一種智能化數(shù)控刀具管理系統(tǒng)＊

程 崗，謝雨彤，楊潤(rùn)清，陳通文

（西北工業(yè)大學(xué)，陜西 西安 710000）

1 研究背景

在現(xiàn)代制造業(yè)中，數(shù)控機(jī)床憑借著智能化、自動(dòng)化、高精度、高效率的優(yōu)勢(shì)，大大提高了機(jī)械加工的生產(chǎn)效率，其作為工業(yè)母機(jī)起著舉足輕重的作用。數(shù)控刀具更是數(shù)控加工不可或缺的一部分。然而很多加工企業(yè)在刀具的管理方面，管理思路和水平還相當(dāng)落后，一般為將管理信息人工記錄在紙上或者存儲(chǔ)到電腦上，無(wú)論是領(lǐng)取還是歸還統(tǒng)計(jì)，步驟都較為煩瑣，效率低，無(wú)疑會(huì)額外增加企業(yè)的生產(chǎn)成本。

高效的刀具管理可以使企業(yè)的生產(chǎn)人員與管理人員能夠及時(shí)把握刀具的使用動(dòng)態(tài)，在滿足基本的加工需求基礎(chǔ)上維持合理的刀具庫(kù)存數(shù)量，減少不必要的庫(kù)存，從而降低企業(yè)刀具成本。為了確保生產(chǎn)的順利完成和刀具管理系統(tǒng)的正常運(yùn)作，在主要車間都需要配置刀具管理系統(tǒng)。目前，隨著技術(shù)的發(fā)展，刀具管理技術(shù)也取得了一定的進(jìn)步。現(xiàn)代化制造企業(yè)可以利用先進(jìn)的刀具管理理念實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具科學(xué)高效的管理。數(shù)控刀具管理包括刀具選擇、刀具分配和刀具維護(hù)，目標(biāo)是保證產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量，提高加工效率，優(yōu)化數(shù)控工具的資源配置[1]。

2 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀分析

刀具管理研究并不是一個(gè)新興的理念，由于數(shù)控機(jī)床起源于美國(guó)，故美國(guó)在刀具管理方面起步較早。刀具管理概念最早由美國(guó)制造業(yè)在20 世紀(jì)80 年代提出，美國(guó)通用汽車公司在其土星項(xiàng)目上首次嘗試實(shí)施刀具管理，即Tool Management。主要針對(duì)加工現(xiàn)場(chǎng)的刀具使用、采購(gòu)進(jìn)行規(guī)范化管理，從而降低加工成本。隨后刀具管理開始在美國(guó)及歐洲多國(guó)家推廣開來，經(jīng)過多年的發(fā)展完善，逐步形成了一套科學(xué)有效的刀具管理模式。越來越多的加工企業(yè)開始采用科學(xué)高效的刀具管理模式，希望通過對(duì)刀具管理的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)降低企業(yè)的生產(chǎn)成本。

中國(guó)的刀具管理雖然起步較晚，但發(fā)展很迅速。通過學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)的刀具管理理念，很多高校和科研單位投入大量的人力物力去設(shè)計(jì)開發(fā)符合國(guó)內(nèi)需求的刀具管理系統(tǒng)。如上海飛機(jī)制造廠數(shù)控中心CIMS 工程的MIS 系統(tǒng)中的刀工夾量具子系統(tǒng)，通過基于ORACLE 數(shù)據(jù)庫(kù)，基本解決了車間在刀工夾量具管理方面存在的問題，并可以與數(shù)控車間CIMS 工程的其他子系統(tǒng)進(jìn)行集成，提高了數(shù)控車間的整體效益[2]。成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司數(shù)控加工中心開發(fā)的工具管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)刀具的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化管理，最大限度地提高了生產(chǎn)效率。大量的數(shù)據(jù)表明，先進(jìn)的刀具管理系統(tǒng)可以助力企業(yè)最大程度地優(yōu)化刀具管理，便于企業(yè)降低刀具的損耗及不必要的資源浪費(fèi)。

對(duì)于國(guó)內(nèi)的中、小加工企業(yè)而言，刀具品種繁多、復(fù)雜，通過智能刀具管理系統(tǒng)對(duì)刀具進(jìn)行自動(dòng)化的管理，可以規(guī)范員工的刀具使用，節(jié)約刀具使用成本，提高生產(chǎn)效率。便于企業(yè)及時(shí)掌握刀具的使用情況，并有針對(duì)性地進(jìn)行采購(gòu)。傳統(tǒng)管理方式很容易造成刀具使用混亂、信息記錄不清晰、員工不能及時(shí)獲取刀具庫(kù)存信息、管理人員無(wú)法科學(xué)高效地采購(gòu)。傳統(tǒng)的多規(guī)格、大庫(kù)存的采購(gòu)模式，只會(huì)造成企業(yè)不必要的成本浪費(fèi)。

3 自動(dòng)化管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目致力于研究面向中小數(shù)控加工企業(yè)的一種智能化刀具管理系統(tǒng)，助力中小企業(yè)在刀具管理上更加智能。通過手機(jī)客戶端預(yù)覽刀具信息和刀具管理系統(tǒng)相結(jié)合的方式，如可以準(zhǔn)確顯示刀具余量庫(kù)存信息、對(duì)應(yīng)的刀具規(guī)格與數(shù)量，自動(dòng)完成領(lǐng)用信息的記錄，如領(lǐng)用人的身份、領(lǐng)用時(shí)間，一般在車間可放置多個(gè)管理系統(tǒng)，多系統(tǒng)之間通過網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，數(shù)據(jù)共享，實(shí)現(xiàn)整個(gè)車間的刀具管理與協(xié)同智能化。同時(shí)員工可以直接在客戶端上查看新入刀具規(guī)格或提出刀具采購(gòu)需求，便于管理者及時(shí)采購(gòu)。告別傳統(tǒng)的工具室管理，這種新型管理方式更為靈活高效，規(guī)范企業(yè)刀具的使用，從而節(jié)約刀具的使用成本。

本項(xiàng)目擬實(shí)現(xiàn)刀具的智能存儲(chǔ)，其系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為3個(gè)部分：刀具存儲(chǔ)裝置、傳感器件、控制裝置。

3.1 刀具存儲(chǔ)裝置

存儲(chǔ)裝置將同類型刀具存儲(chǔ)于同一方形刀具柜中，各個(gè)種類刀具的刀具柜將呈抽屜狀排列在外殼之中，在不同的控制信號(hào)下將選取不同的刀具柜。刀具柜將分為對(duì)應(yīng)放刀槽位保證刀具的有序排放，便于工作人員取用。同時(shí)，刀具柜的重量相同，以避免對(duì)傳感精度造成干擾。刀具柜存儲(chǔ)部分結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 刀具柜存儲(chǔ)部分結(jié)構(gòu)示意圖

3.1.1 刀具柜彈出、復(fù)位裝置

該部分包括用于選取不同存儲(chǔ)貨柜的傳動(dòng)裝置，傳動(dòng)裝置將位于存儲(chǔ)貨柜下方，在控制信號(hào)到達(dá)時(shí)負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)貨柜的彈出，在工作人員取用刀具結(jié)束后，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)復(fù)位。該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由齒輪、導(dǎo)軌及電機(jī)構(gòu)成，具體工作步驟如下：①電機(jī)接收控制信號(hào)；②電機(jī)帶動(dòng)齒輪，通過齒輪嚙合帶動(dòng)刀具柜實(shí)現(xiàn)彈出步驟；③等待工作人員進(jìn)行刀具取用；④電機(jī)接收刀具收回信號(hào)；⑤由電機(jī)帶動(dòng)齒輪，實(shí)現(xiàn)刀具柜收回步驟。

3.1.2 刀具歸還分類裝置

該部分包括刀具歸還、傳送、分類、入庫(kù)裝置。歸還入口將位于儲(chǔ)存裝置上方，入口處通過旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)刀具的次第通過，到達(dá)傳送帶進(jìn)行運(yùn)輸，傳送帶將通過各個(gè)儲(chǔ)存貨柜，經(jīng)過識(shí)別，通過貨柜后的物理機(jī)構(gòu)進(jìn)入對(duì)應(yīng)的貨柜中。之后未進(jìn)入刀具柜的報(bào)廢刀具將通過傳送帶最終落入整體裝置下方的廢棄刀具回收箱。該過程中，包含物理機(jī)構(gòu)有：①歸還入口處控制刀具進(jìn)入的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；②傳送刀具至各個(gè)貨柜的傳送帶；③傳送帶上可讓刀具進(jìn)入離開的物理機(jī)構(gòu)；④刀具柜后的選取刀具的物理機(jī)構(gòu)；⑤刀具柜后讓刀具單向通過的單向門。

3.2 傳感器件

傳感器件主要分為2 部分，分別是取用刀具所用傳感器件和歸還刀具所用傳感器件。

取用刀具所用傳感器件：該部分采用重量傳感的方式，位于刀具柜內(nèi)部的下方。由于同一種刀具的重量相同，在拿去刀具時(shí)，存放刀具的刀具柜下方的傳感器件可以記錄重量的改變量，并將測(cè)量結(jié)果傳輸至控制部分，控制部分可通過重量的改變量來判斷刀具柜中刀具的現(xiàn)有數(shù)量及取用刀具時(shí)的取走的數(shù)量。由于刀具的重量變化幅度較小，傳感器應(yīng)保持一定的傳感精度，并由于刀具存儲(chǔ)上限可能較大，重量傳感器應(yīng)同樣具有一定的承重能力。

歸還刀具所用傳感器件：該部分是歸還刀具時(shí)對(duì)刀具數(shù)量種類及刀具狀態(tài)（是否還能繼續(xù)使用）進(jìn)行判斷的傳感器件，以確保刀具能夠如數(shù)歸還。該部分傳感器件應(yīng)具有一定的傳感靈敏度，以保證在較高效率傳送刀具時(shí)仍能夠精確識(shí)別刀具種類，并反饋傳感信號(hào)，實(shí)現(xiàn)刀具分類[3]。

3.3 控制裝置

控制器件將包含控制電路、用戶操作裝置與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器件3 部分。

控制電路部分包括2 部分，即控制刀具柜滑出及收回的控制電路、刀具回收歸位過程中傳感器及機(jī)械構(gòu)件的控制電路。2 部分控制電路基于相同的原理，能夠接收傳感器信號(hào)，并根據(jù)預(yù)置信息，處理傳感信號(hào)，控制機(jī)械傳動(dòng)裝置運(yùn)作。由所期望的功能能夠看出，控制電路應(yīng)具有可編程能力，以應(yīng)對(duì)不同種類刀具分類的需求，同時(shí)，應(yīng)與存儲(chǔ)信息部分連接，可將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)入數(shù)據(jù)庫(kù)。

用戶操作裝置包括交互界面和可觸摸屏幕。通過交互界面，用刷卡或人臉識(shí)別的方式完成信息采集及身份確認(rèn)，進(jìn)入使用界面后，界面選項(xiàng)由借取刀具、歸還刀具、刀具數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控、導(dǎo)出數(shù)據(jù)報(bào)告幾部分組成，會(huì)根據(jù)身份信息對(duì)應(yīng)人的權(quán)限顯示相關(guān)選項(xiàng)。點(diǎn)入相關(guān)選項(xiàng)會(huì)產(chǎn)生提示，操作者可根據(jù)提示進(jìn)行下一步操作[4]?？捎|摸屏幕采用液晶顯示屏幕。考慮項(xiàng)目需求，液晶顯示屏具有顯示質(zhì)量高、可視面積大、體積小、質(zhì)量輕的優(yōu)點(diǎn)，能較好滿足使用要求。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器件負(fù)責(zé)存儲(chǔ)刀具現(xiàn)有信息以及工作人員借還刀具情況，是本項(xiàng)目較為重要的部分。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分應(yīng)能夠具有數(shù)據(jù)輸入與導(dǎo)出能力，并有連接其他設(shè)備的能力，具有信息共享功能。最終實(shí)現(xiàn)的主要流程如圖2 所示。

圖2 刀具存儲(chǔ)流程圖

3.4 配套軟件設(shè)計(jì)

配套軟件部分包括用戶操作系統(tǒng)以及通過stm32芯片控制電機(jī)舵機(jī)偏轉(zhuǎn)工作的嵌入式程序。通過配套軟件設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)刀具管理，如對(duì)刀具存放、出庫(kù)、歸還、使用次數(shù)、庫(kù)存余量、可使用時(shí)間預(yù)估等信息的分析。幫助企業(yè)制定更高效的刀具管理方案。對(duì)刀具使用數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，找出使用過程中潛在的問題，并提出相應(yīng)的解決措施，固化到日常生產(chǎn)管理制度中，提升生產(chǎn)效率[5]。

用戶操作系統(tǒng)：通過攝像頭或指紋的方式完成信息采集及身份確認(rèn)，進(jìn)入使用界面后，界面選項(xiàng)由借取刀具、歸還刀具、刀具數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控、導(dǎo)出數(shù)據(jù)報(bào)告幾部分組成，會(huì)根據(jù)身份信息對(duì)應(yīng)人的權(quán)限顯示相關(guān)選項(xiàng)。點(diǎn)入相關(guān)選項(xiàng)會(huì)產(chǎn)生提示，操作者可根據(jù)提示進(jìn)行下一步操作。

可觸摸屏幕：可觸摸屏幕采用嵌入式開發(fā)板自帶的屏幕。考慮項(xiàng)目需求，使用自帶屏幕，能夠更好地串聯(lián)用戶操作系統(tǒng)和操作按鍵。

嵌入式程序：該部分包含很多個(gè)不同的部分，首先是基于用戶操作系統(tǒng)的按鍵體系，不同的按鍵代表著進(jìn)入不同模式，進(jìn)行不同的功能。接下來是控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)和舵機(jī)偏轉(zhuǎn)的程序，這部分程序可以控制刀具分類裝置將刀具劃向不同的方向，以達(dá)到分類的作用。除此之外，它還會(huì)被應(yīng)用于刀具歸類傳送裝置，這部分程序通過控制電機(jī)是否轉(zhuǎn)動(dòng)，舵機(jī)是否偏轉(zhuǎn)以及偏轉(zhuǎn)時(shí)間、偏轉(zhuǎn)量等，來操縱該傳送系統(tǒng)，使其能夠移動(dòng)到指定位置并升降到指定高度，再通過控制還刀扇葉的旋轉(zhuǎn)將對(duì)應(yīng)刀具放入對(duì)應(yīng)抽屜，并根據(jù)旋轉(zhuǎn)角度來確定刀具數(shù)量[6]。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，項(xiàng)目的很多功能還處于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證階段，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和刀具的自動(dòng)化識(shí)別還有待優(yōu)化，通過初步的研究完成了對(duì)刀具柜的設(shè)想和設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行了很多調(diào)整，使得刀具柜從結(jié)構(gòu)上更加簡(jiǎn)明，功能實(shí)現(xiàn)更加便捷，成本更加低廉。該項(xiàng)目可以降低企業(yè)生產(chǎn)人員對(duì)刀具的不必要浪費(fèi)，同時(shí)極大改善機(jī)械加工企業(yè)中刀具的管理方法，使刀具的管理更加智能、便捷，有利于企業(yè)的自動(dòng)化管理，降低企業(yè)的刀具耗材成本，具有一定的市場(chǎng)前景。