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智慧车间丨“无人化”铝门窗生产解决方案——基于天辰MES的铝门窗智能生产线的研究与应用

来源:济南天辰铝机股份有限公司  作者:周倩 张修福 董彬 苗青晓  日期:2021-5-14
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  摘要:“十四五”规划和二〇三五年远景目标纲要的发布,提出了深入实施智能制造和绿色制造工程,推动制造业高端化智能化绿色化。再次明确了智能制造成为工业发展的一大趋势。政府的诸多行动也向市场传递出强烈信号,显示工业转型将迎来大突破、大提速。在生产制造过程中,推进新一代信息技术和制造技术的深度融合,成为制造企业摆脱传统加工模式的着力点与突破点。作为国内第一家门窗幕墙专用设备上市企业,天辰股份一直立足于行业需求,为客户提供性能稳定、技术先进的加工设备和智能生产线解决方案。自主研发了智能化的天辰MES生产执行制造系统,构建了在MES管理下的集成多种高度自动化加工设备、工业机器人、智能分拣线、组装流水线等诸多工序单元的智能生产线。
  关键词:天辰MES;智能制造;二维码自动打印粘贴;工业机器人;智能分拣;组装流水线

  本篇文章内容由[中国幕墙网tmkj.net]编辑部整理发布:

  摘 要:“十四五”规划和二〇三五年远景目标纲要的发布,提出了深入实施智能制造和绿色制造工程,推动制造业高端化智能化绿色化。再次明确了智能制造成为工业发展的一大趋势。政府的诸多行动也向市场传递出强烈信号,显示工业转型将迎来大突破、大提速。在生产制造过程中,推进新一代信息技术和制造技术的深度融合,成为制造企业摆脱传统加工模式的着力点与突破点。作为国内第一家专用上市企业,天辰股份一直立足于行业需求,为客户提供性能稳定、技术先进的加工设备和智能解决方案。自主研发了智能化的天辰MES生产执行制造系统,构建了在MES管理下的集成多种高度自动化加工设备、工业机器人、智能分拣线、组装流水线等诸多工序单元的智能生产线。

  关键词:天辰MES;智能制造;二维码自动打印粘贴;工业机器人;智能分拣;组装流水线

  1 基于天辰MES的加工智能生产线模式的设备构成与功能介绍

图1 智能生产线布置图

  如上图所示,设备构成主要由中心(含二维条码自动打印自动粘贴)、六台工业机器人、两台高速钻铣中心、智能分拣线、数控多工位、数控端面铣、数控多头钻、存储料车、数控四头组角生产线、组装流水线等主要部分构成。

  该生产线为一条配置完整的门窗智能生产线,从前端的锯切中心机器人到后端的四头组角生产线及组装流水线,工艺完备,效率高;并支持框料、扇料、中梃的混合加工模式。自主研发的天辰MES系统可无缝对接门窗厂的ERP系统,自动导入门窗企业工程作业单生成优化加工数据,整条智能生产线通过MES进行动态物流管控与加工数据管理,实现自执行的设备加工管控。

  MES系统配置了总控系统电子看板,分别布局于生产线前端、中段和后段;前端的为总控看板,可显示生产线工作状态、产能、设备监控、数据统计报表等实时信息;中段的电子看板为齐套装置的物料追踪显示,指导物料上车及缓存,直观清晰、一目了然;后段的为组装工序电子看板,指导人工组装使用。

  该智能生产线中的数控设备均预留了5G数据采集端口,可应用5G+工业互联网实现如远程运维等的功能扩展。

  1.1智能生产线前段设备构成与功能介绍

图2 智能生产线前段设备布置图

  工业机器人布局于锯切中心上料端,负责原材料的自动上料。后续的两台钻铣中心、、数控双头端铣、数控六头钻均由独立的工业机器人完成自动上下料。智能生产线的前段部分在天辰MES系统的管控下负责物料的分拣,整个操作过程通天辰MES实时管控,无需人工干预。前段锯切下料及机加工工序全部由工业机器人完成作业,仅需一人在分拣线末端进行扫码齐套作业,极大的节省了人工,并降低了对员工个人技术水平的依赖。

  锯切出的型材在出料台上自动完成二维码的贴码作业,然后自动流入智能分拣线,贴码作业与型材并行,不额外占用锯切时间,锯切中心超高的切割效率得以充分发挥;

  智能分拣线通过识别型材上所粘贴的二维码,自动将型材进行分流传送至所需加工工位;智能分拣线共设置了五套精确定位装置,便于机器人的精确抓取,在分拣线上完成精确定位后可避免在加工设备上再次定位损伤型材的尖角。分拣线包含自动尾料收集装置并在末端有分拣计算机及电子看板,指导扫码上车;

  为符合高端的加工工艺特点要求,生产线中特别配置了数控多工位冲床,满足更多系统窗中高孔槽的加工,效率快、精度高、一致性好;

  生产线中配置了双头数控端铣,使用机器人自动上下料,可实现快速作业。两机头均安装根据型材定制的一体成型刀具,一次进给即可完成中梃两个端头的,与单片刀具的多次走位相比,效率提高4~5倍;一体成型刀具可实现快速更换,铣削精度更高;

  智能分拣线通过条码扫描,根据天辰MES系统数据信息,将输送中的型材自动传输至后续的数控冲床、数控端铣、数控多头等加工工位,完成相应工序加工;无需加工的型材由智能分拣线直接输送到系统末端;

图3 粘贴与工件表面上的二维码与二维码扫描仪

  l 在智能分拣线的末端,依据智能排产优化方案,按天辰MES系统指令,将ERP的生产计划再次进行每根型材的智能分拣,建立同窗型通过智能分拣快速装满料车的策略算法模型,实现同窗型在同料车的物流优化方案;

  1.2 智能生产线后段设备构成与功能介绍

图4 智能生产线后段设备布置图

  加工完全部孔槽的型材按照天辰MES系统的指示,按尺寸规格分拣到对应编号的料车中,运输至数控四头组角生产线工位。此处设置有看板计算机,指导完成、等的穿入。数控四头组角生产线完成快速的批量组角加工,数控四头组角线生产线为天辰股份自主研发的专利产品,尤其在壁厚型材、大窗型系统门窗的组角中优势明显:组角精度高、效率快(约40秒可完成一个窗体的组角)、组角品质有保障,并极大的节省人工,同时也降低了对组角员工个人技术水平的依赖。

  组角后窗体自动送入组装流水线(或经过及养护后再送入组装流水线),完成各个工序的组装作业。门窗组装流水线长度可定制,由多节独立的升降作业台组成,每节3.5米,采用E型布局,便于人工进入,操作简便。窗扇加工时使用吸吊机完成玻璃安装,数控锯完成压条切割,由完成窗扇。

  综上所述,本智能生产线包含以下优势:

  每个单元通过天辰MES系统串接在一起,完成各加工工序之间的任务与数据的传输。每个单元设置工作站,工作站之间通过局域网相连;

  机器人智能分拣单元主要将锯切单元加工完的型材,根据MES系统提供的数据信息,将型材分拣到孔槽钻铣中心或者智能分拣线上;

  孔槽加工单元主要完成对型材上所需孔槽的加工,根据MES系统提供的数据信息,自动读取孔槽加工的种类、位置等信息,清晰准确的完成门窗所需孔槽的加工;

  智能分拣线通过对粘贴于型材表面二维码的扫描识别,读取工件的加工信息,自动将工件输送到所需加工工位,实现后续工位的加工;

  加工完的型材按窗型信息智能存储,独立开发了物料智能分拣及存储软件;

  根据MES提供的数据信息,组角工作站显示屏显示需要组角的型材料仓位置,成窗尺寸信息,清晰精确的完成门窗四个角的组角加工;

  组角后门窗直接通过物流输送单元,逐步由人工完成中梃拼装、注胶、安装、孔加工、安装、压线安装等门窗生产所必需的加工工序;

  前段锯切及机加工工序仅需1人作业,后段组装工序也仅需约10人,极大的节省了人工,并降低了对员工个人技术水平的依赖。

  2 天辰MES工厂执行系统

  2.1 窗生产线MES概述

  MES全称为Manufacturing Execution System,即工厂执行系统,或者车间执行系统,重点是在执行这个层面。但目前很多企业所宣导的MES,并不是真正意义上的MES,不是工厂的执行系统,而是工时或者成本的记录系统,只是纯做记录而已。而在MES的定义里,执行是非常重要的一部分,专注于自动化的表现,即生产指令通过生产、搬运等,或者是履带、传输带等等这些东西统筹起来,去执行生产工单,这个才是真正意义上的生产执行系统。

  上层ERP下发的门窗作业单传输至生产车间,由MES系统接收订单信息后,进行计划的优化排产,通常称作APS先进排产模块。优化后的计划将存储到MES数据库,再由MES执行模块动态完成给生产线上的各个设备下达具体加工计划,其中包括发送给锯切中心的计划,一般包括下料切割的长度、角度、型材类型等信息;与锯切中心配合生产的转运系统,如智能机器人或者移动料仓等;以及后续的诸多机械加工设备。在整个计划执行过程中需要动态识别设备的计划执行状态,实现全流程的物料定位管理与识别,智能化的安排物料流转,实现自动化甚至无人化的加工过程。如果只是纯粹的停留在记录和管理上面,用于记录生产设备上的数据,以及工时、损耗等成本相关的数据,并通过这些数据分析生产过程中的一些问题,虽然能提高生产效率,但仍不是MES系统,如果没有自动化和半自动化的关联,我们只可以称之为工厂大数据平台。

  2.2 MES系统数据信息流的管控

  MES系统数据信息流管控主要组成:

  ERP计划接入和MES计划执行反馈。完成生产计划来源的数据接收以及当前生产计划执行状态反馈给ERP等上层管理系统.

  ERP计划转换为MES的优化排产计划,实现APS先进计划排产。

  各个工序读取、执行和回馈MES的工序生产计划。

  物流设备与工序设备配合,读取、执行和回馈MES的工序生产计划。

  MES的整体协调管控以及管控信息的展示。

  在集成的前提下实现可视化,在可视化的基础上实现精细化,在精细化的前提下实现均衡化,透明的目的在于实现生产过程的可视化,实现精细化生产。

  首先,要实现生产信息的采集,这是企业实施MES系统软件的初衷,也是很容易见效的环节。但要实现真正“透明”,不仅要完成生产数据的采集,还要实现生产数据的集成,即物料数据、产品数据、工艺数据、质量数据等高度集成。

  其次,要实现生产过程可视化。即在实现了集成后,通过逐步的细化(从控制的力度:车间→工序→机台→工步等;从控制的范围:计划执行→物料→工艺→人员→环境等),实现生产过程的可视化管理。

  第三,在透明的基础上,实现均衡生产。企业只有实现了均衡的生产,才能实现产品质量、产品成本、产品交货期的均衡发展。均衡生产是质量稳定、降低制造成本的基础。

  最后,实现高效生产,即在生产均衡的前提下,通过优化,实现高效的生产。

  2.3 天辰MES二维码全流程管控门窗智能生产线

  为了实现天辰MES-TCi系统与ERP等上层计划系统进行衔接,研发完成了与用户ERP系统的网络文件夹共享方式或者移动存储的文件拷贝形式接口,采用了标准Excel模板完成计划数据的接收,同时研发了对接ERP系统数据库的共享数据接口方式。方便快捷的实现了ERP系统和天辰MES-TCi系统的数据对接标准化。

图5 ERP系统排产计划导入示意图

  根据客户工程作业单,天辰MES系统可实现智能化排产。天辰MES作为上承上级计划管理系统(ERP),下接加工设备的核心环节,是IT系统的最后一站。在天辰MES的智能排产模块实现了智能边缘计算,具备了计划即预见生产过程的超前预计算功能。天辰MES智能排产模块在接收到生产计划后,将自动生成可预见性的计算计划。天辰MES在生成预见性计算计划过程中,应用了分治算法、动态划分算法、贪心算法、分支限界算法与穷举算法等相结合的优化计算方式,基本解决了大数据计算模式与计算速度之间的矛盾。采取了加工计划与物流计划同步计算、同步控制的生产策略。引入了精益生产的管理理念,优化加工计划的排序、物流分拣计划的策略,极大的减少了物料周转。深入研究分析精益生产的动作,并运用到系统优化中来,按照动作经济原则尽可能减少人工数量并降低人工的劳动、提高生产效率,合理设计物流与分拣流程。在关键、易出错、劳动强度大的工位,合理使用工业机器人技术。从而实现智能化制造系统的重要特征,达到系统化的效率最高,成本最低,物料转运与加工准确度最高。比如在门窗生产中,创新性的实现了锯切后同类窗型物料一次集中分拣到位,大大减少了常规生产流程中多次分拣的消耗时间,具备全流程加工计划、物流计划设计的MES管理也使得生产线的错误率极大降低。

  对于生产的异常状态等影响因素,天辰MES提供了人工干预的接口,天辰MES的设计原则是:人工干预是为了维护MES的计划正常执行,而不是改变计划。

  MES加工数据管理是MES智能排产模块预计算排产计划正确执行的保障。它负责解析排产计划,进行设备和物流计划的再分解、数据协议重组、物料计划协调,通过各个子接口模块下达给生产线上的每一台需要MES管理排产的设备。其中包括了多种多样的设备通信接口,以及多种工艺设备的计划控制子模块。其中包括:锯切下料模块、机器人动态路径模块、铣削模块、冲压工序模块、四头组角模块、物流传送模块等等。

图6 设备物料自动追踪的示意图

  制造业中采用型生产模式的企业占据了绝大多数。MES动态物流管控是按照MES智能排产下达给设备的上下料计划,执行加工自动排程。采用物流自动化技术、机器人技术、条形码或二维码、RFID技术实现对每个物料的定置定位追踪与控制管理,使得每个物料每时每刻都在MES的掌控之下,确保每道工序都严格按照MES智能排产模块设定的预见性计划进行生产。

  MES系统直接管理着机器人、锯切中心、钻铣中心、数控冲床、数控端铣、数控多头钻、数控四头组角线等各种生产线设备以及物流控制系统,实现实时下达加工计划、优化产线计划、协调工序加工、管理物流缓存、异常处理等功能。对于在生产线中也可能存在着少量纯人工操作的设备,比如小型冲床、手工装配台等,这类设备通常没有自动化接口,MES系统则采用看板形式指导工人完成加工,能够更方便灵活的适应实际生产的个性化要求。

  3 结束语

  1999年,“物联网”概念初步提出;

  2009年,美国提出“智慧地球”概念;

  2010年,中国进入智慧时代准备阶段;

  2017年,党的十九大提出推动互联网、大数据、人工智能和实体经济深度融合;

  2018年,“十三五”和《中国制造2025》规划的快速推进,智能制造工厂成为工业发展的一大趋势;

  2020年,“十四五”规划和二〇三五年远景目标提出,推动制造业优化升级,深入实施智能制造和绿色制造工程,发展服务型制造新模式,推动制造业高端化智能化绿色化。

  在铝门窗幕墙专用加工设备领域,天辰股份在现有技术的基础上,结合自动化程度高、生产效率高的锯切类设备、铣削类设备、组角类以及物流传输等加工设备,引入工业机器人、自主研发天辰MES系统(执行系统),基于工作站式的局域网数据管理,有效的实现了铝门窗加工组装领域的智能制造生产线的生产模式。

  传统的数据流和控制流在管理层与控制层之间存在着巨大的鸿沟。业务管理系统与车间自动化系统之间存在着信息壁垒,排产和调度过于依赖经验,计划的可行性和应变能力较差,生产执行过程不透明,管理层难以及时准确地获取生产信息。所以我们要把人工系统变成MES软件系统,它集成了各种生产数据,通过较少的人工干预进行运行操作,即要从原来的人工环境,变成由人员参与管理的集成系统,把管理层和控制层进行顺畅的流通。

  智能制造是制造业发展的必然趋势,也是门窗企业转型升级的必然方向,是解决门窗制造过程中难点、痛点的必由之路。可以实现更好的生产制造,提高企业赢利能力。基于天辰MES的铝门窗智能制造系统实现对铝门窗整个生产过程的全面管控,改变了传统的单机生产模式,实现了多个加工单元的信息化、自动化、智能化联网作业,极大的降低人工成本,提高生产效率,减少错误成本,引领门窗行业的发展潮流。

  参考文献:

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