MES系统在3D打印机装配中的应用研究.pdf

2024年第1期2024年2 月智能铸造MES系统在3D打印机装配中的应用研究铸造设备与工艺FOUNDRY EQUIPMENT AND TECHNOLOGYD0I:10.16666/ki.issn1004-6178.2024.01.008Feb.2024No1唐晋升，张俸山，马新宇（共享智能铸造产业创新中心有限公司，宁夏银川7 50 0 11）摘要：MES（制造执行系统）是智能制造的重要组成部分，是智能制造建设的核心，其生产控制能力直接决定了智能制造的工作效率。基于某企业的3D打印机装配厂，研究开发了一套可以解决生产计划管理、生产过程跟踪、生产作业执行、生产过程质检等生产全周期管控的3D打印设备装配MES系统，通过MES系统的应用实施，解决了生产计划精细化管理和生产作业智能化执行问题，构建了完整的数字化生产线，提升企业数字化生产和数字化管理水平。关键词：制造执行系统；制造生产企业；3D打印设备装备；数据集成中图分类号TP311.13;TH-39文献标识码：A文章编号：16 7 4-6 6 94(2 0 2 4)0 1-0 0 2 6-0 3制造执行系统（MES）是连接企业上层管理系统与下层自动控制系统的桥梁，起着信息传递与沟通的作用，将工厂内部的各种操作信息与企业资源计划(ERP)系统、供应链管理(SCM)系统以及其他生产系统进行集成，实现生产过程的自动化和智能化。而3D打印机装配MES系统是一套面向3D打印设备生产制造企业车间执行层的生产信息化管理系统，主要用于从订单下达到产品完成的整个生产过程的精益管控，也是针对我国3D打印机装配的特点和车间生产管理现状,研究的设备装配的制造执行系统，对促进我国装配制造企业数字化建设具有重要意义。1MES系统对生产制造企业数字化转型作用第一，有利于助推企业数字化转型。MES系统是当前企业数字化转型必不可少的组成部分。其能够收集有价值的数据信息，并进行统计分析，为企业决策提供依据，以此提升企业的经营效益。因而，企业在应用MES系统时，则需要发挥其充分作用，积极加速数字化转型步伐。第二，有助于优化企业生产制造过程。MES系统对工厂数字化管理和高效、精细的制造理念加以完美结合，有助于提高生产效率并降低成本，规避人为失误，优化企业生产过程，从而帮助企业实现制造流程的可持续性提升。收稿日期：2 0 2 3-0 9-0 1作者简介：唐晋升（198 7-），男，宁夏西吉人，大学本科，机械工程及自动化专业。现主要从事工业互联网、智能制造、企业数字化研究与应用推广。26第三,有利于实现数据化管理。如何利用先进的科技手段来提高企业的生产效率，已成为各行各业所必须面对的首要问题。而MES作为一个重要的生产管理平台，它与企业资源计划(ERP)系统、供应链管理（SCM)系统以及其他生产系统进行集成，实现生产流程数字化和精细化管理。23D打印机生产制造过程存在的问题生产控制复杂化。3D打印机装配制造由于物料品种规格多，多数企业属于多品种小批量、以手工劳动为主的离散型生产制造。企业按定单装配，按定单制造，生产不连续，生产制造过程复杂，专业化分工也不够精细，企业内部的管理相对复杂。而目前企业的手工管理状况与先进的数字化管理方法之间存在很大差距，大大增加了企业管理难度。客户需求个性化。按订单装配ATO，按订单制造MTO,按订单设计ETO，大规模定制MC,品种规格繁多，生产、采购异常复杂。从客户-销售-设计-生产_采购-财务-成本，需要一个完整的供应链管理，才能动态快速地响应客户需求，适应千变万化的市场和客户定制化的要求。软件应用孤岛化。由于企业常用的ERP、S C M、CRM、M E S 等,本身就是一种独立需求、独立设计、独立实施的数字化过程，系统条块分割，数据不能共享，事后集成统一，事倍功半，无法形成信息流与资金流的集成和统一，不能适应数字化的产品开发及管理对快速设计和创新设计的要求。2024年第1期33D打印机装配MES系统的设计与开发根据3D打印设备生产企业现状，需要开发一套装配MES系统，解决企业生产计划管理、生产过程跟踪、生产作业执行、生产过程质检等生产全周期管控问题。本系统需要对生产要素、生产信息、物料BOM、工艺路线、生产过程等进行同步管理以达到生成过程信息化的目的。3.1MES与其他系统交互集成关系分析3D打印机装配MES是连接企业上层管理系统与下层自动控制系统的桥梁，需要与企业内部企业资源计划系统(ERP)集成，获取生产订单、销售订单、物料BOM、工艺路线等相关生产基础信息；与EPDM系统集成获取3D打印机装配的工艺路线、技术参数，保证设计图纸文件及相关生产数据能够及时与MES同步，保证生产过程中工艺准确性；与仓储管理系统（WMS)集成能及时处理原材料的入库、出库、领料、退料任务；同时，为保证物料在工厂内的高效流转，3D打印机装配MES系统与AGV系统集成，处理物料领取及转运过程，减少人工操作，提高了安全性的同时也保证了物料转运效率。3D打印机装配MES系统还与数字化展现大屏做了系统集成，将生产相关的重要数据进行抽取、处理、展现,形成各类数字化看板；在工厂各终端BOX机做唐晋升，张俸山，马新宇：MES系统在3D打印机装配中的应用研究1)订单管理订单管理模块是MES将ERP中的销售订单转化为工厂生产任务、让生产相关人员方便管理生产订单和订单分解任务的功能。MES以生产订单清单和对应的工艺路线、BOM清单的确认和转化为生产任务核心。订单管理也是ERP销售订单、SRM采购订单与MES后续生产分解任务关联的依据。主要功能包括生产订单管理、生产任务池等。2）产品管理产品管理模块是根据MES部署设计及现有信息化情况，MES对于产品信息、工艺以手动创建模板匹配到生产作业任务的形式以同步和记录EPDM的工艺、质量等参数，从而达到指导生产作业的目的，主要功能包括产品管理、技改任务管理等。铸造设备与工艺本地部署，服务装配工报工，工时分配等。MES系统对外集成架构如图1所示。3.2装配MES系统架构设计3D打印机装配MES系统架构选取当前流行的微服务架构，基于安全性、可靠性、集成性、可扩展性和可管理性等多方面的考虑设计，确保系统稳定运行，并能够随着业务发展或技术创新持续扩展。系统架构由五层结构组成：基础层、网络层、支撑层、业务层、展现层。具体结构如图2 所示。3.3装配MES关键业务模块设计ERP系统1、E R P推送生产订单给MES2、M E S 获取ERP库存信息3、M E S 推送报工信息给ERP4、M E S 推送中间件入库信息给ERP5、M E S 推送成品入库信息给ERP1、工序完工报工2、检验参数录入3、工序工时录入4、配餐催办报工终端5、技改催办6、A G V 呼叫EPDM系统1、产品工艺路线2、产品图纸信息！3、物料BOM14、作业指导书15、过程控制卡1、生产订单进度MES生产执行系统2、物资状态3、配餐任务4、欠料任务5、装配任务用户管理订单管理生产管理仓储管理车间看板工厂管理质量管理统计分析6、质检任务集成管理1、M E S 通知AGV配餐转运1、WM S 将出库结果反写给MESWMS系统2、M E S 通知AGV成品转运3、A G V 反馈MES当前状态AGV系统图1MES系统对外集成架构图27Feb.2024No1铸造设备与工艺2024年第1期展现层业务层通知流管理支择层存储过程网络层立体货柜+立体库基础层PC(B/S)订单管理生产订单管理生产任务管理产品管理产品管理技改管理移动端主要功能模块工厂管理计划管理工位管理工序排产设备管理装配计刻配餐计刻生产管理技改计划工广日历任势池管理任势排产报工管理辅助模块知识库管理统计分析自定义函数可配参数应用数据库现场库工作看板仓储管理质量管理库存管理质星常划入车管理来料检验出车管理工宗检验发货管理客户验收现场库管理质星按派、评审成品库管理质检台账工作台基础管理自定义审批数据缓存备份数据库AGV基础网络图2 3D打印机装配MES系统架构组织架构信息EHR数据权限+菜单权限订单信日记工艺路设信目库存信采贴进庆信API口ERP物料出库信电配餐结果WMS配爱求信电绩效管理可追溯记录扫码枪PDA/操作台转运洁果AGV特运港求3）生产管理生产管理模块是工厂根据根据生产订单的交期进行生产任务和协调配套任务的分解和分派管理来掌握和调整生产节奏，能够为生产作业执行单元提供工作导向和工艺指导，同时能够实现生产报工、质检整改、技改等。主要功能包括。4)工厂管理根据装配工厂的实际业务和MES当前设计需要，需要对工厂管理和设备管理进行参数设置，其中工位和工位划分的参数用于工位任务分解，设备和设备参数设定用于MES可用设备的识别，其他参数设置用于生产交期的保障和工厂的运行等。主要功能包括工位管理、设备管理等。5)计划管理计划管理模块是根据订单排期需求和工厂运行情况对工序生产进化进行明确规划和指派，对装配的核心作业工序进行计划明确以确定工厂的整体节拍，包括仓库配餐作业的计划、工序质检的预期计划等。主要功能包含订单排产、工序排产、装配生产计划和报工管理等。6）仓储管理仓储管理模块主要为装配业务提供物料的支持，同时辅助ERP和WMS系统健全仓储管理机制，根据原料类型多、原料采购周期长、原料人库前28序管控难、现场作业对原料依赖性强、原料问题影响工序问题多问题，主要功能包括原料/成品/装配体的出入库管理、库存管理、发货计划、AGV运行管理等。7)统计分析装配MES平台数据管理模块主要包含产能数据管理和质量数据管理。为装配工厂数字管理部门的相关责任人能通过查看各生产工位的产能数据和订单生产过程中的质量数据。主要功能包括产能数据管理、质量数据管理、订单报表、产量报表。43D打印机装配MES系统的应用装配MES系统建成后在车间进行应用推广，总体功能和效果初步达到了系统的设计目标,基本完成了本系统的事实目的，企业在降本、提质、增效上成绩显著，10 0%实现了3D打印机装配作业流程数字化管理，有效的提高了工厂核心环节的工作效率，自3D打印装配MES系统应用后，原材料的配餐效率提高约10%，平均配餐时间相较于之前节约20min，报工数据的及时率达到10 0%,为ERP进行成本统计及工时核算提供了准确的生产数据。当然，没有一个工厂级的MES系统是一步到位的，在应用推广阶段，也发现了在调研阶段不够明（下转第32 页）Feb.2024No12.4喷砂房设计喷砂房布局如图5所示，主要由喷砂房房体、RGV小车、除尘系统及喷砂设备组成。喷砂工艺流程为：工件由转运工具转运至RGV小车，RGV小车将工件转运至喷砂房，人工通过手持喷枪的形式对工件进行喷砂作业，喷出的钢砂落人地坑后由螺旋输送至喷砂回收设备，经过分离工序后再次进入喷砂罐中，实现重复利用。喷砂房室体设置了除尘系统，采用上进风、下抽风的形式将灰尘向下压，可以保证操作人员有一个较好的操作视野，吸走的空气经过过滤后通过烟卤排至室外，按照环保要求，烟的高度应不小于15m.喷砂作业结束后，由RGV小车将工件转运至室外。2.5喷漆房设计喷漆房布局如图6 所示，主要由上件位、下件位、喷漆房、流平房、烘干房、喷漆房废气收集装置、烘干房加热装置组成。喷漆工艺流程为：工件由转运工具转运至上件位附近，操作人员上件后，工件自动运行至喷漆房进行喷漆，喷漆完毕自动运行至流平房进行流平，流平结束后自动运行至烘干房进行烘干，烘干结束后运行至下件位，由人工在下件位卸下工件。喷漆线工件流转方式采用自行葫芦方式，自行葫芦可在固定轨道上按照节拍要求自行行走。喷漆房配备有废气收集装置，采用上进风下抽风形式，这样操作人员视野更加清晰，烘干房配备有加热装置，热风温度可调，进风方式为下进风上抽风，便于工件更好的烘干。铸造设备与工艺下件位十3总结基于铸件柔性自动加工线的加工全流程方案可以有效地提高机床开动率，减少工人劳动强度，在实现全流程加工的要求下，各个工序高度自动化，工作效率及企业效益得到较大提高，而且自动加工线还可以与信息化系统集成，实现订单下发、加工程序下发、数据采集及机床监控等功能,真正实现由制造向“智造”发展。参考文献：1】顾荣,文西芹.一套柔性加工制造系统的设计J.机械制造与自动化,2 0 13,42(0 6)：40-43.2 方德强.机械加工制造中自动化技术的实践探究J.河北农机,2 0 2 3(0 5)：55-57.3曹艳政.自动化技术在机械加工中的运用J电子技术，2023,52(06);134-135.43王辉，王季叶，汪继革，柔性打磨系统在大型发动机铸件清理作业的应用J.铸造设备与工艺，2 0 2 1（0 5)：34-37.2024年第1期上件位区烘干房流平房喷漆房烘干房加喷漆房废气热装置收集装置图6 喷漆房布局图(上接第2 8 页）确的一些应用要求,也清楚了部分调研结果可能与实际应用存在偏差，记录了这些需求变更的点，并按照统一策划，逐步改进的的迭代思路来分步处理这些问题，并根据需求变更文档，对系统操作手册及系统版本进行管理5结论3D打印机生产企业应用MES系统可以使生产过程数字化、规范化，对3D打印机的生产效率有很大的提升。本文研究的装配MES不仅可以解决3D打印设备装配的生产执行问题，还可以面向设备装配企业提供生产制造信息化解决方案，通过装配MES系统的应用,在很大程度上提高了产品的生产32效率，为领导决策提供了数据支撑。较之前也规范了3D打印设备的生产过程并使生产流程标准化。通过废品分析等功能也使得产品的生产质量得到了控制以及提升。目前来看,我国对MES系统的研究以及开发还处于成长阶段，企业应该保证所开发的系统与现阶段企业自身的发展情况相符合，通过企业数字化转型，从而使企业在行业竞争中占据有利地位。参考文献：1周赛.MES系统在企业生产中的应用与研究J.铸造设备与工艺,2 0 2 2(5):36-39.2杨馥铭.面向飞机装配数字化生产管控的制造执行系统研究及应用D.武汉：华中科技大学,2 0 17.