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摘要：“十三五”和《中國制造2025》規劃的快速推進，智能制造工廠成為工業發展的一大趨勢。政府的諸多行動也向市場傳遞出強烈信號，顯示工業轉型將迎來大突破、大提速。在生產制造過程中，推進新一代信息技術和制造技術的深度融合，成為制造企業擺脫傳統加工模式的著力點與突破點。作為國內第一家門窗幕墻專用設備上市企業，天辰鋁（詞條“鋁”由行業大百科提供）機一直立足于行業需求，為客戶提供性能穩定、技術先進的加工設備和智能生產線解決方案。自主研發了智能化的天辰MES生產執行制造系統，構建了在MES管理下的集成多種高度自動化加工設備、工業機器人、智能分揀線、組裝臺等諸多工序單元的智能生產線。
關鍵詞：天辰MES;智能制造;二維碼自動打印粘貼;工業機器人;掃碼加工;智能分揀;物流組裝
1 基于天辰MES的鋁合金門窗加工智能生產線模式的設備構成與功能介紹
圖1 智能生產線布置圖
如上圖所示，設備構成主要由鋸切中心(含二維條碼自動打印自動粘貼)、R1工業機器人、數控轉序工作臺、R2工業機器人(帶地軌及數控第七軸)、高速數控鉆銑中心、智能分揀線、多頭鉆、數控端面銑、沖床、存儲料車、數控四頭組角機、物流組裝臺等主要部分構成。
自主研發的天辰MES系統可無縫對接門（詞條“門”由行業大百科提供）窗（詞條“窗”由行業大百科提供）廠的ERP系統，自動導入門窗企業工程作業單生成優化加工數據，整條智能生產線通過MES進行動態物流管控與加工數據管理，實現自執行的設備加工管控。
1.1智能生產線前段設備構成與功能介紹
圖2 智能生產線前段設備布置圖
R1工業機器人布局于鋸切中心出料端，負責鋸切中心的出料抓取及智能分揀。R2工業機器人布局于鉆銑中心加工端，可以沿地軌進行長距離的移動，負責鉆銑中心的上下料，智能生產線的前段部分在天辰MES系統的管控下負責物料的分揀，整個操作過程通天辰MES實時管控，無需人工干預。
鋸切出的型材首先進行自動貼碼作業，然后由R1機器人抓取;
需要鉆銑中心加工孔槽的型材，R1機器人將型材放置于轉序工作臺上，通過該裝置將型材傳送至R2機器人處，然后通過R2機器人精準的將型材放置于鉆銑中心上，進行孔槽的加工，加工完畢后，R2機器人再將型材取出并放置于智能分揀線上，通過二維碼識別，智能分揀線自動進行分流傳送至所需加工工位;
不需要鉆銑中心加工孔槽的型材，R1機器人直接將型材放置于智能分揀線上，通過二維碼自動識別，智能分揀線自動進行分流傳送至所需加工工位;
智能分揀線通過條碼掃描，根據天辰MES系統數據信息，將輸送中的型材自動傳輸至后續的數控端面銑床（詞條“端面銑床”由行業大百科提供）、沖床或多頭鉆床（詞條“鉆床”由行業大百科提供）等加工工位，完成相應工序加工;無需加工的型材由智能分揀線直接輸送到系統末端;
圖3 粘貼與工件表面上的二維碼與二維碼掃描儀
在智能分揀線的末端，依據智能排產優化方案，按天辰MES系統指令，將ERP的生產計劃再次進行每根型材的智能分揀，建立同窗型通過智能分揀快速裝滿料車的策略算法模型，實現同窗型在同料車的物流優化方案;
1.2 智能生產線后段設備構成與功能介紹
圖4 智能生產線后段設備布置圖
加工完全部孔槽的型材按照天辰MES系統的指示，按尺寸規格分揀到對應編號的料車中，運輸至數控四頭組角生產線(或單頭組角機)工位。此處設置有看板計算機，指導完成角碼、鋼片等的穿入。數控四頭組角生產線完成快速的批量組角加工，組角后窗體自動送入組裝流水線，完成各個工序的組裝作業。窗扇加工時使用玻璃吸吊機完成玻璃安裝，數控壓條（詞條“壓條”由行業大百科提供）鋸完成壓條切割，由自動打膠機完成窗扇打膠。
綜上所述，本智能生產線包含以下優勢：
每個單元通過天辰MES系統串接在一起，完成各加工工序之間的任務與數據的傳輸。每個單元設置工作站，工作站之間通過局域網相連;
機器人智能分揀單元主要將鋸切單元加工完的型材，根據MES系統提供的數據信息，將型材分揀到孔槽鉆銑中心或者智能分揀線上;
孔槽加工單元主要完成對型材上所需孔槽的加工，根據MES系統提供的數據信息，自動讀取孔槽加工的種類、位置等信息，清晰準確的完成門窗所需孔槽的加工;
智能分揀線通過對粘貼于型材表面二維碼的掃描識別，讀取工件的加工信息，自動將工件輸送到所需加工工位，實現后續工位的加工;
加工完的型材按窗型信息智能存儲，獨立開發了物料智能分揀及存儲軟件;
根據MES提供的數據信息，組角工作站顯示屏顯示需要組角的型材料倉位置，成窗尺寸信息，清晰精確的完成門窗四個角的組角加工;
組角后門窗直接通過物流輸送單元，逐步由人工完成中梃拼裝、注膠、膠條安裝、鉸鏈孔加工、五金安裝、壓線安裝等門窗生產所必需的加工工序;
2 天辰MES工廠執行系統
2.1 鋁合金門（詞條“鋁合金門”由行業大百科提供）窗生產線MES概述
MES全稱為Manufacturing Execution System，即工廠執行系統，或者車間執行系統，重點是在執行這個層面。但目前很多企業所宣導的MES，并不是真正意義上的MES，不是工廠的執行系統，而是工時或者成本的記錄系統，只是純做記錄而已。而在MES的定義里，執行是非常重要的一部分，專注于自動化的表現，即生產指令通過生產、搬運等，或者是履帶、傳輸帶等等這些東西統籌起來，去執行生產工單，這個才是真正意義上的生產執行系統。
上層ERP下發的門窗作業單傳輸至生產車間，由MES系統接收訂單信息后，進行計劃的優化排產，通常稱作APS先進排產模塊。優化后的計劃將存儲到MES數據庫，再由MES執行模塊動態完成給生產線上的各個設備下達具體加工計劃，其中包括發送給鋸切中心的計劃，一般包括下料切割的長度、角度、型材類型等信息;與鋸切中心配合生產的轉運系統，如智能機器人或者移動料倉等;以及后續的諸多機械加工設備。在整個計劃執行過程中需要動態識別設備的計劃執行狀態，實現全流程的物料定位管理與識別，智能化的安排物料流轉，實現自動化甚至無人化的加工過程。如果只是純粹的停留在記錄和管理上面，用于記錄生產設備上的數據，以及工時、損耗等成本相關的數據，并通過這些數據分析生產過程中的一些問題，雖然能提高生產效率，但仍不是MES系統，如果沒有自動化和半自動化的關聯，我們只可以稱之為工廠大數據平臺。
2.2 MES系統數據信息流的管控
MES系統數據信息流管控主要組成：
ERP計劃接入和MES計劃執行反饋。完成生產計劃來源的數據接收以及當前生產計劃執行狀態反饋給ERP等上層管理系統.
ERP計劃轉換為MES的優化排產計劃，實現APS先進計劃排產。
各個工序讀取、執行和回饋MES的工序生產計劃。
物流設備與工序設備配合，讀取、執行和回饋MES的工序生產計劃。
MES的整體協調管控以及管控信息的展示。
在集成的前提下實現可視化，在可視化的基礎上實現精細化，在精細化的前提下實現均衡化，透明的目的在于實現生產過程的可視化，實現精細化生產。
首先，要實現生產信息的采集，這是企業實施MES系統軟件的初衷，也是很容易見效的環節。但要實現真正“透明”，不僅要完成生產數據的采集，還要實現生產數據的集成，即物料數據、產品數據、工藝數據、質量數據等高度集成。
其次，要實現生產過程可視化。即在實現了集成后，通過逐步的細化(從控制的力度：車間→工序→機臺→工步等;從控制的范圍：計劃執行→物料→工藝→人員→環境等)，實現生產過程的可視化管理。
第三，在透明的基礎上，實現均衡生產。企業只有實現了均衡的生產，才能實現產品質量、產品成本、產品交貨期的均衡發展。均衡生產是質量穩定、降低制造成本的基礎。
最后，實現高效生產，即在生產均衡的前提下，通過優化，實現高效的生產。
2.3 天辰MES二維碼全流程管控鋁合金門窗智能生產線
為了實現天辰MES-TCi系統與ERP等上層計劃系統進行銜接，研發完成了與用戶ERP系統的網絡文件夾共享方式或者移動存儲的文件拷貝形式接口，采用了標準Excel模板完成計劃數據的接收，同時研發了對接ERP系統數據庫的共享數據接口方式。方便快捷的實現了ERP系統和天辰MES-TCi系統的數據對接標準化。
圖5 ERP系統排產計劃導入示意圖
根據客戶工程作業單，天辰MES系統可實現智能化排產。天辰MES作為上承上級計劃管理系統(ERP)，下接加工設備的核心環節，是IT系統的最后一站。在天辰MES的智能排產模塊實現了智能邊緣計算，具備了計劃即預見生產過程的超前預計算功能。天辰MES智能排產模塊在接收到生產計劃后，將自動生成可預見性的計算計劃(如下圖所示)。天辰MES在生成預見性計算計劃過程中，應用了分治算法、動態劃分算法、貪心算法、分支限界算法與窮舉算法等相結合的優化計算方式，基本解決了大數據計算模式與計算速度之間的矛盾。采取了加工計劃與物流計劃同步計算、同步控制的生產策略。引入了精益生產的管理理念，優化加工計劃的排序、物流分揀計劃的策略，極大的減少了物料周轉。深入研究分析精益生產的動作，并運用到系統優化中來，按照動作經濟原則盡可能減少人工數量并降低人工的勞動強度、提高生產效率，合理設計物流與分揀流程。在關鍵、易出錯、勞動強度大的工位，合理使用工業機器人技術。從而實現智能化制造系統的重要特征，達到系統化的效率最高，成本最低，物料轉運與加工準確度最高。比如在門窗生產中，創新性的實現了鋸切后同類窗型物料一次集中分揀到位，大大減少了常規生產流程中多次分揀的消耗時間，具備全流程加工計劃、物流計劃設計的MES管理也使得生產線的錯誤率極大降低。
對于生產的異常狀態等影響因素，天辰MES提供了人工干預的接口，天辰MES的設計原則是：人工干預是為了維護MES的計劃正常執行，而不是改變計劃。
圖6 每根原料生產后的料車情況預見性計算計劃
圖7 每車次的料車預見性計算計劃
圖8 每根原料加工計劃的智能再排序計劃
圖9 每根原料細化后的設備加工計劃與追蹤信息
圖10 每個車位的料車安排預見性計算計劃
MES加工數據管理是MES智能排產模塊預計算排產計劃正確執行的保障。它負責解析排產計劃，進行設備和物流計劃的再分解、數據協議重組、物料計劃協調，通過各個子接口模塊下達給生產線上的每一臺需要MES管理排產的設備。其中包括了多種多樣的設備通信接口，以及多種工藝設備的計劃控制子模塊。其中包括：鋸切下料模塊、機器人動態路徑模塊、銑削模塊、沖壓工序模塊、四頭組角模塊、物流傳送模塊等等。
圖11 設備物料自動追蹤的示意圖
制造業中采用離散（詞條“離散”由行業大百科提供）型生產模式的企業占據了絕大多數。MES動態物流管控是按照MES智能排產下達給設備的上下料計劃，執行加工自動排程。采用物流自動化技術、機器人技術、條形碼或二維碼、RFID技術實現對每個物料的定置定位追蹤與控制管理，使得每個物料每時每刻都在MES的掌控之下，確保每道工序都嚴格按照MES智能排產模塊設定的預見性計劃進行生產。
MES系統直接管理著機器人、鋸切中心、鉆銑中心、數控端面銑床、數控四頭組角線等各種生產線設備以及物流控制系統，實現實時下達加工計劃、優化產線計劃、協調工序加工、管理物流緩存、異常處理等功能。對于在生產線中也可能存在著少量純人工操作的設備，比如小型沖床、手工裝配臺等，這類設備通常沒有自動化接口，MES系統則采用看板形式指導工人完成加工，能夠更方便靈活的適應實際生產的個性化要求。
圖12 物流自動追蹤的示意圖
3 結束語
1999年，“物聯網”概念初步提出;
2009年，美國提出“智慧地球”概念;
2010年，中國進入智慧時代準備階段;
2017年，黨的十九大提出推動互聯網、大數據、人工智能和實體經濟深度融合;
2018年，“十三五”和《中國制造2025》規劃的快速推進，智能制造工廠成為工業發展的一大趨勢。
在鋁合金門窗幕墻專用加工設備領域，天辰股份在現有技術的基礎上，結合自動化程度高、生產效率高的鋸切類設備、銑削類設備、組角類以及物流傳輸等加工設備，引入工業機器人、自主研發天辰MES系統(執行系統)，基于工作站式的局域網數據管理，有效的實現了鋁門窗加工組裝領域的智能制造生產線的生產模式。
傳統的數據流和控制流在管理層與控制層之間存在著巨大的鴻溝。業務管理系統與車間自動化系統之間存在著信息壁壘，排產和調度過于依賴經驗，計劃的可行性和應變能力較差，生產執行過程不透明，管理層難以及時準確地獲取生產信息。所以我們要把人工系統變成MES軟件系統，它集成了各種生產數據，通過較少的人工干預進行運行操作，即要從原來的人工環境，變成由人員參與管理的集成系統，把管理層和控制層進行順暢的流通。
智能制造是制造業發展的必然趨勢，也是門窗企業轉型升級的必然方向，是解決門窗制造過程中難點、痛點的必由之路。可以實現更好的生產制造，提高企業贏利能力。基于天辰MES的鋁門窗智能制造系統實現對鋁門窗整個生產過程的全面管控，改變了傳統的單機生產模式，實現了多個加工單元的信息化、自動化、智能化聯網作業，極大的降低人工成本，提高生產效率，減少錯誤成本，引領門窗行業的發展潮流。
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