三维工艺设计在MES系统中的应用
随着三维CAD技术的不断发展，三维工艺设计系统的优势也逐渐显现出来，三维工艺设计系统结合MES制造企业生产过程执行系统的综合应用也成了智能制造领域的一个发展方向。

本文分析了传统工艺设计系统的不足，指出了三维工艺设计系统的概念与内涵，重点论述了三维工艺设计系统在MES制造企业生产过程执行系统中的实际应用。

标签：三维工艺设计；MES；智能制造
1.引言
MES系统是一套面向制造企业车间执行层的生产信息化管理系统，可以为制造企业提供包括制造数据管理、计划排程管理、生产调度管理、库存管理、质量管理、人力资源管理、设备管理、工具工装管理、采购管理、成本管理、项目看板管理、生产过程控制、底层数据集成分析、上层数据集成分解等管理模块，为企业打造一个扎实、可靠、全面、可行的制造协同管理平台。

但是，如果仅是实施了制造执行系统（MES），而没有与三维工艺设计系统进行结合，其突出的问题是，MES系统所提供的信息量不能充分满足需求，容易遗漏，MES系统中不能准确提供的数据主要有：产品的制造工艺流程、工时定额、工具工装的选择、产品的三维模型及三维工序模型等，这就需要三维工艺设计系统给予支持。

2.二维工艺设计系统的不足
Computer Aided Process Planning（CAPP）又称计算机辅助工艺设计，是指借助于计算机软硬件技术和支撑环境，利用计算机进行数值计算、逻辑判断和推理等功能来制定零件的机械加工工艺过程。

CAPP系统的应用可以使企业的工艺文件实现标准化，实现企业内部数据的高度统一，标准化的工艺文件更加适合企业现代化的生产与管理环境，方便企业应用PLM，PDM，ERP，MES等系统。

现阶段国内外涌现出了一大批商品化的CAPP系统，比如Teamcenter、SVMAN、KM3DCAPP、天河CAPP等。

但是相对于其它信息管理系统的发展，CAPP的应用水平仍然比较滞后，与生产管理执行系统的结合度仍然比较低。

随着国家智能制造2025发展计划的公布，国内的大中小企业也纷纷向着这个方向发展，这也极大的推动了CAPP应用系统的发展，但是各个企业的CAPP应用现状参差不齐，大部分还处在二维CAPP阶段，国内大多数企业CAPP的应用存在以下的不足和问题：
（1）CAPP的应用仍然停留在仅是对纸质工艺卡片的电子化管理，以及实现对工艺信息的电脑自动统计汇总和权限的管理与控制方面，这种发展阶段仅仅是实现了对传统工艺的“电脑化管理”。

（2）CAPP的应用还不能有效地、完整地总结企业的工艺设计经验、设计知識、工艺资源库等。

因为企业没有建立标准化的、有效的工艺数据库，造成企业的工艺编制仍然主要依靠有经验的工艺师，尤其是关键重要件的工艺编制出现了工艺传承断档的情况，CAPP系统的的智能化程度仍然很低。

（3）CAPP系统的绘图环境可以与二维CAD软件集成，而与三维CAD设计软件还不能完全集成，而大部分企业的设计部门所采用的绘图软件都是三维CAD设计软件，这样就造成了在CAPP系统里面进行工艺设计时不能准确的理解设计部门的设计意图，造成设计部门与工艺部门的严重脱节，当设计部门进行更改时，工艺部门进行工艺升版就比较费时费力。

3.三维工艺设计系统的概念和内涵
3.1 概念
随着研发部门设计工具从二维CAD向三维CAD的转变，进一步提高了产品设计能力和创新能力，大大缩短了型号研制周期。

但是作为连接工程设计与生产制造的桥梁与纽带的工艺设计仍停留在工艺卡片的编辑、工艺信息的手工统计汇总和工艺文件的纸质流程签审等解决工艺设计中的事务性工作的初级应用阶段。

随着对三维CAD应用的不断深入，现有的工艺设计手段局限性也越来越明显，作为工艺设计系统也必须由传统的支持二维的工艺设计转变为支持三维实体模型进行工艺设计，同时工艺设计系统的应用也必须从基于二维CAD的集成向基于三维CAD的集成发展，即基于三维CAD的三维工艺设计系统。

三维工艺设计系统采用基于三维CAD模型的设计技术，增加了产品的可读性和一致性，减少了理解图纸的时间，进一步提高了工艺设计方式、工艺资源及制造数据管理模式等的合理性与科学性，实现设计、工艺、制造数据源的唯一性。

3.2 内涵
三维工艺设计系统主要分为5个层级：
3.2.1应用层
主要包括机加工艺编制、三维轻量化工序模型的建立、装配工艺编制、零件检验项计划编制、资源库与知识库的建立、与PDM及其他系统的接口管理、软件二次开发等。

3.2.2功能层
主要包括工艺设计基础模块、工艺文件管理模块、资源库与知识库管理模块、工艺设计输出模块、工艺数据接口模块、统计汇总模块等。

3.2.3基础数据库层
主要是对各种数据的备份等。

3.2.4操作系统层
主要包括系统备份、系统恢复等。

3.2.5系统管理层
主要包括用户权限管理模块、安全保密审核模块、系统功能管理模块等。

4.三维工艺设计系统在MES系统中的实际应用
三维工艺设计系统是制造业企业未来工艺设计的发展方向，而MES系统是生产管理系统的发展方向，两者的结合才是未来制造业企业的发展的必经之路，是实现智能制造的根本途径。

三维工艺设计系统在MES系统中的应用主要体现在以下三个方面。

（1）MES系统是通过采用PDM、PLM、三维CAPP等技术提升智能数字化车间无纸化的能力。

当MES系统与PDM、PLM、三维CAPP等系统有机结合时，通过计算机网络和数据库技术，把智能工厂车间生产过程中所有与生产相关的信息和过程集成起来统一管理，为工艺技术人员提供一个协同工作的环境，实现作业指导书的创建、维护和无纸化浏览，将生产数据进行电子化管理，避免或减少基于纸质文档的人工传递及流转，保障工艺文档的准确性和安全性。

MES 系统中，可以通过终端设备查看来自三维工艺设计系统的加工工艺流程，二维工程图样，三维产品模型，三维轻量化工序模型，加工产品所需要的刀具明细，工装明细等数据，实现了制造企业车间执行层的无纸化。

（2）MES系统的执行过程，其实就是各种系统的集成、协同运行的结果。

MES系统与ERP系统、PDM/三维工艺设计系统（CAPP）、数控机床联网（DNC）/机床监控与数据采集（MDC）系统的集成，实现从设计/工艺、管理和制造等多层次数据的充分共享和有效利用。

ERP系统利用从PDM/三维工艺设计系统（CAPP）中获取的信息制订主生产计划。

主生产计划传递给MES，用于车间级排产和车间生产准备。

与物料相关的信息需传递给数字化立体仓库，用于指导仓库管理。

数字化立体仓库中物料的存储信息以及财务信息反馈给ERP系统，用于指导采购与财务管理。

（3）MES系统生产任务下发给DNC系统安排数控加工，将检验任务下发给质量系统用于质量跟踪。

同时，从三维工艺设计系统（CAPP）中获取物料、结构、工艺、工具和设备等信息，从ERP系统中获取生产计划等信息，获取的质量记录、报告和修正信息等向PDM/CAPP/MES反馈以指导后续的质量管理过程。

5.结语
基于网络与信息化的制造技术是未来先进制造技术发展方向之一，利用计算机软、硬件及网络环境，实现产品数字化制造，可提高产品制造能力，缩短产品制造周期，降低制造成本，从而提高企业竞争能力，这是国家智能制造2025发展战略的要求，也是高端制造业发展的必然趋势。

与此同时，三维工艺设计系统为MES系统提供了各种基础数据，是MES系统正常运行的前提，所以两者的结合是一种必然。

参考文献：
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