羅龍君， 周世權(quán)，，， 孫祥仲， 張新建， 金 磊

（1.華中科技大學(xué)工程實(shí)踐創(chuàng)新中心，武漢 430074；2.文華學(xué)院機(jī)械與電子工程學(xué)部，武漢 430070；3.武漢高德信息產(chǎn)業(yè)有限公司，武漢 430068）

0 引 言

在制造強(qiáng)國戰(zhàn)略的指引下，企業(yè)通過智能制造實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級(jí)已經(jīng)成為不可抗拒的潮流。工程訓(xùn)練是高校重要的的工程實(shí)踐課之一，是工科類高校中教學(xué)規(guī)模最大、學(xué)生受眾最多的課程［1］，由此相適應(yīng)的工程訓(xùn)練中心是高校實(shí)施工程實(shí)踐教育的重要基地，是高校人才培養(yǎng)與國家產(chǎn)業(yè)需求銜接的橋梁。由于全國大部分高校工程訓(xùn)練中心都建于2010 年左右［2］，其模式繼承了傳統(tǒng)金工實(shí)習(xí)的集中裝備建立的獨(dú)立工作單元，簡稱為工種，制造信息各自封閉，成為信息孤島，實(shí)訓(xùn)教學(xué)管理主要依靠人工記錄，導(dǎo)致實(shí)訓(xùn)管理水平低下、可視化水平不足、學(xué)生難以感受現(xiàn)代制造的高效優(yōu)質(zhì)特點(diǎn)。

在這樣的背景下，構(gòu)建基于智能制造學(xué)習(xí)工廠的新工程訓(xùn)練實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)和課程體系，已經(jīng)成為工程訓(xùn)練教學(xué)改革的發(fā)展方向［3-4］。如何從龐大的工訓(xùn)數(shù)據(jù)中獲取有意義的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)高效的可視化管控，提供科學(xué)的決策支持，成為了制造工程教學(xué)中的新熱點(diǎn)。華南理工大學(xué)廣州學(xué)院以計(jì)算機(jī)軟件和智能自動(dòng)化技術(shù)為橋梁，鏈接以前獨(dú)立分割的傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)模塊如鑄造、沖壓、焊接和注塑［5］。吉林大學(xué)通過設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)管控，自動(dòng)記錄識(shí)別每一臺(tái)設(shè)備的使用者，設(shè)備的開關(guān)機(jī)記錄，以及對(duì)設(shè)備故障的報(bào)修、修理等相關(guān)信息的管理［6］。湖南大學(xué)以物聯(lián)網(wǎng)智能控制、計(jì)算機(jī)智能管控為核心，輔以業(yè)務(wù)管理平臺(tái)多樣化的功能模塊、移動(dòng)端APP、數(shù)據(jù)可視化，大數(shù)據(jù)分析等，將工程訓(xùn)練中心設(shè)備設(shè)施、實(shí)訓(xùn)管理等工作統(tǒng)一納入基于云技術(shù)的系統(tǒng)管理［7-8］。但相比其他高校而言，服務(wù)于單個(gè)智能制造裝備實(shí)訓(xùn)教學(xué)的信息化、可視化實(shí)際應(yīng)用及研究較少，研究深度和廣度也不及整個(gè)工程實(shí)訓(xùn)智能制造系統(tǒng)和企業(yè)車間的智能生產(chǎn)系統(tǒng)。

本文對(duì)加工中心實(shí)訓(xùn)教學(xué)流程進(jìn)行了詳細(xì)分析，基于CDIO教學(xué)理念，確定了加工工步管理、作業(yè)計(jì)劃管理、物流倉儲(chǔ)管理、制造執(zhí)行管理、質(zhì)量監(jiān)測管理所需的各項(xiàng)核心指標(biāo)，并進(jìn)行了功能實(shí)現(xiàn)、平臺(tái)開發(fā)及界面可視化。通過對(duì)加工中心實(shí)訓(xùn)管控平臺(tái)的實(shí)際教學(xué)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了制造實(shí)訓(xùn)教學(xué)過程中的學(xué)生、工藝、計(jì)劃、制造、質(zhì)量及物料庫存等數(shù)據(jù)的可視化應(yīng)用，為加工中心的智能化、信息化、可視化管理提供了科學(xué)有效的數(shù)據(jù)依據(jù)［9-10］，為學(xué)生提供了一個(gè)系統(tǒng)性、工程性、開放性和創(chuàng)新性的實(shí)踐平臺(tái)，構(gòu)建了早實(shí)踐、多實(shí)踐、反復(fù)實(shí)踐的體驗(yàn)式教學(xué)環(huán)境，促進(jìn)了信息技術(shù)與加工中心實(shí)訓(xùn)的深度融合。

1 管控平臺(tái)流程分析

以教學(xué)加工對(duì)象殼體、法蘭等為例，實(shí)訓(xùn)教學(xué)過程包含了工步設(shè)計(jì)、刀路軌跡設(shè)計(jì)、數(shù)控程序生成、訂單生成派工、物料領(lǐng)料、輔助工具領(lǐng)取、機(jī)床加工、檢測反饋等過程。殼體、法蘭等零件的主要制造流程涵蓋設(shè)計(jì)工序工步、零件加工、檢測報(bào)工等過程。按照流程計(jì)劃，殼體的制造主要可以分為工藝設(shè)計(jì)階段、制造執(zhí)行階段、檢測報(bào)工階段。

從CDIO的工程教育理念進(jìn)行劃分，在工藝設(shè)計(jì)階段主要是構(gòu)思和設(shè)計(jì)，包括制定殼體的加工工序，加工工序包括了推薦的加工工步，對(duì)應(yīng)的主軸轉(zhuǎn)數(shù)、進(jìn)給速度、背吃刀量、選用刀具等工藝參數(shù)。根據(jù)工藝參數(shù)選用合理的加工策略制定加工刀路，通過后處理軟件生成加工中心可執(zhí)行的G 代碼并通過管控平臺(tái)上傳到對(duì)應(yīng)機(jī)床上。制作執(zhí)行階段主要是工程實(shí)踐的實(shí)現(xiàn)階段，包括了毛坯的領(lǐng)料、量器具領(lǐng)用、加工中心設(shè)備點(diǎn)檢、訂單生成派工、安排加工中心作業(yè)任務(wù)、加工中心故障報(bào)警、剩余加工時(shí)間、當(dāng)前加工情況。檢測報(bào)工階段主要是制造作品的質(zhì)量檢測反饋、產(chǎn)出統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)決策分析。

因此，要進(jìn)一步提高加工中心的制造運(yùn)維可視化管理水平，應(yīng)針對(duì)加工中心裝備的工藝設(shè)計(jì)階段、制造執(zhí)行階段和檢測報(bào)工階段，實(shí)施信息化、精細(xì)化管理。

2 管控平臺(tái)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)加工中心裝備制造運(yùn)維可視化管理水平流程現(xiàn)狀分析，利用現(xiàn)代智能管理技術(shù)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、AR技術(shù)、人工智能和工業(yè)大數(shù)據(jù)、先進(jìn)減材制造技術(shù)，涵蓋了工程管理、3D 制造工藝設(shè)計(jì)、CAD 設(shè)計(jì)、APS 自動(dòng)排產(chǎn)、CAM程序設(shè)計(jì)、虛擬仿真加工、監(jiān)測數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)榷鄬W(xué)科知識(shí)，制定了信息化高度整合的可視化制造管控平臺(tái)整體架構(gòu)，全面實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化加工中心制造裝備的動(dòng)態(tài)感知、實(shí)時(shí)分析、自主決策和精準(zhǔn)執(zhí)行的智能制造特征。

可視化管控平臺(tái)的整體架構(gòu)如圖1 所示，分為4個(gè)層次，從下至上依次為裝備層、物聯(lián)層、執(zhí)行層、決策層。裝備層由各類加工中心、設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)、立體倉庫、工業(yè)機(jī)器人組成；物聯(lián)層由平板電腦、藍(lán)牙檢測儀器、二維碼、SCADA 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成；執(zhí)行層包括了制造執(zhí)行管理系統(tǒng)MES 和信息化軟件CAD、CAM、3DCAPP；決策層形成了生產(chǎn)決策控制塔，包括成本效益分析、SPC質(zhì)量分析、設(shè)備狀態(tài)，并用電子看板進(jìn)行動(dòng)態(tài)可視化顯示，3D電子地圖進(jìn)行仿真模擬。

方案主要實(shí)現(xiàn)以下功能：①在制造源頭，建設(shè)計(jì)算機(jī)工作站，使用3DCAPP 工藝設(shè)計(jì)軟件，采用HTTP方式集成，GET方式由3DCAPP創(chuàng)建，智能制造平臺(tái)調(diào)用，打通工藝設(shè)計(jì)與智能制造管控平臺(tái)信息交互，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)與制造執(zhí)行一體化，在具體教學(xué)上體現(xiàn)為工藝設(shè)計(jì)平臺(tái)與加工中心實(shí)訓(xùn)教學(xué)的一體化。②在出入庫管理上設(shè)計(jì)出入庫需求單和確認(rèn)單，進(jìn)出庫信息可實(shí)時(shí)更新，對(duì)即將缺貨或缺貨材料，包括刀具，量具，毛坯，圖紙等進(jìn)行預(yù)警或者報(bào)警。③在作業(yè)訂單上實(shí)現(xiàn)作業(yè)下單，訂單錄入并一鍵生產(chǎn)作業(yè)任務(wù)，作業(yè)任務(wù)派工，領(lǐng)取作業(yè)任務(wù)進(jìn)行開工，加工完成后進(jìn)行報(bào)工。④引入三軸、四軸和五軸加工中心、對(duì)刀檢測儀、工業(yè)機(jī)器人、平板電腦、立體倉庫等智能裝備，將其與信息化管理系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)集成，實(shí)現(xiàn)各設(shè)備之間的快捷高效運(yùn)行。⑤使用數(shù)據(jù)采集技術(shù)及設(shè)備，包括SCADA數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、平板電腦、二維碼、機(jī)床負(fù)載監(jiān)測、RFID對(duì)實(shí)訓(xùn)室設(shè)備、倉庫進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，涉及加工程序管理、加工數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、機(jī)床效能統(tǒng)計(jì)分析、設(shè)備預(yù)約管理、工藝參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控、裝備級(jí)別基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護(hù)等，實(shí)現(xiàn)學(xué)生制造實(shí)訓(xùn)的數(shù)據(jù)信息透明化。⑥利用AR技術(shù)，在設(shè)備上設(shè)立圖形標(biāo)識(shí)，通過平板電腦識(shí)別進(jìn)行空間定位，建立工步引導(dǎo)功能，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行操作，也可通過三維模型識(shí)別，實(shí)現(xiàn)加工指導(dǎo)視頻，輔助學(xué)生操作。⑦理清實(shí)訓(xùn)過程中的信息流傳遞邏輯，建立貫穿產(chǎn)品制造全流程的單獨(dú)二維碼流轉(zhuǎn)管理機(jī)制［11-12］，學(xué)生憑學(xué)號(hào)掃碼生成獨(dú)立的物流二維碼，該二維碼跟隨物料盒從毛坯直至工件加工檢驗(yàn)結(jié)束。⑧平臺(tái)帶異常管理功能，通過現(xiàn)場觸發(fā)、系統(tǒng)錄入、現(xiàn)場展示、異常判定、進(jìn)度跟蹤、異常分析與追責(zé)、異常關(guān)閉等流程組成。⑨帶質(zhì)量檢測模型，收集檢測數(shù)據(jù)形成樣本，通過檢測自動(dòng)生成質(zhì)檢單，并對(duì)單件工件進(jìn)行符合性判斷，具備輸出SPC 能力報(bào)告，并可掃碼打印生成質(zhì)量及成本報(bào)告。

3 管控平臺(tái)的可視化

可視化生產(chǎn)管控平臺(tái)開發(fā)的硬件環(huán)境為Intel CPU I7/6700、內(nèi)存DRR4/16 GB、固態(tài)硬盤256 GB，軟件環(huán)境為操作系統(tǒng)Windows10、數(shù)據(jù)庫MySQL8.0、主要開發(fā)工具Eclispe、Unity3D。業(yè)務(wù)信息流采用WebService進(jìn)行通信，硬件數(shù)據(jù)采集使用OPC 通信協(xié)議。

參照QJ、GB/T和ISO、IPC 等國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系，利用工程實(shí)踐創(chuàng)新中心智能制造平臺(tái)建設(shè)采購的高速高精五軸、四軸加工中心，通過部署可視化生產(chǎn)管控平臺(tái)方案，打通裝備層到?jīng)Q策層的各個(gè)關(guān)節(jié)，將CAD建模、工藝設(shè)計(jì)、訂單作業(yè)、檢測、物流傳輸與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、制造執(zhí)行系統(tǒng)、決策控制塔進(jìn)行了高度集成，實(shí)現(xiàn)了“人、機(jī)、料、法、環(huán)、測”六大制造要素的互聯(lián)互通和信息采集［13-15］。

根據(jù)平臺(tái)功能，考慮到實(shí)訓(xùn)室還有部分老式加工中心，結(jié)合加工程序管理DNC、設(shè)備數(shù)據(jù)采集SCADA、設(shè)備數(shù)據(jù)展現(xiàn)MDC、設(shè)備預(yù)約管理、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理等技術(shù)，布置的設(shè)備集成硬件架構(gòu)如圖2 所示，考慮到未來繼續(xù)引入新設(shè)備的接口擴(kuò)展性，引入基于OPC標(biāo)準(zhǔn)接口協(xié)議的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集實(shí)訓(xùn)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)系統(tǒng)支持Modbus、RS-485、RS232、GEM、CFX、OPC、ODBC等多種通協(xié)議，可執(zhí)行被動(dòng)/主動(dòng)/定時(shí)方式的數(shù)據(jù)采集［16］。

圖2 設(shè)備集成硬件架構(gòu)

平臺(tái)在流程上整體開發(fā)為工藝設(shè)計(jì)階段、制造執(zhí)行階段、檢測報(bào)工三大區(qū)業(yè)務(wù)場景，主要業(yè)務(wù)場景流程圖如圖3 所示。因工藝設(shè)計(jì)軟件由第三方訂制，并未向外提供標(biāo)準(zhǔn)接口，所以為實(shí)現(xiàn)工藝設(shè)計(jì)平臺(tái)和智能生產(chǎn)管控平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)集成，可視化管控平臺(tái)通過解析工藝設(shè)計(jì)軟件的文件包進(jìn)行集成，打通工藝設(shè)計(jì)和刀軌處理的數(shù)據(jù)交換。具體做法為，平臺(tái)定時(shí)刷新工藝設(shè)計(jì)軟件特定文件下的XML文件，并將文件內(nèi)容解析成jason 格式并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后存入MySql 數(shù)據(jù)庫中。為使信息交互順暢，在工藝設(shè)計(jì)和刀軌處理之間進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)的字段設(shè)計(jì)，包括物料檔案字段設(shè)計(jì)和工藝路線字段設(shè)計(jì)，分別如表1、2 所示。

表1 物料檔案字段設(shè)計(jì)

表2 工藝路線字段設(shè)計(jì)

圖3 主要業(yè)務(wù)場景流程

基于實(shí)現(xiàn)平臺(tái)功能需求，根據(jù)不同的業(yè)務(wù)場景構(gòu)建了不同的程序框架，其中業(yè)務(wù)主程序框架分為表現(xiàn)層、邏輯層、數(shù)據(jù)層，三者主要通過Web 服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、MySql數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，主要完成人機(jī)交互的主要業(yè)務(wù)流程；設(shè)備數(shù)據(jù)采集程序主要完成業(yè)務(wù)主程序與設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通訊，包括了創(chuàng)建任務(wù)、啟動(dòng)多任務(wù)調(diào)度、A/D采集任務(wù)、串口采集任務(wù)、網(wǎng)口采集任務(wù)等節(jié)點(diǎn)；數(shù)據(jù)展示程序則通過對(duì)業(yè)務(wù)過程數(shù)據(jù)及設(shè)備采集數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的清洗整理，按照一定的形式進(jìn)行展示，程序框架圖如圖4 所示。

圖4 數(shù)據(jù)展示程序框架圖

4 可視化管控平臺(tái)運(yùn)行實(shí)例

基于該平臺(tái)的實(shí)踐教學(xué)采用了項(xiàng)目化的教學(xué)方法，模擬工廠應(yīng)用實(shí)景，使教學(xué)內(nèi)容充滿工程背景。通過MES系統(tǒng)設(shè)計(jì)典型產(chǎn)品的制造過程方案，通過教學(xué)產(chǎn)品制造工藝流程訓(xùn)練，并在平臺(tái)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中體現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保、優(yōu)質(zhì)、低耗、高效等意識(shí)。學(xué)生在系統(tǒng)中可以扮演計(jì)劃員、設(shè)備員、領(lǐng)料員、質(zhì)檢員、設(shè)計(jì)員等角色。學(xué)生可以根據(jù)教師發(fā)布的教學(xué)任務(wù)，選擇產(chǎn)品任務(wù)物料編碼，填入訂單號(hào)、加工數(shù)量、計(jì)劃開始時(shí)間、計(jì)劃結(jié)束時(shí)間、優(yōu)先級(jí)等，平臺(tái)中優(yōu)先級(jí)設(shè)置為0 ～99，數(shù)值越高越優(yōu)先制造，用于實(shí)際制造中的緊急訂單、增補(bǔ)訂單等。通過該平臺(tái)的訓(xùn)練，學(xué)生不僅能夠體會(huì)到不同的崗位（設(shè)計(jì)、工藝、制造、質(zhì)量、維護(hù)、組織管理等）的角色及相應(yīng)職責(zé)，而且可以加深對(duì)企業(yè)資源計(jì)劃ERP的原理和方法的理解。

以機(jī)械學(xué)院2020 級(jí)本科生的加工中心實(shí)訓(xùn)教學(xué)為例，課堂共有40 人，分成10 個(gè)小組，加工對(duì)象以渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣輪為例，課程目標(biāo)是學(xué)生在立體倉庫中領(lǐng)取毛坯、圖紙、量具、刀具，按照?qǐng)D紙，利用3DCAPP工藝設(shè)計(jì)中的子模塊3DMPS 分組完成壓氣輪的工藝設(shè)計(jì)，利用UG軟件完成刀軌設(shè)計(jì)，使用后處理軟件完成G 代碼生成，并上傳至加工中心、操作加工中心完成實(shí)物制作、利用帶無線傳輸?shù)挠螛?biāo)卡尺和千分尺完成實(shí)物檢測和數(shù)據(jù)上傳。

可視化管控平臺(tái)根據(jù)各種加工消耗計(jì)算生產(chǎn)成本，加工結(jié)束后零件經(jīng)過學(xué)生手工測量，數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙傳回平臺(tái)，平臺(tái)可以從加工程序管理、加工數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、機(jī)床效能統(tǒng)計(jì)分析、設(shè)備預(yù)約管理、工藝參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控、車間級(jí)別基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護(hù)等可視化報(bào)表，同時(shí)平臺(tái)將檢測數(shù)據(jù)形成樣本，建立控制圖模板，結(jié)合歸納規(guī)則實(shí)時(shí)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)過程控制，教師可通過登錄后臺(tái)下載打印SPC分析及單組成本分析報(bào)告，成本分析報(bào)告如圖5 所示。

圖5 成本分析報(bào)告

平臺(tái)也可以匯總數(shù)據(jù)，形成所有小組成本分析布局圖和整體質(zhì)量情況匯總，學(xué)生也可在前端登錄閱覽，通過可視化的質(zhì)量分析、成本分析，讓學(xué)生反思學(xué)習(xí)方法，讓教師反思教學(xué)環(huán)節(jié)更有針對(duì)性，從而提升加工中心實(shí)訓(xùn)教學(xué)的技術(shù)水平和管理水平，如圖6 所示。

圖6 成本分析和質(zhì)量統(tǒng)計(jì)匯總

可視化管控平臺(tái)運(yùn)行時(shí)通過RFID 技術(shù)、各類傳感器獲取到工程實(shí)訓(xùn)數(shù)據(jù)庫內(nèi)的信息，如學(xué)生名單、所在小組、程序預(yù)計(jì)時(shí)間、零件、加工、計(jì)劃、物料、庫存、質(zhì)量、成本數(shù)據(jù)，并對(duì)加工中心實(shí)訓(xùn)車間的各類生產(chǎn)信息進(jìn)行可視化展示，生成可視化看板如圖7 所示。平臺(tái)極大地提升了傳統(tǒng)工訓(xùn)課堂的信息化、智能化程度，提升了工訓(xùn)實(shí)踐的真實(shí)程度，為同學(xué)們真刀實(shí)槍的實(shí)踐提供了環(huán)境條件。

5 結(jié) 語

可視化制造管控平臺(tái)建成以來極大地豐富了工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)手段，改變了傳統(tǒng)的單獨(dú)工種學(xué)習(xí)或者人工串聯(lián)工種的局面。從市場用人需求出發(fā)，從新技術(shù)發(fā)展需求出發(fā)，建立了智能化的管控、追溯機(jī)制，使制造系統(tǒng)和加工數(shù)據(jù)可視可查，形成了伴隨產(chǎn)品全生命周期的實(shí)訓(xùn)加工要素管控和質(zhì)量記錄體系，優(yōu)化了工程訓(xùn)練課程體系

可視化制造管控平臺(tái)的建成為實(shí)訓(xùn)室智能制造人才培養(yǎng)夯實(shí)了基礎(chǔ)。平臺(tái)通過制造調(diào)度執(zhí)行、制造過程管理、數(shù)據(jù)收集，讓學(xué)生在產(chǎn)品全生命周期中參與扮演各類角色，對(duì)現(xiàn)代企業(yè)信息化、智能化的生產(chǎn)管理系統(tǒng)有更深刻的印象。通過實(shí)際的制造管控平臺(tái)實(shí)踐訓(xùn)練，感受信息化、可視化現(xiàn)代生產(chǎn)制造模式，深層次的認(rèn)識(shí)和理解智能生產(chǎn)管控系統(tǒng)的相關(guān)理論和技術(shù)，為制造強(qiáng)國戰(zhàn)略的實(shí)施提供可行方案，為智能制造人才隊(duì)伍建設(shè)和發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。