1 引言
隨著現(xiàn)代化制造技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化量值傳遞的技術(shù)正逐步替代傳統(tǒng)的模擬量傳遞模式。傳統(tǒng)的依靠二維圖紙的制造和檢驗(yàn)已經(jīng)不能滿足企業(yè)的發(fā)展需要，取而代之的是以全三維模型為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)、制造和檢驗(yàn)?zāi)Ｊ健；谌S模型的數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展則相對(duì)滯后于CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展，其與信息化管理系統(tǒng)如MES的結(jié)合集成水平也相對(duì)較低。
MES作為一種面向車間層的生產(chǎn)管理和優(yōu)化運(yùn)行管理軟件，擁有制造過程所有的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，能形成巨大的制造數(shù)據(jù)集合。MES的出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用，為車間制造過程質(zhì)量管理提供了豐富的數(shù)據(jù)支持，為車間制造過程質(zhì)量的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)管理和控制提供了一種有效的實(shí)現(xiàn)思路和支持平臺(tái)。MES系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)檢驗(yàn)資源的管理、檢驗(yàn)任務(wù)的管理、檢驗(yàn)實(shí)例數(shù)據(jù)的管理、質(zhì)量審理活動(dòng)的管理，從而推動(dòng)制造型企業(yè)生產(chǎn)檢驗(yàn)的自動(dòng)化和信息化管理。
當(dāng)前，設(shè)計(jì)、加工、檢測(cè)和質(zhì)量分析控制是產(chǎn)品制造過程中的主要環(huán)節(jié)。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)將各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行數(shù)字化集成，形成完整的閉環(huán)制造過程是制造業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。數(shù)字化檢測(cè)特別是基于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量實(shí)現(xiàn)了企業(yè)生產(chǎn)檢驗(yàn)的自動(dòng)化，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的檢測(cè)實(shí)例數(shù)據(jù)和報(bào)告文件。這就要求MES系統(tǒng)能夠提供支持?jǐn)?shù)字化檢測(cè)的相關(guān)功能。
而傳統(tǒng)MES中檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集主要是檢驗(yàn)人員的人工輸入，檢驗(yàn)數(shù)據(jù)和任務(wù)沒有結(jié)構(gòu)化的管理，并不支持?jǐn)?shù)字化檢測(cè)的相關(guān)要求，因此制約了機(jī)械制造企業(yè)檢驗(yàn)的信息化管理。
本文針對(duì)機(jī)械制造企業(yè)數(shù)字化檢測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)和當(dāng)前MES系統(tǒng)對(duì)其功能支持的不足，研究數(shù)字化檢測(cè)的相關(guān)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了基于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)方案，同時(shí)在MES中開發(fā)了支持?jǐn)?shù)字化檢測(cè)的質(zhì)量檢驗(yàn)?zāi)K，支持相關(guān)的任務(wù)管理和數(shù)據(jù)管理，為企業(yè)檢驗(yàn)信息化管理提供了一個(gè)軟件平臺(tái)。
2 數(shù)字化檢測(cè)在MES應(yīng)用系統(tǒng)中的總體解決方案
2.1 系統(tǒng)解決流程圖
根據(jù)本課題的研究目標(biāo)以及當(dāng)前企業(yè)的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)水平、企業(yè)的測(cè)量解決方案和MES應(yīng)用情況，結(jié)合現(xiàn)階段已有的比較成熟的技術(shù)，以及系統(tǒng)間的集成和相關(guān)領(lǐng)域研究的可能性，我們總結(jié)出了圖1所示的解決方案流程圖。
圖1 總體應(yīng)用流程圖
根據(jù)以上流程圖，我們可以得到如下結(jié)論；數(shù)字化檢測(cè)必須建立在企業(yè)上游的設(shè)計(jì)部門和工藝部門進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)和制造的基礎(chǔ)上，即產(chǎn)品的模型和工藝設(shè)計(jì)必須按照相關(guān)的數(shù)字化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。而MES對(duì)數(shù)字化檢測(cè)的支持則更多是對(duì)檢驗(yàn)部門業(yè)務(wù)流程和功能的支持，對(duì)其業(yè)務(wù)和需求提供相應(yīng)的信息化管理功能。
2.2 系統(tǒng)功能模型
功能模型是MES中有關(guān)檢驗(yàn)?zāi)K的設(shè)計(jì)依據(jù)以及對(duì)功能劃分的依據(jù)。根據(jù)圖1所示的解決方案流程圖，以及研究任務(wù)和目標(biāo)，結(jié)合數(shù)字化檢測(cè)的要求，以及MES系統(tǒng)中對(duì)于工藝、質(zhì)量檢驗(yàn)和任務(wù)管理的支持，我們?cè)贛ES中針對(duì)以上要求設(shè)計(jì)了相關(guān)的功能模塊。圖2是該系統(tǒng)的功能模型圖。功能圖詳細(xì)地描述了支持?jǐn)?shù)字化檢測(cè)的MES系統(tǒng)質(zhì)量檢驗(yàn)?zāi)K應(yīng)有的的幾大功能，如檢驗(yàn)工藝管理，檢驗(yàn)資源管理，檢驗(yàn)任務(wù)管理等。每個(gè)子模塊應(yīng)具有更加詳細(xì)的功能點(diǎn)。這些功能點(diǎn)即為MES系統(tǒng)必須提供的操作界面。
圖2 系統(tǒng)功能圖
2.3 系統(tǒng)信息模型
MES中的質(zhì)量檢驗(yàn)是面向生產(chǎn)制造過程的。所以檢驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)必然和生產(chǎn)制造工藝、制造任務(wù)、相關(guān)的資源設(shè)備密切相關(guān)。由此可以得到支持?jǐn)?shù)字化檢驗(yàn)的MES系統(tǒng)中質(zhì)量檢驗(yàn)?zāi)K的數(shù)據(jù)模型。
圖3所示的信息模型是該系統(tǒng)相關(guān)功能模塊數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的理論模型，表達(dá)了檢驗(yàn)相關(guān)信息的內(nèi)在聯(lián)系。
圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型
2.4 系統(tǒng)框架的設(shè)計(jì)
根據(jù)以上分析的相關(guān)流程、功能模型、信息模型，依托當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)室MES系統(tǒng)，我們?cè)O(shè)計(jì)了圖4所示的分層架構(gòu)，即采用Oracle 9i作為數(shù)據(jù)庫(kù)底層。Hibernate技術(shù)作為業(yè)務(wù)對(duì)象層，持久化的數(shù)據(jù)模型。我們通過建立業(yè)務(wù)邏輯層實(shí)現(xiàn)對(duì)業(yè)務(wù)的處理，最后通過表現(xiàn)層設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能頁面。系統(tǒng)的分層使各層分別處理自己的業(yè)務(wù)。由于各層間耦合程度較低，因此這種結(jié)構(gòu)更便于業(yè)務(wù)流程的變更和系統(tǒng)再造。
圖4 系統(tǒng)架構(gòu)圖
3 關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
3.1 基于MBD的三維數(shù)字化檢測(cè)
本文重點(diǎn)討論的是數(shù)字化檢測(cè)在MES中的應(yīng)用。基于MBD的數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)作為其中一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)有必要進(jìn)行深入的研究。MBD(Model Based Definition，基于模型定義)的核心思想是：全三維基于特征的表述方法。基于文檔的過程驅(qū)動(dòng)，融入知識(shí)工程、過程模擬的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等。它用一個(gè)集成的三維實(shí)體模型可完整地表達(dá)產(chǎn)品定義信息，即將制造信息和設(shè)計(jì)信息(三維尺寸標(biāo)注即各種制造信息和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息)共同定義到產(chǎn)品的三維數(shù)字化模型中，保證了設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的唯一性。MBD不是簡(jiǎn)單的三維標(biāo)注加三維模型，它不僅描述設(shè)計(jì)幾何信息而且定義三維產(chǎn)品制造信息和非幾何的管理信息(產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、PMI、BOM等)。使用人員僅需一個(gè)三維模型即可獲得全部信息，減少了對(duì)其他信息系統(tǒng)的過度依賴。
機(jī)械制造企業(yè)要實(shí)現(xiàn)基于MBD的三維數(shù)字化檢測(cè)，單純依靠檢驗(yàn)部門并不能有效地完成，必須從企業(yè)的上游設(shè)計(jì)部門到工藝設(shè)計(jì)部門，再到加工制造部門，來協(xié)同完成。根據(jù)相關(guān)部門的職能不同需要完成不同的任務(wù)，筆者在這里根據(jù)當(dāng)前某企業(yè)的數(shù)字化檢驗(yàn)情況總結(jié)出了一般機(jī)械制造企業(yè)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化檢測(cè)需要實(shí)現(xiàn)的3個(gè)步驟：①基于MBD的三維模型設(shè)計(jì)(企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)部門必須遵循MBD的技術(shù)規(guī)范要求設(shè)計(jì)產(chǎn)品的三維模型，依據(jù)規(guī)范將產(chǎn)品的所有制造需求、性能、公差等標(biāo)注于產(chǎn)品的三維模型上，使這樣一個(gè)模型包含該產(chǎn)品所有的信息，并向工藝部門下發(fā)這一模型文件，而不需要提供額外的文件)；②基于MBD的三維工藝設(shè)計(jì)(企業(yè)的工藝部門也必須按照MBD技術(shù)規(guī)范要求設(shè)計(jì)產(chǎn)品的三維工藝，來替代傳統(tǒng)的工藝卡片。即工藝設(shè)計(jì)部門需要為每一道工序設(shè)計(jì)一個(gè)三維工序模型，該模型包含本道工序的制造要求、公差使加工制造部門可以根據(jù)三維工序模型加工出該道工序應(yīng)該得到的零件)；③基于MBD的測(cè)量規(guī)劃與編程(在企業(yè)工藝設(shè)計(jì)部門已經(jīng)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的三維工序模型后，檢驗(yàn)部門只需要根據(jù)檢驗(yàn)工序的工序模型進(jìn)行測(cè)量規(guī)劃和編程。而實(shí)現(xiàn)基于MBD的檢測(cè)規(guī)劃和編程則必須借助先進(jìn)的測(cè)量軟件)。
筆者對(duì)市場(chǎng)測(cè)量軟件的調(diào)查和分析可知：目前，海克斯康的PC-DMIS planner軟件支持基于MBD的測(cè)量規(guī)劃；該軟件支持帶三維標(biāo)注信息的CAD模型的直接導(dǎo)入；同時(shí)根據(jù)模型上的標(biāo)注可實(shí)現(xiàn)對(duì)尺寸公差和形位公差的自動(dòng)識(shí)別并進(jìn)行自動(dòng)檢驗(yàn)規(guī)劃；最后運(yùn)用PC-DMIS測(cè)量軟件可讀入測(cè)量規(guī)劃文件，自動(dòng)生成DMIS測(cè)量程序；檢驗(yàn)人員可以直接運(yùn)用這個(gè)DMIS、測(cè)量程序進(jìn)行測(cè)量。
綜上所述，企業(yè)實(shí)行基于MBD的三維數(shù)字化檢測(cè)需要一個(gè)較高的軟硬件平臺(tái)，并且需要企業(yè)的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)等部門相互協(xié)同，同時(shí)企業(yè)需要轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造模式，使數(shù)字化、無紙化成為制造型企業(yè)的發(fā)展方向和目標(biāo)。圖5是整個(gè)企業(yè)數(shù)字化設(shè)計(jì)、制造和檢驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)圖。
圖5 企業(yè)數(shù)字化檢驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)圖
3.2 基于三維輕模型的檢驗(yàn)需求提取技術(shù)
企業(yè)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化檢測(cè)以后，車間級(jí)別的信息管理系統(tǒng)MES要實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字化檢測(cè)信息化管理，首先需要對(duì)檢驗(yàn)需求進(jìn)行管理。檢驗(yàn)需求主要包括尺寸公差、形位公差、粗糙度以及其他的一些理化特性。由于數(shù)字化檢驗(yàn)過程始終依靠一個(gè)三維模型傳遞所有的信息，因此如何從三維模型中提取相關(guān)的檢驗(yàn)需求并將其結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)到MES系統(tǒng)中是需要解決的一個(gè)關(guān)鍵問題。本文采用解析輕量化模型文件的方式自動(dòng)獲取檢驗(yàn)需求，并自動(dòng)存儲(chǔ)到MES系統(tǒng)中。
工藝部門下發(fā)的檢驗(yàn)工序模型通過輕量化軟件被轉(zhuǎn)化為輕量化格式的檢驗(yàn)工序模型文件。這要求工藝部門在設(shè)計(jì)檢驗(yàn)工序模型的時(shí)候必須嚴(yán)格遵守MBD的技術(shù)規(guī)范，否則就會(huì)導(dǎo)致某些信息的丟失。
輕量化文件是一個(gè)壓縮的XML文檔，它包括所有的標(biāo)注信息。而要得到其中的公差要求則必須解析這個(gè)XML文檔。在解析這個(gè)XML文檔的時(shí)候，檢驗(yàn)要求需要進(jìn)行分類，主要有尺寸公差、形位公差和粗糙度。目前系統(tǒng)的解析算法也只支持這三類檢驗(yàn)要求的解析。這些解析出來的信息被轉(zhuǎn)換為MES系統(tǒng)中對(duì)于檢驗(yàn)需求的描述格式，然后將其自動(dòng)錄入MES系統(tǒng)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)。
圖6即為MES中檢驗(yàn)需求的自動(dòng)提取界面。
它能夠自動(dòng)提取輕量化模型上的檢驗(yàn)需求，自動(dòng)生成相應(yīng)檢驗(yàn)項(xiàng)的檢驗(yàn)圖示，實(shí)現(xiàn)輕模型上標(biāo)注與MES中檢驗(yàn)項(xiàng)聯(lián)動(dòng)的關(guān)聯(lián)展示。
圖6 檢驗(yàn)需求的提取界面
3.3 基于DMIS標(biāo)準(zhǔn)的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)提取技術(shù)
數(shù)字化檢測(cè)過程中會(huì)產(chǎn)生DMIS格式的檢驗(yàn)程序和檢驗(yàn)結(jié)果文件，這些文件中包含了大量的理論檢驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)例數(shù)據(jù)。如何提取這些數(shù)據(jù)是MES系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字化檢驗(yàn)數(shù)據(jù)管理的關(guān)鍵技術(shù)。DMIS是Dimensional Measuring Interfaee Standard即尺寸測(cè)量接口標(biāo)準(zhǔn)的簡(jiǎn)稱，DMIS標(biāo)準(zhǔn)的最初開發(fā)是由計(jì)算機(jī)輔助制造國(guó)際公司(CAM-I)資助的，1985年2月開始作為三坐標(biāo)尺寸測(cè)量的接口規(guī)范項(xiàng)目。DMIS的目的是提供計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和測(cè)量機(jī)設(shè)備間雙向傳遞檢測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)制定了測(cè)量程序和測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)的中間格式，它有專門的語法格式表。它在語法表示中對(duì)各種尺寸公差和形位公差以及幾何特征有明確的定義表達(dá)語句。公差的所有信息都可以通過讀取其相應(yīng)的DMIS描述語句得到該公差的所有信息。筆者在MES系統(tǒng)基礎(chǔ)上開發(fā)了DMIS文件解析算法，使其能夠自動(dòng)從DMIS程序和結(jié)果文件中讀取所有的公差信息，并在MES系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化管理。
4 結(jié)論
通過對(duì)企業(yè)數(shù)字化檢測(cè)解決方案的可行性和相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的探討，結(jié)合當(dāng)前企業(yè)對(duì)數(shù)字化檢測(cè)的需求以及MES系統(tǒng)本身對(duì)其相關(guān)功能的支持，本文提出了典型機(jī)械制造型企業(yè)數(shù)字化檢測(cè)的解決方案和MES系統(tǒng)中關(guān)于數(shù)字化檢測(cè)相關(guān)功能的支持模塊。實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)檢驗(yàn)的無紙化和自動(dòng)化，相關(guān)制造檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化和信息化管理，檢驗(yàn)任務(wù)的執(zhí)行管理及相關(guān)產(chǎn)品質(zhì)量審理的管理，對(duì)推動(dòng)企業(yè)數(shù)字化生產(chǎn)和信息化管理有一定的現(xiàn)實(shí)意義。
核心關(guān)注：拓步ERP系統(tǒng)平臺(tái)是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用，蘊(yùn)涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念，功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理，全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域，是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴品牌。
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本文標(biāo)題：數(shù)字化檢測(cè)在MES中的應(yīng)用研究
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