基于三維模擬組裝技術(shù)的刀具管理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

林 齊, 孫志宏, 唐甜鑫

(1. 東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 上海 201620；2. 上海煙草機(jī)械有限責(zé)任公司, 上海 201206)

基于三維模擬組裝技術(shù)的刀具管理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

林 齊1, 2, 孫志宏1, 唐甜鑫1

(1. 東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 上海 201620；2. 上海煙草機(jī)械有限責(zé)任公司, 上海 201206)

針對(duì)現(xiàn)有刀具管理的不足與公司精益生產(chǎn)的需求, 提出了一種基于三維模擬組裝技術(shù)的刀具管理系統(tǒng). 通過(guò)組建刀具管理網(wǎng)絡(luò), 消除配刀車間和機(jī)臺(tái)終端的信息孤島問(wèn)題， 通過(guò)API接口對(duì)三維軟件進(jìn)行二次功能開(kāi)發(fā), 實(shí)現(xiàn)三維模擬組裝功能, 集成的配刀任務(wù)和刀具信息管理, 能有效提高配刀效率, 減少刀具種類, 降低制造成本.

刀具管理；三維模擬組裝；刀具選擇

刀具是機(jī)械制造系統(tǒng)中最重要的生產(chǎn)資源, 刀具管理水平直接影響著機(jī)床的利用率[1-3].據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)際先進(jìn)企業(yè)機(jī)床平均有效利用率為60%～80%, 而國(guó)內(nèi)機(jī)床平均有效利用率為20%～30%, 遠(yuǎn)低于國(guó)際先進(jìn)水平[4].通常, 單個(gè)零件在加工中心加工需要數(shù)十把刀具, 如果企業(yè)生產(chǎn)的零部件屬于多品種小批量類型, 考慮到刀具磨損和損壞等情況, 那么需要管理的刀具種類和數(shù)量都相當(dāng)?shù)凝嫶?傳統(tǒng)的刀具管理主要靠人工登記, 存在工作量大、實(shí)時(shí)性差、機(jī)臺(tái)實(shí)時(shí)刀具信息無(wú)法記錄等問(wèn)題, 從而導(dǎo)致刀具管理的費(fèi)時(shí)、費(fèi)力, 這嚴(yán)重影響企業(yè)的生產(chǎn)效率[5-6].目前國(guó)內(nèi)外主流的刀具管理軟件主要采用記錄組件出入庫(kù)信息的刀具庫(kù)存管理, 在配置新的刀具時(shí), 對(duì)配刀員的要求較高, 刀具拆卸后刀具組裝信息隨即丟失, 導(dǎo)致再次配刀時(shí)需重新選擇組件組裝, 制約和影響配刀效率的提高.對(duì)于直接影響配刀效率的零件加工配刀表、刀具所包含的組件信息及其相互裝配關(guān)系、各機(jī)臺(tái)刀庫(kù)內(nèi)實(shí)時(shí)存放的刀具等信息, 迫切需要有效的管理和維護(hù)[7].

針對(duì)目前刀具管理上存在上述不足的問(wèn)題, 結(jié)合某大型煙草機(jī)械生產(chǎn)企業(yè)的刀具管理需求, 研發(fā)出一種基于三維模擬組裝技術(shù)的刀具管理系統(tǒng), 對(duì)加工制造過(guò)程實(shí)施有組織的管理.通過(guò)組建刀具管理網(wǎng)絡(luò), 在刀具服務(wù)器上建立數(shù)據(jù)庫(kù), 配刀車間和機(jī)臺(tái)終端安裝功能模塊, 集成模擬組裝功能, 實(shí)現(xiàn)刀具的快速模擬組裝, 并自動(dòng)記錄組件的信息, 方便配刀信息的再次使用, 而且在配置刀具的過(guò)程中, 完成組件及刀具的物流和庫(kù)位管理.

1 三維模擬組裝技術(shù)

一般來(lái)說(shuō)零件制造加工需多把甚至幾十把切削刀具, 通常每把切削刀具由刀柄、刀頭、刀片、延長(zhǎng)桿等組成.為實(shí)現(xiàn)刀具在三維軟件環(huán)境下的模擬組裝, 需要建立所有刀具組件的模型.刀具組件的模型，一部分由廠家直接提供, 另一部分由繪圖員利用繪圖軟件進(jìn)行建模.刀具組件建模之后, 需要設(shè)置每件刀具組件的裝配參數(shù)和裝配序列.裝配參數(shù)包括夾持范圍等參數(shù), 其中夾持范圍包括默認(rèn)組裝中心、左右可調(diào)范圍等, 如圖1所示.裝配序列是指組件之間可組裝的匹配關(guān)系, 只有在組件接口相匹配的情況下, 才能選擇進(jìn)行模擬和實(shí)際組裝.設(shè)置裝配參數(shù)和裝配序列能夠有效地提高配刀效率.

尺寸1—夾持范圍；尺寸2—默認(rèn)夾持位置尺寸；尺寸3—左端可調(diào)尺寸；尺寸4—右端可調(diào)尺寸； 5—默認(rèn)組裝中心圖1 刀具夾持范圍Fig.1 Tool clamping range

接收MES(manufacturing execution system)配刀任務(wù)后, 首先根據(jù)制造工序所選的機(jī)床主軸確定刀柄類型, 再進(jìn)一步地根據(jù)裝配序列、切削材料等信息選擇相應(yīng)的組件, 組件選擇完成后將根據(jù)默認(rèn)裝配參數(shù)自動(dòng)模擬組裝, 可根據(jù)刀具加長(zhǎng)或加固要求, 調(diào)整夾持范圍, 自動(dòng)完成所需刀具的三維組裝模型和二維工程圖, 同時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)記錄刀具所包括的組件信息和組件間的裝配關(guān)系, 如圖2所示.

圖2 模擬組裝流程圖Fig.2 Flowchart of simulation assembly

通過(guò)三維軟件API(application programming interface)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā), 實(shí)現(xiàn)模擬組裝過(guò)程的部分編程代碼如下:

Dim swApp As SldWorks.SldWorks

Dim Part As Object

Dim boolstatus As Boolean

Dim longstatus As Long, longwarnings As Long

Set swApp=CreateObject("SldWorks.Application") '打開(kāi)solidworks

swApp.Visible=True '

Set Part=swApp.OpenDoc6(組件1& ".SLDPRT", 1, 0, "", longstatus, longwarnings)

Set Part=swApp.OpenDoc6(組件2& ".SLDPRT", 1, 0, "", longstatus, longwarnings)

Set Part=swApp.OpenDoc6(組件3& ".SLDPRT", 1, 0, "", longstatus, longwarnings)

Set Part=swApp.ActiveDoc

Set Part=swApp.NewDocument("SolidWorks emplatesgb_assembly.asmdot", 0, 0, 0)

swApp.ActivateDoc1"裝配體", False, longstatus

Set Part=swApp.ActiveDoc

boolstatus=Part.AddComponent(組件1& ".SLDPRT", -(t23(1)/2)-(t23(0)/2)+t24(0), 0, 0)

boolstatus=Part.AddComponent(組件2& ".SLDPRT", L1-(t23(5)/2)-(t24(1)-(t23(1)/2)), -bc(5), 0)

boolstatus=Part.AddComponent(組件3& ".SLDPRT", L1-(t23(5)/2)-(t24(1)-(t23(1)/2)), 0, 0)

longstatus=Part.SaveAs("刀具庫(kù)" &刀具1& ".SLDASM", 0, 2)

swApp.CloseDoc "裝配體.SLDASM"

2 刀具管理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

刀具管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)主要是為了縮短刀具的準(zhǔn)備時(shí)間，提升刀具資源配置響應(yīng)速度, 實(shí)現(xiàn)加工單元內(nèi)所需刀具的統(tǒng)一調(diào)度、存儲(chǔ)和管理[8].

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

刀具管理系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)包括刀具管理服務(wù)器、配刀車間終端、多個(gè)機(jī)臺(tái)終端以及網(wǎng)絡(luò)交換機(jī), 如圖3所示.

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 System structure drawing

刀具管理服務(wù)器: 在刀具管理服務(wù)器上建立數(shù)據(jù)庫(kù), 用于管理和存儲(chǔ)刀具的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息, 配刀總表, 工程圖信息, 三維模型信息, 刀具的庫(kù)存、庫(kù)位、出入庫(kù)信息等.

配刀車間終端: 在配刀車間終端上安裝刀具配刀模塊, 用于向數(shù)據(jù)庫(kù)輸入信息并進(jìn)行查詢和更新, 同時(shí)進(jìn)行刀具的模擬組裝.

機(jī)臺(tái)終端: 機(jī)臺(tái)終端上安裝有機(jī)臺(tái)刀庫(kù)管理模塊, 用于管理機(jī)臺(tái)刀庫(kù)信息(機(jī)床刀庫(kù)中刀具名稱、刀具所在的刀閘號(hào)和刀位號(hào)等).

網(wǎng)絡(luò)交換機(jī): 刀具管理服務(wù)器及配刀車間終端接入網(wǎng)絡(luò)交換機(jī), 各機(jī)臺(tái)終端通過(guò)分布式聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)交換機(jī).

2.2 功能模塊設(shè)計(jì)

刀具管理系統(tǒng)功能模塊包括刀具信息管理、快速查詢選刀模塊、MES配刀任務(wù)管理、庫(kù)存管理以及用戶管理5個(gè)功能模塊, 如圖4所示.

圖4 系統(tǒng)功能模塊Fig.4 System function module

刀具信息管理模塊: 該模塊實(shí)現(xiàn)刀具基本信息的管理和配刀表的管理.刀具的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息包括刀具組件參數(shù)信息和刀具參數(shù)信息.刀具組件參數(shù)信息包括物料編碼、名稱、描述、訂貨號(hào)、品牌、組件總量、剩余數(shù)量、模型總長(zhǎng)、模型至基準(zhǔn)長(zhǎng)度等信息；刀具參數(shù)信息包括刀名、類型、直徑、長(zhǎng)度、數(shù)量、刀位、內(nèi)冷狀態(tài)等信息.配刀表信息管理包括配刀總表管理和配刀表內(nèi)所選擇的刀具管理.

快速查詢、選刀模塊: 由于刀具的品牌、種類繁多, 為了方便配刀員快速查詢和選擇合適的刀具, 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了快速查詢、選刀模塊.該模塊包括單條件模糊查詢、多條件模糊查詢和新建組裝刀具.單條件模糊刀具查詢是根據(jù)加工零件的材料進(jìn)行查詢可用的刀具.多條件模糊刀具查詢是根據(jù)零件的材料、加工要求、刀具的基本參數(shù)以及機(jī)床的接口等多個(gè)條件進(jìn)行刀具的查詢.當(dāng)?shù)稁?kù)中的刀具無(wú)法滿足零件的加工要求時(shí), 需要由配刀員新建組裝刀具.

MES配刀任務(wù)管理模塊: 該模塊包括配刀任務(wù)的查詢、配刀任務(wù)排序以及優(yōu)先級(jí)管理.配刀車間終端接收配刀申請(qǐng), 根據(jù)配刀信息查詢數(shù)據(jù)庫(kù)中的配刀總表中是否有滿足加工條件的配刀表, 如有匹配的配刀表則直接調(diào)用, 無(wú)需建立新的配刀表, 這樣可減少重復(fù)勞動(dòng), 節(jié)省大量的配刀時(shí)間, 提高勞動(dòng)生產(chǎn)率.當(dāng)同時(shí)存在多個(gè)配刀申請(qǐng)時(shí), 本系統(tǒng)可根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)的要求, 對(duì)配刀任務(wù)進(jìn)行排序, 并確定加工任務(wù)的優(yōu)先級(jí)別.

庫(kù)存管理模塊: 該模塊包括刀具庫(kù)位管理、出入庫(kù)登記、采購(gòu)管理以及各類報(bào)表功能.該模塊實(shí)現(xiàn)整體刀具、刀具組件在配刀車間和機(jī)床刀庫(kù)的物流和庫(kù)位管理, 完成刀具的出入庫(kù)登記、各類統(tǒng)計(jì)報(bào)表和警示庫(kù)存設(shè)置.刀具在使用過(guò)程中存在進(jìn)出庫(kù)的情況, 這時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)就要對(duì)進(jìn)出庫(kù)的刀具進(jìn)行記錄管理[9], 并生成刀具出入庫(kù)的統(tǒng)計(jì)報(bào)表, 以便操作員知道刀具出入庫(kù)的具體情況.當(dāng)庫(kù)存量小于設(shè)置的警戒庫(kù)存量時(shí), 系統(tǒng)有報(bào)警提示功能, 提示操作員進(jìn)行刀具的采購(gòu)補(bǔ)給, 以確保庫(kù)存滿足日常生產(chǎn)任務(wù).

用戶管理模塊: 該模塊包括權(quán)限管理和密碼管理.為保證系統(tǒng)的安全性, 本系統(tǒng)設(shè)置用戶管理模塊, 只有授權(quán)的用戶才可以登錄系統(tǒng), 不同權(quán)限人員使用的功能不同, 操作員只能使用軟件的一般功能, 而管理員則可以修改數(shù)據(jù)的信息[10].

2.3 刀具配置流程

圖5為刀具管理系統(tǒng)的配刀流程圖.配刀車間終端接收配刀申請(qǐng), 首先將配刀信息與數(shù)據(jù)庫(kù)中的配刀總表進(jìn)行匹配. 若有匹配的配刀表, 則調(diào)取現(xiàn)有配刀表；若無(wú)匹配的配刀表, 即待加工的零件為第一次加工, 則需先添加新配刀表.配刀員根據(jù)要求查詢已有刀具總表, 選擇滿足條件的刀具添加至配刀表, 若刀具總表內(nèi)沒(méi)有滿足要求的刀具, 則根據(jù)機(jī)床接口和組件裝配規(guī)則, 選擇合適的組件進(jìn)行模擬組裝操作, 確認(rèn)可用后自動(dòng)生成刀具裝配三維模型和工程圖, 完成組件及刀具的物流管理, 直至配刀表完成, 并更新配刀總表.

圖5 配刀流程圖Fig.5 Flowchart of tool selection

配刀員領(lǐng)取刀具組件, 按照工程圖進(jìn)行組裝, 然后利用對(duì)刀儀對(duì)組裝好的刀具進(jìn)行對(duì)刀操作, 更新刀補(bǔ)數(shù)據(jù), 同時(shí)記錄組裝刀具表.機(jī)床操作員將配置好的刀具裝入機(jī)床刀庫(kù), 同時(shí)更新機(jī)臺(tái)刀庫(kù)數(shù)據(jù), 最后完成刀具的配置流程.

3 實(shí)例說(shuō)明

以第一次加工編碼為1BAH***0100的零件的第7道加工工序?yàn)槔? 機(jī)床為加工中心, 新建配刀表, 以零件編碼+工序號(hào)+機(jī)床編碼為標(biāo)識(shí)確定該配刀表的唯一性, 同時(shí)可以添加零件名稱、材料和三維示意圖, 如圖6所示.

圖6 配刀列表查看界面Fig.6 The surface of tool selection list

根據(jù)零件加工需求, 添加刀具至配刀表.系統(tǒng)查詢刀具總表, 根據(jù)匹配機(jī)床接口標(biāo)準(zhǔn)的刀柄類型, 篩選出刀具列表, 進(jìn)一步根據(jù)刀具參數(shù)進(jìn)行模糊查詢, 將可用的刀具添加至配刀表.

當(dāng)?shù)侗涌谄ヅ涞牡毒吡斜頍o(wú)法滿足加工要求時(shí), 需新建刀具, 輸入刀名、直徑、長(zhǎng)度(L1)、技術(shù)要求等參數(shù), 查詢組件總表選擇合適的組件進(jìn)行組裝, 根據(jù)組件模型總長(zhǎng)等參數(shù)及組件裝配知識(shí)集, 確定L2和L3等組裝參數(shù).根據(jù)組件模型和組裝參數(shù), 在后臺(tái)打開(kāi)三維軟件自動(dòng)進(jìn)行模擬裝配, 組裝好的刀具三維裝配體示意圖和工程圖直接顯示到前臺(tái)程序. 如滿足需求則無(wú)需修改, 自動(dòng)將組裝裝配體和工程圖保存至數(shù)據(jù)庫(kù)；如不滿足要求則需進(jìn)行微調(diào), 微調(diào)后由配刀員確認(rèn)滿足加工要求后, 系統(tǒng)將自動(dòng)將微調(diào)后的組裝裝配體和工程圖更新保存至數(shù)據(jù)庫(kù), 如圖7所示.至此, 完成并確定了新建刀具信息.

圖7 模擬組裝界面Fig.7 The surface of simulation assembly

添加工序所需的刀具至配刀表, 配刀員根據(jù)配刀表, 遠(yuǎn)程查詢機(jī)臺(tái)刀庫(kù)信息.若機(jī)臺(tái)刀庫(kù)已有刀具, 則不需要重復(fù)配置；若機(jī)臺(tái)刀庫(kù)沒(méi)有刀具，配刀員打開(kāi)其余刀具信息, 根據(jù)刀具組件列表, 查詢組件所在庫(kù)位并領(lǐng)取組件, 并更新刀具所有組件的出庫(kù)數(shù)據(jù), 按照裝配關(guān)系和工程圖進(jìn)行組裝, 并將裝配好的刀具送至對(duì)刀儀進(jìn)行對(duì)刀, 并更新出入庫(kù)和刀補(bǔ)參數(shù)信息.

完成所有刀具的配置后, 通過(guò)工具車送至對(duì)應(yīng)機(jī)臺(tái), 機(jī)床操作工裝入設(shè)定的機(jī)臺(tái)刀庫(kù)庫(kù)位, 更新機(jī)臺(tái)終端刀庫(kù)數(shù)據(jù), 完成刀具準(zhǔn)備, 開(kāi)始零件的加工.

零件加工完成后, 將刀具移除出機(jī)臺(tái)刀庫(kù)刀位, 同時(shí)完成機(jī)臺(tái)刀庫(kù)數(shù)據(jù)更新.在配刀車間終端, 配刀員查詢配刀表進(jìn)行刀具返回, 記錄刀具和組件入庫(kù), 配刀員拆卸刀具, 安排庫(kù)位放回組件, 更新組件入庫(kù)信息, 完成刀具返回流程.

4 結(jié) 語(yǔ)

基于三維模擬組裝的刀具管理系統(tǒng), 不同于其他的刀具管理系統(tǒng), 該系統(tǒng)通過(guò)組建刀具管理網(wǎng)絡(luò), 集成刀具模擬組裝模塊, 實(shí)現(xiàn)刀具的快速模擬組裝, 自動(dòng)記錄組件信息, 并且可以自動(dòng)生成三維模型及二維工程圖.同時(shí)在配置整體刀具的過(guò)程中, 完成組件及整體刀具的物流管理, 遠(yuǎn)程快速查詢機(jī)臺(tái)刀庫(kù)內(nèi)實(shí)時(shí)已有的整體刀具.目前該系統(tǒng)已實(shí)際應(yīng)用于生產(chǎn)車間, 減少刀具種類并降低成本, 單個(gè)生產(chǎn)車間刀具成本同比降低155萬(wàn)元/年, 單把刀具組裝配置時(shí)間由30 min縮短至5 min, 極大地提高了配刀效率.

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(責(zé)任編輯: 杜 佳)

Development and Application of Tool Management System Based on 3D Simulation Assembly Technology

LINQi1, 2,SUNZhihong1,TANGTianxin1

(1.College of Mechanical Engineering, Donghua University, Shanghai 201620, China；2. Shanghai Tobacco Machinery Co. Ltd., Shanghai 201206, China)

Due to the poor efficiency of existing tool management and the demand of lean production, a tool management system is developed based on 3D simulation of assembly technology. The information isolation between the tool selection room and machine is solved by establishing a tool management network. With the secondary function development of 3D software by API interface, the function of the 3D simulation assembly can be achieved. In this way, the integrated distribution tool task and tool information management can not only improve the selection efficiency, but also reduce the cost since tool types decreased.

tool management; 3D simulation assembly; tool selection

1671-0444 (2017)03-0407-05

2016-05-17

TH 165；TG 71

A

作者介紹： 林 齊(1985—)，男，江西贛州人，博士研究生，研究方向?yàn)楫a(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì).E-mail:linqi1207@sina.com 孫志宏(聯(lián)系人)，女，教授，E-mail:zhsun@dhu.edu.cn