齒輪加工數(shù)字化車(chē)間刀夾具管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

白 雪，鄢 萍

(1.重慶工商大學(xué)融智學(xué)院 物流工程學(xué)院，重慶 401320；2.重慶大學(xué) 機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044)

0 引言

兩化融合與中國(guó)制造2025要求制造企業(yè)走向智能生產(chǎn)，以滿足多品種、小批量、定制化、服務(wù)化的需求。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)、工業(yè)技術(shù)、集成技術(shù)等的不斷發(fā)展，建設(shè)數(shù)字化車(chē)間逐漸成為制造業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)型的必要。刀夾具作為車(chē)間生產(chǎn)加工的重要工具，具有高成本、易損耗、類(lèi)型相似、資源信息復(fù)雜等特點(diǎn)，而且隨著需求的增加，其種類(lèi)和數(shù)量也不斷增加，隨之而來(lái)的一系列管理與資源浪費(fèi)問(wèn)題影響了數(shù)字化車(chē)間的建設(shè)進(jìn)程。因此，需要尋求一種先進(jìn)的管理方法與數(shù)字制造結(jié)合，來(lái)實(shí)現(xiàn)車(chē)間刀夾具的數(shù)字化管理，以提高生產(chǎn)效率，減少制造成本，促進(jìn)車(chē)間數(shù)字化建設(shè)。

刀夾具管理涉及的范圍可能貫穿刀夾具的整個(gè)壽命周期，也可能是周期中的某些環(huán)節(jié)。管理手段主要通過(guò)建立刀夾具管理信息系統(tǒng)和輸送系統(tǒng)來(lái)滿足生產(chǎn)中對(duì)刀夾具的需求，其中信息系統(tǒng)主要用于管理刀夾具的各個(gè)管程信息；輸送系統(tǒng)主要由立體庫(kù)、裝卸臺(tái)、檢測(cè)儀、條碼閱讀器、中央刀庫(kù)、機(jī)床刀庫(kù)、部件緩沖庫(kù)、自動(dòng)導(dǎo)向小車(chē)(Automated Guided Vehicle, AGV)等組成[1]。在國(guó)外，美國(guó)Kennametal公司刀具管理系統(tǒng)KATMS的主要功能包括基本信息的維護(hù)與管理、庫(kù)存管理、刀具采購(gòu)需求分析、加工參數(shù)優(yōu)化、加工成本控制等[2]；英國(guó)CTMS公司的刀具管理系統(tǒng)CTMS，通過(guò)分布在庫(kù)房、檢測(cè)中心、機(jī)床等位置的終端能夠及時(shí)更新刀具的庫(kù)存信息、檢測(cè)信息和加工信息等，還能實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)和分析刀具的使用和管理信息；日本Big Daishowa開(kāi)發(fā)的刀具自動(dòng)化管理系統(tǒng)，通過(guò)無(wú)線射頻識(shí)別(Radio Frequency IDentification, RFID)識(shí)別刀具來(lái)進(jìn)行刀具的庫(kù)存管理、基礎(chǔ)信息和加工信息管理、優(yōu)化調(diào)度等[3]；德國(guó)Delkel開(kāi)發(fā)的計(jì)算機(jī)輔助刀具管理系統(tǒng)Tool Manager，能夠?qū)崿F(xiàn)刀具存儲(chǔ)、刀架配備優(yōu)化、刀具裝配安排、刀具需求和刀具壽命規(guī)劃[4]。Wang等[5]基于RFID的刀具管理系統(tǒng)，在刀具準(zhǔn)備階段建立了包括刀具、夾具、機(jī)床、零件和數(shù)控程序等信息的集中數(shù)據(jù)庫(kù)，這些信息可以自動(dòng)傳輸?shù)紺AM和仿真軟件，從而在刀具使用階段利用RFID對(duì)刀具的存儲(chǔ)和檢索、預(yù)設(shè)定、狀態(tài)監(jiān)測(cè)和破損過(guò)程進(jìn)行控制；Ren等[6]利用RFID對(duì)刀具狀態(tài)和位置信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，提高了刀具管理的自動(dòng)化程度；Meseguer等[7]通過(guò)將工具管理與CAPP結(jié)合快速為生產(chǎn)計(jì)劃匹配工具，提高了制造的靈活性；Chung等[8]對(duì)計(jì)劃與調(diào)度間的工具和機(jī)器進(jìn)行了動(dòng)態(tài)選擇。這些刀夾具的數(shù)字化管理需要高度自動(dòng)化的車(chē)間環(huán)境作支撐，然而國(guó)內(nèi)大部分傳統(tǒng)制造業(yè)或正在轉(zhuǎn)型中的制造業(yè)的車(chē)間自動(dòng)化和信息化水平較低，可以借鑒國(guó)外的管理方法和思路，但是很難直接套用國(guó)外的管理模式和管理系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)對(duì)車(chē)間刀夾具的數(shù)字化管理也進(jìn)行了大量研究。Wang等[9]建立了銑刀從采購(gòu)、使用到報(bào)廢的管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要分為刀具管理模塊和智能刀具選擇模塊；Sun等[10]基于Web和二維條碼技術(shù)的刀具管理系統(tǒng)，不但實(shí)現(xiàn)了刀具從使用到磨損的全壽命周期信息追蹤和控制，而且能夠共享；Sui等[11]通過(guò)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)解決數(shù)控刀具匹配與刀具管理脫節(jié)的現(xiàn)象；Sheng等[12]采用集成化計(jì)算機(jī)輔助制造的定義方法(Integrated computer aided manufacturing DEFinition method, IDEF)刀具全壽命周期管理系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，涉及刀具資源分類(lèi)和代碼技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)；海源等[13]研發(fā)的基于RFID的車(chē)間級(jí)刀具管理系統(tǒng)適用于車(chē)、銑、鉆，該系統(tǒng)通過(guò)RFID標(biāo)簽標(biāo)識(shí)刀柄，將刀柄和刀桿組裝成刀具，然后將刀具與RFID標(biāo)簽綁定，完成數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)初始化，從而實(shí)現(xiàn)刀具從入庫(kù)到報(bào)廢的過(guò)程管理；饒運(yùn)清等[14]研發(fā)的車(chē)間制造資源集成與制造過(guò)程執(zhí)行系統(tǒng)，可以快速集成車(chē)間包括刀具在內(nèi)的制造資源,還能支持網(wǎng)絡(luò)化制造環(huán)境下的車(chē)間資源共享和制造過(guò)程管理與執(zhí)行；浙江大學(xué)的王君等[15]設(shè)計(jì)了工裝數(shù)據(jù)庫(kù)，并利用Delphi開(kāi)發(fā)基于Web的ADO/MTS/COM+工裝管理系統(tǒng)，主要用于管理刀具、夾具等在流程中涉及的圖紙和文件；王勇等[16]研發(fā)的組合夾具系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)夾具的數(shù)字化管理，有效縮短加工過(guò)程的生產(chǎn)準(zhǔn)備周期。

通過(guò)分析上述刀夾具管理的研究現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn)：①管理對(duì)象多屬于車(chē)銑刀夾具，對(duì)滾齒刀、插齒刀等齒輪加工車(chē)間的刀夾具研究較少；②管理階段對(duì)計(jì)劃、采購(gòu)和打標(biāo)的管理研究較少；③管理內(nèi)容多為入庫(kù)、出庫(kù)等流程管理，對(duì)結(jié)合基礎(chǔ)信息、管理流程與現(xiàn)場(chǎng)信息的管理研究較少；④管理范圍多局限于單一系統(tǒng)，對(duì)與上層計(jì)劃系統(tǒng)、車(chē)間同級(jí)管理系統(tǒng)、下層執(zhí)行系統(tǒng)的協(xié)同管理研究較少。作為裝備制造業(yè)中十分重要的環(huán)節(jié)，齒輪加工生產(chǎn)過(guò)程對(duì)刀夾具的需求量很大，而齒輪加工刀夾具與車(chē)銑類(lèi)等其他刀夾具不同的是：①在齒形修正、刃磨后需進(jìn)行淬火等熱處理，使用中伴隨著大量冷卻液、潤(rùn)滑劑和煙霧，環(huán)境十分惡劣；②安裝方式較其他刀夾具有較大不同，其安裝配合多、要求高，而且兩端固定，因此目前多采用手工安裝方式；③種類(lèi)繁多，類(lèi)型相似，兩把模數(shù)不同外徑相同的滾刀很容易混淆；④結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造加工困難，生產(chǎn)成本高，因此對(duì)其維護(hù)尤為重要[17]。鑒于以上自身特有的物理屬性和使用特性，齒輪刀夾具的識(shí)別方法、識(shí)別位置、選配思路、管理方法、管理模式均不同于其他刀夾具，現(xiàn)有刀夾具管理系統(tǒng)無(wú)法較好適應(yīng)齒輪刀夾具的全壽命周期管理。以往研究[18]設(shè)計(jì)了一套智能滾齒機(jī)刀具、夾具和工件識(shí)別與匹配系統(tǒng)(Identification and Matching System for Cutting tools, Fixtures and Workpieces, IMS-CFW)，結(jié)合激光標(biāo)刻二維條碼識(shí)別技術(shù)和RFID技術(shù)對(duì)刀夾具進(jìn)行識(shí)別，設(shè)計(jì)了在位識(shí)別和在機(jī)識(shí)別來(lái)保證配送和安裝的正確性。在IMS-CFW的基礎(chǔ)上，本文提出一種基于信息模型的刀夾具全壽命周期管理方法，以齒輪加工刀夾具為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了齒輪加工數(shù)字化車(chē)間刀夾具管理系統(tǒng)(Cutting tools and Fixtures Management System for Digital Workshop of Gear Machining, CFMS-GMDW)，該系統(tǒng)貫穿了刀夾具計(jì)劃、置辦、使用和維護(hù)的全壽命周期，并通過(guò)Web Services技術(shù)與上層計(jì)劃、車(chē)間管理和下層執(zhí)行等系統(tǒng)進(jìn)行了集成，實(shí)現(xiàn)了刀夾具計(jì)劃信息、管理信息與現(xiàn)場(chǎng)加工使用信息的融合應(yīng)用，同時(shí)設(shè)計(jì)了管理方法、系統(tǒng)架構(gòu)、使用流程和數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了齒輪加工刀夾具的全壽命周期管理。

1 CFMS-GMDW系統(tǒng)需求分析

通過(guò)調(diào)研齒輪加工車(chē)間發(fā)現(xiàn)，齒輪加工過(guò)程具有多任務(wù)、快節(jié)奏、小批量等特點(diǎn)，因?yàn)榧庸と蝿?wù)頻繁變化，所以刀夾具種類(lèi)繁多，而且隨著需求的增加，刀夾具的數(shù)量也會(huì)增加；同時(shí)由于齒輪加工刀夾具在使用和管理中涉及多個(gè)環(huán)節(jié)，不同環(huán)節(jié)的刀夾具信息以及對(duì)信息的需求也在不斷變化，然而目前對(duì)這些信息缺乏有效地管理維護(hù)。另外，由于車(chē)間建設(shè)的數(shù)字化管理方法和管理模式比較落后，企業(yè)在刀夾具的管理、選擇、集成等方面存在如下問(wèn)題：

(1)手工記錄、紙質(zhì)傳遞的人工管理模式仍普遍存在，這種模式不規(guī)范、易出錯(cuò)、效率低、難保存，不便于信息的查詢、統(tǒng)計(jì)、匯總，很難對(duì)刀夾具的位置信息和狀態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤。

(2)刀夾具選配隨意，缺少標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則。根據(jù)加工任務(wù)給出的刀夾具類(lèi)型憑經(jīng)驗(yàn)選取刀夾具進(jìn)行加工，導(dǎo)致所選刀夾具并非為加工任務(wù)所需或者為最為合適的，降低了加工效率和加工質(zhì)量，間接提高了加工成本。

(3)刀夾具信息缺乏共享，系統(tǒng)煙囪問(wèn)題突出。車(chē)間建立了多套系統(tǒng)，各系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行生產(chǎn)中，都不可避免地需要使用刀夾具信息，然而由于系統(tǒng)之間互相獨(dú)立，同樣的刀夾具信息存在多處錄入、多處維護(hù)的問(wèn)題，導(dǎo)致數(shù)據(jù)冗余或數(shù)據(jù)沖突，從而使生產(chǎn)任務(wù)與刀夾具資源發(fā)生矛盾，直接影響整個(gè)生產(chǎn)進(jìn)度與車(chē)間產(chǎn)能。

因此，制造企業(yè)亟需借助刀夾具管理系統(tǒng)對(duì)齒輪加工車(chē)間刀夾具進(jìn)行數(shù)字化管理，實(shí)現(xiàn)刀夾具的基礎(chǔ)信息管理、選配管理、跟蹤管理、庫(kù)存管理、信息共享等功能。

2 CFMS-GMDW系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 刀夾具全壽命周期管理方法

針對(duì)上述刀夾具管理混亂的問(wèn)題，首先梳理了車(chē)間刀夾具管理和使用的各個(gè)環(huán)節(jié)，將刀夾具的全壽命周期分為計(jì)劃階段、置辦階段、使用階段和維護(hù)階段，如圖1所示，其中“工具”指刀具和夾具。

(1)工具計(jì)劃階段 根據(jù)車(chē)間生產(chǎn)計(jì)劃、齒輪加工工藝和工具現(xiàn)狀提出工具需求計(jì)劃；工具管理部門(mén)統(tǒng)一制定采購(gòu)或制造計(jì)劃，并生成相應(yīng)的工具清單。

(2)工具置辦階段 現(xiàn)有工具和后期通過(guò)采購(gòu)或自己制造的工具都將作為新工具，先采用一定的標(biāo)識(shí)方法將唯一編碼標(biāo)記在工具上，再通過(guò)識(shí)別裝置獲取編碼信息，手動(dòng)錄入該工具的基礎(chǔ)信息，即完成入庫(kù)操作。

(3)工具使用階段 操作員根據(jù)接收到的待加工作業(yè)，發(fā)出“工具請(qǐng)求→選配室選配工具→配送工具至機(jī)床→操作員組裝刀具部件和夾具部件→調(diào)整工具→安裝工具至機(jī)床上→在線加工，實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)工具的位置信息、狀態(tài)信息、壽命信息→完成作業(yè)”后，拆卸和拆分工具，識(shí)別裝置獲取工具的身份信息，表征工具本次使用結(jié)束，等待回收檢測(cè)。

(4)工具維護(hù)階段 檢測(cè)員檢測(cè)工具，確定工具應(yīng)該入庫(kù)、維修、或報(bào)廢，其中待維修的工具送到修磨室完成維修和記錄后還需進(jìn)行二次檢測(cè)，待報(bào)廢的工具做好記錄后便可報(bào)廢。

2.2 數(shù)字化車(chē)間刀夾具管理模式

CFMS-GMDW系統(tǒng)圍繞上述刀夾具全壽命周期管理進(jìn)行設(shè)計(jì)，需要完成車(chē)間刀夾具的統(tǒng)一管理和使用，并能為其他涉及刀夾具的系統(tǒng)提供服務(wù)。本文提出數(shù)字化車(chē)間刀夾具管理模式，如圖2所示，圖中涉及的多種制齒機(jī)床的定義如表1所示。

表1 多種制齒機(jī)床的定義

制齒機(jī)床類(lèi)型制齒機(jī)床定義普通制齒機(jī)床沒(méi)有數(shù)控系統(tǒng)的制齒機(jī)床,一般通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)齒輪加工的半自動(dòng)化數(shù)控制齒機(jī)床帶有數(shù)控系統(tǒng)的制齒機(jī)床,通過(guò)數(shù)控代碼自動(dòng)控制齒輪加工智能制齒機(jī)床在智能制造背景下,具備任務(wù)管理、能耗監(jiān)測(cè)、故障診斷、質(zhì)量管理、刀具管理等功能的數(shù)控制齒機(jī)床

(1)下層機(jī)床端 每臺(tái)機(jī)床配有一臺(tái)終端，并通過(guò)初始化與終端綁定。終端可通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)刀夾具管理服務(wù)器，用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)加工；也可通過(guò)客戶端程序與數(shù)控系統(tǒng)或其他信息采集設(shè)備進(jìn)行交互，將采集到的信息直接發(fā)送給刀夾具管理服務(wù)器。

(2)中層管理端 車(chē)間刀夾具的各管理端分別位于標(biāo)刻室、庫(kù)房、選配室、檢測(cè)中心、修磨室，通過(guò)局域網(wǎng)刀夾具管理服務(wù)器連接，并通過(guò)訪問(wèn)瀏覽器實(shí)現(xiàn)身份標(biāo)記、庫(kù)存管理、選配管理、檢測(cè)管理、維修管理等功能，是CFMS-GMDW系統(tǒng)的主要組成部分。刀夾具管理服務(wù)器用于存儲(chǔ)刀夾具的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、使用和管理過(guò)程中的流程數(shù)據(jù)以及與管理相關(guān)的支撐數(shù)據(jù)。

(3)上層管理中心 用于企業(yè)對(duì)齒輪加工整個(gè)過(guò)程的綜合管理和監(jiān)控，包括生產(chǎn)部、工藝部、采購(gòu)部等部門(mén)，以及刀夾具管理服務(wù)器、Web服務(wù)器、CAPP服務(wù)器、企業(yè)服務(wù)平臺(tái)等后臺(tái)服務(wù)器，各部門(mén)通過(guò)局域網(wǎng)進(jìn)行信息共享和集成管理。

在該模式下，CFMS-GMDW系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等進(jìn)行車(chē)間刀夾具的數(shù)字化管理，向下通過(guò)終端客戶端程序與底層設(shè)備交互，向上通過(guò)與管理中心無(wú)縫銜接使相關(guān)系統(tǒng)能夠共享刀夾具信息，解決了生產(chǎn)與刀夾具資源的矛盾，在保證生產(chǎn)順利進(jìn)行的同時(shí)使企業(yè)上層能夠指導(dǎo)和監(jiān)督車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。

2.3 數(shù)字化車(chē)間刀夾具管理系統(tǒng)架構(gòu)

由2.1節(jié)可知，車(chē)間刀夾具分為管理(包括計(jì)劃、置辦、維護(hù)階段)和使用(使用階段)兩大業(yè)務(wù)，分別對(duì)應(yīng)CFMS-GMDW系統(tǒng)的管理端和終端。從2.2節(jié)得到，CFMS-GMDW系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)采用瀏覽器/服務(wù)器(Browser/Server, B/S)為主、客戶機(jī)/服務(wù)器(Client/Server, C/S)為輔的方式(如圖3)，該方式分為支撐層、處理層、高級(jí)應(yīng)用層和用戶層。

(1)支撐層 為處理層處理多種業(yè)務(wù)的前提和基礎(chǔ)：①提供底層信息采集插件，這些插件將接收到的信息發(fā)送給服務(wù)器，例如條碼掃描插件用于接收掃描槍獲取的編碼信息，RFID讀寫(xiě)插件用于接收RFID設(shè)備獲取的編碼信息；②提供數(shù)據(jù)庫(kù)支持，協(xié)助處理層完成信息修改、查詢等；③提供Web接口，用于刀夾具管理系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)采集指令和接收采集到的數(shù)據(jù)，同時(shí)提供系統(tǒng)集成接口與其他相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行集成；④提供網(wǎng)頁(yè)開(kāi)發(fā)環(huán)境和數(shù)據(jù)通信協(xié)議。

(2)處理層 為CFMS-GMDW系統(tǒng)的核心層，主要根據(jù)高級(jí)應(yīng)用層提出的各種業(yè)務(wù)請(qǐng)求，從支撐層或借助支撐層從底層設(shè)備獲取數(shù)據(jù)，按圖3中的規(guī)則、算法、應(yīng)用邏輯分析和處理獲取到的數(shù)據(jù)，再將處理過(guò)的數(shù)據(jù)返給高級(jí)應(yīng)用層，同時(shí)更改支撐層中的某些數(shù)據(jù)狀態(tài)。另外，采用支撐層提供的數(shù)據(jù)庫(kù)模塊對(duì)刀夾具信息進(jìn)行增刪改查，采用條碼標(biāo)刻插件對(duì)刀夾具進(jìn)行身份標(biāo)記，采用條碼掃描插件和RFID讀寫(xiě)插件對(duì)刀夾具進(jìn)行身份識(shí)別。

(3)高級(jí)應(yīng)用層 為CFMS-GMDW系統(tǒng)進(jìn)行人機(jī)交互的窗口。操作員通過(guò)終端瀏覽器訪問(wèn)CFMS-GMDW完成如下功能：①刀夾具請(qǐng)求，根據(jù)接收的待加工作業(yè)信息向選配管理發(fā)出刀夾具請(qǐng)求；②在位檢測(cè)；③在機(jī)檢測(cè)；④實(shí)時(shí)信息顯示；⑤修磨預(yù)警[18]。管理員通過(guò)管理端瀏覽器訪問(wèn)CFMS-GMDW完成如下功能：

1)編碼管理 可定義編碼規(guī)則，輸入各字段含義，生成唯一編碼。

2)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理 通過(guò)唯一編碼進(jìn)行基礎(chǔ)信息的增刪改查。

3)采購(gòu)管理 對(duì)某類(lèi)刀夾具進(jìn)行采購(gòu)申請(qǐng)，并定期整合采購(gòu)申請(qǐng)，生成采購(gòu)計(jì)劃上報(bào)企業(yè)資源計(jì)劃(Enterprise Resource Planning，ERP)系統(tǒng)，待新的刀夾具進(jìn)入車(chē)間后，通過(guò)編碼管理生成編碼，通過(guò)打碼和RFID技術(shù)對(duì)刀夾具進(jìn)行身份標(biāo)記，再依次錄入每個(gè)編碼對(duì)應(yīng)的刀夾具基本信息，即完成入庫(kù)。

4)庫(kù)存管理 實(shí)現(xiàn)刀夾具的庫(kù)存基礎(chǔ)信息管理、出入庫(kù)管理、庫(kù)存盤(pán)點(diǎn)和庫(kù)存預(yù)警等。

5)跟蹤管理 實(shí)時(shí)查詢刀夾具的位置、狀態(tài)、壽命等信息。

6)檢測(cè)管理 檢測(cè)回收的刀夾具，確定刀夾具是入庫(kù)、維修還是報(bào)廢，并做好記錄。

7)選配管理 根據(jù)各機(jī)床終端發(fā)來(lái)的刀夾具請(qǐng)求選出合適的刀夾具，并按一定順序生成待配送單。

8)維修報(bào)廢管理 處理刀夾具的維修和報(bào)廢事務(wù)，如報(bào)修登記、出庫(kù)維修記錄、維修方案記錄和報(bào)廢登記等。

9)系統(tǒng)管理 設(shè)置人員、權(quán)限、系統(tǒng)信息。

(4)用戶層 CFMS-GMDW系統(tǒng)的直接使用者，如車(chē)間主管負(fù)責(zé)人員管理、生產(chǎn)進(jìn)度監(jiān)督等，庫(kù)管員負(fù)責(zé)出入庫(kù)登記、庫(kù)存盤(pán)點(diǎn)等，操作員負(fù)責(zé)作業(yè)加工過(guò)程中的刀夾具請(qǐng)求、安裝等。

由CFMS-GMDW系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)可見(jiàn)，系統(tǒng)的核心為刀夾具管理和使用的統(tǒng)一規(guī)范管理。要實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一規(guī)范管理，在操作上刀夾具的選擇需遵循一定規(guī)則，在內(nèi)容上需要對(duì)刀夾具信息進(jìn)行分類(lèi)規(guī)范，在技術(shù)上需要集成系統(tǒng)，以便信息共享。下文將對(duì)刀夾具選配方法、刀夾具信息模型、刀夾具管理系統(tǒng)集成進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

3 CFMS-GMDW系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 刀夾具選配方法

一般刀夾具選配指根據(jù)產(chǎn)品工藝要求選擇合適的刀夾具進(jìn)行加工，該功能由參數(shù)決策系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。刀夾具管理系統(tǒng)的刀夾具選配功能指在參數(shù)決策系統(tǒng)為加工作業(yè)決策出刀夾具類(lèi)型后，快速選出具體的刀夾具，同時(shí)當(dāng)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)有多個(gè)作業(yè)請(qǐng)求刀夾具時(shí)，能夠快速確定響應(yīng)作業(yè)的先后順序。下面以刀具為例(夾具選配類(lèi)似)對(duì)其選配過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明。

刀具選配指選配室接收到各終端作業(yè)發(fā)送的刀具請(qǐng)求后，按一定選配策略及時(shí)為請(qǐng)求作業(yè)選出合適的刀具，選配的核心是選配策略，即針對(duì)不同的刀具活動(dòng)賦予不同的優(yōu)先級(jí)。CFMS-GMDW系統(tǒng)的刀具選配策略如圖4所示，當(dāng)選配室接收到多終端作業(yè)的刀具請(qǐng)求時(shí)，按照先進(jìn)先出、按權(quán)優(yōu)先和瓶頸設(shè)備優(yōu)先3個(gè)原則，確定響應(yīng)作業(yè)的先后順序；當(dāng)同時(shí)有多把刀具滿足作業(yè)要求時(shí)，根據(jù)刀具選配基本原則、刀具運(yùn)輸時(shí)間最短原則和刀具使用均衡原則綜合評(píng)價(jià)后，依次為每個(gè)作業(yè)選出最合適的一把刀具。刀具選配規(guī)則的定義[19]如表2所示。

表2 刀具選配規(guī)則的定義

選配規(guī)則基本定義先進(jìn)先出原則按作業(yè)請(qǐng)求刀具的時(shí)間,優(yōu)先服務(wù)請(qǐng)求早的作業(yè)按權(quán)優(yōu)先原則按作業(yè)請(qǐng)求刀具的緊急程度(定義如表3),優(yōu)先服務(wù)緊急的作業(yè)瓶頸設(shè)備優(yōu)先原則按請(qǐng)求作業(yè)的計(jì)劃加工時(shí)長(zhǎng),優(yōu)先服務(wù)時(shí)間長(zhǎng)的作業(yè)刀具選配基本原則將剩余壽命大于作業(yè)計(jì)劃時(shí)長(zhǎng)的刀具作為備選刀具運(yùn)輸時(shí)間最短原則按刀具與請(qǐng)求作業(yè)對(duì)應(yīng)機(jī)床之間的距離,優(yōu)先服務(wù)距離短的作業(yè)刀具使用均衡原則按刀具剩余壽命,優(yōu)先選擇剩余壽命較長(zhǎng)的刀具

表3 刀具請(qǐng)求緊急程度的定義

綜合上述的選配策略建立刀具的選配方法，如圖5所示。選配員查看來(lái)自CFMS-GMDW系統(tǒng)終端的多個(gè)作業(yè)刀具請(qǐng)求，請(qǐng)求記錄包括請(qǐng)求編號(hào)、刀具類(lèi)型、請(qǐng)求原因、請(qǐng)求時(shí)間、作業(yè)編號(hào)等，通過(guò)選配策略確定響應(yīng)請(qǐng)求的順序和選出的刀具編碼，根據(jù)請(qǐng)求編號(hào)和刀具編碼，結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)聯(lián)關(guān)系，依次生成多個(gè)刀具配送單，配送單中包括請(qǐng)求編號(hào)、刀具編碼、刀具名稱(chēng)、刀具位置、機(jī)床名稱(chēng)和機(jī)床位置等基本信息，庫(kù)房按要求實(shí)施配送。

該選配方法能快速為各作業(yè)的刀夾具請(qǐng)求選出最合適的刀夾具，并及時(shí)送往作業(yè)對(duì)應(yīng)的機(jī)床，從而減少加工中刀夾具的準(zhǔn)備時(shí)間，避免發(fā)生因刀夾具磨損需二次請(qǐng)求的情況，即減少機(jī)床的停工等待時(shí)間，提高齒輪生產(chǎn)效率，同時(shí)平衡使用刀夾具，更大限度地利用刀夾具資源。

3.2 刀夾具信息模型

刀夾具資源管理實(shí)質(zhì)上是刀夾具信息的管理，這些信息既要能反映車(chē)間刀夾具的整體情況，又要覆蓋刀夾具全壽命周期管理的各個(gè)階段。通過(guò)信息模型對(duì)刀夾具自身基本信息和全壽命周期各階段屬性特征進(jìn)行統(tǒng)一描述和表達(dá)，以便管理和共享刀夾具信息。下面依次介紹刀夾具的靜態(tài)信息模型和動(dòng)態(tài)信息模型。

3.2.1 刀夾具的靜態(tài)信息模型

靜態(tài)信息指刀夾具資源本身固有的信息，這些信息不隨管理和加工過(guò)程的改變而改變。由于每類(lèi)刀夾具的結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)差異較大，不適合采用統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)描述刀夾具的靜態(tài)信息，而是根據(jù)資源的不同類(lèi)別和資源間的共性與個(gè)性建立刀夾具的靜態(tài)信息模型，如圖6所示。

3.2.2 刀夾具的動(dòng)態(tài)信息模型

動(dòng)態(tài)信息指隨著管理和使用流程的變化而變化，并能表征不同業(yè)務(wù)流程的信息。根據(jù)刀夾具從采購(gòu)到報(bào)廢的各階段特征，將刀夾具的動(dòng)態(tài)信息依次分為采購(gòu)管理信息、庫(kù)存管理信息、借出請(qǐng)求信息、借還管理信息、跟蹤管理信息、使用管理信息、檢測(cè)管理信息、維修管理信息和報(bào)廢管理信息，如圖7所示。在跟蹤管理信息中，位置信息與狀態(tài)信息的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖8所示，狀態(tài)變化如圖9所示，壽命信息通過(guò)累計(jì)加工件數(shù)和累積使用時(shí)長(zhǎng)兩個(gè)參數(shù)表征，它在加工中和修磨后會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)對(duì)比剩余壽命和額定壽命進(jìn)行加工中刀夾具的修磨預(yù)警和報(bào)廢預(yù)警，防止出現(xiàn)刀夾具嚴(yán)重磨損和工件成批報(bào)廢的情況。

按照刀夾具動(dòng)靜態(tài)信息模型定義的規(guī)范對(duì)刀夾具管理系統(tǒng)或其他涉及刀夾具的系統(tǒng)信息進(jìn)行分類(lèi)描述，有助于系統(tǒng)內(nèi)信息的增刪改查和系統(tǒng)間的信息共享，實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)間刀夾具管理和使用全過(guò)程信息的統(tǒng)一管理和維護(hù)。

3.3 刀夾具管理系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)

3.3.1 刀夾具管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互分析

刀夾具管理系統(tǒng)要對(duì)刀夾具進(jìn)行全壽命周期管理，必然需要與車(chē)間的其他系統(tǒng)集成交互，進(jìn)行數(shù)據(jù)與信息共享。通過(guò)分析車(chē)間信息流向，得到刀夾具管理系統(tǒng)與其他系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互情況，如圖10所示。

(1)與ERP系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互

首先，在刀夾具管理系統(tǒng)進(jìn)行用戶功能權(quán)限分配時(shí)，需要從ERP系統(tǒng)成批導(dǎo)入人員的基礎(chǔ)信息；其次，在ERP系統(tǒng)為齒輪生產(chǎn)計(jì)劃準(zhǔn)備刀夾具資源時(shí)，需要從刀夾具管理系統(tǒng)獲取車(chē)間刀夾具現(xiàn)狀，如庫(kù)存和壽命；再則，刀夾具管理系統(tǒng)也可向ERP系統(tǒng)發(fā)送刀夾具臨時(shí)采購(gòu)申請(qǐng)。從而有效解決了生產(chǎn)加工與刀夾具資源的矛盾。

(2)與CAPP系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互

工藝部根據(jù)加工零件的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、加工條件和加工要求，參考已有工藝制定工藝路線。在選擇工藝設(shè)備資源(刀夾具)時(shí)，需要從刀夾具管理系統(tǒng)獲取刀夾具編號(hào)、分類(lèi)信息、尺寸與幾何形狀等。由于這些數(shù)據(jù)都由管理系統(tǒng)統(tǒng)一管理和維護(hù)，采用調(diào)取的方式可以避免數(shù)據(jù)再次錄入造成的不一致問(wèn)題。

(3)與任務(wù)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互

車(chē)間任務(wù)管理系統(tǒng)在制定工藝卡片時(shí)，需要從刀夾具管理系統(tǒng)獲取刀夾具編號(hào)、名稱(chēng)、規(guī)格等關(guān)鍵參數(shù)。在準(zhǔn)備加工時(shí)，刀夾具管理系統(tǒng)需要從任務(wù)管理系統(tǒng)獲取加工作業(yè)信息，根據(jù)作業(yè)信息中的刀夾具類(lèi)型提前發(fā)出刀夾具請(qǐng)求。

(4)與參數(shù)決策系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互

車(chē)間參數(shù)決策系統(tǒng)在決策切削速度、進(jìn)給速度、刀具轉(zhuǎn)速、走刀量和竄刀量等參數(shù)時(shí)，需要從刀夾具管理系統(tǒng)獲取刀具的基本參數(shù)信息，如刀具編號(hào)、模數(shù)、螺旋方向、壓力角、材料和檢測(cè)記錄等。

3.3.2 基于Web Services的系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)

從對(duì)刀夾具管理系統(tǒng)與其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互的分析可知，刀夾具管理系統(tǒng)為其他系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持的同時(shí)也從其他系統(tǒng)中獲取數(shù)據(jù)信息，因此刀夾具管理系統(tǒng)既是服務(wù)的提供者，又是服務(wù)的請(qǐng)求者。采用Web Services技術(shù)實(shí)現(xiàn)以上系統(tǒng)的集成模型，如圖11所示。

在圖11中，①為刀夾具管理系統(tǒng)作為服務(wù)提供者與其他系統(tǒng)的集成方式；②為刀夾具管理系統(tǒng)作為服務(wù)請(qǐng)求者與其他系統(tǒng)的集成方式，主要通過(guò)調(diào)用其他系統(tǒng)提供的服務(wù)接口完成服務(wù)請(qǐng)求。本文的研究重點(diǎn)是刀夾具管理系統(tǒng)作為服務(wù)提供者時(shí)的集成方式，具體是按照Web Services技術(shù)對(duì)刀夾具管理系統(tǒng)進(jìn)行封裝，然后按照Web Services規(guī)范提供Web服務(wù)描述語(yǔ)言(Web Services Description Language，WSDL)文檔和接口規(guī)范，其本質(zhì)是提供接口服務(wù)函數(shù)，而且所有接口服務(wù)函數(shù)的調(diào)用方法均在WSDL文檔中進(jìn)行了詳細(xì)描述。表4所示為刀夾具管理系統(tǒng)提供的主要接口服務(wù)函數(shù)。

表4 刀夾具管理系統(tǒng)接口服務(wù)函數(shù)

4 CFMS-GMDW系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)使用流程設(shè)計(jì)

根據(jù)CFMS-GMDW系統(tǒng)的不同使用情景，采用統(tǒng)一建模語(yǔ)言(Unified Modeling Language，UML)中的時(shí)序圖分別建立管理員、操作員的操作順序。圖12所示為庫(kù)管員、技術(shù)員、選配員等管理者在執(zhí)行編碼管理、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、采購(gòu)管理、選配管理等流程時(shí)，數(shù)據(jù)和信息的傳遞流程；圖13所示為操作員執(zhí)行刀夾具請(qǐng)求、刀夾具匹配、實(shí)時(shí)信息顯示三大流程時(shí)，數(shù)據(jù)和信息的傳遞流程。

4.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

建立刀夾具管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)際是將大量刀夾具數(shù)據(jù)按照特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行組織、存儲(chǔ)和管理后，通過(guò)數(shù)據(jù)接口對(duì)外提供數(shù)據(jù)的檢索、增加、刪除、修改等功能，以滿足系統(tǒng)中多個(gè)功能模塊的多種需求，因此其設(shè)計(jì)的合理與否直接決定了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。本文基于實(shí)體—聯(lián)系(E-R)模型，從概念和邏輯兩個(gè)層面對(duì)CFMS-GMDW系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖14所示。

基于所建立的E-R概念模型，結(jié)合CFMS-GMDW系統(tǒng)跨平臺(tái)運(yùn)行、數(shù)據(jù)處理響應(yīng)需求高的特點(diǎn)，采用Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，共設(shè)計(jì)出工具類(lèi)型信息表、工具信息表、刀具參數(shù)表、檢測(cè)管理表、借還管理表等13張數(shù)據(jù)表，通過(guò)分析數(shù)據(jù)表之間主鍵與外鍵的關(guān)系，形成表與表之間的連接圖(如圖15)，基于該數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)系結(jié)構(gòu)圖便可實(shí)現(xiàn)CFMS-GMDW系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的開(kāi)發(fā)。

5 功能驗(yàn)證

在對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)、使用流程及關(guān)鍵技術(shù)研究與論證的基礎(chǔ)上，以O(shè)racle為數(shù)據(jù)庫(kù)，基于Java和Javascript兩種語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了CFMS-GMDW系統(tǒng)的框架與界面，并對(duì)系統(tǒng)的功能進(jìn)行了初步驗(yàn)證。該系統(tǒng)分為管理端和終端兩個(gè)部分，其中終端部分的刀夾具請(qǐng)求、在位檢測(cè)、在機(jī)檢測(cè)、實(shí)時(shí)信息顯示和修磨預(yù)警功能已驗(yàn)證[18]，而管理端運(yùn)行的主要功能界面如圖16所示，其中：①為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理，用于增刪改查每一類(lèi)刀夾具的基礎(chǔ)信息，而且這些操作都有規(guī)范和約束；②為采購(gòu)管理，當(dāng)?shù)秺A具庫(kù)存低于下限時(shí)，系統(tǒng)會(huì)提醒采購(gòu)申請(qǐng)，完成采購(gòu)申請(qǐng)后將多個(gè)申請(qǐng)合并為一個(gè)采購(gòu)計(jì)劃，采購(gòu)到位后，編碼管理為每一把刀夾具生成唯一編碼標(biāo)記在刀夾具實(shí)體上，并錄入對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)信息完成入庫(kù)，標(biāo)志采購(gòu)流程結(jié)束；③為庫(kù)存管理，出入庫(kù)前識(shí)別身份信息，核實(shí)后確認(rèn)出入庫(kù)，并修改借還記錄，此外還能進(jìn)行庫(kù)存基本管理、庫(kù)存盤(pán)點(diǎn)、庫(kù)存預(yù)警等；④為維修報(bào)廢管理，根據(jù)檢測(cè)管理檢測(cè)的結(jié)果進(jìn)行維修申請(qǐng)/報(bào)廢處理，在相關(guān)界面錄入信息，即完成登記和統(tǒng)計(jì)；⑤為跟蹤管理，用于實(shí)時(shí)查詢車(chē)間刀夾具的當(dāng)前所在位置、當(dāng)前所處狀態(tài)、累積使用時(shí)長(zhǎng)、剩余壽命等；⑥為歷史記錄查詢，用于查看刀夾具的借還記錄、維修記錄、報(bào)廢記錄，這里系統(tǒng)終端運(yùn)行的刀夾具請(qǐng)求、在位檢測(cè)、在機(jī)檢測(cè)、實(shí)時(shí)信息顯示和修磨預(yù)警功能均已驗(yàn)證[18]。

在完成CFMS-GMDW系統(tǒng)的基本功能模塊開(kāi)發(fā)后，采用Web Services技術(shù)將該系統(tǒng)與重慶某機(jī)床集團(tuán)傳動(dòng)車(chē)間的任務(wù)管理系統(tǒng)、參數(shù)決策系統(tǒng)、CAPP系統(tǒng)等進(jìn)行對(duì)接集成，形成一套完整的車(chē)間監(jiān)控管理系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)初步運(yùn)行測(cè)試表明，CFMS-GMDW系統(tǒng)為刀夾具全壽命周期管理提供了合理的解決方案，該系統(tǒng)能有效改善傳統(tǒng)管理模式中存在的記錄不規(guī)范、查詢追蹤困難、信息復(fù)用低等問(wèn)題，緩解刀夾具管理混亂和使用混淆造成的資源浪費(fèi)，極大地提升了刀夾具管理和使用效率，進(jìn)而提高了車(chē)間產(chǎn)能和經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)齒輪加工車(chē)間刀夾具管理混亂和使用混淆的問(wèn)題，提出一種基于信息模型的全壽命周期管理方法，并設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了CFMS-GMDW系統(tǒng)。系統(tǒng)圍繞管理、使用兩大業(yè)務(wù)應(yīng)用，設(shè)計(jì)了面向管理員、操作員的管理端與終端模塊，并通過(guò)基于六大原則的選配方法、靜動(dòng)態(tài)信息模型、基于Web Services的系統(tǒng)集成技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)了刀夾具的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、采購(gòu)管理、庫(kù)存管理、跟蹤管理、維修報(bào)廢管理和歷史數(shù)據(jù)追溯等功能，有效解決了齒輪加工車(chē)間刀夾具管理不規(guī)范、使用易混淆、信息不共享的問(wèn)題。

該系統(tǒng)已在車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了功能測(cè)試驗(yàn)證，結(jié)果表明，該系統(tǒng)能有效提高刀夾具管理與使用效率，改善數(shù)字化車(chē)間信息孤島問(wèn)題，使刀夾具資源在采購(gòu)、倉(cāng)儲(chǔ)、選擇、配送、檢測(cè)、修磨、報(bào)廢等全壽命周期中都能最大化發(fā)揮其價(jià)值，進(jìn)而降低刀夾具維護(hù)與購(gòu)置成本，提高車(chē)間生產(chǎn)效率和質(zhì)量。本文開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)主要面向齒輪加工車(chē)間，下一步研究會(huì)將本文思想與系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用于更多類(lèi)型的制造車(chē)間，以達(dá)到工廠級(jí)的刀夾具全壽命周期管理。