劉 甲，高興宇，張宇萌

（桂林電子科技大學(xué) 廣西制造系統(tǒng)與先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004）

0 引言

隨著“中國(guó)智造2025”戰(zhàn)略的逐步實(shí)施[1]，仿真技術(shù)與信息化技術(shù)不斷地融合，制造業(yè)開始探索向智能制造升級(jí)與轉(zhuǎn)型。然而，企業(yè)在實(shí)施智能制造實(shí)踐的過程中，由于客戶對(duì)產(chǎn)品需求的多樣性增加以及長(zhǎng)篇更新迭代的速度加快，企業(yè)面臨著開發(fā)周期長(zhǎng)，交付時(shí)間短,改造費(fèi)用高昂，試錯(cuò)成本較大等問題。

制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）是一套面向制造業(yè)企業(yè)執(zhí)行層的生產(chǎn)信息化管理系統(tǒng)，它處于企業(yè)車間的中間層，是連接企業(yè)決策層和設(shè)備控制層的樞紐[2]。MES可以為企業(yè)提供包括制造過程數(shù)據(jù)管理、生產(chǎn)、計(jì)劃、生產(chǎn)調(diào)度管理、質(zhì)量管理、庫存管理、人力資源管理、采購管理、看板管理、成本管理、生產(chǎn)過程控制、上層數(shù)據(jù)集成管理模塊，底層數(shù)據(jù)集成分析模塊，是企業(yè)走向智能化的強(qiáng)有力手段。

本文以某軸類零件生產(chǎn)線為研究對(duì)象，使用VUP、西門子PLC和Robotstudio軟件對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行全方位的控制編程，設(shè)計(jì)了虛擬仿真生產(chǎn)線，最后設(shè)計(jì)開發(fā)了一套適用的MES系統(tǒng)，使同類企業(yè)向?qū)崟r(shí)化、柔性化、智能化的升級(jí)提供了前瞻性的借鑒意義。

1 零件加工工藝流程設(shè)計(jì)

軸類零件的加工表面主要是外圓表面以及常見的特形表面，因此應(yīng)該針對(duì)各種精度等級(jí)和表面粗糙度要求，選擇最合適的加工方法。由于軸類零件因階梯軸的尺寸不同，所加工的階梯軸種類眾多，因此選用一種代表性的階梯軸作為加工對(duì)象進(jìn)行研究，某階梯軸的二維圖如圖1所示。

圖1 階梯軸二維圖

原先流程主要由人工進(jìn)行作業(yè)，工作耗時(shí)較長(zhǎng)，信息記錄不便。為了適應(yīng)期智能制造，設(shè)計(jì)的該零件的加工流程為：首先進(jìn)行訂單下達(dá)，然后由AGV（Automated Guided Vehicle）小車取料，使用立體倉庫氣動(dòng)夾抓取件，取料后AGV小車返回，再由機(jī)械臂上料至環(huán)形輸送線上，環(huán)形輸送線先后輸送至數(shù)控車床和數(shù)控銑床，由機(jī)械臂將工件從環(huán)形輸送帶放置到指定加工位置，加工完成后機(jī)械臂下料送至檢測(cè)單元檢測(cè)工件是否合格，合格產(chǎn)品入庫，不合格產(chǎn)品剔除。流程如圖2所示。

圖2 零件加工流程圖

2 智能制造系統(tǒng)組成

2.1 硬件組成

根據(jù)圖2零件加工流程圖，該軸類零件智能制造單元的硬件部分主要由一臺(tái)數(shù)控車床、一臺(tái)加工中心、三臺(tái)ABB IRB7600-325-310六自由度工業(yè)機(jī)器人、一個(gè)AGV小車、一套立體倉庫、一套環(huán)形輸送線、一套直線傳送帶、電子看板、總控制臺(tái)、相機(jī)、鏡頭、氣動(dòng)夾具、加工工件、計(jì)算機(jī)等組成。利用Solidworks軟件建立了智能制造單元的三維模型如圖3所示。

圖3 SolidWorks渲染系統(tǒng)圖

2.2 軟件組成

軟件部分主要是涉及到制造單元的虛擬系統(tǒng)和生產(chǎn)線MES系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2.2.1 制造單元的虛擬系統(tǒng)

該生產(chǎn)線的虛擬系統(tǒng)是對(duì)物理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)映射[3]，所以虛擬系統(tǒng)的高精度的仿真不僅是自動(dòng)化的基石，也為智能化賦能[4]。應(yīng)用Solidworks軟件繪制出制造單元的模型，智能制造單元虛擬控制需通過VUP等軟件進(jìn)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟為：

（1）將建立好的高精度三維模型另存為3DXML格式導(dǎo)入到IRAI公司的VUP軟件中，選用自動(dòng)計(jì)算比例因子；

（2）通過西門子PLC1200軟件進(jìn)行整個(gè)生產(chǎn)線的控制和信號(hào)發(fā)送與接收，包括氣動(dòng)夾爪的工作以及環(huán)形輸送線的電機(jī)控制，還有檢測(cè)單元的直線傳送帶的控制和檢測(cè)氣缸的控制；

（3）利用RobotStudio軟件進(jìn)行機(jī)械手IRB1200的編程控制和仿真；

（4）利用它們與VUP通信（即MES系統(tǒng)通過TCP/IP協(xié)議連接PLC，然后PLC通過PLC SIM連接VUP，Robotstudio再通過ABB Gateway智能網(wǎng)關(guān)連接VUP），最后完成VUP整個(gè)智能制造生產(chǎn)線的控制運(yùn)動(dòng)仿真。機(jī)器人主要任務(wù)在智能制造單元中仿真內(nèi)容見表1。

表1 機(jī)器人子程序

該智能制造系統(tǒng)的虛擬系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)仿真圖

2.2.2 MES系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

（1）系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該MES系統(tǒng)應(yīng)用B/S（Browser/Server）架構(gòu)，使用Web前端可進(jìn)行數(shù)據(jù)的錄入與讀取[5]，使用OPC（OLE for Process Control）中間層進(jìn)行生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)采集。MES系統(tǒng)采用SSM（Spring + Spring MVC + MyBatis）技術(shù)框架，編程語言使用用JavaScript，從上到下分為展現(xiàn)層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)存貯層[6]。展現(xiàn)層采用主流的MVC（Model-View-Controller）界面架構(gòu)利用Layui設(shè)計(jì)前端界面。業(yè)務(wù)邏輯層采用Springboot框架集成，采用MySQL數(shù)據(jù)庫，便于生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)集中管理，實(shí)現(xiàn)了底層各個(gè)設(shè)備數(shù)據(jù)的管理和MES系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，大大地避免了生產(chǎn)線成為信息化的孤立地帶[7]。圖5為MES系統(tǒng)模塊的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)圖。

圖5 MES系統(tǒng)總體架構(gòu)

（2）系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

MES系統(tǒng)主要分為系統(tǒng)管理、計(jì)劃調(diào)度、生產(chǎn)計(jì)劃、物料管理、質(zhì)量管理等功能模塊。

系統(tǒng)管理。該模塊主要是來設(shè)置工作人員的權(quán)限，同時(shí)能夠查閱登錄系統(tǒng)的工作人員的信息功能，由日志查詢、用戶管理、角色管理三個(gè)模塊界面構(gòu)成。

計(jì)劃調(diào)度。是用來接收生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行排產(chǎn)，選擇生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品信息（顏色、外觀、數(shù)量等）生成作業(yè)任務(wù)書，作業(yè)任務(wù)書進(jìn)行審核之后下達(dá)控制系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)。是對(duì)生產(chǎn)調(diào)度的計(jì)劃、實(shí)施、檢查、總結(jié)活動(dòng)的管理，其中包含產(chǎn)品資料，加工單等可對(duì)工單進(jìn)行撤銷，暫停等操作，支持打印訂單功能。

生產(chǎn)計(jì)劃。該模塊主要是用來管理工序流程和加工工單狀態(tài)，能夠顯示計(jì)劃加工信息、完成信息和未完成信息的狀態(tài)。由整機(jī)產(chǎn)量，生產(chǎn)計(jì)劃量和排產(chǎn)訂單，次品率等模塊組成。

物料管理。該模塊能夠?qū)崿F(xiàn)在對(duì)原材料的出入庫管理；保證生產(chǎn)所需的物料正常及時(shí)供給，同時(shí)能夠獲取在制品的加工位置狀態(tài)信息。使用該模板能保證完成顧客的產(chǎn)品需求時(shí)，盡可能降低庫存，使企業(yè)在生產(chǎn)過程中更加高效。

質(zhì)量管理。其是在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，采集每個(gè)環(huán)節(jié)的質(zhì)量數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控每個(gè)環(huán)節(jié)的生產(chǎn)質(zhì)量，形成產(chǎn)品質(zhì)量檔案并進(jìn)行存檔。對(duì)加工過程產(chǎn)生的質(zhì)量問題能及時(shí)發(fā)現(xiàn)、處理、反饋，從而減少浪費(fèi)。

建立的MES系統(tǒng)設(shè)計(jì)界面及基于該系統(tǒng)的運(yùn)行的生產(chǎn)計(jì)劃如圖6所示。

圖6 MES系統(tǒng)界面及其生產(chǎn)計(jì)劃實(shí)例

3 總結(jié)

智能制造是“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略的重要發(fā)展方向，也是企業(yè)發(fā)展的必由之路。MES系統(tǒng)是企業(yè)信息化建設(shè)的核心，是加強(qiáng)企業(yè)管理的強(qiáng)有力手段，面對(duì)智能化生產(chǎn)線的需求。本文根據(jù)某軸類生產(chǎn)線現(xiàn)狀設(shè)計(jì)一套軸類零件智能制造生產(chǎn)線，并且運(yùn)用了西門子PLC1200和Robotstudio軟件進(jìn)行了生產(chǎn)線的輸送單元及自動(dòng)上下料單元等的控制編程，同時(shí)又與VUP軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)同步仿真，最后設(shè)計(jì)構(gòu)建了一套基于B/S架構(gòu)的MES系統(tǒng)，該系統(tǒng)已在桂林某企業(yè)成功應(yīng)用，企業(yè)由此實(shí)現(xiàn)了信息化管理，節(jié)省了企業(yè)轉(zhuǎn)型的開發(fā)成本與時(shí)間，滿足了企業(yè)快速的升級(jí)，避免了大量的反復(fù)與試制，為同類企業(yè)提供了一定的借鑒意義。