化車間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，規(guī)劃數(shù)字化車間數(shù)據(jù)管理的集成數(shù)據(jù)庫(kù)體系結(jié)構(gòu)，完成系統(tǒng)執(zhí)行層對(duì)數(shù)據(jù)的集中存儲(chǔ)管理，保證數(shù)據(jù)的一致性和完整性。

圖1　基于三維模型的資源重構(gòu)與快速制造系統(tǒng)總體方案

3)數(shù)字化車間標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。采用相應(yīng)的國(guó)標(biāo)、國(guó)軍標(biāo)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合數(shù)字化協(xié)同管理機(jī)制，重點(diǎn)開發(fā)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)編碼規(guī)范和編碼系統(tǒng)、數(shù)字化車間信息系統(tǒng)運(yùn)行與維護(hù)管理規(guī)范和機(jī)加過(guò)程快速響應(yīng)制造執(zhí)行系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)施規(guī)范等[5]。

3基于安全保密要求的數(shù)字化車間物聯(lián)技術(shù)

在分析機(jī)加車間現(xiàn)有數(shù)字化系統(tǒng)面臨問(wèn)題的基礎(chǔ)上，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)數(shù)字化車間相關(guān)技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)從生產(chǎn)訂單下達(dá)至產(chǎn)品完成整個(gè)制造過(guò)程的精確、及時(shí)采集。從安全保密要求出發(fā)，車間未實(shí)施RFID及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸，通過(guò)二維碼及有線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)葘?shí)現(xiàn)車間資源物聯(lián)。

3.1基于二維碼的信息采集跟蹤技術(shù)

通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)物料信息進(jìn)行標(biāo)識(shí)，通過(guò)在物料與工裝自身或批次流轉(zhuǎn)卡上加載二維條碼，使其能夠被條碼掃描槍與智能工業(yè)手持終端等2種設(shè)備識(shí)別。通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)的方式將采集數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)終端進(jìn)行處理?；诙S碼的信息采集跟蹤示意圖如圖2所示。

圖2　基于二維碼的信息采集跟蹤示意圖

3.2數(shù)控機(jī)床集成聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

DNC系統(tǒng)采用基于32位嵌入式系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)終端，每臺(tái)數(shù)控設(shè)備配置一套聯(lián)網(wǎng)終端，通過(guò)獨(dú)立的通信通道進(jìn)行與NC程序服務(wù)器的傳輸操作(見(jiàn)圖3)；MDC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)車間生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)采集，通過(guò)可視化方式反饋設(shè)備執(zhí)行任務(wù)情況、設(shè)備加工狀態(tài)等信息。

圖3　DNC系統(tǒng)軟件示意圖

4基于MBD的制造資源快速重構(gòu)技術(shù)

根據(jù)產(chǎn)品全三維模型，進(jìn)行產(chǎn)品特征與加工特征分析，建立面向制造車間的資源模型，設(shè)計(jì)資源配置方法及算法，進(jìn)行可用制造資源的搜索、評(píng)價(jià)和優(yōu)化選擇，實(shí)現(xiàn)制造資源的優(yōu)化配置[6-7]。

4.1基于MBD的資源重構(gòu)建模技術(shù)

根據(jù)產(chǎn)品三維模型，進(jìn)行產(chǎn)品特征與加工特征分析。以有限制造資源為約束，根據(jù)生產(chǎn)要求實(shí)現(xiàn)各類加工設(shè)備及刀、夾、量和輔等制造資源的快速選擇與配置。針對(duì)可選資源進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化處理，進(jìn)而通過(guò)選擇與配置策略進(jìn)行資源的快速重構(gòu)。

4.2可重構(gòu)制造資源的優(yōu)化配置

分析零件特點(diǎn)，研究資源快速配置的算法，根據(jù)任務(wù)的變化進(jìn)行快速的重構(gòu)調(diào)整，建立加工工藝與加工資源的模型，實(shí)現(xiàn)兩者匹配，進(jìn)而對(duì)資源組合效果進(jìn)行綜合評(píng)估。

5車間任務(wù)動(dòng)態(tài)調(diào)度與過(guò)程優(yōu)化技術(shù)

應(yīng)用任務(wù)調(diào)度技術(shù)，將計(jì)劃部門下達(dá)的生產(chǎn)任務(wù)細(xì)分為車間作業(yè)計(jì)劃和單元內(nèi)設(shè)備具體班次的加工任務(wù)，并根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)的作業(yè)調(diào)度與調(diào)整。通過(guò)仿真手段驗(yàn)證生產(chǎn)線資源配置及任務(wù)調(diào)度方案，模擬實(shí)際生產(chǎn)效果，進(jìn)行方案優(yōu)化。

5.1基于生產(chǎn)線仿真的過(guò)程優(yōu)化技術(shù)

應(yīng)用生產(chǎn)線仿真工具對(duì)具體生產(chǎn)線資源配置情況、生產(chǎn)線規(guī)劃與布局的合理性及其調(diào)度方案的可行性進(jìn)行驗(yàn)證與效果分析。建立生產(chǎn)線模型，進(jìn)行物流和生產(chǎn)調(diào)度仿真，對(duì)瓶頸設(shè)備進(jìn)行分析，為生產(chǎn)線規(guī)劃與生產(chǎn)調(diào)度計(jì)劃的制定與調(diào)整提供可靠依據(jù)。

5.2作業(yè)動(dòng)態(tài)調(diào)度與執(zhí)行過(guò)程監(jiān)控

對(duì)于生產(chǎn)過(guò)程的調(diào)度問(wèn)題，采用優(yōu)先規(guī)則進(jìn)行排序，對(duì)于作業(yè)計(jì)劃在執(zhí)行過(guò)程中的各種變化，如急件插入、分批、交貨期調(diào)整、廢品重投、設(shè)備故障和維修等，需要數(shù)字化車間動(dòng)態(tài)調(diào)度技術(shù)支持，以便在突發(fā)事件出現(xiàn)后，能根據(jù)資源狀態(tài)，對(duì)任務(wù)重新展開計(jì)劃調(diào)度，以確保計(jì)劃目標(biāo)的完成。

任務(wù)執(zhí)行過(guò)程監(jiān)控通過(guò)人機(jī)交互和自動(dòng)采集相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)，能夠?qū)崟r(shí)、有效地采集生產(chǎn)過(guò)程中設(shè)備、物料和人員的工況信息，對(duì)采集的實(shí)時(shí)工況數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，以圖表的形式表達(dá)設(shè)備、物料以及人員的生產(chǎn)狀況。

6面向制造車間的快速制造執(zhí)行系統(tǒng)技術(shù)

6.1快速制造執(zhí)行系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

制造執(zhí)行系統(tǒng)是用于計(jì)劃、調(diào)度和組織生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)制造資源的軟件系統(tǒng),其范圍涵蓋生產(chǎn)訂單從投產(chǎn)到產(chǎn)品產(chǎn)出整個(gè)過(guò)程,其目的是優(yōu)化資源配置。系統(tǒng)由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與信息交互層、MES業(yè)務(wù)功能層、系統(tǒng)集成框架和數(shù)據(jù)層等4層框架構(gòu)成。

根據(jù)制造車間對(duì)制造過(guò)程管理的需求,系統(tǒng)的核心功能主要包括制造基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、車間無(wú)紙化生產(chǎn)、生產(chǎn)過(guò)程管理與監(jiān)控、車間物料管理、質(zhì)量管理、制造資源管理、綜合查詢與分析以及系統(tǒng)管理等8項(xiàng)功能模塊。

6.2快速制造執(zhí)行系統(tǒng)軟件開發(fā)與應(yīng)用研究

該系統(tǒng)采用基于Java技術(shù)的瀏覽器/服務(wù)器/數(shù)據(jù)庫(kù)三層網(wǎng)絡(luò)信息架構(gòu)。開發(fā)人員根據(jù)具體需求分別對(duì)各層進(jìn)行設(shè)計(jì)與開發(fā)，而后統(tǒng)一部署，通過(guò)Web Server同數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。將開發(fā)的MES系統(tǒng)在數(shù)字化制造車間進(jìn)行集成應(yīng)用,達(dá)到快速配置資源、動(dòng)態(tài)調(diào)度與生產(chǎn)狀態(tài)關(guān)聯(lián)的應(yīng)用目標(biāo)?？焖僦圃靾?zhí)行系統(tǒng)軟件界面如圖4所示。

圖4　快速制造執(zhí)行系統(tǒng)軟件界面

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責(zé)任編輯鄭練

Rapidly Reconfigurable Workshop for 3D Model based on Internet of Things Technology

ZHANG Dashun, MIAO Liqin, GAO Xiaojiao, JIANG Jichun, CUI Wanrui, LI Fukun

(No.55 Research Institute of CNGC, Changchun 130012, China)

Abstract：There are problems of low resource utilization,low productivity and poor information collection in the machining workshop of defense industry enterprise. Some content including the architecture of rapidly reconfigurable workshop for 3d model, internet of things technology, resource reconfiguration and manufacturing execution system is carried out. The reconfigurable digital workshop is built. Finally, the resource utilization and planned performance rate are improved through digital manufacturing technology.

Key words:internet of things technology, resource reconfiguration, manufacturing execution system, full three model

收稿日期：2015-07-28

作者簡(jiǎn)介：張大舜(1981-)，男，副研究員，博士，主要從事設(shè)計(jì)制造一體化集成、車間數(shù)字化制造等方面的研究。

中圖分類號(hào)：TH 165

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A