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摘 要：“十四五”規劃和二〇三五年遠景目標綱要的發布，提出了深入實施智能制造和綠色制造工程，推動制造業高端化智能化綠色化。再次明確了智能制造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，天辰股份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、組裝流水線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;智能分揀;組裝流水線
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)、六臺工業機器人、兩臺高速數控鉆銑中心、智能分揀線、數控多工位沖床、數控端面銑、數控多頭鉆、存儲料車、數控四頭組角生產線、門窗組裝流水線等主要部分構成。
該生產線為一條配置完整的鋁（詞條“鋁”由行業大百科提供）門窗智能生產線，從前端的鋸切中心機器人上料到后端的四頭組角生產線及組裝流水線，工藝完備，效率高;并支持框料、扇料、中梃的混合加工模式。自主研發的天辰MES系統可無縫對接門窗廠的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。
MES系統配置了總控系統電子看板，分別布局于生產線前端、中段和后段;前端的為總控看板，可顯示生產線工作狀態、產能、設備監控、數據統計報表等實時信息;中段的電子看板為齊套裝置的物料追蹤顯示，指導物料上車及型材緩存，直觀清晰、一目了然;后段的為組裝工序電子看板，指導人工組裝使用。
該智能生產線中的數控設備均預留了5G數據采集端口，可應用5G+工業互聯網實現如遠程運維等的功能擴展。
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
工業機器人布局于鋸切中心上料端，負責原材料的自動上料。后續的兩臺鉆銑中心、數控沖床（詞條“數控沖床”由行業大百科提供）、數控雙頭端銑、數控六頭鉆均由獨立的工業機器人完成自動上下料。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。前段鋸切下料及機加工工序全部由工業機器人完成作業，僅需一人在分揀線末端進行掃碼齊套作業，極大的節省了人工，并降低了對員工個人技術水平的依賴。
鋸切出的型材在出料臺上自動完成二維碼的貼碼作業，然后自動流入智能分揀線，貼碼作業與型材切割并行，不額外占用鋸切時間，鋸切中心超高的切割效率得以充分發揮;
智能分揀線通過識別型材上所粘貼的二維碼，自動將型材進行分流傳送至所需加工工位;智能分揀線共設置了五套精確定位裝置，便于機器人的精確抓取，在分揀線上完成精確定位后可避免在加工設備上再次定位損傷型材的尖角。分揀線包含自動尾料收集裝置并在末端有分揀計算機及電子看板，指導掃碼上車;
為符合高端系統門窗的加工工藝特點要求，生產線中特別配置了數控多工位沖床，滿足更多系統窗中高精度孔槽的沖壓加工，效率快、精度高、一致性好;
生產線中配置了雙頭數控端銑，使用機器人自動上下料，可實現快速銑削作業。兩機頭均安裝根據型材定制的一體成型刀具，一次進給即可完成中梃兩個端頭的銑削加工，與單片刀具的多次走位相比，效率提高4～5倍;一體成型刀具可實現快速更換，銑削精度更高;
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沖床、數控端銑、數控多頭鉆床（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
l 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，數控四頭組角線生產線為天辰股份自主研發的專利產品，尤其在壁厚型材、大窗型系統門窗的組角中優勢明顯：組角精度高、效率快(約40秒可完成一個窗體的組角)、組角品質有保障，并極大的節省人工，同時也降低了對組角員工個人技術水平的依賴。
組角后窗體自動送入組裝流水線(或經過注膠及固化養護后再送入組裝流水線)，完成各個工序的組裝作業。門窗組裝流水線長度可定制，由多節獨立的升降作業臺組成，每節3.5米，采用E型布局，便于人工進入，操作簡便。窗扇加工時使用玻璃吸吊機完成玻璃安裝，數控壓條鋸完成壓條切割，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（詞條“膠條”由行業大百科提供）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;
前段鋸切及機加工工序僅需1人作業，后段組裝工序也僅需約10人，極大的節省了人工，并降低了對員工個人技術水平的依賴。
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。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。
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6 設備物料自動追蹤的示意圖
制造業中采用離散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、數控沖床、數控端銑、數控多頭鉆、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。
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;
2020年，“十四五”規劃和二〇三五年遠景目標提出，推動制造業優化升級，深入實施智能制造和綠色制造工程，發展服務型制造新模式，推動制造業高端化智能化綠色化。
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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