面向机械加工车间MES的刀具管理系统

1 引言

    机械加工车间作为机械制造行业的物化中心，它不仅是制造计划的具体执行者，也是制造信息的反馈者，更是大量制造信息的集散地，因此车间层的资源管理、物流控制和信息集成是企业生产系统中的重要一环，为此将计划与制造过程统一联结起来的制造执行系统在近年来有了迅速的发展。

    美国先进制造研究机构AMR(Advanced Manufactudng Research)将执行制造执行系统(Manufacturing Execution System-MES)定义为“位于上层的计划管理系统与底层的工业控制之间面向车间层的管理信息系统”，它为操作人员／管理人员提供计划的执行、跟踪以及所有资源的(人、设备、物料、客户需求等)的当前状态。随着科研人员对MES深入研究，对MES的概念进行了扩展，MES有了较明确的定义，就是面向制造过程的车间生产的管理与控制。具体地讲，首先它强调面向车间生产，将生产过程及其相关的人、物料、设备和在制品全面集成，并对它们实现有效的管理、跟踪和控制；其次它通过对计划执行与物料流、设备与装置控制与监视、质量流和工艺系统的跟踪和集成，来实现企业上下信息的集成。

    制造执行系统是在面向信息计划管理层与面向实时控制层间构筑一座信息桥梁，打通两者之间的信息通道。MES能够将MRPII／ERP系统关于生产单元的加工指令进一步细化后对生产过程发出制造指令，并以作业计划表的形式向车间控制层提供精确、优化的调度，还可把从车间控制层收集的数据信息传送到MIS系统，为其下一步编制生产计划提供依据，也可为网络联盟企业提供准确、及时的基础数据。MES是制造业信息化技术发展的关键。

2 机械加工车间MES功能

    机械制造企业从产品结构、工艺流程、自动化水平、生产设备管理、库房物料管理等方面都有其自己的特点。如机械产品是由固定个数的零件或部件组成；主要面向订单生产，其特点是多品种和小批量；车间加工设备的布置不是按产品而是按照工艺进行布置的。由于不同机械产品的工艺过程经常变更，它们需要具有良好的计划能力。生产作业计划调度需要根据优先级、工作中心能力、设备能力、均衡生产等方面对工序级、设备级的作业计划进行调度。机加工车间数据采集，以手工上报为主，并可以结合条形码采集等半自动信息采集技术进行工时、设备、物料、质量等信息的采集。由于市场环境的变化和现代生产管理理念的不断更新，机械制造型企业能否良性运营，关键是使“计划”与“生产”密切配合，企业和车间管理人员可以在最短的时间内掌握生产现场的变化，做出准确的判断和快速的应对措施，保证生产计划得到合理而快速的修正。在车间控制系统中要求做到对零件的加工工序进行精确控制，具体确定每道工序的投入量和产出量，要求工序的投入时间和产出时间精度达到小时、分的级别，从而紧凑、合理地安排各项任务。虽然MRPII／ERP和现场自动化系统已经发展到了非常成熟的程度，但是由于二者是从不同的计算技术领域发展的，这使得在实际生产过程中出现的一系列问题无法圆满解决：目前作为生产计划控制层的MRPII／ERP系统一般只考虑对车间生产进度控制的综合效果，对车间作业管理和控制功能并不强，一般只能计划到零件级，而没有到工序级，难以实现对生产设备的有效管理与控制。而现场自动化系统的功能主要在于对现场设备和工艺参数的监控，它可以向管理人员提供现场检测和统计数据，但是本身并非真正意义上的管理系统。另外，上层的MRPII／ERP系统缺乏精确的生产数据来支持，而制造单元又常常不能及时得到指令来调整工作状态，严重阻碍了制造企业的信息化进程。而车间制造执行系统能够弥补这些不足。

    对于典型的机械加工车间，需要开发的技术及软件包括：车间生产单元作业计划编排与调度、机床数据的自动采集和工况数据的实时采集系统，数控程序的计算机辅助编制与管理系统，计算机辅助工艺规划系统，工具、设备、人员的管理系统，质量控制系统，以及与MRP／／ERP的信息接口。通过各个系统的集成建立起制造执行系统，通过信息接口为上层信息系统提供实时数据信息。

    车间管理的目标就是合理安排生产计划，充分利用现有的各种资源，消除生产瓶颈。提高产品加工质量，缩短加工周期等。就刀具、工装等资源的管理，一方面因为企业要求具有快速的市场响应能力，所以车间资源应该能够及时、快速地为生产做出准备，另一方面，刀具在整个的设备投资中占有较大的比例，刀具的管理是否科学、使用是否合理在很大程度上决定了制造执行系统的可靠性以及企业生产效益的高低。

3 机械加工车间MES的刀具管理系统

    刀具管理系统是车间MES的重要组成部分。通过研究国内机械生产车间的现状，建立了一个面向机械生产车间的刀具管理系统模型，适用于中等规模生产的机械加工车间。刀具管理系统主要由以下几部分构成：刀具管理中心、中央刀具库、机床刀具库、工作地、刀具预调和刃磨间等。它们组成一个局域网，在制造执行单元内实现信息共享，并且预留接口，可以连结到整个企业网和企业外部网。刀具管理系统的模型如图1所示。

图1. 刀具管理系统模型图

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    (1)刀具管理中心的功能

    由刀具管理系统的模型图可以看出：刀具管理中心是刀具管理系统的一个核心。它主要具有以下作用：可以接受新购刀具的信息、反映操作人员的刀具借还信息、实现对刀具库中的已有信息进行修改和删除、对刀具剩余寿命进行预测、实施在线监测信息处理，实时统计制造执行单元的刀具状况，满足工作地人员、工艺设计人员、计划调度人员、刀具供应人员等对刀具信息的需求，优化刀具的使用，避免重复购置和丢失等现象的发生。

    刀具管理中心包括刀具查询模块、刀具借还模块、数据维护模块、刀具寿命管理、刀具报表模块。具有查询刀具的各种详细信息的功能；通过借还模块使刀具使用者和库管建立联系，确定刀具的借还信息；数据维护功能包括三部分的内容：刀具数据添加、刀具数据删除和刀具数据修改，应用该模块来实现更新刀具数据库的目的。寿命管理模块利用数据库查询功能对刀具的寿命进行预测，对刀具的寿命优化进行管理，结合刀具寿命的预测机制和刀具的监控技术可以较大程度上提高对刀具使用可靠性，对刀具的磨损以及非正常破损提供全面的监控与预测。通过刀具报表模块可实现对刀具使用情况按不同的条件进行统计报表，优化刀具库存管理，满足连续生产对刀具的需求。

    (2)中央刀库

    在车间存放等待机床调用备用刀具，通过对中央刀库的查询车间刀具的储备情况提供详细的信息，在刀具储量不足时提出警告。

    (3)机床刀具库的功能

    制造执行单元内具有刀库的数控机床，其各刀位安装的刀具信息存储在机床数据库中，通过机床数据库可以查询到各刀位所安装刀具的编号，进而通过刀具管理中心查询到刀具的所有信息。

    (4)刀具预调和刃磨间功能

    刀具预调和刃磨间主要是为生产和加工准备所需的刀具。一方面，刀具磨损或破损后，在这里进行重新刃磨；另一方面，刀具预调整或进行组装，也在这里进行。因此，刀具由于预调或刃磨后，刀具的相应信息必然发生改变，而刀具维修人员可以通过刀具数据修改模块，更改刀具库中的刀具信息。

    (5)工作地的功能

    工作地是生产的直接场所，在刀具管理系统中的的作用主要有以下两个方面：操作者可以查询刀具信息和对借用的刀具予以确认。

    刀具管理模块与其它子模块集成在一起，其中车间作业与调度作为MES的核心，通过接受任务，编排计划，下达刀具需求信息，刀具管理中心提供可以使用的刀具信息。刀具管理中心同时与数控程序管理、CAPP、NC加工系统、质量管理等模块建立信息集成，提供刀具的信息，接受反馈信息，在车间构成了一个线路最短的信息闭环回路，使刀具信息畅通、准确、及时。

4 机械加工车间MES刀具管理系统的实现

    Web技术和对象技术的日益成熟是先进制造方法与系统的重要基础，对现代制造系统的信息集成和应用程序的发展具有深远的影响。采用Web技术开发Internet／Intranet应用将成为现代制造系统信息集成的新趋势。网络与数据库应用系统从原来的客户／服务器结构转向以交互式Web应用为代表的浏览器／Web服务器／数据服务器三层分布式体系结构或增加相应的应用服务器，使之成为适应多种应用需求的多层网络计算模式——浏览器／web服务器／应用服务器／数据务器，是当前网络与数据库应用系统发展的趋势。采用浏览器／服务器模式开发基于web的MES，其突出优势实际是便于系统地维护和升级，有利于系统的推广。

    为了实现基于web的应用，保证数据传输、处理的正确性，系统服务器中的应用程序应该能够访问共享数据库。ASP(Activex Server Page)是Microsoft公司的新一代动态Web开发技术，它是一种Web服务器端脚本环境。通过AsP可以将HTML网页、ASP指令和ActiveX组件结合在一起，建立动态、交互和高效的Web服务器应用程序。ASP文件通过ADO(Activex Data Object，Activex数据对象)可连接包括SQL seHer、Oracle、Access等支持ODBC的数据库。因此，采用ASP和ADO相结合的方法开发基于Web的应用程序，实现与数据库的接口。目前比较流行的数据库管理系统皆为关系型，技术上也相当成熟。可供选择的数据库系统有Oracle，Informix，与SQLServer等。SQL server是Microsoft windows平台上最流行的关系数据库，也是最流行的Web数据库。它是目前大中型网络常用的数据库管理系统，其新版本以性能优越，价格低廉而拥有越来越多的用户。它是Windows平台上解决复杂商业问题的优选方案，速度快且具有高度的可缩放性；具有很高的可靠性和性价比高，在提供如此强大功能的同时，其价位远低于同类数据库产品。考虑到目前企业操作系统一般为Windows而且考虑到sQL Server的功能完备及简单可靠，故选择SQL Server作为本系统的后台数据库。

    在制造单元内部建立局域网，配置浏览器、Web服务器、数据库服务器。web承担信息发布和数据通信的任务，以作业和调度为核心。，完成MES所要求的功能，实施与MRP／ERP系统或其他制造单元通信，实现企业的信息集成。

5 结语

    面向机械生产车间MES的刀具管理系统，适用于中等规模生产的机械加工车问，既可以作为MES的一个模块，也可以单独作为刀具的管理系统使用，对车间的刀具进行科学的管理和配置，提高刀具的利用率，为企业争取更大的效益。

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