面向MES的刀具智能調(diào)度系統(tǒng)研究

劉建春，劉子安，鄒朝圣，江駿杰

（1.廈門理工學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建 廈門 361024；2.廈門理工學(xué)院電氣工程與自動化學(xué)院，福建 廈門361024；3.廈門萬久科技股份有限公司，福建 廈門 361024；）

1 引言

國際標(biāo)準(zhǔn)ISO規(guī)定刀具的磨損程度以磨鈍標(biāo)準(zhǔn)（磨損值VB）作為判斷依據(jù)[4]。文獻(xiàn)[5]提出了一種基于刀具磨損圖像的刀具磨損表面積檢測方法。文獻(xiàn)[6]通過對刀具邊緣半徑、刀具直徑、刀具側(cè)面磨損寬度的測量來判斷刀具磨損過程。在刀具磨損預(yù)估方面，由于收集完整的刀具磨損與壽命之間的關(guān)系數(shù)據(jù)是有困難的，所以預(yù)估剩余加工時(shí)間成為了研究的難點(diǎn)。文獻(xiàn)[7]提出了一種基于徑向基函數(shù)結(jié)合核主成分分析的刀具磨損評估方法。文獻(xiàn)[8]在機(jī)器學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上將粒子濾波技術(shù)引入刀具磨損分析模型。從研究成果看，以上的研究并未形成一個(gè)完整的CNC機(jī)床刀具的動態(tài)調(diào)度系統(tǒng)來監(jiān)控刀具的實(shí)時(shí)情況，因此設(shè)計(jì)基于共享數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)一平臺，集成信息追蹤、生產(chǎn)調(diào)度、能耗預(yù)測、故障預(yù)警、流程報(bào)表等管理功能，可以有效地縮短上層計(jì)劃層與下層控制層之間的信息交互距離，在保障質(zhì)量的前提下提升效率，節(jié)約制造成本。

2 刀具全生命周期調(diào)度方案

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案

當(dāng)車間在工作狀態(tài)時(shí)，機(jī)床的刀具需頻繁地流轉(zhuǎn)于各生產(chǎn)環(huán)節(jié)中。刀具監(jiān)控管理的任務(wù)就是要建立實(shí)時(shí)通信數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)MES系統(tǒng)內(nèi)的刀具實(shí)體狀態(tài)信息化。由于各類刀具的庫存數(shù)量有限，不同工件加工時(shí)所要求的刀具規(guī)格均不相同，必須對每把刀具進(jìn)行編碼，編碼關(guān)聯(lián)刀具的出廠信息、規(guī)格材料及加工信息，對調(diào)度所需的所有刀具進(jìn)行全生命周期內(nèi)的信息追蹤。整個(gè)過程從車間接到訂單開始，對投產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行分析，預(yù)測得出刀具的需求量并和現(xiàn)有倉儲量進(jìn)行比對，上傳采購需求至ERP系統(tǒng)，由ERP系統(tǒng)下達(dá)采購信息反饋給庫存管理系統(tǒng)進(jìn)行核對，以保證加工所需刀具的倉儲余量在合理的范圍內(nèi)。

在刀具入庫階段，錄入刀具的主要屬性參數(shù)并分配編號作為刀具流轉(zhuǎn)的唯一識別標(biāo)準(zhǔn)。在備刀階段，驅(qū)動RFID讀寫器自動更新刀具的位置、狀態(tài)等信息，將對刀儀與MES 系統(tǒng)接口連接，上傳刀補(bǔ)信息至數(shù)據(jù)庫。在加工作業(yè)階段，通過在機(jī)檢測裝置，利用換刀間隙檢測刀具磨損情況，結(jié)合機(jī)床內(nèi)部加工參數(shù)實(shí)時(shí)預(yù)測刀具剩余使用時(shí)間，在保證生產(chǎn)效率的前提下有效地降低刀具磨損。刀具下線時(shí)，再次錄入刀具的處理信息，自動生成刀具全生命周期報(bào)表反饋給倉管系統(tǒng)形成閉環(huán)。面向MES的刀具智能調(diào)度系統(tǒng)框架，如圖1所示。

圖1 刀具調(diào)度管理系統(tǒng)框架Fig.1 Tool Scheduling Management System Framework

2.2 加工工藝優(yōu)化

判斷刀具生命周期的依據(jù)主要是刀具磨損程度，而刀具磨損程度受加工工藝參數(shù)的影響較大，但企業(yè)又要考慮經(jīng)濟(jì)效益，因此必須綜合考慮加工效率和刀具磨損為優(yōu)化目標(biāo)。

對機(jī)床的切削參數(shù)使用遺傳算法求解，先通過歷史數(shù)據(jù)人工選定加工參數(shù)的一定范圍作為運(yùn)算邊界，再進(jìn)行遺傳操作，當(dāng)平均適應(yīng)度持續(xù)低于某一常數(shù)且不再大幅震蕩時(shí)，判定收斂，將最大適應(yīng)度的個(gè)體作為優(yōu)化后的結(jié)果輸出形成優(yōu)化方案，在相同的生產(chǎn)計(jì)劃下不斷完善運(yùn)行流程。

當(dāng)檢測到刀具的磨損值VB大于設(shè)定值時(shí)，判定其不再適用于精加工環(huán)節(jié)，通過RGV小車裝載的上下料機(jī)器人將刀具隨性夾具移至半精加工或粗加工環(huán)節(jié)備用，根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)錄入的刀具編碼，自動更新數(shù)據(jù)庫中刀具的裝機(jī)位置，記錄刀具在不同時(shí)段的工作目的及狀態(tài)，管控各環(huán)節(jié)刀具的備用量。AGV用于把刀具從立體倉庫運(yùn)送到車間全自動生產(chǎn)線。由6臺加工中心組成的刀具動態(tài)調(diào)度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 刀具車間動態(tài)調(diào)度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structural Diagram of Tool Shop Dynamic Scheduling System

2.3 報(bào)廢與故障監(jiān)控

當(dāng)通過檢測未通過鑒定后，判定刀具報(bào)廢，記錄并計(jì)入折舊系統(tǒng)形成報(bào)表。分析生成的報(bào)表，評估全生命周期內(nèi)各環(huán)節(jié)耗時(shí)異常的部分，優(yōu)化整體管理方案，通過數(shù)據(jù)庫連接倉管系統(tǒng)與上層資源管理層形成閉環(huán)連接，為車間的刀具調(diào)度及購置預(yù)留合理的時(shí)間。

根據(jù)刀具編號進(jìn)行信息追蹤，分析刀具歷史數(shù)據(jù)，判斷出刀具的非正常損耗原因，提升刀具的使用效率。如果刀具狀態(tài)信息出現(xiàn)異常時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號至車間控制層，傳喚工作人員到機(jī)檢測，保護(hù)機(jī)床安全，有效降低工件次品率。

3 刀具檢測系統(tǒng)

3.1 磨損信息在線檢測

傳統(tǒng)的刀具專用檢測儀器不是在線實(shí)時(shí)檢測，影響檢測效率，無法嵌入智能控制系統(tǒng)。針對惡劣的加工環(huán)境會對在線檢測儀器造成影響，提出一種將檢測設(shè)備與機(jī)臺隔離的在機(jī)檢測方法[9]，使用基于機(jī)器視覺的自動識別檢測刀具磨損，在機(jī)床的側(cè)部搭建移動機(jī)構(gòu)、工業(yè)攝像頭、光源等構(gòu)成的實(shí)驗(yàn)平臺，提取刀具加工后的圖片，裝載在機(jī)床的裝置，如圖3所示。

圖3 刀具磨損檢測裝置實(shí)物圖Fig.3 Tool Wear Detection Device Physical Map

加工周期結(jié)束后，控制電機(jī)驅(qū)動搖臂移動兩個(gè)工業(yè)攝像頭圍繞CNC刀具刀頭互相垂直擺放，分別拍攝正刀面與側(cè)刃面，先通過正刀面相機(jī)圖像處理獲取側(cè)刃角度，移動第二相機(jī)到相應(yīng)角度進(jìn)行檢測，獲取與刀具刀刃數(shù)同等數(shù)量的照片量，將兩個(gè)相機(jī)取得的圖像傳至上位機(jī)進(jìn)行模板匹配定位，獲取感興趣區(qū)域，進(jìn)一步去中心化增強(qiáng)對比和灰度值上下閾值處理，提取磨損區(qū)域，通過對磨損區(qū)域和正常區(qū)域的對比計(jì)算出刀具的平均磨損值VB，以不同程度的VB值判斷刀具的磨損情況。檢測磨損情況流程，如圖4所示。

圖4 機(jī)器視覺檢測刀具磨損情況流程圖Fig.4 Machine Vision Detection Tool Wear Situation Flow Chart

3.2 數(shù)據(jù)信息特征提取

由于刀具磨損是切削速度、切削熱、刀具與工件接觸位置等多因素耦合作用下的結(jié)果，為保證建立的預(yù)測模型在不同的環(huán)境參數(shù)下，均有良好的泛化能力，需要考慮盡可能多的特征量對結(jié)果的影響，但又面臨處理高維數(shù)據(jù)集的情況。因此減少資源監(jiān)控任務(wù)對數(shù)據(jù)計(jì)算資源的消耗，從復(fù)雜的刀具監(jiān)控信號中提取有用的信息顯得尤為重要。該部分主要是將機(jī)床及檢測機(jī)構(gòu)輸出的信息進(jìn)行匹配篩選。

3.3 刀具剩余生命預(yù)測

針對刀具剩余生命預(yù)測存在時(shí)序性、震蕩性等特點(diǎn)，建立人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。該預(yù)測模型探尋了在不同加工需求下，刀具狀態(tài)數(shù)據(jù)非線性增強(qiáng)的特點(diǎn)，比較不同加工條件造成的刀具磨損結(jié)果，優(yōu)化加工參數(shù)，通過數(shù)據(jù)匹配訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí)，提升數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性。

分析流程是數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行兩次數(shù)據(jù)匹配的過程：第一次是在檢測系統(tǒng)，將檢測數(shù)據(jù)傳遞并初選之后，將特征數(shù)據(jù)（如磨損所在區(qū)域及面積）與數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配訓(xùn)練，建立預(yù)測模型，測試匹配百分比，當(dāng)匹配度達(dá)到一定等級后，將相應(yīng)的參數(shù)直接輸出，若匹配度不足，則將誤差反向傳播進(jìn)行修正學(xué)習(xí)；第二次數(shù)據(jù)匹配則是在下一次加工之后將數(shù)據(jù)反饋回分析系統(tǒng)，通過反饋的數(shù)據(jù)進(jìn)行算法準(zhǔn)確度的驗(yàn)證，若準(zhǔn)確度符合要求，則進(jìn)入機(jī)器學(xué)習(xí)階段，對算法進(jìn)行微調(diào)。若準(zhǔn)確度不符合要求，則作為特殊數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行存儲，并統(tǒng)計(jì)特殊樣本數(shù)量，若樣本較少，則將該數(shù)據(jù)作為奇異數(shù)據(jù)單獨(dú)存儲，反之，則保留詳細(xì)的相關(guān)數(shù)據(jù)，交由人工進(jìn)行分析處理。整體流程，如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)分析流程圖Fig.5 Data Analysis Flow Chart

4 與MES系統(tǒng)通信

4.1 模塊通信系統(tǒng)架構(gòu)

MES系統(tǒng)的優(yōu)化目標(biāo)面向整個(gè)生產(chǎn)過程，為實(shí)現(xiàn)在機(jī)檢測和刀具裝配的協(xié)同調(diào)度，所設(shè)計(jì)車間刀具的全生命周期MES系統(tǒng)內(nèi)部架構(gòu)分為四層，與計(jì)劃層和執(zhí)行層保持實(shí)時(shí)互聯(lián)通信。刀具管理系統(tǒng)采用C/S和B/S混合架構(gòu)，顯示層C/S模式實(shí)現(xiàn)管理人員的刀具調(diào)度，B/S模式實(shí)現(xiàn)操作人員的信息查詢和共享；控制層作為整個(gè)系統(tǒng)的驅(qū)動單元，接收反饋到的各種信號并做出動作；關(guān)系型數(shù)據(jù)層存儲了刀具全生命周期內(nèi)的所有信息數(shù)據(jù)，作為數(shù)據(jù)訪問的終端提供數(shù)據(jù)的錄入、修改、提取等操作；業(yè)務(wù)層負(fù)責(zé)給數(shù)據(jù)層、控制層和顯示層提供信息基礎(chǔ)。整個(gè)MES 系統(tǒng)上接ERP 計(jì)劃層，接收計(jì)劃層下達(dá)的生產(chǎn)計(jì)劃并及時(shí)將生產(chǎn)實(shí)況上報(bào)；下接車間DNC執(zhí)行層，接收機(jī)床的加工數(shù)據(jù)并反饋控制機(jī)床進(jìn)行動態(tài)調(diào)度。整個(gè)服務(wù)架構(gòu)內(nèi)數(shù)據(jù)共享，消除信息孤島。其整體系統(tǒng)架構(gòu)，如圖6所示。

圖6 車間通信系統(tǒng)架構(gòu)Fig.6 Workshop Communication System Architecture

4.2 CNC通信方案

工件、工具材料的選擇和機(jī)床的加工狀態(tài)是影響刀具生命的主要因素，而切削參數(shù)需要從CNC系統(tǒng)中獲取，為此需要制定對加工狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集的技術(shù)方案。現(xiàn)有的DNC系統(tǒng)正在向OPC的方向發(fā)展，所以采用支持OPC的機(jī)床進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過機(jī)床的OPC接口連接到CNC內(nèi)存，獲取機(jī)床加工的工藝參數(shù)。

以三菱M系列CNC系統(tǒng)為例，使用與三菱系統(tǒng)兼容的OLE/COM接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，使用擴(kuò)展宏指令實(shí)現(xiàn)自定義調(diào)用過程，可以方便的提取到CNC系統(tǒng)內(nèi)部相關(guān)加工工藝參數(shù)，加工工藝參數(shù)采集界面，如圖7所示。面向整個(gè)車間時(shí)，MES系統(tǒng)中的信息接口連接車間控制器，對機(jī)床設(shè)備群的工作過程進(jìn)行時(shí)序性的信息采集，采集車間內(nèi)每臺機(jī)床的加工信息。

圖7 加工工藝參數(shù)采集Fig.7 Processing Parameter Acquisition

4.3 刀具管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫

刀具在不同空間的流轉(zhuǎn)以數(shù)據(jù)傳遞的形式存儲在服務(wù)器中，使用SQL Server關(guān)系型數(shù)據(jù)庫進(jìn)行大數(shù)據(jù)管理，通過接口更新數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)刀具管理系統(tǒng)與多個(gè)外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成。以銑刀購置入庫的系統(tǒng)運(yùn)行為例，如圖8 所示。刀具經(jīng)采購入庫開始，實(shí)行編碼終身制，在刀具的生命周期內(nèi)，逐一建立刀具規(guī)格、刀具補(bǔ)償、機(jī)床加工信息、故障及倉儲預(yù)警等生產(chǎn)關(guān)系數(shù)據(jù)庫，計(jì)劃層管理人員可查看刀具歷史使用情況和預(yù)警分析結(jié)果。

圖8 數(shù)據(jù)庫界面Fig.8 Database Interface

5 結(jié)束語

針對車間生產(chǎn)現(xiàn)場刀具信息更新不及時(shí)、損耗嚴(yán)重等實(shí)際情況，開發(fā)了面向MES的刀具數(shù)字化調(diào)度系統(tǒng)。立足于刀具全生命周期后端的管理系統(tǒng)優(yōu)化問題，將RFID編碼調(diào)制技術(shù)、CNC技術(shù)和機(jī)器視覺、大數(shù)據(jù)分析充分融合，在這里介紹了系統(tǒng)整體架構(gòu)、數(shù)據(jù)采集處理、數(shù)字化業(yè)務(wù)集成方案，優(yōu)化了生產(chǎn)過程所涉及的整體調(diào)度系統(tǒng)，構(gòu)建完整的閉環(huán)生產(chǎn)過程。

此系統(tǒng)已在企業(yè)的工具管理系統(tǒng)中初步試用，從刀具的采購入庫、生產(chǎn)過程的跟蹤追溯、磨損預(yù)測、故障預(yù)警等多個(gè)維度對刀具設(shè)備進(jìn)行全生命周期管理，實(shí)現(xiàn)刀具在線檢測磨損，提供預(yù)警信息，為制造企業(yè)將經(jīng)營計(jì)劃和生產(chǎn)過程統(tǒng)一起來提供了一種可行方案。