基于嵌入式终端的工具车间无纸化生产系统开发.pdf

重庆大学硕士学位论文1 绪论11绪论随着社会与经济的发展，我国已逐步进入信息化社会，一个以信息化带动工业化的革命浪潮，正席卷着我国的工业领域，企业自动化与信息化建设向着纵深方向发展制造业是我国国民经济重要的支柱产业，在第二产业中占据中心地位伴随中国加入 WTO 和经济全球化，中国正在成为世界制造业的中心中国的制造企业面临日益激烈的国内外竞争，如何迅速提高企业的核心竞争力其中很重要的一点，就是以信息化带动工业化，加快信息化进程，走新型工业化道路，实现全社会生产力的跨越式发展1.1 论文选题背景及意义 1.1.1 论文的选题背景① 制造企业信息化的薄弱环节- 信息化难以深入到车间设备层近年来，在国家的大力支持和推动以及广大企业的积极参与下，我国制造企业的信息化工作开展得如火如荼， CAD、CAM、PDM、ERP 以及办公、财务、电子商务等信息系统在企业得到了广泛的实施，取得了显著的成效通过信息化的推进也带动了我国制造企业设计、制造、管理和市场等多方面的变革[1]但信息化工作推进的同时也发现了一系列的新的问题，许多工作还需要不断深入的发掘和开展由于市场环境的变化和现代生产管理理念的不断更新，一个制造型企业能否良性运营，关键是使“计划”与“生产”密切配合，企业和车间管理人员可以在最短的时间内掌握生产现场的变化，做出准确的判断和快速的应对措施，保证生产计划得到合理而快速修正[2]。

虽然 ERP 系统已经发展到了非常成熟的程度，但是由于 ERP 系统的服务对象是企业管理的上层，一般对车间层的管理流程不提供直接和详细的支持同时由于市场信息瞬息万变，上层的企业信息化管理系统（如ERP） 会产生大量的数据、指令、要求下层的生产系统及时接受、消化，并且要求生产系统能够及时报告进度、反馈任务执行情况，因而制造信息化要求信息处理具有高实时性[3]如图 1.1 所示，底层（设备层）对实时性的要求最高，设备对信息的处理必须在规定的时间内完成以保证生产的高效顺利；制造执行层是制造信息的反馈者，更是大量制造实时信息的集散地，作为上传下达的层面，要求其能够快速响应；企业层往往是在其下层对信息处理后作出响应，因而实时性的要求最低重庆大学硕士学位论文1 绪论2上层（企业层） 时间响应系数100中间层（制造执行层） 时间响应系数10底层（设备层） 时间响应系数1图 1.1 制造业信息化对实时性的要求 Figuer1.1 real time requirement for the manufacturing informization但是，现有车间的生产管理和技术信息大多数均通过图纸、工艺卡片、工艺路线单等纸质文档进行传递，一方面信息传递效率较低，限制了管理和生产效率的提升空间；另一方面，由于这些生产现场的第一手信息的输入仍然需要人工输入，导致生产一线的信息更新难以及时、准确的反馈和控制，也难以与 CAD/ERP等信息系统集成，信息化难以深入到车间设备层，形成闭环信息流，也不能满足企业信息化实时性的要求，从而使整个企业信息化难以产生更大的效益[4]。

九五”期间，在宋健同志的倡导下，我国实施了“甩图板工程”，实现了企业的计算机辅助设计，使设计人员从图板中解放出来，取得了巨大的经济效益和社会效益[4]但是，甩掉了图板并没有甩掉图纸从设计部门和管理部门到车间及设备层的信息交互仍然采用图纸模式，（这里的“图纸”是广义的，包括加工图、装配图、工艺卡、任务书等所有纸质文件），从而带来 1) 图纸易于损坏，易受油渍、粉尘等污染使得字迹、图迹不清，易于出错；2) 历史资料和加工数据寻找困难，使得现有制造加工难于继承以往经验教训；3) 二维信息不直观，难于表达立体关系；4) 工作任务单是静态信息，难于动态调整和修改；5) 现场信息难于反馈等问题[5][6]为解决以上问题，促进车间及设备层的信息化，提高制造企业的生产效率及管理水平，实施制造企业车间无纸化生产显得十分迫切而且非常必要②工具车间的生产特点及其对无纸化生产的现实需求工具车间是主要生产工装夹具和外协加工为主的辅助性加工车间，属于典型的单件、小批量、多品种的生产方式，该生产方式的特点是产品种类的多样化、生产过程的变动性、生产设备的复杂化、外界条件的不确定性、生产计划和作业计划的困难性、生产的实施及其控制的动态性。

工具车间采用传统的生产模式已经不适应现在市场变化的形势，具体表现为：重庆大学硕士学位论文1 绪论31）生产任务变化频繁，采用传统手工方式编制的生产作业计划，每月更新一次, 计划不可能很细、很准, 而且计划的应变性很差2）车间现场信息通过人工记录填写到加工路线单，通过纸制文档传递，手工录入的数据生产统计信息不完整、不准确、不及时，导致车间现场难于及时反馈，生产管理人员不能动态及时准确的调整作业计划3）车间现场采用纸质图纸、工艺卡片等技术资料存在易于损坏，易受油渍、粉尘等污染使得字迹、图迹不清，数据模糊不清（如图 1.2 所示） ，影响了工作效率，而且易出质量事故，此外还存在二维信息不直观，难于表达立体关系，由于大量技术资料分散在生产现场，给技术更改造成较大不便，容易漏改或更改不及时，从而影响生产的正常进行图 1.2 工具车间的图纸 Figuer1.2 drawings in the tool workshop由此可见，基于纸质文档的车间生产管理成本都非常高，给车间的生产和管理均带来了不便，而且很难适应制造业信息化对实时性的要求为适应市场激烈的竞争趋势立于不败之地，提高生产水平，需要改进其现有生产方式。

实施无纸化加工工程将有效的解决工具车间存在的问题，提高工具车间的管理和生产效率，具有良好的应用前景 1.1.2 论文的选题意义上述分析表明，我国正在实施“制造业信息化工程”中，存在着企业设计层和管理层到车间层特别是车间设备层的信息交互仍然采用图纸模式，一方面动态信息难于及时下达，另一方面车间设备层的重要信息难于采集和上传，致使制造业信息化技术难于深入到车间和设备层的问题本论文的选题意义如下：①探索了一种解决信息的双向集成问题方案，将为使制造业信息化深入到车重庆大学硕士学位论文1 绪论4间层，从而扩大制造业信息化的经济效益提供重要参考有关数据显示，目前我国实施的 ERP 系统中，有些实施不成功，没有充分发挥其应有的功能本项目的应用将解决生产数据同 ERP 等系统的集成问题，通过为 ERP 系统提供及时、可靠的车间生产信息，将使企业花巨资建立的系统充分发挥应有的作用，从而取得更大的经济效益②有利于提高制造企业制造效率、增强制造环节对市场的快速响应能力图纸模式的信息交互由于其延迟性、难于动态调整修改、以及难于直观表示立体关系等原因，不可能适应产品、工艺、技术和用户要求日趋加速的变化，本文的研究对于提高企业制造过程的效率，增强制造环节对市场的快速响应能力具有重要作用。

据初步测算，平均制造周期缩短 45%，生产提前期缩短 30%，在制品数量减少 17%，若推广应用将为制造企业带来巨大的经济效益③将极大地减少车间生产用纸，一方面节约生产成本，另一方面有利于节约纸张资源，并减少纸张生产导致的生态环境污染目前工厂车间层纸质材料包括工艺路线单、零件图、工艺卡片、工票以及其它文档，由于生产的长期性和文档的经常性更新，导致车间层的纸质材料消耗大因此本项目的实施不但可以改变当前的车间生产模式，同时还将极大地减少车间生产用纸，一方面节约生产成本，另一方面有利于节约纸张资源，并减少纸张生产导致的生态环境污染论文拟研究的工具车间无纸化生产系统，对于提升工具车间的生产效率及管理水平、实现设计与管理信息系统同车间设备层信息的双向集成具有重要意义由于工具车间典型的单件小批量生产方式具有代表性，因此研究成果在制造企业具有示范和推广应用价值1.2 国内外相关领域的研究现状全球信息化浪潮正在兴起，信息化成为世界经济和社会发展的大趋势在国外，美国政府推出了“先进制造技术计划（AMT） ” 、 “敏捷制造使能技术计划（TEAM） ”等，众多的企业通过应用信息技术，使其竞争优势得到加强，美国企业信息化水平的迅速提高和信息技术应用的迅速普及，推动了近年来美国经济的持续增长；日本实施了“智能制造系统计划（IMS） ” ，还在 2000 年制定了“e- Japan”战略；德国正在积极推行“德国制造 2000 计划” ；印度、韩国则把信息技术作为改造传统企业和产业结构调整的主要战略[7][8]。

国外的一些先进企业，已实现了完全无纸化运行[9]，随着国内制造业信息化程度的不断深入，国内外部分企业和单位也已经开始无纸化制造的研究并取得了一定的进展，主要有：①波音公司采用无纸化设计技术研制 B-777，从研制到交付使用仅用了 55 个重庆大学硕士学位论文1 绪论5月的时间，大大地缩短了研制周期，降低了成本，提高了质量[11][12]②日本株式会社森精机制作所发明的生产管理系统（美国发明专利：US2001049567）提到将无纸化应用到车间层，主要是中央处理装置与终端之间的生产管理信息（生产指示书、作业数据等）的检索传输[13]③日本 Mazak 公司推出的新一代的加工中心不仅实现了加工过程和刀具交换的自动化，还配备一个称为信息塔（e－Tower）的外部设备，包括计算机、、机外和机内摄像头等，能够实现语音、图形、视像和文本的通信功能该机床与生产计划调度联网，实时反映机床工作状态和加工进度操作者需指纹确认权限，在屏幕上观察加工过程、故障报警显示、帮助排除[14]④西北工业大学 CAD/ CAM 中心将并行工程的思想和方法运用于航空发动机涡轮叶片精铸模具设计与制造的全过程，实现了精铸模设计与制造的无纸化，使涡轮叶片精铸模具的设计周期和数控编程周期缩短。

⑤中国长峰机电技术研究设计院在“九五”期间，总装部支持研究开发的“防空导弹关键零部件柔性设计制造一体化系统研究”项目中，无纸制造技术、生产管理技术和系统集成技术等研究成果获得了初步应用⑥当前， 3C 集成技术 （CAD/CAPP/CAM） 已将设计层与车间设备层信息传递，但限于有条件的数控机床，并仅限于设计和加工信息的下行传输，无法实现无法现场信息与设计管理信息系统的即时共享和反馈[15]综合目前国内外研究现状可以得出如下认识：①国内外无纸化的应用主要集中在生产计划管理中利用网络系统降低纸张传输的复杂性，应用范围局限于管理层②国内外设计过程无纸化研究大部分是通过 CAD/CAM 的集成实现零件的无图制造，信息传递是单向的，不涉及车间生产状态信息的反馈③国内外关于甩图纸工程很少涉及硬件开发，田新技术股份有限公司开发的一种以个人数位助理 PDA 实施作业场所无纸化的装置，但不能用于车间图纸的显示，没有包括车间现场生产信息同设计与管理层的信息集成以及基于网络的生产过程监视和设备共享等功能综合国内外现有研究成果及相关技术发展状况，车间及设备层的信息化的趋势主要表现为：① 无纸化：以纸介质作为信息载体存在诸多问题，导致信息交换滞后、数据易丢失、检索与维护困难、技术信息的安全保密性差等问题，无纸化是车间及设备层的信息化必然趋势。

② 双向集成化：建立车间设备层同设计与管理层的信息双向集成是车间及设备层的信息化的一个重要趋势，一旦该问题得到解决将会带来两方面的变革：一重庆大学硕士学位论文1 绪论6方面 ERP 系统可以得到生产现场的信息即时、准确反馈，有效解决了 ERP 数据获取的难题；另一方面，容易保证技术部门零件设计图纸和工艺规划文档同生产现场图纸和工艺卡片的一致性，有效解决了客户不断变化需求而引发的设计更改同现场生产数据的同步问题；③开放化：传统的车间是封闭式的或者至少限制在企业内部，车间及设备层的信息化的一个重要趋势即是实现车间生产现场同设备资源的开放化，从而可以进行跨地域、跨国家的异地协同制造④ 设备专用化： 车间环境恶劣、 工人对操作简易性要求以及成本限制等原因，导致计算机（含工控机）无法满足车间及设备层的信息化的现场需求，信息化支撑设备的专。