一種智能工具管理系統(tǒng)柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(diǎn)”制度不能有效地落實(shí)。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(shí)長(zhǎng)、工具丟失、工具管理工作強(qiáng)度大；有的工具使用少，有些工具被過(guò)度使用導(dǎo)致報(bào)廢等問題，特別是對(duì)于航空領(lǐng)域[2]。目前對(duì)飛機(jī)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(diǎn)”制度對(duì)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懀瑢⒕S修工具落在飛機(jī)上的事故時(shí)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(shí)現(xiàn)了工具信息化管理，但是由于機(jī)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(jì)量工具需定期校驗(yàn)的特點(diǎn)，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(wú)法起到對(duì)工具標(biāo)識(shí)的目的。

本文采用先進(jìn)的視頻識(shí)別技術(shù)與二維碼標(biāo)簽結(jié)合，并基于計(jì)算機(jī)信息管理軟件，能賦予工具唯一ID，精準(zhǔn)識(shí)別其外形特征，自主判斷并清點(diǎn)、統(tǒng)計(jì)、記錄，自動(dòng)提示校驗(yàn)信息，動(dòng)態(tài)監(jiān)控工具去向。通過(guò)提供自動(dòng)和智能化的管理手段，真正實(shí)現(xiàn)操作人員的傻瓜式操作，有效節(jié)約人力物力，大大簡(jiǎn)化人工管理存放工具的過(guò)程，提高了自動(dòng)化程度，實(shí)現(xiàn)信息的共享、真正實(shí)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(shí)現(xiàn)工具管控?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新和統(tǒng)計(jì)追溯，滿足工具日常維系維護(hù)和正確使用，滿足生產(chǎn)增效需要。同時(shí)，為了滿足航空復(fù)雜環(huán)境[4,5]，對(duì)設(shè)計(jì)的新型智能工具管理系統(tǒng)柜進(jìn)行參數(shù)化的ANSYS 仿真[6-10]，分別對(duì)每一層進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，再綜合整體結(jié)構(gòu)，對(duì)新型智能工具管理系統(tǒng)柜進(jìn)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(guò)門禁系統(tǒng)識(shí)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(guò)程會(huì)有工業(yè)相機(jī)對(duì)工具柜抽屜內(nèi)進(jìn)行錄像掃描，通過(guò)圖像識(shí)別技術(shù)識(shí)別抽屜的工具實(shí)時(shí)情況，系統(tǒng)根據(jù)前后抽屜關(guān)閉間的圖像差異自動(dòng)識(shí)別工具的借用歸還及破損情況。自動(dòng)記錄借出、歸還工具的種類、數(shù)量、人員、時(shí)間等信息，從而實(shí)現(xiàn)工具借用和歸還的無(wú)人化管理。工具柜抽屜開關(guān)設(shè)計(jì)為互鎖控制，使得用戶每次只能打開一個(gè)抽屜。每個(gè)抽屜都有傳感裝置，系統(tǒng)能夠自動(dòng)識(shí)別哪個(gè)抽屜被打開，并開始自動(dòng)掃描抽拉狀態(tài)，在此期間，每次抽拉均會(huì)被掃描到，在抽屜關(guān)閉后，通過(guò)視頻圖像處理自動(dòng)生成整幅抽屜內(nèi)工具狀態(tài)畫面，并自動(dòng)標(biāo)識(shí)出工具變化情況。每個(gè)抽屜關(guān)閉后，系統(tǒng)列明并語(yǔ)音播報(bào)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(shí)出借/還工具位置。本智能工具管理系統(tǒng)柜同時(shí)采用了圖像識(shí)別技術(shù)與二維碼技術(shù)。通過(guò)二維碼賦予每件工具唯一ID 號(hào)。

在歸還時(shí)，通過(guò)二維碼掃描器驗(yàn)證工具的合法性，通過(guò)工具圖像驗(yàn)證工具的真實(shí)性。既實(shí)現(xiàn)了工具高效智能化管理，同時(shí)又保證了工具的合法性和真實(shí)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(duì)有權(quán)使用智能工具管理系統(tǒng)柜的人員及其權(quán)限進(jìn)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(jìn)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(dòng)判斷用戶的合法性，身份合法則系統(tǒng)允許并自動(dòng)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(jí)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(shí)可手動(dòng)開啟系統(tǒng)等。

c.系統(tǒng)員權(quán)限：可進(jìn)行軟件升級(jí)和維護(hù)，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(shí)可手動(dòng)開啟系統(tǒng)。

2 結(jié)構(gòu)分析

項(xiàng)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(chǎng)工具的使用和管理需求，確定需要管理的工具清單。每個(gè)工具使用激光雕刻二維碼，賦予每個(gè)工具唯一ID，就相當(dāng)于給每一個(gè)工具賦予獨(dú)一無(wú)二的標(biāo)識(shí)。根據(jù)最終確定的工具進(jìn)行可視化設(shè)計(jì)并刻模（圖2）。

通過(guò)給工具雕刻二維碼，賦予工具唯一標(biāo)識(shí)ID。工具真實(shí)性鑒別原理是，以已經(jīng)注冊(cè)登記的二維碼唯一標(biāo)識(shí)ID 結(jié)合工具的識(shí)別圖像，兩者匹配性為唯一標(biāo)識(shí)ID。即任何合法工具，必須同時(shí)具備兩個(gè)條件：一是合法的二維碼標(biāo)識(shí)ID，二是合法的工具識(shí)別圖像。只有上述兩者同時(shí)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(dòng)進(jìn)行工具真實(shí)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(wú)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(shí)具備將此情況自動(dòng)上報(bào)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(jì)箱體內(nèi)部的布置情況，本文使用ANSYS 對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行了嘗試(圖3)。

圖4 設(shè)計(jì)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(jì)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(duì)單層支架板進(jìn)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(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

仿真設(shè)計(jì)方案如下，將面板劃分為9 個(gè)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(diǎn)。由于平板在收納狀態(tài)時(shí)，兩側(cè)均勻的支撐力保證平板不會(huì)產(chǎn)生發(fā)生過(guò)大形變，但是當(dāng)盛放有重量較大的航空修理工具時(shí)，平板處于抽出狀態(tài)，會(huì)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(huì)相對(duì)較大，如圖4，此時(shí)平板上的不同重量的工具的放置分布就需要進(jìn)行進(jìn)一步分析優(yōu)化。響應(yīng)曲面法，也稱為回歸設(shè)計(jì)，常用于設(shè)計(jì)相關(guān)的優(yōu)化本文將9個(gè)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(jìn)行了曲面響應(yīng)優(yōu)化。

本文假設(shè)每個(gè)區(qū)域的受力大小在10N～100N 之間，并設(shè)計(jì)了150 項(xiàng)的曲面響應(yīng)優(yōu)化表。圖5 為A 點(diǎn)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(gè)計(jì)算項(xiàng)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(duì)比圖，發(fā)現(xiàn)位置越靠?jī)?nèi)部，對(duì)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(diǎn)的最小安全系數(shù)

本文針對(duì)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(jìn)行了仿真分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出結(jié)論，較重的工具應(yīng)該集中放置在靠?jī)?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(zhǎng)期如此易損壞箱體。本優(yōu)化方法具有普適性，對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)同樣具有很好的優(yōu)化效果。

圖7 計(jì)算項(xiàng)的仿真分布

圖8 靈敏度