航天智能制造生產(chǎn)線刀具管理系統(tǒng)研究*

張素燕 張 澤 何萬林 吳雪松 劉 鑫 劉 爭 趙洪杰 落海偉

(首都航天機械有限公司，北京 100076)

數(shù)控刀具管理水平是航天智能制造生產(chǎn)線能夠高效、低成本運行的關(guān)鍵因素，在很大程度上決定了生產(chǎn)線的運行能力和經(jīng)濟效益。隨著數(shù)字制造技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)控刀具的種類和數(shù)量日益增多，相關(guān)的信息參數(shù)也逐步增多，傳統(tǒng)的人工紙質(zhì)管理模式已經(jīng)無法滿足生產(chǎn)線刀具管理需求[1-2]。綜合應用信息網(wǎng)絡技術(shù)、計算機技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，建設智能化的刀具管理系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)控刀具全生命周期管理，有利于提升生產(chǎn)線的生產(chǎn)水平，提高經(jīng)濟效益。

隨著刀具管理技術(shù)的不斷發(fā)展，刀具管理軟件日益成熟，國外企業(yè)推出了一些成形的商業(yè)軟件，如瑞典Sandvik公司的TDM System軟件、美國Kennametal公司的KATMS軟件、英國CTMS公司的CTMS軟件、德國Delkel公司的Tool Manager軟件等[3-7]。國內(nèi)高校和企業(yè)對刀具管理理論模型和系統(tǒng)軟件也進行了深入研究，開發(fā)出相應的刀具管理軟件，如：北京蘭光創(chuàng)新的Smart Crib軟件、上海諾升科技的eTMS軟件、北京機電研究所的AMS-TMS和四川成飛科技的FDNC[8]等。

國內(nèi)外刀具管理軟件大部分作為獨立的系統(tǒng)使用，部分能夠?qū)崿F(xiàn)與其他軟件的集成。但是與生產(chǎn)線各業(yè)務部門之間的信息共享程度低，無法追蹤物理刀具的位置、記錄刀具切削時間和刀具使用壽命。

近年來，射頻識別(radio frequency identification，RFID)技術(shù)快速發(fā)展，其可重復讀寫、信息存儲量大，為刀具管理提供了一種穩(wěn)定有效的識別方法。目前德國、日本等國家已將其應用于刀具管理系統(tǒng)，如德國的Balluff公司將RFID技術(shù)應用到刀具管理系統(tǒng)miLink Tool ID中，可以獲得加工時的刀具磨損補償量、刀具幾何偏置量等[9]。國內(nèi)主要進行RFID刀具識別系統(tǒng)的開發(fā)研究，與刀具管理系統(tǒng)相結(jié)合的較少[10]。

因此亟需開展智能化刀具管理系統(tǒng)開發(fā)，以實現(xiàn)數(shù)控刀具的全生命周期管理?；赥DM刀具管理軟件，通過對刀儀、立體庫、RFID射頻識別等硬件搭建和軟件集成，建立航天智能制造生產(chǎn)線刀具管理系統(tǒng)，實現(xiàn)工藝設計階段、生產(chǎn)準備階段、生產(chǎn)加工階段刀具信息的傳遞與共享，最終實現(xiàn)刀具的全生命周期管理。

1 刀具管理系統(tǒng)搭建

刀具管理系統(tǒng)需要面向刀具流轉(zhuǎn)的各個部門與環(huán)節(jié)，工藝設計階段需要為工藝人員提供刀具基本信息和切削參數(shù)，生產(chǎn)準備階段需要為工具室人員提供庫存信息、預調(diào)信息，生產(chǎn)加工階段需要采集記錄刀具位置、刀具壽命以及切削參數(shù)信息。數(shù)字化機加生產(chǎn)線刀具管理系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，通過搭建TDM刀具管理軟件與各軟件系統(tǒng)之間的接口，基于RFID刀具射頻識別技術(shù)、MDC數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控技術(shù)、DNC分布式數(shù)控網(wǎng)絡技術(shù)，從而實現(xiàn)刀具信息在各生產(chǎn)環(huán)節(jié)之間的同步和共享以及物理刀具全生命周期管理。

2 刀具數(shù)據(jù)庫

為了實現(xiàn)刀具全參數(shù)量化管理，將現(xiàn)場庫房中所有刀具的詳細信息(刀具全部參數(shù)、二維圖紙、三維模型等)錄入TDM刀具管理軟件，形成與現(xiàn)場庫房相對應的虛擬刀具庫房，建立統(tǒng)一的刀具數(shù)據(jù)庫。TDM刀具數(shù)據(jù)庫主要包括刀具單項、刀具裝配體、刀具切削參數(shù)和刀具庫存管理。

(1)刀具單項數(shù)據(jù)庫：刀具單項包括刀片、刀柄、刀桿、整體硬質(zhì)合金刀、夾罐和拉釘?shù)龋瑢⒌毒邘缀谓Y(jié)構(gòu)參數(shù)、二維圖紙和三維圖紙等錄入刀具單項數(shù)據(jù)庫(如圖2)。

(2)刀具組裝體數(shù)據(jù)庫：在刀具單項的基礎上，通過接口匹配可實現(xiàn)刀具虛擬裝配，裝配過程按照現(xiàn)場實際裝夾方式裝配，且裝配懸長可根據(jù)需求定義(如圖3)。

(3)切削參數(shù)數(shù)據(jù)庫：在刀具組裝體模塊中設有切削參數(shù)數(shù)據(jù)庫，建立切削參數(shù)數(shù)據(jù)庫時，需要設置相應的切削形式和切削材料等。

(4)刀具庫存管理：TDM庫存管理模塊包含刀具庫存管理、刀具借入借出等功能，可管理刀具立體庫、機床和刀具維護處的刀具信息，包括庫存位置、存儲數(shù)量等。

3 工藝設計流程

刀具管理系統(tǒng)建設過程中，通過TDM刀具管理軟件與數(shù)控編程軟件NX、數(shù)控加工仿真軟件Vericut集成，實現(xiàn)刀具信息數(shù)據(jù)共享與同步。工藝人員進行工藝設計、數(shù)控編程和數(shù)控仿真時，刀具管理系統(tǒng)能夠提供全面真實的刀具信息，使設計的工藝規(guī)程更具有指導性，制定的切削參數(shù)更加準確，數(shù)控程序仿真驗證準確度更高。

3.1 數(shù)控編程軟件集成

通過TDM刀具管理軟件與數(shù)控編程軟件NX的集成，把刀具數(shù)據(jù)和模型轉(zhuǎn)換成NX可讀取的文件，在數(shù)控編程過程中，通過刀具庫的調(diào)用實現(xiàn)刀具參數(shù)從TDM到NX的傳遞，其傳遞信息包括刀具幾何參數(shù)、切削參數(shù)和三維模型。圖4所示為NX軟件刀具搜索界面，可根據(jù)刀具ID號、刀具直徑、刀具R角、刀具總長、刀具螺旋槽長等參數(shù)搜索TDM刀具管理系統(tǒng)中滿足要求的刀具。圖5和圖6所示為TDM軟件導入NX軟件中的刀具三維模型和幾何信息、刀具切削信息。

刀具裝配體三維模型導入，用于初步判斷刀具是否干涉；刀具幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)導入，如刀具直徑、圓角半徑，用于根據(jù)刀具結(jié)構(gòu)生成相應數(shù)控程序；刀具切削參數(shù)導入，能夠生成具有相應切削參數(shù)的數(shù)控程序：

%

(XXXXXXXXX1000000039)%%刀具ID號

G40 G17 G49 G80 G90

G54

T39 M6%%T號碼

S1592 M03%主軸轉(zhuǎn)速

G0 X0 Y0

G43 Z50 H00

G1 X0.102 Z48.577 F318.4 M08%進給速度

X0.904 Z45.846

生成的數(shù)控程序能夠體現(xiàn)刀具號、切削參數(shù)等信息，因此通過TDM刀具管理系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)控程序與真實物理世界刀具信息的同步。待工藝人員完成編程后，通過數(shù)控編程軟件后處理模塊，將同一工步所采用的刀具生成刀具列表，回傳至刀具管理系統(tǒng)，如圖7所示。工具室操作人員可根據(jù)刀具列表進行刀具的裝配與輸送。

3.2 數(shù)控仿真軟件集成

TDM刀具管理系統(tǒng)與數(shù)控程序仿真軟件Vericut之間為數(shù)據(jù)單向傳輸，刀具管理系統(tǒng)將刀具裝配體轉(zhuǎn)換成符合Vericut數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的三維模型，待Vericut仿真時，通過刀具列表導入仿真系統(tǒng)中(如圖8)，進行刀具干涉與碰撞的檢查(如圖9)。通過Vericut仿真，可以檢查數(shù)控程序的正確性以及刀具干涉情況，而且刀具裝配體三維模型與真實物理刀具的三維模型一致，干涉仿真結(jié)果能直接應用于生產(chǎn)現(xiàn)場，實際加工過程中避免重新對刀和試切，減少了加工時間，提高了生產(chǎn)效率。

4 物理刀具管理

刀具管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)物理刀具的入庫、出庫、組裝、使用、報廢整個生命周期的管理。通過對刀儀、立體刀庫的硬件搭建和軟件集成，實現(xiàn)TDM刀具管理軟件與對刀儀和立體刀庫之間的數(shù)據(jù)傳遞，完成刀具自動存儲與預調(diào)。通過RFID刀具射頻識別系統(tǒng)建立，實現(xiàn)刀具參數(shù)電子化傳遞、刀具位置追蹤定位以及刀具壽命檢測和控制。

4.1 刀具自動存儲與預調(diào)

刀具立體庫選用Kardex升降立體柜(如圖10)，刀具立體庫與TDM刀具管理軟件之間具備數(shù)據(jù)交互能力。立體庫中刀具狀態(tài)可通過TDM刀具管理軟件進行查詢，并且TDM軟件具備立體刀庫指令發(fā)送能力(如圖11)，可在TDM中調(diào)用庫中所有刀具，實現(xiàn)刀具在立體庫、對刀間、數(shù)控機床之間的領取、返還以及新刀具的錄入和廢刀具的報廢。

對刀儀選用德國Zoller公司的venturion 450/6，設備控制系統(tǒng)為Zoller pilot 3.0，如圖12所示，其中的測量程序能實現(xiàn)銑刀、鉆頭、車刀多種類型刀具的自動測量。通過TDM刀具管理軟件與Zoller對刀儀軟件接口集成，實現(xiàn)刀具信息的傳遞。刀具操作人員通過TDM刀具管理軟件發(fā)送刀具預調(diào)指令，刀具列表及其所包含的刀具裝配體信息通過遠程傳送至對刀儀，具體包括刀具列表ID、刀具組裝體ID、刀具組裝體名稱1、刀具直徑、刀長。操作人員根據(jù)接收到的刀具信息進行刀具裝配，裝配完成后采用Zoller對刀儀進行刀具測試預調(diào)，對刀完成后顯示刀具組裝體實測值。

當前我國產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟正處于結(jié)構(gòu)調(diào)整的新階段，在供給側(cè)改革“主線”的指導下，調(diào)整產(chǎn)業(yè)發(fā)展理念、融入科技元素、聚焦大眾消費訴求，這是整個時代發(fā)展的焦點與方向。當然，在生態(tài)文明建設日益成熟的今天，旅游行業(yè)在發(fā)展時如何將這一理念融入其中，構(gòu)建科學、可持續(xù)的旅游經(jīng)濟，是整個行業(yè)需要探索的問題。

物理刀具流轉(zhuǎn)過程：

(1)MES制造執(zhí)行系統(tǒng)將任務指令下發(fā)到TDM刀具管理軟件。TDM根據(jù)任務指令將相應刀具列表及具體刀具單項、刀具組裝體信息下發(fā)到立體庫和對刀儀。

(2)刀具操作人員根據(jù)任務指令從Kardex立體庫提取相應刀具單項。

(3)基于Zoller對刀儀接收到的刀具信息，刀具操作人員到裝刀臺進行刀具組裝。刀具組裝完成后，采用Zoller對刀儀進行刀具參數(shù)測量，如檢測不合格，可重新調(diào)整刀具裝配體。

(4)裝配完成后，將刀具實際測量數(shù)據(jù)回傳到TDM刀具管理軟件。將物理刀具配送到工位機床，用于現(xiàn)場實際加工。

(5)刀具使用完成后將刀具返回刀具管理部門進行回收拆解，并對TDM中刀具庫存狀態(tài)和參數(shù)進行相應調(diào)整。

4.2 刀具RFID射頻識別

數(shù)字化生產(chǎn)線刀具RFID射頻識別系統(tǒng)由RFID芯片和RFID讀寫器組成，其中讀寫器有手持式和固定式。將可重復讀寫的RFID芯片嵌入刀柄中，在對刀儀和立體庫安裝手持式RFID讀寫器，在數(shù)控機床安裝手持式和固定式RFID讀寫器。嵌有RFID芯片的刀具在靠近RFID讀寫器時，讀寫器自動讀取RFID芯片內(nèi)信息，射頻識別具有識別速度快、識別距離可控的特點，并適應機加工使用環(huán)境。刀具RFID管理流程如圖13所示，具體流程如下：

(1)在對刀儀進行刀具預調(diào)時，通過手持RFID讀寫器將裝配體刀具信息(刀具ID號、刀具參數(shù)、刀具狀態(tài)等)寫入RFID芯片中，并保存在刀具管理服務器中。

(2)刀具預調(diào)后，由工具室操作人員將裝配體刀具存入立體刀庫，立體刀庫手持RFID讀寫器識別刀具芯片信息并記錄刀具位置信息。

(3)工具室操作人員根據(jù)生產(chǎn)任務需求將裝配體刀具配送到中央刀庫，刀庫固定RFID讀寫器識別刀具芯片信息并記錄刀具位置信息。

(4)加工開始前，機器人抓取中央刀庫中的刀具放入機床緩存刀庫上。并通過機床上固定RFID讀寫器，識別刀具芯片信息，進行刀具信息校驗，將刀具信息寫入機床寄存器中。

(5)加工過程中，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集刀具信息、切削參數(shù)和刀具加工時間等。

(6)加工完成后，通過機內(nèi)對刀儀重新對刀，并通過手持RFID讀寫器將刀具信息寫入刀具芯片中。若加工完成后，刀具報廢，則通過手持RFID讀寫器將芯片中的刀具狀態(tài)信息進行更改。

5 結(jié)語

針對數(shù)字化機加生產(chǎn)線智能化刀具管理系統(tǒng)建設需求，基于TDM刀具管理軟件，通過對刀儀、立體庫、RFID射頻識別等硬件搭建和軟件集成，實現(xiàn)了工藝設計階段、生產(chǎn)準備階段、生產(chǎn)加工階段刀具信息的傳遞與共享，最終實現(xiàn)了刀具的全生命周期管理。

(1)基于TDM刀具管理軟件，建立了完整的刀具數(shù)據(jù)庫，包括刀具單項數(shù)據(jù)庫、刀具裝配體數(shù)據(jù)庫、切削參數(shù)數(shù)據(jù)庫和刀具庫存數(shù)據(jù)庫，形成了與現(xiàn)場庫房一一對應的虛擬刀具庫房。

(2)通過TDM刀具管理軟件與數(shù)控編程軟件NX、數(shù)控加工仿真軟件Vericut集成，實現(xiàn)刀具信息數(shù)據(jù)共享與同步。工藝人員進行數(shù)控編程和數(shù)控仿真時，刀具管理系統(tǒng)能夠提供全面真實的刀具信息，使設計的工藝規(guī)程更具有指導性，制定的切削參數(shù)更加準確，數(shù)控程序仿真驗證準確度更高。

(3)通過對刀儀、立體刀庫的硬件搭建和軟件集成，實現(xiàn)了TDM刀具管理軟件與對刀儀和立體刀庫之間的數(shù)據(jù)傳遞，完成了刀具自動存儲與預調(diào)。

(4)通過RFID刀具射頻識別系統(tǒng)建立，實現(xiàn)刀具參數(shù)電子化傳遞、刀具位置追蹤定位以及刀具壽命檢測和控制。