打磨车间数字化智能生产管理系统的设计与实现.pdf

本刊特稿打磨车间数字化智能生产管理系统的设计与实现新潮电子第16 期（总第5 47 期）王晓斌，邹灵，韩剑，吴文斌，高爽，李国臣（东莞职业技术学院，广东东莞5 2 38 0 8）摘要：针对3C行业中打磨工艺存在设备故障高、参数不精准、异常追溯耗时长、OEE（设备综合利用率)不准确等问题，提出了一种打磨数字化智能管理系统。该数字化智能管理系统集信息识别、参数采集、数据计算及统计、异常报警和可视化显示功能于一体，应用工业大数据处理技术分析、优化打磨车间多维度实时生产参数，实现打磨车间的数字化管理。同时，系统基于互联网技术通过数据平台即时分析与研判生产状态和产品信息，实现生产数据的异常追溯和即时响应。经案例证明；该系统能有效提高打磨车间设备综合利用率及产品良品率，为企业节省运营成本，提高收益。关键词：打磨工艺；数字化；管理系统在奋力突破欧美技术围堵和后疫情时期经济下行的背景下，中国制造将迈向推动制造业高端化、智能化、绿色化发展之路!。事实证明，中国制造业企业进行数字化转型已是未来我国新的经济增长点 2 。2021年，我国数字经济规模已经达到45.5 万亿元，占GDP比重的39.8%。其中产业数字化占数字经济比重达81.7%3。制造业数字化转型将在四个方面大有神益；（1）有助于制造活动服务化，通过促进服务化水平的提升，助长企业效益。（2）有效推动制造业产业链解构与重构，降低产业链运营成本，更能适应市场需求变化 4。（3)能重塑制造业竞争优势，面对外部千变万化的形势，可从容地应对冲击，在短时间内得到最佳的解决方案，化解风险。（4）数字化转型将必然促进精细化管理，减少各环节的材料和能源消耗，减少企业碳排放以助力实现碳中和目标 5 。从优化产品加工的角度审视制造业企业发展，生产管理数字化较传统加工工艺有多方面优势。以金属外观件行业为例，精加工的能力对金属外观件的美观度、性能起到决定性的作用，打磨作为金属外观件生产精加工的核心环节，是产品品质和生产效率的关键影响因素 6 。传统工艺在打磨过程中会产生大量的火花、碎屑以及化学气体，对产品和工作人员都将造成不可抗拒的伤害；调试打磨设备时仅凭操作员经验，将导致良品率低；打磨设备异常总是后知后觉产出大量次基金项目：东莞市科技特派员项目（2 0 2 2 18 0 0 5 0 0 49 2；2 0 2 2 18 0 0 5 0 0 5 5 2）；东莞职业技术学院国家双高计划电子信息工程技术专业群专项经费(ZXF015)。.1品，且异常追溯耗时长，打磨制程问题排查流程如图1所示，至少需要5 1H7。打磨车间进行数字化转型后，能使得车间机械设备的易用性、稳定性及智能化水平得到大幅度提升。智能数字化系统可自动分析出最佳加工参数，做出及时调整以提高设备生产效率及产出的良品率 8 。针对上述传统打磨存在的缺陷，本文设计了一种打磨数字化智能管理系统，以解决现有的打磨机台工艺参数不精准等问题。1H反馈12H后制程反打磨每台馈不良（如阳极）全检一、系统需求分析及总体设计(一)系统需求分析在3C行业中，打磨工艺作为非标加工工艺，其在生产管理过程中存在诸多问题：其一是加工参数和生产参数通过人工进行统计，不仅统计数据不准确，还要浪费大量物力财力来做统计工作；二是生产参数和加工参数大多依靠技术人员凭经验进行调试、配置，参数指定和优化不精准（如图2 所示）；三是打磨加工车间机械手故障率高，对故障和异常的追溯需要耗费大量技术人员和大量时间，且在追溯过程期间故障和异常加工机台将持续生产大量不良品甚至报废品，增加了企业的生产成本。12H喷砂阳极做三片料12H喷砂阳极图1打磨制程问题排查流程全检锁定昇常机台1H12H1H改善后打磨10 片打磨调机改善第16 期（总第5 47 期）新潮电子本刊特稿依靠手感调压打磨压力针对打磨工艺的改进需求，构建多模块相互配合的打磨数字化智能生产管理系统。首先，系统应具备数据采集与识别功能，采集打磨过程中的实时数据、成品信息并与最终产品相关联。其次，需对采集到的数据进行统计和分析，求解设备最佳打磨参数并及时对参数进行调整。出现超出阈值的参数时能及时预警且对问题追根溯源，通报操作人员进行处理，避免因后知后觉造成材料浪费。最后，系统应通过可视化面板对产品信息、机台信息、加工参数、生产参数、异常信息以及加工/生产信息进行实时展示。结合传统打磨工艺的经验和数字化智能生产管理系统的功能需求，本文设计的打磨系统具备八大功能模块，可实现打磨车间的数字化管理和参数优化，运用工业大数据处理技术，实时呈现车间多维度生产状况和OEE数据，自动分析出产品打磨的最佳工艺参数，实现系统运维的高效与精准。（二）系统总体设计鉴于传统打磨工艺存在的缺陷和金属精加工高要求，本文提供一种打磨数字化智能管理系统、方法、装置及计算机存储介质，以解决现有技术在打磨工艺中由于管理不规范、故障和异常追溯的时间较长导致的不良品率和报废品率增加的问题。由系统结构图如图3所示，打磨数字化智能管理系统主要由八大功能模块组成。其中，识别模块主要用于识别待加工产品的产品信息，并将所述产品信息与加工机台的机台信息进行关联。在打磨过程中，数据采集模块至少需要采集包括打磨压力、气源气压量、真空负压量、水流压力以及水流量等加工参数，用于实时监测打磨过程。当加工参数超出第一或第二阈值时，将触发预警模块中的报警子模块或自动预警子模块工作，给予操作员预警提示。同时系统将记录每一次的异常数据，整理成报表，供操作员和管理人员通过可靠目视判断水流是否合适图2 传统参数设置数据计算模块生产率计算子模块良品率计算子模块综合利用率计算子模块参数优化模块生产效率计算子模块权重赋值子模块参数提取子模块参数配置子模块异常预警模块报警子模块自动预警子模块异常信息生成子模块图3打磨数字化智能管理系统结构图视化看板查看。数据统计模块的职能主要是统计包括加工周期内的耗材消耗量、耗材加工次数、实际产量以及良品数量。其中，良品是由后端识别装置对加工完成产品评价的结果。在整个生产周期结束后，数据计算模块将根据识别模块、数据采集模块、数据统计模块提供的数据计算该生产周期的生产率、良品率、综合利用率等生产信息。然后分别赋予生产率、良品率和综合利用率权重，根据权重计算得到各加工机台的生产效率，获取预设区间内最优生产效率的加工机台的加工参数，再将获取到的生产效率最优的加工参数配置为下一计划生产周期该预设区间内所有加工机台的加工参数。最后将通过存储模块和可视化看板对产品信息、机台信息、加工参数、生产参数、异常信息以及加工/生产2砂纸寿命设定依靠验证和经验识别模块数据采集模块压力传感器负压传感器水流传感器气压传感器可视化看板存储模块数据统计模块生产量统计子模块良品统计子模块耗材统计子模块本刊特稿信息进行存储并可视化，总体解决方案如图4所示。雕务器控制系统录入参数新潮电子料时，监测其真空负压值，从而机械手能稳定吸附待加工产品。而水流传感器将安装在打磨机台的水流通产品信意上传第16 期（总第5 47 期）道内，采集并控制通道内的水流压力和水流量，对打磨位置进行降温以确保打磨质量。各传感器安装如图6所示。结果传输压力传感器水流传感器参数分析数螺优花图4解决方案二、系统的控制与管理方法(一）产品的唯一标识产品在打磨加工的前序加工工艺中将产品二维码作为产品唯一标识。对待打磨产品打磨前采用摄像头对产品唯一标识进行读取，关联产品信息和机台信息，并在产品打磨过程中将关键信息及时地写人产品二维码中。其中包括打磨过程中数据采集模块采集到的实时加工参数（打磨压力、气源气压量、真空负压量、水流压力以及水流量）和该批次生产参数（耗材消耗量、耗材加工次数、周期实际产量以及良品数量）等。硬件配置及说明如图5 所示。步骤说明）无线远程通讯模块2）4路AD输入模块3）扫码头（通讯协议为modbusRTU）1.加装硬件4）气源压力表5）真空负压表6）循环水压表）压力传感器8）其它配电材料1）每台机械手通过modbus RTU上传至无线通讯模块2）气压、水压表的数据利用无线模块的AD功能读取3）上传数据到以太网32 位主站2.数据采集4）主站再与西门子WINCC交换数据5）将以上采集到的数据通过上位机传递到服务器的数据库中和应用系统的热行程序中）可采集的息数据有：加工参数、开机时间、闲重时间、维修时间、设备状态、产品信息、不良数7）数据保存时间：1年(二）采集与统计打磨参数在打磨过程中打磨头下压距离、源通道内的气源气压、负压通道内的真空负压以及水流通道内的水流压力和水流量都是确保产品打磨质量的关键参数。为此，打磨数字化智能生产管理系统将在打磨头位置处安装压力传感器，实时监测打磨处的压力并确保待加工产品上的打磨压力在适当的范围内。在打磨机台的气源通道内安装气压传感器，从而间接得到机械手动作时的气源气压量，以确保机械手的稳定移动。负压传感器将安装在打磨机台的负压通道内，在机械手取放3扫码头负压传感器气压传感器图6 传感器安装图同时，产品打磨加工以批次为周期，在打磨周期中将实时统计生产参数，包括耗材消耗量、耗材加工次数、周期实际产量、良品数量以及对应加工机台的机台信息（数据采集流程如图7 所示），以便后续进行加工/生产数据统计。水压压力（流量）表1.通讯模块2.输入模块88-6654.气源/真空压力表7.开关、网线等电气材料图5 硬件配置检测硬件3.扫码头卡传至控制中心5.循环水压表6.压力传感器气压正压传感器气压负压传感器打磨压力传感器WINCC组以太网模块态控制中心图7 数据采集流程（三）优化与配置打磨参数应用采集模块和统计模块收集到的数据，通过数据计算模块中的子模块分别计算该产品打磨周期内的生产率、良品率以及综合利用率，其计算公式为：生产率-周期实际产量/周期计划产量良品率=良品数量/周期实际产量综合利用率=可用率表现指数质量指数其中,公式(3)中的可用率是根据计划生产周期内对应的实际工作时间和计划工作时间计算得到。即：可用率=实际工作时间/计划工作时间；表现指数根据计划生产周期内对应的周期实际产量、实际工作时间以及生产率计算得到，即：表现指数=（周期实际产量/实际工作时间)/生产率；质量指数即为计划生产周期内控制硬件Smat型PLCAD输入模块以太网模块电控箱低压电器材料(1)(2)(3)第16 期（总第5 47 期）对应的良品率。参数优化模块将应用以上数据各加工机台的加工参数进行优化，以提高生产效率。根据生产率、良品率和综合利用率对加工机台生产的重要程度分别对生产率、良品率和综合利用率赋予权重，即W+W，+W=1,其中W,为生产率的权重，W,为良品率的权重，W,为综合利用率的权重。通过权重计算得到每一加工机台在前一计划生产周期内的生产效率n;n=W,生产率+W,品率+W,综合利用率（4)然后通过参数提取子模块对所有加工机台的生产效率按照从大到小进行排序得到生产效率序列，即：n，n 2，n，（其中：,为加工机台的数量），并获取生产效率最优（即n，）对应的加工机台在前一计划生产周期内的加工参数（包括打磨压力、气源气压量、真空负压量、水流压力以及水流量）。再由参数配置子模块将最佳加工参数配置为下一计划生产周期内所有加工机台的加工参数，以进一步实现效益最大化。三、打磨数字化生产管理的优势打磨车间数字化改造能有效提高企业整体竞争力主要表现在促进车间生产效益、提升企业管理水平、降低公司运营成本三个方面，其具体分析如下：（一）促进打磨车间生产效益打磨车间应用数字化智能生产管理系统，通过通信模块、输入模块、传感设备等，采集打磨机台的运行数据，建立通过信息联网，实现现场数据采集、分析，以及数据追溯。基于物联网技术，通过数据平台，实时新潮电子采集数据并进行生产状态和产品信息的即时分析与研判。系统将提前预警加工异常状态，以便现场人员及时处理，实现产品生产数据的快速追溯和即时响应。通过系统可自动分析出打磨车间最佳参数，将最佳参数配置为下一计划生产周期内所有加工机台的加工参数，以减少损失，提高产品良率。相对于传统打磨管理方法，避免了依靠经验进行调试优加工参数，耗费大量人力物力进行验证其可行性，且难以保证其准确性的问题。（二）提升企业管理水平数字化智能管理能有效提升车间综合管理水平。通过数据对比确定车间生产主要监控指标和数字化管理目标，采用电子看板系统，对加工机台在加工过程中的各类数据和信息进行可视化显示。管理者可在办公室即可了解到所需的准确信息；操作员在车间电子看板即可看到加工机台运行情况，及时把握加工机台的加工/生产情况，合理制订和改善生产计划，进而提高生产效率。同时，系统避免浪费大量人力物力去做统计工作，运用工业大数据处理技术，实时呈现车间多维度生产状况和OEE数据，自动分析出产品打磨的最佳工艺参数，实现车间设备、区域、产品信息等多维度分析与预判（看板系统如图8 所示）。（三）降低公司运营成本打磨车间进行数字化改造能有效降低公司运营成本。这里通过分析某打磨车间数字化改造的投入与收益，对比出打磨车间数字化改造带来的效益。本刊特稿设备状态看板图8 看板系统4本刊特稿名称品牌气压正压表SMC气压负压表SMC打磨压力表SMc水压压力表SMC无线通信模块华为巨控GRM232Q条码枪modbus RTU协议电箱首订做低压电气正泰开关、电源等台40100电气耗材正泰电子看板机房主要设备详细清单工控机正版西门子组态软件以太网IO模块合计新潮电子表1设备详细清单单数单价金额型号位量（元）（元）ISE80H套40300ISE8OH次40300ISE80H台1203000360000ISE80H次40500台440200080000台405000200000台40500台40100个210000020000合计732000表3机房主要设备详细清单品牌型号戴尔数据保存一年西门子西门子第16 期（总第5 47 期）表2 软件详细清单模块数量12000系统管理12000基础建模报表设计20000设备管理质量管理20000制造执行4000APP预警4000用户授权合计单位数量单价（元）台1台1CPU 1500台单价（元）110000110000110000110000110000110000110000451000金额（元）20000200005000500015000金额（元）1000010000100001000010000100001000045000115000500030000合计表4打磨数字化系统开发收益预估收益OEE提升 10%技术员精简生管精简管理人力节约提良率/降报废率一次良率提升5%OEE提升10%4人成本节约5 0 0 0 0 元/月32000元/月降耗2人2人16000元/月20000元/月0.3元/PCS每月报废降低0.5%46800元/月11.6万元/月28.08万元以上三表统计了打磨车间数字化改造，需要投人设备的清单明细，总计约8 7 万元。但打磨车间数字化改造将从精简人力成本、降低加工损耗、提升设备综合效率节省打磨车间运营成本，共2 8 万元/月，详细收益结构如表4所示。预计打磨车间数字化改造的回收周期为3.12月，年化效益为2 49.2 6 万元。综上所述，打磨数字化智能生产管理系统将为打磨车间带来较为可观收益。四、结语本文以对打磨车间数字化改造为出发点，设计实施了一套打磨数字化智能生产管理系统。该系统内含多种功能模块，实时监测打磨过程，智能化调整加工5参数以优化打磨车间运作水平，通过大数据处理技术分析异常状态可快速、准确掌握加工/生产情况以及定位异常点。最后，本文通过生产效益、管理水平和运营成本三个方面分析了打磨车间数字化改造给企业带来的禅益，具有较好的实际应用及推广价值。参考文献：1郭学锋.加快装备制造业数字化转型，提升产业高端竞争力 N.洛阳日报,2 0 2 3-0 3-0 8(0 0 2).2刘洽洲,周荣荣.数字经济背景下江苏省制造业企业数字化转型的现状调研和对策研究 J.商业经济,2 0 2 3(3):2 6-2 8.第16 期（总第5 47 期）“工匠精神”在中职学前教育专业课程教学中的培养策略与实践以信息技术课程为例赖艳玲（遂宁市职业技术学校，四川遂宁6 2 9 0 0 0)新潮电子本刊特稿摘要：“工匠精神”是对产品和服务精雕细琢、追求完美的价值取向。对于个人来说，即干一行、爱一行、专一行、精一行，坚持不懈、精雕细琢、锐意创新的职业态度和精神品质，培养学前教育专业学生工匠精神具有深刻的现实意义。本文分析了培养学前教育专业学生“工匠精神”的重要性，并以信息技术课程为例，从人才培养目标、优化课程内容、创新教学模式、构建职业素养评价体系等方面阐释了中职学前教育“工匠精神”的培养策略与实践。关键词：“工匠精神”；中职；学前教育；信息技术一、“工匠精神”的内涵“工匠精神”是一种对职业的敬畏、对工作的执着，是对产品和服务精雕细琢、追求完美的价值取向，是对工作不断求创新的精神。当代的“工匠精神”并不局限于产业工人，而是可以覆盖于各行各业的一种职业态度和精神品质，是一种追求卓越、精益求精、不断创新创造的精神品质，它是社会主义条件下适应时代要求有中国特色的“大国工匠”精神。信息技术课程作为学前教育专业的一门重要的公共基础课程，在该课程中加强“工匠精神”的培养，塑造德智体美全面发展的社会主义事业合格建设者和接班人，非常必要。二、培养学前教育专业学生“工匠精神”的重要性学前教育是人生的奠基，作为未来的幼儿教师，中职学前教育专业学生的道德修养、人文素养等都会对幼儿的身心发展产生重要的影响，而道德修养、人文素养等都是“工匠精神”的重要内涵。因此，培养学前教育专业学生“工匠精神”具有深刻的现实意义。（一）“工匠精神”对培养学生职业技能具有重要意义中职学前教育专业学生在校期间需要系统学习学前教育理论知识，并参与幼托机构见习实践。如果学生不具备进取、执着、创新等精神品质，那么很多技能的掌握只能是浅层次的，这对学生的职业发展影响极为不利。在“工匠精神”引领下，学校和教师通过加强教学管理，创新教学模式，使学生能更扎实地掌握学前教育知识与技能，从而更有利于学生职业生涯发展。做拥有“工匠精神”的学前教育工作者，就是要在职业活动中抱着热爱孩子、服务社会的执着，崇尚教育教学质量，“术业有专攻”，进而在从事教育教学过程中，以精湛的教学技艺表现出注重细节、心无旁骜、追求完美、精益求精的精神追求。（二）“工匠精神”对培养学生职业精神具有重要意义对于幼儿教师，“匠心”就是一颗热爱教育的初3王春英,陈宏民.制造业企业进行数字化转型的动因和路径研究：基于上海电气集团的案例分析 .当代经济管理,2 0 2 3,45(5):43-49.4张广胜,杨春荻.传统制造业企业数字化转型战略形成的机理研究：基于计划行为理论和资源基础理论的双重视角 J.科学学与科学技术管理,2023,44(4):102-120.5刘培林,俞霄扬.我国制造业数字化转型：趋势、现状与未来政策 J.中共杭州市委党校学报,2 0 2 3(1):4-11,2.6梁忻睿.基于六轴机器人的小型金属件打磨系统的研究 D.北京：中国石油大学,2 0 2 0.7邹超.打磨金属构件的机器人工作站研究与实现 D.芜湖:安徽工程大学,2 0 18.8魏秋轩,胡辉,黄斌达.自动化打磨集成工作站设计与实现 J.机电信息,2 0 2 3(4):32-36.6