CN112767188A - 一种面向模具制造的mes系统 - Google Patents

Abstract

一种面向模具制造的MES系统，包括可以对模具制造车间中模具制造过程相关的工艺、零件、加工工序、设备数据、加工刀具、产能数据、生产日志等信息进行存储的数据存储层；可以对上述的这些数据进行添加、删除、修改和查询等基本操作，也能以这些数据为基础进行大数据分析，提取价值的逻辑处理层；以图形化界面的形式对这些数据和数据处理结果进行直观展示，并且用户可以通过图形化界面轻松进行相关的操作的客户端显示层。三层结构之间，数据实现双向流动。整个系统部署在云服务器上，用户可通过浏览器实现远程访问使用。通过该系统可以实现对模具制造过程的执行管理，提高产品生产效率，进而提高企业经济效益。

Description

一种面向模具制造的MES系统

技术领域

本发明设计一种面向模具制造的过程执行管理(MES)系统，主要针对模具 生产过程中涉及的工艺、材料等相关信息进行管理，提高相关企业的生产效率， 从而增加产品竞争力和经济效益。

技术背景

制造业经济在国民经济中占主导地位，其产值约占全国总产值的42.5％，制 造业早已是我国的基础性、战略性产业。在仪器、电机、汽车、通信和家电等制 造业产品中，主体零部件都要依靠模具成型，模具制造水平俨然成为了衡量一个 国家制造业水平的重要标志。早在20世纪80年代，我国的模具制造企业就已经 进行大规模的技术改进，因为数控机床加工精度、效率高等优点，一大批数控加 工车间由此进入离散制造企业。中国制造业快速升级转型，也带动了模具工业的 加快发展，信息化发展对模具制造业技术创新的影响十分巨大。将互联网、人工 智能、大数据等智能制造技术应用于模具行业中，已经成为当下企业信息化、智 能化、数字化的发展方向。

由于各地区的经济情况不同，导致各地区的模具制造业发展水平参差不齐， 部分企业模具制造生产线存在管理水平落后、成本高昂的糟糕现状，这严重制约 我国模具产业的均衡发展。现有问题主要表现在生产线不同环节之间信息交互程 度低，存在信息孤岛现象；同时生产资源种类繁多、产品类型复杂导致生产管理 混乱、产品质量追溯困难和资源使用冲突等现象；并且设备数据的实时采集性能 低下，无法对数据进行二次分析利用以反馈设备的生产状况，导致生产计划与实 际执行情况的不对称；另外车间现场仍采用传统的实体纸质图，无纸化程度低。

为了解决上述模具制造生产线存在的一系列问题，模具行业需要构建一个可 以将上层业务系统和底层实际制造系统连接起来的中间系统，制造执行系统(Manufacturing Execution System,MES)恰好满足这一要求。目前，MES系统 的发展十分迅猛，技术竞争也同样激烈。中国市场上已经有超过150家公司进军 MES市场，各大制造设备生产商针对化工、汽车、石油等不同行业，开发出多 套满足实际应用场景的MES系统。在工业4.0和智能制造的大环境下，传统MES 系统所涉及的功能已经不能满足企业生产制造管理的诸多环节，数字化程度有所 不足，并对模具车间现场的复杂信息缺乏统一的管理。同时，工业云平台和云计 算的普及也带动着人工智能技术在工业领域落地，这对于MES系统的智能化程 度提出更高要求。因此MES系统需要由传统向现代化变革。

由此可见，依托现有平台和成熟技术，设计和开发面向模具制造的MES系 统，对提高模具行业的管理效率具有十分重要的意义。MES系统能够使上层的 生产计划顺利下达到底层车间，使管理人员能根据实时获取的车间现场信息及时 调整生产计划，使车间加工效率大幅增加。同时结合人工智能和大数据技术对采 集的设备运行数据进行分析，使管理人员能够掌握设备的使用情况，并以此为依 据及时对设备进行维护，减少设备损坏情况，降低车间综合生产成本。因此，以 MES系统为核心的数字化模具制造生产线，可以提高模具成品制造能力，缩短 产品制造周期，降低制造成本，从而提高模具企业竞争能力。

发明内容

本发明要克服现有技术的上述缺点，提供一种面向模具制造的MES系统。

首先该系统可以对模具制造车间中模具制造过程相关的工艺、零件、加工工 序、设备数据、加工刀具、产能数据、生产日志等信息进行存储。其次可以对上 述的这些数据进行添加、删除、修改和查询等基本操作，也能以这些数据为基础 进行大数据分析，提取价值。最后使用Web技术通过网页编程，以图形化界面 的形式对这些数据和数据处理结果进行直观展示，并且用户可以通过图形化界面 轻松进行相关的操作。整个系统部署在云服务器上，用户可通过浏览器实现远程 访问使用。

本发明为解决现有技术问题所采用的技术方案是：

一种面向模具制造的MES系统，包括：存储与模具生产制造过程相关的材 料工艺、设备状况、数据分析结果等大量工业信息的数据存储层；用于对存储信 息进行常规操作和大数据分析的逻辑处理层；用于对信息处理结果进行直观展示 以及与使用者交互的图形化客户端显示层。存储层中关于设备信息的数据通过C#编写的中间件实现采集，经Thrift框架实现与后端逻辑层的通信，再由逻辑处 理层中的功能模块完成对数据的持久化存储。工艺材料等基础数据通过客户端界 面录入，逻辑层处理后写入数据存储层。三层结构之间，数据实现双向流动。

所述数据存储层包括：

普通关系型数据库：这部分数据库用于存储生产资源、加工工艺、模具产品、 原料零件、仓库信息等参数数据以及设备运行的历史数据。这些数据通过系统录 入、程序运行产生，存入数据库，并输出给后端逻辑层中的工艺设计模块、排程 管理模块、生产统计模块、系统设置模块和工具管理模块做处理和显示。

缓存数据库：这部分数据库主要存储底层采集服务器采集到的生产现场设备 运行数据，具有较强的实时性。该数据库中的数据主要供给逻辑分析层中的设备 管理模块、测量与刀补模块和保养模块，实现对设备与刀具等的运行分析和维护。

文件数据库：该数据库模块主要存入包括模具制造过程中的加工工序文件、 产品图纸文件、任务文件以及训练后的大数据预测模型和系统运行的日志文件等； 这些数据主要输出到后端逻辑处理层中的工艺设计模块、系统设置模块、任务管 理模块和保养模块。

所述逻辑处理层包括：

工艺设计模块：导入关系数据库中已经存在的模具制造相关的设计工艺数据、 零件数据、原料数据和文件数据库中的设计图纸，显示到前端界面，供给操作人 员选取相应的加工工艺和相关零件，将这些信息绑定从而完成模具产品的整体生 产设计。

排程管理模块：通过查询工艺设计模块中原料与生产工艺、零件与仓库的绑 定关系，显示到界面上，操作人员可以进行生产排程选择，并将选定的结果存入 数据库，等待生产。该模块主要是对模具生产流程、生产时序的管理与控制，同 时还兼顾生产加工过程中加工程序的上传。

设备管理模块：该模块使用Thrift协议与设备通信，输出控制信号控制设备 启停；输入底层采集服务器获得的存储在缓存数据库中的现场设备运行数据，输 出到前端显示界面，图形化展示设备运行参数；通过输入工业机器人上RFID读 写的零件加工情况，完成料仓管理。

测量与刀补模块：该模块能够实现刀具信息采集、刀补与返修、成品质量追 溯、模具测量管理等一系列操作。其中刀具信息数据来自缓存数据库，通过 Websocket长连接实现实时更新；操作人员通过页面设置刀具长度与补偿半径和 模具加工零件设计尺寸和允许偏差，存入关系数据库；质量追溯界面显示缓存数 据库中加工零件的加工状态、加工时间等数据。

生产统计模块：该模块将生产线某一段时间内的产品产量、零件合格率和设 备利用率进行统计，以这些数据为输入，通过可视化图表展示在前端页面，并且 以看板的形式将车间的刀具、料仓、设备信息进行显示，从而使管理人员掌握模 具制造生产线的产品生产效率和资源利用信息。

系统设置模块：该模块输入数据主要是缓存数据库中存储的现场设备数据和 文件数据库中的日志文件，主要是对整个MES系统中所涉及到的设备进行整体 联调测试，并且针对其中重要设备分别进行单独的通讯测试，输出各个设备的状 态信息到前端界面，用以确保所有设备能顺利运行，保障MES系统的正确控制。

任务管理模块：任务管理模块可以分为任务接受和任务提交两个子模块，通 过FTP文件服务器实现任务接受与上传。操作人员通过任务接收子模块获得车 间加工任务书。在完成相应生产计划后，操作人员根据部门或者任务种类的不同， 可将任务的完成情况、生产细节文本进行提交，完成车间底层与企业上层的信息 整合。

工具管理模块：主要对象为加工过程中的刀具和量具信息，可分为刀具信息 维护和量具信息维护两大功能。该模块中输入数据来自关系型数据库，获取其中 存储的刀具和量具信息，通过表格的形式显示在前端界面上，供操作人员查看编 辑和删除。

保养维护模块：保养模块的输入数据来自数据存储层中的三类数据库。首先 由关系型数据库提供设备历史运行数据，输入大数据分析框架，通过预测分析算 法得到预测分析模型存入文件服务器，供操作人员选择使用；同时实时分析页面 接受缓存数据库中经流式数据处理后的设备实时运行数据，以可视化图表形式展 示设备运行状况；当有故障维护操作时，将该过程以日志形式存入文件服务器， 并以表格形式展示日志。

所述客户端显示层包括：

客户端基于Vue.js框架，使用组件式开发模式实现每个功能模块的单页面展 示，并通过VueRouter实现页面之间的跳转。每个单独页面中，以JSON格式接 受来自后端逻辑处理层中处理后的数据，并通过Echarts等数据可视化组件展示。 此外根据模块功能，在界面上提供按钮、下拉框和输入框等输入口，供操作人员 根据加工需求输入相关数据。

优选地，实现本发明的整个系统三层结构均部署在云端，用户可以通过浏览 器进行访问，没有平台限制，使用方便。

优选地，系统存储层提供了三种类型的数据库，使得数据存储方式多样化， 满足在模具制造过程中相关的各种类型数据。

优选地，系统逻辑处理层使用当下主流框架编写，采用模块化结构，使得逻 辑层架构清晰，运行效率高，易于维护。

优选地，客户端显示层基于前后端分离式框架，降低了整个系统的耦合度， 易于拓展；且依赖框架的双向绑定机制，使得页面数据能随存储层实时变化，提 高系统的数据时效性。

本发明的优点和积极效果是：

1.结合系统总体技术架构，融合成熟的前后端开发框架和具体实现技术对 系统各个功能模块进行详细设计。对于生产资源管理部分的功能模块，依据其数 据存储结构进行关系绑定、增删改查等设计。并通过Thrift框架实现MES系统 与底层设备的连接，实现设备管理、生产排程等功能模块。针对设备保养维护等 生产后期功能模块，系统基于Spark计算平台的流式数据分析和机器学习算法库 来进行构建，达到设备实时状态监测和预测性维护的目的。

2.依据各个模块的详细设计，对系统功能进行开发实现。系统融合Spark 计算平台，结合生产线实际业务需求和数据库结构，基于前后端分离开发模式实 现主要功能模块。同时基于各类可视化效果良好的网页组件库，根据实际使用场 景设计操作简单的可视化界面，实现系统总体功能。

附图说明

图1为本发明的系统整体框架图。

图2为本发明系统网络拓扑图。

图3为本发明系统相应流程图。

图4为本发明整体运行流程图。

图5为车间现场模拟图。

图6a～6f为车间各设备执行情况图，其中图6a是机器人取电极至加工中心， 图6b是加工中心开始加工电极，图6c是加工完成工业机器人取回电极，图6d 是将电极运至三坐标进行测量，图6e是火花机进行清洗加工，图6f是加工完成 取回仓库。

具体实施方式

以下为结合附图对本发明的实施做进一步详述。

参照图1，一种面向模具制造的MES系统，主要分为数据存储、逻辑处理、 客户端显示三层。数据存储层由三类数据库组成，分别为关系型数据库、缓存数 据库和文件数据库，使用MySQL关系型数据库、Redis缓存数据库和Ftp文件 服务器三种数据库实现；逻辑处理层根据模具制造需要设计九个功能模块，业务 逻辑程序基于SpringBoot进行结构设计，采用Controller、Service、Dao三层开 发设计模式，从而实现用户请求与数据库之间的数据交互。客户端显示层与用户 进行交互，可视化界面都基于Vue.js框架开发，以组件的形式进行界面的设计， 结合底层仍然是Ajax异步加载技术的Axios协议实现与后台的数据交互。

图2为系统拓扑图，现场工业生产设备数据通过C#编写的中间件采集，通 过消息框架与部署在云端的系统进行数据通信，外网浏览器通过外部网络访问云 端服务器，实现系统的远程监控功能。同时云端服务器和现场底层服务器通过信 息交互实现设备信息上传以及操作控制。

图3为系统的响应流程图，当用户通过浏览器访问整个系统时，前端页面发 出HTTP请求，后端Spring框架接收请求，由Serverlet进行方法匹配和转发， 交由对应的Controller控制器方法进行处理。Controller层接收到消息后，对请求 中的参数进行封装处理，调用Service业务处理层进行逻辑处理。对应不同的业 务，Service层需要调用不同的处理模块：对于数据库操作业务，Service层调用 Dao层中的接口方法，寻找相对应的Mapper.xml文件进行映射，通过执行xml 文件中具体的SQL语句完成数据库操作；对于设备控制操作，需要通过Thrift 协议远程调用底层服务器方法，达到设备控制的目的；对于设备维护所需的模型 训练或者预测，Service层导入数据文件，并通过Spark机器算法库提供的回归算 法进行异步的数据训练。最后将业务处理结果进行逐层返回，渲染给前端界面，结束一个完整的请求。

图4为系统整体运行流程图，整个系统在存储、逻辑处理、显示三层结构协 同下实现对模具制造的过程执行，覆盖整个车间的产品生产、资源存储、质量控 制和设备管理等多个业务。

系统联机性能试验以电极加工落料凹模为例，需要使用的底层设备为PLC 控制柜、加工中心机床、三坐标测量机、电火花机、冲压机和工业机器人，模拟 图如图5所示。整体加工流程如下：

(1)联调准备：分别将所有现场设备都调至联机模式，测试通过后即完成 系统运行初始化工作。

(2)设备设置与通讯测试：在MES系统核心层服务器软件进行设备品牌、 型号选取，并进行设备间的网络测试。

(3)程序上传及命名：上传加工运行程序至火花机并根据命名规范进行文 件重命名。

(4)MES下发订单：在MES系统工艺设计模块中新建产品、零件、工艺 等信息，并绑定相互关系，同时建立该产品的新订单，最后将每个零件原料与原 料仓库进行绑定。

(5)设备启动及排程：在MES系统设备操作界面进行生产线设备的启动与 复位操作，在订单管理界面中启动当前订单，并在排程管理模块中启动自动加工 流程，开始生产产品。

(6)系统联机运行：底层设备收到MES系统指令后开始启动运行。主要流 程以及各设备执行情况如图6a～6f所示。

(7)输出测量数据：产品加工完毕后MES系统给出模具测量报表，并将相 关数据录入数据库，供后期分析以及用户监测。

在整个加工生产过程中，MES系统为其提供了全套的执行过程信息支持。 从系统初始化起，评估产线状态，网络状况；下发订单，为加工具体的工件绑定 所有需要的信息；为订单匹配加工流程，通过底层的控制中间件启动产线，进行 生产。

本发明包括可以对模具制造车间中模具制造过程相关的工艺、零件、加工工 序、设备数据、加工刀具、产能数据、生产日志等信息进行存储的数据存储层； 可以对上述的这些数据进行添加、删除、修改和查询等基本操作，也能以这些数 据为基础进行大数据分析，提取价值的逻辑处理层；以图形化界面的形式对这些 数据和数据处理结果进行直观展示，并且用户可以通过图形化界面轻松进行相关 的操作的客户端显示层。三层结构之间，数据实现双向流动。整个系统部署在云 服务器上，用户可通过浏览器实现远程访问使用。通过该系统可以实现对模具制 造过程的执行管理，提高产品生产效率，进而提高企业经济效益。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的 保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及 于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (5)

1.一种面向模具制造的MES系统，包括：存储与模具生产制造过程相关的材料工艺、设备状况、数据分析结果等大量工业信息的数据存储层；用于对存储信息进行常规操作和大数据分析的逻辑处理层；用于对信息处理结果进行直观展示以及与使用者交互的图形化客户端显示层。存储层中关于设备信息的数据通过C#编写的中间件实现采集，经Thrift框架实现与后端逻辑层的通信，再由逻辑处理层中的功能模块完成对数据的持久化存储。工艺材料等基础数据通过客户端界面录入，逻辑层处理后写入数据存储层。三层结构之间，数据实现双向流动。

所述数据存储层包括：

普通关系型数据库：存储生产资源、加工工艺、模具产品、原料零件、仓库信的参数数据以及设备运行的历史数据。历史数据通过系统录入、程序运行产生，存入数据库，并输出给后端逻辑层中的工艺设计模块、排程管理模块、生产统计模块、系统设置模块和工具管理模块做处理和显示。

缓存数据库：存储底层采集服务器采集到的生产现场设备运行数据，具有较强的实时性。并向逻辑分析层中的设备管理模块、测量与刀补模块和保养模块输出数据，实现对设备与刀具等的运行分析和维护。

文件数据库：存入包括模具制造过程中的加工工序文件、产品图纸文件、任务文件以及训练后的大数据预测模型和系统运行的日志文件；并向后端逻辑处理层中的工艺设计模块、系统设置模块、任务管理模块和保养模块输出数据。

所述逻辑处理层包括：

工艺设计模块：导入关系数据库中已经存在的模具制造相关的设计工艺数据、零件数据、原料数据和文件数据库中的设计图纸，显示到前端界面，供给操作人员选取相应的加工工艺和相关零件，将这些信息绑定从而完成模具产品的整体生产设计。

排程管理模块：通过查询工艺设计模块中原料与生产工艺、零件与仓库的绑定关系，显示到界面上，操作人员可以进行生产排程选择，并将选定的结果存入数据库，等待生产。管理与控制模具生产流程、生产时序，同时还上传生产加工过程中的加工程序。

设备管理模块：使用Thrift协议与设备通信，输出控制信号控制设备启停；输入底层采集服务器获得的存储在缓存数据库中的现场设备运行数据，输出到前端显示界面，图形化展示设备运行参数；通过输入工业机器人上RFID读写的零件加工情况，完成料仓管理。

测量与刀补模块：实现刀具信息采集、刀补与返修、成品质量追溯、模具测量管理。其中刀具信息数据来自缓存数据库，通过Websocket长连接实现实时更新；操作人员通过页面设置刀具长度与补偿半径和模具加工零件设计尺寸和允许偏差，存入关系数据库；质量追溯界面显示缓存数据库中加工零件的加工状态、加工时间等数据。

生产统计模块：将生产线某一段时间内的产品产量、零件合格率和设备利用率进行统计，以这些数据为输入，通过可视化图表展示在前端页面，并且以看板的形式将车间的刀具、料仓、设备信息进行显示，从而使管理人员掌握模具制造生产线的产品生产效率和资源利用信息。

系统设置模块：输入缓存数据库中存储的现场设备数据和文件数据库中的日志文件，对整个MES系统中所涉及到的设备进行整体联调测试，并且针对其中重要设备分别进行单独的通讯测试，输出各个设备的状态信息到前端界面，用以确保所有设备能顺利运行，保障MES系统的正确控制。

任务管理模块：分为任务接受和任务提交两个子模块，通过FTP文件服务器实现任务接受与上传。操作人员通过任务接收子模块获得车间加工任务书。在完成相应生产计划后，操作人员根据部门或者任务种类的不同，可将任务的完成情况、生产细节文本进行提交，完成车间底层与企业上层的信息整合。

工具管理模块：处理加工过程中的刀具和量具信息，分为刀具信息维护和量具信息维护两大功能。输入关系型数据库存储的刀具和量具信息，通过表格的形式显示在前端界面上，供操作人员查看编辑和删除。

保养维护模块：输入数据存储层中的三类数据库。首先由关系型数据库提供设备历史运行数据，输入大数据分析框架，通过预测分析算法得到预测分析模型存入文件服务器，供操作人员选择使用；同时实时分析页面接受缓存数据库中经流式数据处理后的设备实时运行数据，以可视化图表形式展示设备运行状况；当有故障维护操作时，将该过程以日志形式存入文件服务器，并以表格形式展示日志。

所述客户端显示层包括：

客户端基于Vue.js框架，使用组件式开发模式实现每个功能模块的单页面展示，并通过Vue Router实现页面之间的跳转。每个单独页面中，以JSON格式接受来自后端逻辑处理层中处理后的数据，并通过Echarts等数据可视化组件展示。此外根据模块功能，在界面上提供按钮、下拉框和输入框等输入口，供操作人员根据加工需求输入相关数据。

2.根据权利要求书1所述的一种面向模具制造的MES系统，其特征在于：整个系统三层结构均部署在云端，用户可以通过浏览器进行访问，没有平台限制，使用方便。

3.根据权利要求书1所述的一种面向模具制造的MES系统，其特征在于：系统存储层提供了三种类型的数据库，使得数据存储方式多样化，满足在模具制造过程中相关的各种类型数据。

4.根据权利要求书1所述的一种面向模具制造的MES系统，其特征在于：系统逻辑处理层使用当下主流框架编写，采用模块化结构，使得逻辑层架构清晰，运行效率高，易于维护。

5.根据权利要求书1所述的一种面向模具制造的MES系统，其特征在于：客户端显示层基于前后端分离式框架，降低了整个系统的耦合度，易于拓展；且依赖框架的双向绑定机制，使得页面数据能随存储层实时变化，提高系统的数据时效性。

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