一種智能工具管理系統(tǒng)柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化

張靖佳 居 敏 羅健偉 湯斌杰

（南京信息工程大學(xué)濱江學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，江蘇 南京211800）

當(dāng)前的工具管理普遍手段不足，以人工為主，效率低下，管理成本高，“三清點”制度不能有效地落實。從而導(dǎo)致：工具使用頻繁高、容易丟失；工具規(guī)格不一、數(shù)量繁多、領(lǐng)取不便、領(lǐng)用后難以監(jiān)控去向[1]；工具借還耗時長、工具丟失、工具管理工作強度大；有的工具使用少，有些工具被過度使用導(dǎo)致報廢等問題，特別是對于航空領(lǐng)域[2]。目前對飛機維修工具的管理方式大都還停留在人工管理階段，雖然傳統(tǒng)的“三清點”制度對工具管理起到了一定作用，但是純?nèi)斯す芾砉ぞ叩姆绞饺菀资苋藶橐蛩赜绊?，將維修工具落在飛機上的事故時有發(fā)生，造成不可挽回的嚴(yán)重后果。有部分航空公司將條碼技術(shù)應(yīng)用在了航空維修工具管理系統(tǒng)中，實現(xiàn)了工具信息化管理，但是由于機務(wù)維修工作的特殊性，條碼技術(shù)仍存在許多不足之處，比如根據(jù)計量工具需定期校驗的特點，條碼標(biāo)簽定期更換[3]；工具多次使用后條碼標(biāo)簽?zāi)p嚴(yán)重，以至于無法起到對工具標(biāo)識的目的。

本文采用先進的視頻識別技術(shù)與二維碼標(biāo)簽結(jié)合，并基于計算機信息管理軟件，能賦予工具唯一ID，精準(zhǔn)識別其外形特征，自主判斷并清點、統(tǒng)計、記錄，自動提示校驗信息，動態(tài)監(jiān)控工具去向。通過提供自動和智能化的管理手段，真正實現(xiàn)操作人員的傻瓜式操作，有效節(jié)約人力物力，大大簡化人工管理存放工具的過程，提高了自動化程度，實現(xiàn)信息的共享、真正實現(xiàn)工具管理的可追溯、可量化的智能化管理。從而，大幅提高工具管理的準(zhǔn)確性和高效性，實現(xiàn)工具管控數(shù)據(jù)實時更新和統(tǒng)計追溯，滿足工具日常維系維護和正確使用，滿足生產(chǎn)增效需要。同時，為了滿足航空復(fù)雜環(huán)境[4,5]，對設(shè)計的新型智能工具管理系統(tǒng)柜進行參數(shù)化的ANSYS 仿真[6-10]，分別對每一層進行結(jié)構(gòu)分析，再綜合整體結(jié)構(gòu)，對新型智能工具管理系統(tǒng)柜進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1 工作原理

本款智能工具管理系統(tǒng)柜，采用感應(yīng)卡門禁開鎖。系統(tǒng)通過門禁系統(tǒng)識別操作者合法性。

在開鎖狀態(tài)下，操作員打開抽屜直到關(guān)閉抽屜全過程會有工業(yè)相機對工具柜抽屜內(nèi)進行錄像掃描，通過圖像識別技術(shù)識別抽屜的工具實時情況，系統(tǒng)根據(jù)前后抽屜關(guān)閉間的圖像差異自動識別工具的借用歸還及破損情況。自動記錄借出、歸還工具的種類、數(shù)量、人員、時間等信息，從而實現(xiàn)工具借用和歸還的無人化管理。工具柜抽屜開關(guān)設(shè)計為互鎖控制，使得用戶每次只能打開一個抽屜。每個抽屜都有傳感裝置，系統(tǒng)能夠自動識別哪個抽屜被打開，并開始自動掃描抽拉狀態(tài)，在此期間，每次抽拉均會被掃描到，在抽屜關(guān)閉后，通過視頻圖像處理自動生成整幅抽屜內(nèi)工具狀態(tài)畫面，并自動標(biāo)識出工具變化情況。每個抽屜關(guān)閉后，系統(tǒng)列明并語音播報本次存取工具清單，及本次工具存取前后抽屜圖片差異，并用特殊顏色框圖標(biāo)識出借/還工具位置。本智能工具管理系統(tǒng)柜同時采用了圖像識別技術(shù)與二維碼技術(shù)。通過二維碼賦予每件工具唯一ID 號。

在歸還時，通過二維碼掃描器驗證工具的合法性，通過工具圖像驗證工具的真實性。既實現(xiàn)了工具高效智能化管理，同時又保證了工具的合法性和真實性，從而徹底解決了工具破損和被替換的管理難題。

投入使用前，需要對有權(quán)使用智能工具管理系統(tǒng)柜的人員及其權(quán)限進行定義。智能工具管理系統(tǒng)柜采用感應(yīng)卡讀卡系統(tǒng)進行登錄管理，管理員可在軟件中設(shè)置所有使用者權(quán)限。已有授權(quán)的操作者使用感應(yīng)卡登錄開鎖，系統(tǒng)將自動判斷用戶的合法性，身份合法則系統(tǒng)允許并自動登錄。

圖1 工具柜整體結(jié)構(gòu)及部件

圖2 激光雕刻二維碼示例

圖3 常見的單層抽屜布置

系統(tǒng)采用操作員、管理員、系統(tǒng)管理員三級管理權(quán)限管理：

a.操作員權(quán)限：只有借、還工具的權(quán)限。

b.管理員權(quán)限：可配置和定義使用權(quán)限，可更換工具柜內(nèi)部工具，數(shù)據(jù)更新、設(shè)置軟件的參數(shù)、出現(xiàn)故障異常時可手動開啟系統(tǒng)等。

c.系統(tǒng)員權(quán)限：可進行軟件升級和維護，根據(jù)使用需求修改系統(tǒng)所有參數(shù)。出現(xiàn)故障異常時可手動開啟系統(tǒng)。

2 結(jié)構(gòu)分析

項目產(chǎn)品的工具柜整體結(jié)構(gòu)及部件如圖1 所示。

根據(jù)用戶現(xiàn)場工具的使用和管理需求，確定需要管理的工具清單。每個工具使用激光雕刻二維碼，賦予每個工具唯一ID，就相當(dāng)于給每一個工具賦予獨一無二的標(biāo)識。根據(jù)最終確定的工具進行可視化設(shè)計并刻模（圖2）。

通過給工具雕刻二維碼，賦予工具唯一標(biāo)識ID。工具真實性鑒別原理是，以已經(jīng)注冊登記的二維碼唯一標(biāo)識ID 結(jié)合工具的識別圖像，兩者匹配性為唯一標(biāo)識ID。即任何合法工具，必須同時具備兩個條件：一是合法的二維碼標(biāo)識ID，二是合法的工具識別圖像。只有上述兩者同時具備，才認(rèn)定為合法工具，這樣有效避免了工具人為替換或破損追責(zé)等問題。

任何一次歸還數(shù)據(jù)，必須先二維碼掃描，然后放入柜體內(nèi)，關(guān)閉柜體后，系統(tǒng)即自動進行工具真實性和破損程度鑒定，并給出鑒定記錄，如發(fā)現(xiàn)非合法工具（無二維碼標(biāo)簽，或二維碼標(biāo)簽ID 與圖像不一致），則給出警示信息，并綁定責(zé)任人，同時具備將此情況自動上報管理員功能。

3 結(jié)構(gòu)分析

由于航空用工具器材種類十分繁多且大小重量差異較大，為了合理設(shè)計箱體內(nèi)部的布置情況，本文使用ANSYS 對結(jié)構(gòu)優(yōu)化進行了嘗試(圖3)。

圖4 設(shè)計仿真方案

圖5 平板變形

安全系數(shù)是工程結(jié)構(gòu)設(shè)計方法中用以反映結(jié)構(gòu)安全程度的系數(shù)。為了保證結(jié)構(gòu)受到的力在允許范圍內(nèi)，即理論上能承受的最大的力與許用應(yīng)力之比。本研究使用商用有限元軟件ANSYS workbench 對單層支架板進行了靜力學(xué)分析并以安全系數(shù)與最大變形量為優(yōu)化參數(shù)，應(yīng)用響應(yīng)曲面法進行優(yōu)化設(shè)計。

仿真設(shè)計方案如下，將面板劃分為9 個部分，如果有需要特別考慮的結(jié)構(gòu)，可以額外劃分出特殊受力點。由于平板在收納狀態(tài)時，兩側(cè)均勻的支撐力保證平板不會產(chǎn)生發(fā)生過大形變，但是當(dāng)盛放有重量較大的航空修理工具時，平板處于抽出狀態(tài)，會形成接近懸臂梁的結(jié)構(gòu)，不受支撐力直接作用的平板部分變形就會相對較大，如圖4，此時平板上的不同重量的工具的放置分布就需要進行進一步分析優(yōu)化。響應(yīng)曲面法，也稱為回歸設(shè)計，常用于設(shè)計相關(guān)的優(yōu)化本文將9個位置的應(yīng)力作為輸入?yún)?shù)，安全系數(shù)與最大應(yīng)變作為優(yōu)化目標(biāo)參數(shù)，進行了曲面響應(yīng)優(yōu)化。

本文假設(shè)每個區(qū)域的受力大小在10N～100N 之間，并設(shè)計了150 項的曲面響應(yīng)優(yōu)化表。圖5 為A 點的最小安全系數(shù)隨受力變化的情況，安全系數(shù)隨受力大小變大而迅速變大。相應(yīng)的最大變形量隨安全系數(shù)的增加而增大，圖6 為150 個計算項的仿真分布情況。

圖7 為9 處位置的安全系數(shù)與最大位移靈敏度對比圖，發(fā)現(xiàn)位置越靠內(nèi)部，對安全系數(shù)與最大位移的影響越小，而水平位置的影響也有差異，越靠近中間位置，靈敏度越大，即E 的影響大于D 與F 位置。圖8 最靠外的結(jié)構(gòu)受力越大，安全系數(shù)與最大位移靈敏度變化越大。

4 結(jié)論

圖6 A 點的最小安全系數(shù)

本文針對多層智能工具管理系統(tǒng)存在的不同重量工具布置分布問題進行了仿真分析與優(yōu)化設(shè)計，得出結(jié)論，較重的工具應(yīng)該集中放置在靠內(nèi)側(cè)位置，如果為方便拿取，可以安置在靠側(cè)邊支撐位置，重物放在靠近外側(cè)的位置已造成抽屜變形，長期如此易損壞箱體。本優(yōu)化方法具有普適性，對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)同樣具有很好的優(yōu)化效果。

圖7 計算項的仿真分布

圖8 靈敏度