基于MES的機械加工工藝執行系統設計研究

李先旺 黎炫鋒

摘? 要：強化工藝管理是保證產品質量和提高企業競爭能力的重要手段，現有的制造執行系統在工藝管理方面還不夠完善，特別是缺乏工藝執行過程監控和反饋的管理。本文針對這一不足，設計了一種基于制造執行系統的機械加工工藝執行系統。該系統包含工藝方案管理、工藝執行監控和工藝數據分析等功能，實現了工藝執行全過程信息化管理，強化了工藝執行過程的管控，為機械加工企業提升工藝管理和實現智能工藝提供了支撐。

關鍵詞：制造執行系統;工藝設計;工藝執行;機械加工

中圖分類號：TP277;TN818? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）16-0155-03

Research on the Design of Machining Process Execution System Based on MES

LI Xianwang，LI Xuanfeng

（School of Mechanical Engineering，Guangxi University，Nanning? 530004，China）

Abstract：Strengthening process management is an important means to ensure product quality and improve enterprise competitiveness. The existing manufacturing execution system is not perfect in process management，especially lack of process execution process monitoring and feedback management. Aiming at this deficiency，this paper designs a machining process execution system based on MES. The system includes functions such as process plan management，process execution monitoring and process data analysis，etc.，realizing the entire process information management of process execution，strengthening the control of process execution process，and providing support for mechanical processing enterprises to improve process management and realize intelligent process.

Keywords：MES;process management;process execution;mechanical processing

0? 引? 言

工藝是連接產品設計和制造的橋梁，是保證產品質量、提高企業生產效率和經濟效益的重要手段。工藝工作可以分為工藝設計和工藝執行兩個方面。相關工作人員更多關注的是工藝設計工作，CAPP[1]、3D CAPP[2]等信息化技術和系統被廣泛應用于工藝設計，工藝設計的信息化和智能化水平因此得到了極大的提升，而在工藝執行方面還未得到足夠的重視，特別是對于機械加工企業而言，其工藝執行過程仍然以人工管理為主，存在監控不到位、反饋不及時等問題[3]。

制造執行系統（Manufacturing Execution System，MES）是位于企業上層計劃管理與底層工業控制系統之間的面向車間（執行）層的管理信息系統。MES是一套對生產現場綜合管理的集成系統。MES用集成的思想替代原來的設備管理、質量管理、生產排程、DNC、數據采集軟件等車間需要使用的孤立軟件系統[4]。

筆者在廣西大學機械工程學院工作，主要研究方向為制造業信息化技術及應用，與廣西區內多個機械制造企業保持著良好的合作關系，為企業提供信息化咨詢、信息系統開發與實施等服務。通過筆者對近年來典型機械加工企業及其MES應用的調研發現，目前機械加工企業MES系統在工藝管理方面還不夠完善，其工藝管理主要功能體現為工藝信息的下達，而沒有包含工藝執行過程的管理和監控。因此，完善MES系統的工藝管理功能，強化工藝執行過程的管理和監控，是機械加工企業所面臨的一項迫切需求。

1? 機械加工企業工藝執行過程分析

1.1? 機械加工工藝設計與工藝執行過程

機械加工企業的工藝工作可以分為工藝設計和工藝執行兩個方面，如圖1所示。

工藝設計位于上層，是指根據產品圖紙和技術要求，設計機械加工工藝方案的過程，包括工藝路線設計、工藝卡片設計、作業指導書編制等內容。企業一般通過計算機輔助工藝過程設計系統（CAPP）開展工藝設計工作，并通過產品數據管理系統（PDM）對工藝設計過程和工藝設計數據進行管理。

工藝執行位于下層，是指將工藝方案用于指導實際生產和機械加工作業的過程，包括工序流轉和工序作業兩個方面，其中工序流轉一般通過MES系統進行管理，而工序作業，包括裝夾、對刀、加工和檢驗等操作，目前多數企業仍然以人工管理為主。

1.2? 機械加工企業工藝執行過程中存在的問題

如上文所述，機械加工企業對于工藝執行的管理仍然以人工管理為主，加上機械加工工藝方案具有多樣性等原因，即同樣的產品圖紙和技術要求，往往存在多種可選的工藝方案，造成了機械加工企業工藝執行過程還面臨著以下諸多問題。

1.2.1? 規范性差

一是工藝設計造成的不規范。例如：進行工藝參數設計時往往只給定一個范圍而不是具體的數值，在工藝執行過程中還需要操作工人根據經驗來確定具體的數值，造成了不同操作工人之間工藝參數不一致的問題;二是工藝執行過程中的不規范。例如：操作工人為了趕時間，工藝文件中規定了該兩次走刀完成加工，但工人在實際操作中只用一次走刀完成加工。

1.2.2? 監控不到位、反饋不及時

目前多數機械加工企業對于工藝執行的管理仍然為人工管理，存在監控不到位、反饋不及時的問題。例如：上述不規范的情況，如未造成質量問題，管理人員往往是無法及時發現的，即便造成了質量問題，對問題的分析、處理和反饋往往存在一定的滯后性。

1.2.3? 人工經驗未得到有效利用

在實際工藝執行過程中，往往會積累很多成功的經驗或失敗的教訓。例如：有經驗的操作工人，往往對設備狀態有著靈敏的觸覺，會根據設備狀態靈活調整工藝參數，從而保證加工質量或效率。而這種經驗還停留在操作工人腦海中，未能得以有效的識別和利用。

2? 基于MES的機械加工工藝執行系統設計

2.1? 系統體系結構

本文提出了一種基于三層架構的機械加工工藝執行系統，如圖2所示。

上層為用戶層，主要用于為人員和設備提供數據交互界面。用戶層包含網頁端、APP端和數據采集網關。網頁端主要用于支持管理人員通過個人電腦進行訪問;APP端主要用于支持作業人員不便于操作電腦時，通過手機、平板等移動設備進行訪問;數據采集網關主要用于采集機床設備的運行數據和狀態信息。

中間為業務層，即所謂的后臺管理程序。業務層采用典型的模塊和組件化設計方案，主要包括業務組件和基礎組件兩類組件，業務組件提供了工藝方案管理、工藝執行監控和工藝數據分析等功能，基礎組件提供了權限管理、服務管理和接口管理等功能。

下層為數據層，主要用于數據的存儲和訪問，包括數據庫和數據訪問組件等功能。

2.2? 系統功能結構

系統功能結構如圖3所示。主要包括工藝方案管理、工藝執行監控和工藝數據分析三大功能模塊。

2.2.1? 工藝方案管理

（1）工藝路線管理。包括工藝路線的錄入、編輯、瀏覽、查詢以及導入導出等操作。

（2）工序作業管理。工序作業管理是指工序作業程序的管理，包含裝夾、對刀、加工和檢驗等作業程序，每項作業程序可能會分解為多個步驟，例如：加工作業可能會分解為多個加工工步。作業程序應支持文檔和流程兩種管理方式。文檔方式主要用于管理作業指導書。流程方式主要用于支持多步驟作業程序的流程跟蹤。

（3）控制參數管理。即關鍵工序的工藝參數、刀具參數等量化數據的管理。通過設置控制參數，實現對關鍵工序的參數化監控。

2.2.2? 工藝執行監控

（1）工序監控。通過工序完工匯報數據、機床運行數據和傳感器等數據的采集和分析，實時監控加工工序的執行情況。包括是否按指定工藝路線和工序開展加工、是否按指定工藝參數進行加工、是否及時開展工序檢驗和匯報檢驗數據等。

（2）過程檢查。即檢查操作工人是否嚴格按照工藝文件的要求開展工序加工，也就是常說的工藝紀律檢查。一般通過在線填表的方式進行，包括自查表和抽查表，是工序監控的一種補充。

（3）異常反饋。即工序異常的反饋，包括實際工藝參數與設計工藝參數不符、工藝參數不合理、工序質量超差、刀具磨損異常等。

2.2.3? 工藝數據分析

（1）工藝執行情況分析。即統計一段時間內哪些零件是嚴格按照工藝設計要求開展加工的，哪些零件是未嚴格按照工藝設計要求開展加工。

（2）工藝標準化情況分析。所謂標準化，是指對于同一個零件或零件系列，不應存在不同操作者或不同的加工批次之間工藝方案不一致的問題。統計一段時間內哪些零件形成了標準化的工藝方案，哪些零件未形成標準化工藝方案。

（3）差異分析。未形成標準化工藝方案時，同一個零件或零件系列，不同操作者或不同的加工批次之間工藝方案可能存在差異，而這種差異會導致零件的精度等級、刀具消耗或加工工時存在差異，通過數據的關聯分析，找出最佳（或最差）精度等級、刀具消耗或加工工時所對應的工藝方案。

3? 關鍵技術分析

3.1? 數據采集技術

數據采集是指對實際加工的工藝參數、加工工時、加工質量、刀具消耗、機床狀態等數據的采集。由于多數機械加工企業都存在加工中心、數控機床等先進設備和普通車床、銑床等老舊設備并存的現象，全部通過傳感器、現場總線等方式來采集數據是不現實的。因此本文提出了設備聯機采集、人機交互顯示采集和人機交互隱式采集三種數據采集方式。

設備聯機采集是指通過傳感器、現場總線等方式采集數據;人機交互顯示采集是指通過專門的數據錄入界面進行數據采集，例如：前面提到的工藝過程檢查模塊中，通過工藝自查表信息錄入界面實現數據采集;人機交互隱式數據采集是指在人機交互操作過程中，自動記錄人機交互所附帶的一些隱式信息，例如：在提交完工匯報的人機交互操作中，可以自動采集提交完工匯報的具體時間，通過比對時間間隔，自動實現工時數據統計。

3.2? 數據分析技術

數據分析只是對工藝執行歷史數據的分析和挖掘。數據分析的目的主要有兩個：一是工藝執行績效分析，即前面提到的工藝執行情況分析和標準化情況分析;二是工藝知識的發現，即發現歷史數據中最優的工藝方案或失敗的工藝方案，例如：對于某個產品，因不同人員或不同時期的加工作業，在作業過程中可能采用了不一樣的工藝參數或刀具，通過關聯分析，找出其中加工效率最高、或加工質量最優條件下所對應的工藝參數或刀具。工藝知識發現主要通過前面提到的差異分析功能來實現。

4? 結? 論

綜上所述，本文提出了一種基于MES的機械加工工藝執行系統，構建了由用戶層、業務層和數據層構成的三層體系結構，設計了包含工藝方案管理、工藝執行監控和工藝數據分析等功能的功能結構，探討了數據采集技術、數據分析技術等關鍵技術。該系統可以彌補現有MES系統工藝管理功能的不足并強化工藝執行過程的管控，還可有效提升機械加工企業的工藝管理水平。

參考文獻：

[1] 褚學寧，王治森，馬登哲，等.CAPP技術的智能化發展思路 [J].中國機械工程，2003，14（23）：2062-2066.

[2] 喬立紅，考書婷，楊志兵.三維數字化工藝模型及其表達框架 [J].機械工程學報，2015，51（8）：164-171.

[3] 趙強，許建新，董思洋，等.面向數字化制造的工藝執行系統關鍵技術研究 [J].機械科學與技術，2012，31（12）：1910-1915.

[4] e-works Research.制造執行系統（MES）選型與實施指南：第2版 [R/OL].（2017-01-03）.https：//www.e-works.net.cn/report/mes2016/mes2016.html.

作者簡介：李先旺（1982.06—），男，漢族，湖南資興人，講師，博士研究生，研究方向：制造業信息化技術及應用;黎炫鋒（1998.01—），男，漢族，廣西南寧人，本科在讀，研究方向：機械設計制造及其自動化。