基于MES的机械加工工艺执行系统设计研究

李先旺 黎炫锋

摘  要：强化工艺管理是保证产品质量和提高企业竞争能力的重要手段，现有的制造执行系统在工艺管理方面还不够完善，特别是缺乏工艺执行过程监控和反馈的管理。本文针对这一不足，设计了一种基于制造执行系统的机械加工工艺执行系统。该系统包含工艺方案管理、工艺执行监控和工艺数据分析等功能，实现了工艺执行全过程信息化管理，强化了工艺执行过程的管控，为机械加工企业提升工艺管理和实现智能工艺提供了支撑。

关键词：制造执行系统;工艺设计;工艺执行;机械加工

中图分类号：TP277;TN818      文献标识码：A 文章编号：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

工藝是连接产品设计和制造的桥梁，是保证产品质量、提高企业生产效率和经济效益的重要手段。工艺工作可以分为工艺设计和工艺执行两个方面。相关工作人员更多关注的是工艺设计工作，CAPP[1]、3D CAPP[2]等信息化技术和系统被广泛应用于工艺设计，工艺设计的信息化和智能化水平因此得到了极大的提升，而在工艺执行方面还未得到足够的重视，特别是对于机械加工企业而言，其工艺执行过程仍然以人工管理为主，存在监控不到位、反馈不及时等问题[3]。

制造执行系统（Manufacturing Execution System，MES）是位于企业上层计划管理与底层工业控制系统之间的面向车间（执行）层的管理信息系统。MES是一套对生产现场综合管理的集成系统。MES用集成的思想替代原来的设备管理、质量管理、生产排程、DNC、数据采集软件等车间需要使用的孤立软件系统[4]。

笔者在广西大学机械工程学院工作，主要研究方向为制造业信息化技术及应用，与广西区内多个机械制造企业保持着良好的合作关系，为企业提供信息化咨询、信息系统开发与实施等服务。通过笔者对近年来典型机械加工企业及其MES应用的调研发现，目前机械加工企业MES系统在工艺管理方面还不够完善，其工艺管理主要功能体现为工艺信息的下达，而没有包含工艺执行过程的管理和监控。因此，完善MES系统的工艺管理功能，强化工艺执行过程的管理和监控，是机械加工企业所面临的一项迫切需求。

1  机械加工企业工艺执行过程分析

1.1  机械加工工艺设计与工艺执行过程

机械加工企业的工艺工作可以分为工艺设计和工艺执行两个方面，如图1所示。

工艺设计位于上层，是指根据产品图纸和技术要求，设计机械加工工艺方案的过程，包括工艺路线设计、工艺卡片设计、作业指导书编制等内容。企业一般通过计算机辅助工艺过程设计系统（CAPP）开展工艺设计工作，并通过产品数据管理系统（PDM）对工艺设计过程和工艺设计数据进行管理。

工艺执行位于下层，是指将工艺方案用于指导实际生产和机械加工作业的过程，包括工序流转和工序作业两个方面，其中工序流转一般通过MES系统进行管理，而工序作业，包括装夹、对刀、加工和检验等操作，目前多数企业仍然以人工管理为主。

1.2  机械加工企业工艺执行过程中存在的问题

如上文所述，机械加工企业对于工艺执行的管理仍然以人工管理为主，加上机械加工工艺方案具有多样性等原因，即同样的产品图纸和技术要求，往往存在多种可选的工艺方案，造成了机械加工企业工艺执行过程还面临着以下诸多问题。

1.2.1  规范性差

一是工艺设计造成的不规范。例如：进行工艺参数设计时往往只给定一个范围而不是具体的数值，在工艺执行过程中还需要操作工人根据经验来确定具体的数值，造成了不同操作工人之间工艺参数不一致的问题;二是工艺执行过程中的不规范。例如：操作工人为了赶时间，工艺文件中规定了该两次走刀完成加工，但工人在实际操作中只用一次走刀完成加工。

1.2.2  监控不到位、反馈不及时

目前多数机械加工企业对于工艺执行的管理仍然为人工管理，存在监控不到位、反馈不及时的问题。例如：上述不规范的情况，如未造成质量问题，管理人员往往是无法及时发现的，即便造成了质量问题，对问题的分析、处理和反馈往往存在一定的滞后性。

1.2.3  人工经验未得到有效利用

在实际工艺执行过程中，往往会积累很多成功的经验或失败的教训。例如：有经验的操作工人，往往对设备状态有着灵敏的触觉，会根据设备状态灵活调整工艺参数，从而保证加工质量或效率。而这种经验还停留在操作工人脑海中，未能得以有效的识别和利用。

2  基于MES的机械加工工艺执行系统设计

2.1  系统体系结构

本文提出了一种基于三层架构的机械加工工艺执行系统，如图2所示。

上层为用户层，主要用于为人员和设备提供数据交互界面。用户层包含网页端、APP端和数据采集网关。网页端主要用于支持管理人员通过个人电脑进行访问;APP端主要用于支持作业人员不便于操作电脑时，通过手机、平板等移动设备进行访问;数据采集网关主要用于采集机床设备的运行数据和状态信息。

中间为业务层，即所谓的后台管理程序。业务层采用典型的模块和组件化设计方案，主要包括业务组件和基础组件两类组件，业务组件提供了工艺方案管理、工艺执行监控和工艺数据分析等功能，基础组件提供了权限管理、服务管理和接口管理等功能。

下层为数据层，主要用于数据的存储和访问，包括数据库和数据访问组件等功能。

2.2  系统功能结构

系统功能结构如图3所示。主要包括工艺方案管理、工艺执行监控和工艺数据分析三大功能模块。

2.2.1  工艺方案管理

（1）工艺路线管理。包括工艺路线的录入、编辑、浏览、查询以及导入导出等操作。

（2）工序作业管理。工序作业管理是指工序作业程序的管理，包含装夹、对刀、加工和检验等作业程序，每项作业程序可能会分解为多个步骤，例如：加工作业可能会分解为多个加工工步。作业程序应支持文档和流程两种管理方式。文档方式主要用于管理作业指导书。流程方式主要用于支持多步骤作业程序的流程跟踪。

（3）控制参数管理。即关键工序的工艺参数、刀具参数等量化数据的管理。通过设置控制参数，实现对关键工序的参数化监控。

2.2.2  工艺执行监控

（1）工序监控。通过工序完工汇报数据、机床运行数据和传感器等数据的采集和分析，实时监控加工工序的执行情况。包括是否按指定工艺路线和工序开展加工、是否按指定工艺参数进行加工、是否及时开展工序检验和汇报检验数据等。

（2）过程检查。即检查操作工人是否严格按照工艺文件的要求开展工序加工，也就是常说的工艺纪律检查。一般通过在线填表的方式进行，包括自查表和抽查表，是工序监控的一种补充。

（3）异常反馈。即工序异常的反馈，包括实际工艺参数与设计工艺参数不符、工艺参数不合理、工序质量超差、刀具磨损异常等。

2.2.3  工藝数据分析

（1）工艺执行情况分析。即统计一段时间内哪些零件是严格按照工艺设计要求开展加工的，哪些零件是未严格按照工艺设计要求开展加工。

（2）工艺标准化情况分析。所谓标准化，是指对于同一个零件或零件系列，不应存在不同操作者或不同的加工批次之间工艺方案不一致的问题。统计一段时间内哪些零件形成了标准化的工艺方案，哪些零件未形成标准化工艺方案。

（3）差异分析。未形成标准化工艺方案时，同一个零件或零件系列，不同操作者或不同的加工批次之间工艺方案可能存在差异，而这种差异会导致零件的精度等级、刀具消耗或加工工时存在差异，通过数据的关联分析，找出最佳（或最差）精度等级、刀具消耗或加工工时所对应的工艺方案。

3  关键技术分析

3.1  数据采集技术

数据采集是指对实际加工的工艺参数、加工工时、加工质量、刀具消耗、机床状态等数据的采集。由于多数机械加工企业都存在加工中心、数控机床等先进设备和普通车床、铣床等老旧设备并存的现象，全部通过传感器、现场总线等方式来采集数据是不现实的。因此本文提出了设备联机采集、人机交互显示采集和人机交互隐式采集三种数据采集方式。

设备联机采集是指通过传感器、现场总线等方式采集数据;人机交互显示采集是指通过专门的数据录入界面进行数据采集，例如：前面提到的工艺过程检查模块中，通过工艺自查表信息录入界面实现数据采集;人机交互隐式数据采集是指在人机交互操作过程中，自动记录人机交互所附带的一些隐式信息，例如：在提交完工汇报的人机交互操作中，可以自动采集提交完工汇报的具体时间，通过比对时间间隔，自动实现工时数据统计。

3.2  数据分析技术

数据分析只是对工艺执行历史数据的分析和挖掘。数据分析的目的主要有两个：一是工艺执行绩效分析，即前面提到的工艺执行情况分析和标准化情况分析;二是工艺知识的发现，即发现历史数据中最优的工艺方案或失败的工艺方案，例如：对于某个产品，因不同人员或不同时期的加工作业，在作业过程中可能采用了不一样的工艺参数或刀具，通过关联分析，找出其中加工效率最高、或加工质量最优条件下所对应的工艺参数或刀具。工艺知识发现主要通过前面提到的差异分析功能来实现。

4  结  论

综上所述，本文提出了一种基于MES的机械加工工艺执行系统，构建了由用户层、业务层和数据层构成的三层体系结构，设计了包含工艺方案管理、工艺执行监控和工艺数据分析等功能的功能结构，探讨了数据采集技术、数据分析技术等关键技术。该系统可以弥补现有MES系统工艺管理功能的不足并强化工艺执行过程的管控，还可有效提升机械加工企业的工艺管理水平。

参考文献：

[1] 褚学宁，王治森，马登哲，等.CAPP技术的智能化发展思路 [J].中国机械工程，2003，14（23）：2062-2066.

[2] 乔立红，考书婷，杨志兵.三维数字化工艺模型及其表达框架 [J].机械工程学报，2015，51（8）：164-171.

[3] 赵强，许建新，董思洋，等.面向数字化制造的工艺执行系统关键技术研究 [J].机械科学与技术，2012，31（12）：1910-1915.

[4] e-works Research.制造执行系统（MES）选型与实施指南：第2版 [R/OL].（2017-01-03）.https：//www.e-works.net.cn/report/mes2016/mes2016.html.

作者简介：李先旺（1982.06—），男，汉族，湖南资兴人，讲师，博士研究生，研究方向：制造业信息化技术及应用;黎炫锋（1998.01—），男，汉族，广西南宁人，本科在读，研究方向：机械设计制造及其自动化。