吴青长

摘要：系统介绍了智能加工站（IMS）技术及产品特点、功能和关键技术;基于IMS技术，提出了智能生产管控系统的设计结构和功能实现。

Abstract： The system introduces the intelligent processing station （IMS） technology and product features， functions and key technologies; based on the IMS technology， the design structure and function realization of the intelligent production management and control system are proposed.

关键词：智能加工站;智能排产算法;工序整合;管控系统

Key words： intelligent processing station;intelligent scheduling algorithm;process integration;management and control system

0  引言

智能加工站（Intelligent Manufacturing System，IMS）技术集多工序、多工位加工制造单元于一体。IMS通过控制中心集成的“生产管控系统”结合企业ERP、PLM、MES等信息化系统，实现从优化排程、物料准备、加工制造、质量检验到成品输出的完整制造序列任务。智能加工站具有小批量、定制化的柔性化数字生产特点，在降低人力成本、工序优化的同时提高生产效率。通过智能加工站（IMS）的生产管控系统研究及与航空发动机零部件等生产企业的ERP、MES、独立工作站之间的协同，实现纵向一体化，进而实现小批量、定制化的柔性化数字生产，在降低人力成本、工序优化的同时提高生产效率[1]。

1  IMS特点及关键技术

1.1 IMS工作特点、功能

随着工业4.0、中国制造2025兴起，航空制造企业也顺应国家制造业发展战略，纷纷加大信息化投入，比如ERP、PLM、MES等;制造装备方面也以提高设备自动化程度、批量生产、降低制造成本为导向，采用引入大量工业机器人，搭建出一套由PLM、ERP-MES-MC-ROBOT组成的高效率的兩化融合体系，可最终使用的效果远低于预期。MES-自动化（PLC）或MES-DNC-PLC（ROBOT）架构，侧重生产任务的下发、生产结果的反馈以及机床状态（维护，故障等）的方式，主要应用于整线或整线群。MES-SCADA-PLC（ROBOT）架构，主要应用于SPC站或者自动化PLC（ROBOT）不统一的多站点（机床）环境。MES-自动化（PLC）或MES-DNC-PLC（ROBOT）架构不对MES任务单进行系统分解排产、不具备站点之间协同匹配能力、机床程序无法满足PLM到机床的一致性、无法进行大批量在线刀具夹具管理管理。与PLM-ERP-MES-“管控系统”-ROBOT架构，存在本质区别。

智能加工站（IMS）主要针对小批量、多品种、定制化、柔性化的机加工需求，多应用于航空航天等行业，如：作动器、阀体组件、叶片等的加工制造。IMS结合数据聚合、数字协同、智能识别、精益控制等技术，可以实现智能排产、程序分发、刀库扩展、刀具管理、夹具管理、质量管理、生产KPI能源管理、人员管理以及数据管理等功能。

某种IMS产品功能参数表如表1所示。

例如，一套航空航天作动筒关键零件有三部分组成，每个零件有6-11道工序，合计31道工序。由于材料与性能特殊，工序用时（节拍）从2分钟到2小时不等，原材料需要间隔不一;工装夹具、刀具分散，虽然ERP、MES进行管理，但需要大量人工进行维护及周转;工序间加工程序不同，程序的导入及版本升级，无法与PLM同步，需要专业技术人员现场对比测试;ERP订单以批量套数方式分发至MES，MES经过分解，再以月计划套数方式分配到线端，无法进行优先定制化排产;引入机器人单工序效率提高，但前后工序无协同，工序节拍差异，后工序设备只能以前序周转输出量进行临时排产，设备开动率底下等等，现场实际问题是阻碍高效率生产的主要原因。

基于以上分析，以“机器换人”理念的技术升级改造主要解决的是单站高人工成本问题，而实际面临的问题是PLM-EPR-MES-ROBOT全环节的“软件”协同问题，是精益生产管理软件化，智能排产、工序整合、小批量、定制化、柔性化生产的问题。智能管控系统正是这样一套软件系统，存在于MES与ROBOT之间。对MES订单进行解析，依据交期前后、原材料、刀具、夹具、工序节拍、机床状态等进行智能匹配，排列出适宜的生产序列;对线内刀具进行寿命自动评估，提前进行生产预判并反馈到MES/ERP系统;对工序夹具进行智能库管理，依据工序自动调度夹具更换;管控系统实时同步PLM内的加工程序，自动进行导入与升级，并进行多重校验;根据生产序列自动调度ROBOT进行协同生产，实现由生产管理到自动控制的一套完成管控体系——PLM-ERP-MES-“管控系统”-ROBOT[2]。

1.2 IMS关键技术

IMS关键技术在于智能排产算法和加工程序与刀具、夹具缓存库管理技术。一个零件工序的投入生产，涉及到前期物料准备、刀具库存、夹具库存、加工程序的有无、零件的销售交货期，当前机床状态、刀具夹具状态、加工剩余时间，以及后序库存位置、后序时间间隔、机床开动率、检测机床的负荷等等非常复杂的因素，智能排产算法不仅涉及到本身的科学技术知识、还涉及到销售策略、加工工艺、测量工艺等很多方面。加工程序与刀具、夹具缓存库管理：由于CNC系统程序容量无法满足多品种、多工序柔性化加工程序容量需要，管控系统就需要对来自PLM的加工程序进行同步缓存，保持版本一致、内容一致;管控系统根据进入生产的产品自动导入加工程序，并进行多重校验，保证工件程序匹配。同样，多品种、多工序柔性化加工就需要大量的刀具及夹具，数量可以达到100-300套，系统如何保证它们之间的一一匹配也是系统的核心技术之一。

2  基于IMS的生产管控系统设计

2.1 生产管控系统结构设计

管控系统主要包括计划管理，半、成品缓存库管理，刀具缓存库管理，夹具缓存库管理，机器人调度，设备机床管控，基础信息管理等几大功能模块。如图1所示。

2.2 生产管控系统功能设计

管控系统计划管理主要是接收ERP、MES下达的主生产计划，按照排程算法计算出产品的生产序列。生产线根据生产序列进行生产加工。系统同时生成物料需求、刀具需求、工装夹具需求等，并将其同步发送到对应的业务流程。

半、成品缓存库管理实现在于管控系统根据零件工艺路线，生产序列及加工状态，通过装载站进行半、成品提前入库，根据加工生产排程，自动调度零件出库加工，加工完毕自动调度入库。同步MES、EPR库存状态。管控系统的刀具缓存库管理，即管控协同根据生产序列，分析库存刀具寿命，提前进行匹配;分析机床内刀具剩余数量进行刀具更换;分析不同工序刀具需求，调度机器人进行刀具调配;刀具参数协同刀具调度同步导入机床参数。管控系统提前分析库存夹具，分解出最适合的零件工序，为计划排产提供基础数据，实现夹具缓存库管理。

管控系统的机器人调度，改变了孤岛式机器人应用方式，让机器人更智能化，依据生产序列调度机器人进行不同工序的不同动作，运用第七轴机器人或RACD进行多机器人协同工作，进行工件输送、刀具更换、夹具更换。设备机床管控在于管控系统分析当前工序，从PLM进行程序同步及校验，自动导入机床;根据刀具更换结果进行刀具补偿等参数导入;配合生产序列自动进行夹具更换;实时分析机床状态，提前预警保养维护，保证机床开动率最大化[3]。

管控系統的排产系统及多工序协同能力，可以提高机床、机器人利用率，提高整线生产效率;管控系统的加工程序管理，零件库、刀具、夹具库的管理能力，可以完全实现小批量、定制化的柔性化生产，实现物流与生产的协同，实现短期无人化生产。

3  结语

未来5-10年，正是我国智能制造装备产业发展的关键期和重大机遇期。现如今，随着后金融危机时代及后工业时代的到来，制造业逐步向环境友好、资源节约、绿色化、智能化、可持续发展等方向发展趋势明显，工业发达国家重视高端技术的应用，竭力在智能制造装备领域继续保持传统优势和世界垄断地位。随着我国制造业2025概念的提出，我国在传统制造业升级改造、重大工程建设、重点产业规划布局、战略新兴产业扶持方面提出了更高要求。

参考文献：

[1]彭莉.基于智能管道承载的IMS系统部署方案研究[J].移动通信，2013（16）：73-77.

[2]王磊，郭顺生，李西兴，等.基于多Agent的建材装备制造企业智能生产进度管控系统研究与应用[J].计算机集成制造系统，2017，23（6）：1310-1319.

[3]张志强，陈杰，杨燕，等.基于华中HNC-IMS的机床逻辑单元群系统开发[J].现代制造技术与装备，2019（7）：68-70.