基于MES的车间三维轻量可视化工艺指导系统

李 冬，彭 慧，姜丽苹

LI Dong1,2,PENG Hui1,JIANG Li-ping1

(1. 中国科学院 沈阳自动化研究所，沈阳 110016；2. 中国科学院大学，北京 100049)

0 引言

近年来，随着制造企业信息化的不断深入，很多企业实现了从产品设计到工艺规划的全三维化。然而指导车间生产的工艺文件依然停留在二维工艺阶段，导致了产品从设计到生产的脱节，需要重复录入数据，二维工艺文件表现力弱等诸多不便。因此，三维工艺直接指导车间生产将是未来发展的趋势。

目前一些企业尝试着运用三维可视化系统来指导车间的生产，但是主要存在以下一些问题：

1）成本昂贵。现有的三维可视化系统通常将三维建模软件直接部署在车间现场。三维建模软件对硬件平台的要求很高而且本身价格昂贵，带来很大的成本压力，一般的中小企业很难承受。

2）CAD格式不统一。一些企业由于历史原因导致使用多种三维CAD设计软件或需要加工其他企业设计的产品，此时将不同的三维设计软件均直接部署在车间现场已变得不现实，所以需要一种支持不同三维CAD格式的文件格式来实现三维建模软件的无关联性。

3）工艺资源与车间的生产任务脱节。当前系统工艺资源与任务规划相互独立，不能有效的集成，工人需要根据当前任务去查询相应的工艺资源，由于很多企业生产种类多，批量少，很多工艺资源差别不大，很容易导致错查，漏查，加重了车间加工人员的责任和负担。

本文提出了基于MES的三维轻量可视化工艺指导系统，在提高车间管理自动化水平的基础上有效的降低系统应用成本。

1 三维模型轻量化技术

本文提出使用轻量化模型作为三维设计信息的展示载体，来实现文件轻量化及三维建模软件的无关联性。

图1 CAD模型到轻量化

轻量化模型通过将CAD模型的几何信息、参数信息、产品制造信息、装配信息、零部件属性信息等进行提取，用压缩算法对非结构化的几何信息进行处理，同时对结构化的标注信息、属性信息、装配信息等进行简化提取，得到体积小、效率高、方便展示的轻量化模型（如图1 所示）。

目前已经有很多成熟的轻量化模型标准，例如达索公司的3Dxm1，eDrawing，Adob1e的U3D等。本文中选用eDrawing作为统一的轻量化格式。

eDrawings不仅是一种极度压缩的、自行解压和浏览的特殊文件，而且支持通用的CAD格式，通过安装特定的插件可以直接从UG,So1id Edge，Inventor,AutoCAD ,CATIA ,Pro/ENGINEER 等发布eDrawings，经发布后可在车间终端流畅的浏览并对三维模型进行在线测量或剖切等查看操作（如图2所示）。

图2 轻量化模型的使用

通过使用轻量化模型代替原始的三维模型统一了异构的CAD模型，有效地降低了数据量，提高了系统的响应速度。同时轻量化模型的浏览对硬件要求不高，在车间通过较低配置的终端便可以方便的对轻量化的模型进行查看，有效的降低了企业的成本负担。

2 基于MES系统的功能分析

MES（制造执行系统）是位于产品设计与底层工业控制之间的，面向车间层的管理信息系统。为操作人员和管理人员提供计划的执行，跟踪以及其他资源（人、设备、物料、客户需求等方面）当前状态的信息。基于MES系统的三维可视化技术可以更好的发挥自身的作用，利用MES对生产任务的规划可以准确的将工艺资源发布到相关设备上。同时通过车间可视化终端可以实时跟踪生产任务的完成情况，并对生产过程进行控制以及纠正，增强MES系统对生产的控制能力。

基于MES的三维可视化技术不仅仅是产品的3D模型的展示，更重要的是将产品生产过程中涉及到的全部数据信息完整的与生产控制过程进行结合，从而严格控制生产过程的运行。其中主要包含以下三个主要内容：基于MES生成的生产任务规划可以完成车间生产任务、工艺资源的发布以及生产任务完成情况的实时跟踪等。

1）基于MES生产任务的自动发布。系统可以将MES规划好的具体的生产任务下达的具体的工位或员工，替代原有的车间任务发布模式，提高车间管理的智能化，简化管理流程。

2）基于MES生产工艺的自动发布。通过系统终端，可以将与生产任务对应的工艺资源下放到对应的员工或设备上。通过这种模型来替代原有的纸质工艺卡片或图纸的下放方式，减轻车间对工艺资源的管理负担，解决了由于设计更改带来的数据不一致问题。

三维可视化指导的生产工艺并不仅包括经过轻量化处理的3D模型的展示，还包括数字化三维工艺卡片，工艺仿真视频，以及物料清单等文件（如图3所示）。

图3 车间工艺指导内容

3）基于MES生产任务的跟踪。系统需要对工位完成任务的情况进行实时跟踪，并通过终端的反馈记录维护任务完成进度；同时对已完成的任务进行归档，为MES系统进行质量回溯，生产分析统计提供依据。

另外三维可视化系统还可以作为MES系统在车间的一个延伸，完成在线审核，物料确定等功能，完善MES对车间生产动态的追踪监控。

基于MES的可视化数据管理可以完成生产任务、三维轻量化工艺资源的自动化发布，从而快速，准确的指导生产，改变了传统生产任务以及工艺资源的下放模式，简化了车间管理流程，提高了车间对新产品新工艺反应的敏捷性。

3 系统架构及实施

3.1 系统信息流图

如果企业有完善的PDM或PLM系统，可以直接从PDM或PLM系统中提取出对应的三维工艺资源。但如果企业产品数据管理平台不完善或者没有，系统可以从三维CAD中提取出统一的三维轻量化模型，从三维CAPP中提取三维数字化工艺卡片，工艺仿真视频以及BOM信息。通过对这些资源进行整合绑定，存入系统维护的工艺资源库中。最终基于MES平台完成工艺媒体库的管理，维护，根据需要将相应的工艺资源发送到对应的设备终端上（如图4所示）。

图4 系统的信息流图

3.2 系统架构

三维工艺设计系统采用C/S结构，由UI 层、业务逻辑层、数据库层三部分组成（如图5所示）。

系统用户访问层是 UI 层，即统一用户界面层。包括不同的用户角色如工艺员、车间技术人员，车间工人，车间检验人员等。不同的人员有不同的权限和职责，主要包括工艺上传，工艺更改，工艺查看以及质量监督等模块，是进行可视化指导的最直接界面。

系统的中间层是业务逻辑层。该层主要包括系统应用组件与系统核心组件、自定义开发组件等几个部分。系统应用组件主要根据业务需求进行数据和逻辑运算，比如：实现工艺规程的编制、审批、归档、更改、管理。系统核心组件包括对象的定制、用户的管理、产品生产过程的回溯、系统权限的控制、业务流程的审批及集成接口。通过业务逻辑层可以根据车间需要灵活地增加新功能，提高了系统的可扩展性。

图5 系统架构图

系统底层是数据库层，包括工艺数据库、设备数据库、实时任务数据库。其中工艺数据库负责维护当前的工艺资源，设备数据库维护当前可用的设备资源，实时任务数据库维护当前进行的作业集合，及其完成情况。通过这些数据库为业务逻辑层提供统一数据接口，底层数据库是系统与MES实现集成的数据纽带，通过对底层数据库的共享保证了可视化系统与MES系统数据的一致性。

图6 系统工艺指导界面

3.3 系统实施及应用

三维可视化系统的设计，采用C#开发语言，基于VS2010开发工具，综合应用XML， Linq，WPF等技术，底层数据库采用Sq1 Sever2008。目前该系统的原型已经开发成功，正在某工厂进行现场调试（如图6所示为车间终端指导生产的发动机轻量化模型）。可以预见，该系统将彻底的改变原有车间的工作方式，简化车间管理流程，提高车间对新产品的反应能力。

4 结束语

制造业的信息化，智能化将是未来的发展趋势。文中提出的基于MES的三维轻量化可视化系统应用三维轻量化技术有效地降低了系统的实施成本，通过与MES系统的集成完成了车间的三维轻量化工艺指导，改变了车间传统工作方式，在提高了车间指导的生动性、准确性的同时简化了车间管理流程，提高了车间生产的自动化，智能化，有效地增强了车间生产的敏捷性。

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