基于模具制造業(yè)的數(shù)控車間管理系統(tǒng)開發(fā)及應用

段彩云++周興蒽

摘 要：文章結合當前模具企業(yè)車間管理需求，開發(fā)一套基于模具制造業(yè)的數(shù)控車間管理系統(tǒng)MES，以解決模具制造企業(yè)的模具生產(chǎn)管理問題。本系統(tǒng)分為三大模塊：數(shù)控程序工藝管理模塊，數(shù)控程序智能DNC模塊、數(shù)控系統(tǒng)分析管理模塊。通過系統(tǒng)的運行，減輕了車間管理人員的工作量，完善了車間生產(chǎn)管理的功能，提高了生產(chǎn)管理的實時性和準確性，使車間管理更加高效。

關鍵詞：模具制造；數(shù)控車間管理系；MES

引言

為進一步推動山東工業(yè)快速發(fā)展，《山東省國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要》中明確提出，全面落實“中國制造 2025”國家發(fā)展戰(zhàn)略，推動生產(chǎn)方式向柔性、智能、精細轉(zhuǎn)變，打造擁有自主知識產(chǎn)權、精工制造水平和較高市場美譽度的山東品牌，建成全國重要的先進制造業(yè)基地。目前，機械制造業(yè)特別是模具行業(yè)面臨著更加激烈的市場競爭。企業(yè)為求生存和發(fā)展，不斷采用新技術，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)管理水平。許多大中型企業(yè)已分批、分階段引進數(shù)控機床，形成數(shù)控工段或車間。如何充分發(fā)揮這些高柔性、高效率、高精度數(shù)控設備的優(yōu)勢，是企業(yè)管理者們面臨的重要問題之一。

多年來模具制造企業(yè)的生產(chǎn)管理一直困擾著企業(yè)。模具加工的復雜性和多樣性，使得從編程到加工之間的管理更加復雜和不易。如何管理好這個影響著整個模具制造業(yè)發(fā)展的瓶頸，傳統(tǒng)的管理手段已經(jīng)無法適應現(xiàn)代模具制造企業(yè)的要求。為了適應制造業(yè)信息化發(fā)展的需要，解決模具制造數(shù)控車間管理上的難題，本課題組結合多年模具數(shù)控管理方面的知識經(jīng)驗，開發(fā)了一套基于模具制造業(yè)的數(shù)控車間管理系統(tǒng)，以解決模具制造企業(yè)的難題。

制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）與企業(yè)其他信息系統(tǒng)（如CAPP、ERP等）一起能夠通過合理的生產(chǎn)計劃、完善及時的配套以及嚴格的過程管理來縮短生產(chǎn)準備時間，提高產(chǎn)品質(zhì)量，從而提升數(shù)控機床的使用效率，因此車間層的生產(chǎn)管理與信息資源集成是企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中的重要一環(huán)。

1 MES數(shù)控車間管理系統(tǒng)整體架構

通過對模具產(chǎn)品加工整個過程進行調(diào)研和分析，可將其劃分為產(chǎn)品設計、工藝編制、數(shù)控程序編制、產(chǎn)品加工、質(zhì)量檢測、過程統(tǒng)計與分析等幾個環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的車間現(xiàn)場管理形式是訂單確定后以現(xiàn)場調(diào)度、現(xiàn)場檢查等形式，這種管理方式具有效率較低、信息傳遞實時性差、文件保存和查找不方便等問題。針對模具數(shù)控加工車間存在的問題與缺陷，通過構建加工車間控制網(wǎng)絡來實現(xiàn)車間數(shù)控機床的集中控制管理以及數(shù)據(jù)的分析與檢測，最終實現(xiàn)了數(shù)控車間管理工藝參數(shù)統(tǒng)一化、加工現(xiàn)場可視化、數(shù)據(jù)統(tǒng)計規(guī)范化。

通過網(wǎng)絡化的管理，從產(chǎn)品工藝的制定、程序生成、DNC通訊、數(shù)據(jù)的收集整理全部實現(xiàn)了統(tǒng)一管理，大大提高了加工效率，數(shù)控車間網(wǎng)絡控制管理如圖1所示。

為此，我們將模具數(shù)控車間現(xiàn)場加工各環(huán)節(jié)形成功能模塊， 設計了MES數(shù)控車間管理系統(tǒng)，主要包含三大模塊：數(shù)控程序工藝管理模塊、數(shù)控程序智能DNC模塊、數(shù)控系統(tǒng)分析管理模塊。

1.1 數(shù)控程序工藝管理模塊

數(shù)控程序工藝管理模塊主要用于改變長期以來手工書寫程序單的模式。通過自動分析CNC加工程序，將CNC程序中的參數(shù)信息自動填寫到表格中，從而避免了手工書寫程序單、效率低、不規(guī)范、容易出錯、不宜長期保存等弊端。開放的模版設置、適合各CAM后處理格式，并滿足企業(yè)的個性化要求?？商峁〤NC程序備份管理功能，能夠方便地將CNC程序及相關的工藝圖片資料發(fā)布到程序服務器上，使加工數(shù)據(jù)得到了統(tǒng)一的管理。

1.2 數(shù)控程序智能DNC模塊

數(shù)控程序智能DNC模塊是實現(xiàn)工藝卡程序單管理無紙化的解決方案?？商峁┚W(wǎng)絡下載功能，輕松下載服務器上的CNC加工程序、工藝卡、程序單等相關加工數(shù)據(jù)。在表格上直接選擇程序與機床做DNC程序通訊加工，則操作者可直觀地看到正在通訊的各項加工參數(shù)。整個通訊過程會及時地反饋到局域網(wǎng)服務器上，為本系統(tǒng)提供了實時的機床狀況及歷史加工數(shù)據(jù)。

1.3 數(shù)控系統(tǒng)分析管理模塊

在數(shù)控程序工藝管理模塊與數(shù)控程序智能DNC模塊的數(shù)據(jù)支持上，利用企業(yè)局域網(wǎng)絡，建立起來的基于web方式的監(jiān)控數(shù)控機床方式，更加方便管理人員對數(shù)控機床的全面管理。通過對數(shù)控機床通訊過程的數(shù)據(jù)采集，真實地反映了在數(shù)控機床的工作狀態(tài)。

2 數(shù)控車間管理系統(tǒng)運行

2.1 工藝管理

具有編輯、調(diào)取工藝卡及程序的功能，數(shù)控程序工藝管理模塊可改變傳統(tǒng)的操作方式，使操作更加簡單。在軟件中新建表格，讀入CAM后處理的NC程序，程序名稱可自動填寫到對應表格中。系統(tǒng)自動分析G代碼中的信息，將這些信息自動填入到表格中，無須干預。填寫出的加工參數(shù)便于真實地反映出程序的加工參數(shù)，同樣也幫助編程員校核程序。同時工藝卡圖形區(qū)域具有插入圖片、兼容通用圖片格式，按照圖框區(qū)域自動適應大小、居中圖片翻白、抓圖功能，圖片插入文本、圖形、尺寸標注、箭頭、圖框等。同時軟件可搜索出來豐富的工藝信息包括：文件名稱、刀具參數(shù)、加工余量、切削速度、主軸轉(zhuǎn)速、Z向切深、加工時間、XY的加工范圍、開放的模版設置等。

2.2 智能DNC

機床操作員可直接在程序單界面操作程序，做DNC通訊、可以進行單段程序的DNC通訊或任意選擇多段程序進行DNC通訊。DNC通訊適合大多數(shù)控制系統(tǒng)以及R232串口的DNC通訊方式。本系統(tǒng)具有專業(yè)的通訊界面，通訊端口的設置，當前程序的坐標值、進度條、時間狀態(tài)等參數(shù)，操作員可實時了解程序通訊狀態(tài)。通訊現(xiàn)場日志文件，幫助分析整個零件的加工過程，分析事故原因和責任，并為數(shù)控機床的網(wǎng)絡管理提供數(shù)據(jù)管理客戶端服務。

對于加工中心程序通訊有獨特的管理方式，模具的數(shù)控加工和程序的調(diào)整是經(jīng)常的。如果在CAM軟件中將刀具軌跡合并輸出一個大的文件，無論在調(diào)整和管理上都不方便，本系統(tǒng)可以解決這方面的問題，程序還是依照傳統(tǒng)的單段程序進行后處理，數(shù)控程序智能DNC模塊可以直接選擇多段程序與機床進行DNC通訊，通訊過程還可以選擇單段程序傳輸完畢暫停和連續(xù)傳送的方式。

2.3 數(shù)據(jù)分析管理

實現(xiàn)數(shù)控車間加工信息的監(jiān)管及決策，在軟件運行時將車間加工的詳細資料信息數(shù)據(jù)傳送到服務器進行監(jiān)管及分析；當網(wǎng)絡不通或服務器沒有正常運行時，通訊系統(tǒng)將把相應數(shù)據(jù)暫存儲到機床通訊電腦的相應數(shù)據(jù)庫中。一旦服務器可以連通，系統(tǒng)將把未能傳送到服務器的數(shù)據(jù)從本機傳送到服務器的數(shù)據(jù)庫中，保證整個車間統(tǒng)計數(shù)據(jù)的有效性。

（1）實時監(jiān)控

本設計MES可以在企業(yè)內(nèi)部任何一臺局域網(wǎng)電腦通過身份驗證進入系統(tǒng)。可以監(jiān)控到系統(tǒng)指定的NC機床的實時生產(chǎn)情況：包括每臺機床實時的加工狀態(tài)、每臺機床當前的操作人員是誰、每臺機床的當前加工的是哪個零件、當前加工零件的編程人員是誰、每臺機床當前的加工零件的理論應用工時是多少等。在實時監(jiān)控時，可以設置頁面是否自動刷新及刷新周期或手工刷新，并將機床不同的狀態(tài)以不同的顏色區(qū)分開。

（2）統(tǒng)計分析

統(tǒng)計分析功能可對所有機床的加工數(shù)據(jù)信息進行綜合的統(tǒng)計，包括：每臺機床在一段時間內(nèi)的總的實際加工時間、停工時間、閑置時間、準備時間、利用率、加工效率等。在時間選擇控制上，用戶可以自己設定一個時間段，或直接應用系統(tǒng)的某年、某月、某周、某日等功能直接察看相應時間段的數(shù)據(jù)。在機床的選擇上，用戶可以選擇全部機床或只選擇一臺機床。系統(tǒng)會根據(jù)用戶選擇產(chǎn)生的數(shù)據(jù)產(chǎn)生相應的匯總報表，并以餅圖及圖列說明非常直接地顯示給用戶，供用戶查看。

（3）數(shù)據(jù)查詢

數(shù)據(jù)查詢功能主要是對加工數(shù)據(jù)信息進行查詢，在服務器數(shù)據(jù)庫中記錄著每臺機床的所有加工日志數(shù)據(jù)信息。通過它，管理人員可以查看每臺機床的歷史加工情況的詳細信息。

3 數(shù)控車間管理系統(tǒng)應用

本設計MES開發(fā)的數(shù)控車間管理系統(tǒng)在海爾模具、屹豐模具等數(shù)控車間中得到了應用。在使用數(shù)控車間管理系統(tǒng)之前，產(chǎn)品主要以注塑模和沖壓模為主。產(chǎn)品存在多樣性，結構復雜、精度要求高等特點。日常生產(chǎn)任務較重，特別是在產(chǎn)品銷售旺季，更需要生產(chǎn)車間能夠保證生產(chǎn)效率。因此目前的車間管理方式明顯落后于企業(yè)生產(chǎn)的需求，主要存在以下問題：車間資源管理不規(guī)范，導致生產(chǎn)準備時間長，生產(chǎn)效率低下；數(shù)控加工程序運行效率不穩(wěn)定，人為因素較多，特別是夜班生產(chǎn)，機床進給率成倍下降，停機停工現(xiàn)象普遍；企業(yè)在管理上沒有手段和數(shù)據(jù)說明問題，只有盲目地增加設備和人員，無形地增加了企業(yè)的生產(chǎn)成本，減弱了競爭力，長時間的發(fā)展最終要被管理完善、成本低、效率高的企業(yè)所淘汰。

針對上述企業(yè)存在的問題，本文設計了數(shù)控車間管理系統(tǒng)MES，規(guī)范了企業(yè)工藝及編程部門在統(tǒng)一系統(tǒng)平臺下，實現(xiàn)了程序電子化管理；減少了程序單工藝文件差錯，提高了效率和產(chǎn)品的合格率。通過DNC通訊的加工數(shù)據(jù)采集，生產(chǎn)管理部門每日都可以得到車間內(nèi)的數(shù)控設備的生產(chǎn)效率、機床利用率等重要的管理數(shù)據(jù)統(tǒng)計，從而更加科學地針對問題加強管理，提高了車間的數(shù)字化管理水平和生產(chǎn)效率。

4 結束語

數(shù)控車間管理系統(tǒng)MES操作簡單、直觀、易于理解，通過系統(tǒng)的運行，減輕了車間管理人員的工作量，完善了車間生產(chǎn)管理的功能，提高了生產(chǎn)管理的實時性和準確性，使車間管理更加高效。

參考文獻

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作者簡介：段彩云（1979-），女，山東煙臺人，副教授，碩士，研究方向：先進制造技術。