數(shù)控刀具管理系統(tǒng)的研究背景與現(xiàn)狀

尹葉秀

摘要：數(shù)控機(jī)床以其精度高、生產(chǎn)效率高、復(fù)合性好等優(yōu)勢(shì)迅速占據(jù)了制造業(yè)的大部分市場(chǎng)份額，具備高柔性和高剛性的緊湊型數(shù)控機(jī)床得到了廣泛應(yīng)用。FMS的大量應(yīng)用在一定程度上解決了制造業(yè)中存在的效率問(wèn)題、成本問(wèn)題以及質(zhì)量問(wèn)題。但是隨著刀具種類和數(shù)量的不斷增加，如何對(duì)FMS中的數(shù)控刀具進(jìn)行有效管理，提高刀具管理工作的質(zhì)量與效率是我國(guó)FMS企業(yè)發(fā)展中面臨的新挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞：FMS；刀具管理系統(tǒng)：數(shù)控

1數(shù)控刀具管理系統(tǒng)的研究背景與意義

制造業(yè)是提高國(guó)民經(jīng)濟(jì)水平以及促進(jìn)社會(huì)進(jìn)步的重要的基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，也是國(guó)家綜合性競(jìng)爭(zhēng)力的重要組成部分。在改革開(kāi)放之后，尤其是在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)中，在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整與優(yōu)化中，世界上發(fā)達(dá)國(guó)家的制造業(yè)都紛紛轉(zhuǎn)向中國(guó)市場(chǎng)。

隨著信息技術(shù)在我國(guó)快速普及，以及多品種小批量產(chǎn)品加工制造自動(dòng)化的需求，在制造業(yè)中，F(xiàn)MS（柔性制造系統(tǒng)）已經(jīng)成為非常重要的自動(dòng)化管理平臺(tái)。通過(guò)數(shù)控裝置加工、物料存儲(chǔ)與運(yùn)輸?shù)?，利用?jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)進(jìn)行統(tǒng)一的組織和管理，制造業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)制造過(guò)程的自動(dòng)化、信息化控制與管理。在加工過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)如何進(jìn)行合理、科學(xué)、高效的自動(dòng)化管理這些數(shù)控刀具是當(dāng)前我國(guó)制造企業(yè)所面臨的重要挑戰(zhàn)和發(fā)展瓶頸之一。

根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，制造業(yè)在柔性制造系統(tǒng)中，在生產(chǎn)成本上數(shù)控刀具的投入占據(jù)了相當(dāng)大的比例，制造業(yè)數(shù)控刀具的投資以及數(shù)控刀具的管理成本是當(dāng)前制造業(yè)成本中的重要組成部分。

2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1國(guó)外研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)70年代，制造業(yè)開(kāi)始了一場(chǎng)信息化大戰(zhàn)，數(shù)控加工中心以及柔性線中的刀具管理研究風(fēng)起云涌，西方發(fā)達(dá)國(guó)家的制造業(yè)自動(dòng)化與信息化融合技術(shù)也不斷提升。隨著計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的快速興起，在數(shù)控刀具管理工作中，一些高端企業(yè)開(kāi)始引入了信息管理系統(tǒng)來(lái)提高刀具管理效率，這些數(shù)控刀具管理信息系統(tǒng)的突出特征是刀具管理業(yè)務(wù)的信息化和自動(dòng)化，能夠?qū)鹘y(tǒng)的單純依靠人工手動(dòng)管理的刀具管理工作采用軟件平臺(tái)的方式進(jìn)行處理，是制造業(yè)自動(dòng)化進(jìn)程中的重要發(fā)展趨勢(shì)。

調(diào)查研究表明，國(guó)外制造企業(yè)的數(shù)控刀具管理系統(tǒng)主要是通過(guò)搭建信息化的刀具自動(dòng)化管理平臺(tái)，運(yùn)用數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)時(shí)傳輸和計(jì)算實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具管理工作的實(shí)時(shí)處理。在CIMS，F(xiàn)MS以及VMS等制造系統(tǒng)快速得到普及后，在數(shù)控刀具的管理工作中國(guó)外的信息化與自動(dòng)化管理水平得到了迅速的發(fā)展。在外國(guó)的數(shù)控刀具管理信息化系統(tǒng)和平臺(tái)中，計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等是最基礎(chǔ)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，同時(shí)在部分?jǐn)?shù)控刀具管理信息化平臺(tái)中還采用專家系統(tǒng)、智能算法等新興技術(shù)來(lái)進(jìn)行數(shù)控刀具管理的智能化處理，在這些軟件平臺(tái)的部署方面通常包括了單機(jī)版和基于現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的分布式版本，并且以分布式版本為主，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)控刀具管理工作中的信息內(nèi)部協(xié)調(diào)與溝通。

當(dāng)前歐美市場(chǎng)中，大量的數(shù)控刀具自動(dòng)化管理系統(tǒng)相繼問(wèn)世，其中包括英國(guó)CTMS公司開(kāi)發(fā)的計(jì)算機(jī)刀具管理系統(tǒng)、美國(guó)Cincinnati Milacron公司開(kāi)發(fā)的具備刀具庫(kù)存準(zhǔn)備、分配、調(diào)度與調(diào)運(yùn)、檢測(cè)以及其他信息管理功能的McCormick系列刀具管理系統(tǒng)、德國(guó)DelKel公司開(kāi)發(fā)的ToolManager系列刀具管理信息系統(tǒng)等。例如在美國(guó)Cincinnati Milacron公司的McCormick系列刀具管理系統(tǒng)軟件中，除了能夠?qū)?shù)控機(jī)床及其配套刀具信息進(jìn)行統(tǒng)籌管理之外，還在上位機(jī)管理軟件中為刀具管理人員提供了決策輔助支持功能，能夠?qū)崿F(xiàn)按照操作現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需求進(jìn)行規(guī)范化的刀具調(diào)配與調(diào)運(yùn)管理。并且該系統(tǒng)能夠按照管理人員的參數(shù)配置將刀具狀態(tài)檢測(cè)算法集成在現(xiàn)場(chǎng)的控制模塊中，能夠?qū)崿F(xiàn)刀具狀態(tài)的精確檢測(cè)，為數(shù)控機(jī)床刀具的智能化管理提供基礎(chǔ)平臺(tái)支持。同時(shí)，在德國(guó)政府近年來(lái)大力推行“工業(yè)4.0”的工業(yè)重振政策以來(lái)，憑借在傳統(tǒng)制造業(yè)中的長(zhǎng)期優(yōu)勢(shì)地位，目前德國(guó)的八大重點(diǎn)機(jī)械工業(yè)制造領(lǐng)域已經(jīng)基本普及和實(shí)現(xiàn)了制造設(shè)備的信息化管理終端平臺(tái)，其中數(shù)控刀具的智能化和自動(dòng)化管理是裝備制造自動(dòng)化過(guò)程中的重要發(fā)展方向。

在數(shù)控刀具管理系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)方面，國(guó)外已經(jīng)取得了非常大的成績(jī)。無(wú)論在功能上還是在性能上，國(guó)外企業(yè)所開(kāi)發(fā)的數(shù)控刀具管理系統(tǒng)都已經(jīng)達(dá)到了較高水平。這些數(shù)控刀具管理系統(tǒng)能夠?qū)ぜ庸み^(guò)程中刀具的準(zhǔn)備、加工過(guò)程中刀具的狀態(tài)、工況等進(jìn)行實(shí)時(shí)的查詢和監(jiān)控。同時(shí)這些數(shù)控管理系統(tǒng)還能夠?qū)Φ毒叩膸?kù)存和報(bào)廢管理進(jìn)行信息化處理，極大地提高了數(shù)控刀具庫(kù)存管理的效率與質(zhì)量。這些數(shù)控刀具管理系統(tǒng)在柔性制造系統(tǒng)生產(chǎn)線的可靠性、設(shè)備的利用率提高等方面都有著重要的促進(jìn)和提高作用。

2.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

在開(kāi)發(fā)與研究刀具的計(jì)算機(jī)管理方面，我國(guó)與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有很大的差距，在通過(guò)積極引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，雖然也積累了一定的刀具計(jì)算機(jī)管理經(jīng)驗(yàn)，從整體上而言，我國(guó)的制造企業(yè)在刀具管理工作中仍未完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和信息化，人工參與管理比例過(guò)高，相關(guān)的軟件平臺(tái)相對(duì)缺乏。

近幾年來(lái)，我國(guó)制造業(yè)的信息化技術(shù)發(fā)展步伐不斷向前邁進(jìn)，部分制造企業(yè)、制造行業(yè)科研機(jī)構(gòu)以及高校也開(kāi)始對(duì)數(shù)控刀具管理系統(tǒng)方面非常感興趣，在研究與開(kāi)發(fā)數(shù)控刀具管理系統(tǒng)方面開(kāi)始投入了很多人力和物力，并且也取得了一定的成就。但是，從制造業(yè)市場(chǎng)的整體發(fā)展情況來(lái)看，我國(guó)的制造業(yè)領(lǐng)域的信息化管理平臺(tái)仍然主要依靠國(guó)外引進(jìn)，在數(shù)控刀具管理信息化的平臺(tái)工具方面的自主研發(fā)能力還相對(duì)比較落后，目前常用的一些數(shù)控刀具管理軟件平臺(tái)中的自動(dòng)化和智能化水平依然處于相對(duì)比較低的水平。

目前隨著我國(guó)加強(qiáng)對(duì)傳統(tǒng)制造業(yè)的政策性扶持，同時(shí)加強(qiáng)與發(fā)達(dá)國(guó)家之間的技術(shù)交流和溝通，通過(guò)跨國(guó)合作的方式來(lái)研發(fā)工業(yè)制造現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化管理平臺(tái)已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)的主要發(fā)展趨勢(shì)。在此背景下，國(guó)內(nèi)一些比較優(yōu)秀的數(shù)控刀具自動(dòng)化管理軟件產(chǎn)品也開(kāi)始問(wèn)世。例如，北京航空航天大學(xué)研發(fā)出了基于CIMS的數(shù)控刀具自動(dòng)化管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺(tái)是Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)，采用計(jì)算機(jī)信息化處理系統(tǒng)解決了企業(yè)內(nèi)部在數(shù)控刀具管理工作中的問(wèn)題，提高了數(shù)控刀具管理的水平和生產(chǎn)效率。同時(shí)沈陽(yáng)飛機(jī)制造廠組織開(kāi)發(fā)的刀具管理平臺(tái)也在其內(nèi)部集成了刀具計(jì)劃管理、刀具自動(dòng)調(diào)度、庫(kù)存管理、刀具發(fā)放、測(cè)量以及刃磨發(fā)送的自動(dòng)化，極大地提高了企業(yè)的生產(chǎn)工藝水平與制造效率。

同時(shí)，從行業(yè)發(fā)展的整體情況來(lái)看，目前我國(guó)的制造業(yè)中仍舊以中小型企業(yè)為主，中小型企業(yè)在整個(gè)行業(yè)中的占比超過(guò)了70%以上。對(duì)于這些企業(yè)而言，上述大型的綜合式數(shù)控刀具管理信息化平臺(tái)的引進(jìn)和部署成本比較高，在當(dāng)前國(guó)內(nèi)制造業(yè)發(fā)展面臨瓶頸的背景下，這無(wú)疑會(huì)大大增加企業(yè)的運(yùn)營(yíng)壓力。所以，在現(xiàn)行的市場(chǎng)環(huán)境下，這些占行業(yè)主體地位的中小型企業(yè)對(duì)于數(shù)控刀具信息化管理的內(nèi)在需求是否能夠得到滿足，是決定未來(lái)我國(guó)制造業(yè)發(fā)展趨勢(shì)的重要因素。本文的研究工作就是針對(duì)這些中小型制造企業(yè)的數(shù)控刀具管理問(wèn)題，采用相對(duì)比較簡(jiǎn)單的方式進(jìn)行系統(tǒng)平臺(tái)研發(fā)，系統(tǒng)的功能嚴(yán)格按照中小企業(yè)的實(shí)際發(fā)展情況而設(shè)置，具有比較強(qiáng)的針對(duì)性，同時(shí)系統(tǒng)的研發(fā)以及部署成本也比較低。

從整體上來(lái)看，我國(guó)制造業(yè)中的FMS技術(shù)還處于比較落后的地位。與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比，制造業(yè)中的數(shù)控刀具管理技術(shù)的差距較為明顯?，F(xiàn)在，我國(guó)的數(shù)控刀具管理系統(tǒng)主要還是采用靜態(tài)管理模式，數(shù)控刀具管理系統(tǒng)在對(duì)刀具的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控、智能化調(diào)度、實(shí)時(shí)報(bào)廢采購(gòu)報(bào)警等動(dòng)態(tài)處理功能還需要進(jìn)一步探究。

3我國(guó)數(shù)控刀具管理面臨挑戰(zhàn)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，制造業(yè)的產(chǎn)品在質(zhì)量、外觀以及性能方面都有了很大提升，傳統(tǒng)的零件加工以及制造精度已經(jīng)無(wú)法滿足當(dāng)前的需求，如何采用新的技術(shù)、方法與概念來(lái)促進(jìn)制造業(yè)的生產(chǎn)質(zhì)量與效率是我國(guó)制造行業(yè)面臨的重要挑戰(zhàn)之一。數(shù)控刀具在FMS中具有重要的地位，但是由于國(guó)內(nèi)企業(yè)在管理技術(shù)與理念上的落后，刀具管理效率低下已經(jīng)成為制約我國(guó)FMS發(fā)展的主要因素之一。如何對(duì)FMS中的數(shù)控刀具進(jìn)行有效管理，提高刀具管理工作的質(zhì)量與效率是我國(guó)FMS企業(yè)發(fā)展中面臨的新挑戰(zhàn)。