李勇勝,侯 力,段 陽(yáng),朱學(xué)剛
(四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院,四川 成都610065)
由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及單件小批量的生產(chǎn)模式,要求高的生產(chǎn)精度,復(fù)雜的生產(chǎn)技術(shù)等問題,導(dǎo)致航空發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)所需刀具等輔助資源的數(shù)量及金額過高,使企業(yè)的刀具管理成本、生產(chǎn)成本及生產(chǎn)效率都受到了負(fù)面的影響[1]。根據(jù)相關(guān)信息,16%的生產(chǎn)計(jì)劃因缺乏相關(guān)的刀具而暫停,而刀具的查找、借用、配送及歸還等操作占用了機(jī)床操作人員20%的生產(chǎn)時(shí)間[2]。相關(guān)研究和案例表明,刀具管理系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用可以有效地改善企業(yè)刀具管理的系統(tǒng)性和規(guī)劃性。它在提高企業(yè)的加工效率和降低加工成本方面發(fā)揮著重要作用[3]。
目前在世界制造業(yè)領(lǐng)域內(nèi)使用較為普遍的刀具管理系統(tǒng)有美國(guó)Kennametal的KATMS、德國(guó)Delkel的Tool manager英國(guó)CTMS的CYMS、瑞典Sandvik的Coratas等[4]。而目前國(guó)內(nèi)制造企業(yè)常用的刀具管理系統(tǒng)以Smart Crib和eTMS為代表的刀具管理系統(tǒng)各功能模塊之間的信息共享與交互不通暢,實(shí)用性較低,功能過于簡(jiǎn)單[5-7]。因此,刀具管理系統(tǒng)的相關(guān)研究得到了高度的關(guān)注。文獻(xiàn)開發(fā)了一套基于射頻識(shí)別技術(shù)的車間級(jí)刀具管理系統(tǒng),解決了刀具識(shí)別與刀具從入庫(kù)到報(bào)廢環(huán)節(jié)的過程管理問題[8]。同濟(jì)大學(xué)為了提高刀具參數(shù)輸入的效率與準(zhǔn)確性,建立了一種面向加工中心的RFID刀具信息管理系統(tǒng),并有效降低了準(zhǔn)備階段的時(shí)間與出錯(cuò)率[9]。文獻(xiàn)為了提高企業(yè)刀具的管理能力,并輔助企業(yè)進(jìn)行車間執(zhí)行層面上的刀具信息管理建設(shè),建立了一套基于MES的數(shù)字化車間刀具管理系統(tǒng)[10]。文獻(xiàn)提出了基于零件特征的刀具信息模型,并在此基礎(chǔ)上建立了刀具數(shù)據(jù)庫(kù)[11]。縱觀上述文獻(xiàn),目前高校研究刀具管理系統(tǒng)的重點(diǎn)主要集中在刀具編碼、刀具識(shí)別及刀具數(shù)據(jù)庫(kù)本身的建立與存儲(chǔ)等方面,旨在通過數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)刀具有效的識(shí)別與分類存儲(chǔ),從而科學(xué)有效的管理刀具。而企業(yè)對(duì)于刀具管理流程中的工藝與刀具的匹配更加重視,希望通過建立刀具管理系統(tǒng)來(lái)將生產(chǎn)過程中的經(jīng)驗(yàn)性知識(shí)進(jìn)行有效的管理和存儲(chǔ),根據(jù)生產(chǎn)要求實(shí)現(xiàn)智能匹配,從而提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量。隨著刀具管理系統(tǒng)研究的開展,智能化刀具管理與選配系統(tǒng)將會(huì)成為企業(yè)刀具管理系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)之一。
該項(xiàng)目通過相關(guān)的研究,開發(fā)了一套航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴生產(chǎn)線智能化刀具管理與選配系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)刀具信息、項(xiàng)目信息、工藝信息等內(nèi)容的統(tǒng)一管理。通過分析工件的特征信息并使用標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)來(lái)完成刀具選配系統(tǒng)的開發(fā),使系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)刀具類別與刀具輔件匹配以及工件材料和刀具材料匹配,從而快速完成刀具的智能選配,從而解決企業(yè)所面臨的刀具管理問題。該系統(tǒng)解決了企業(yè)內(nèi)部部門之間缺乏信息交換而導(dǎo)致的內(nèi)部信息滯留問題,實(shí)現(xiàn)刀具的參數(shù)化管理,以及刀具組件的智能化和信息化管理,提高企業(yè)的生產(chǎn)效率。
噴嘴是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的核心零件之一,它被廣泛地應(yīng)用于各型民用、軍用的內(nèi)燃機(jī)上。由于燃油噴嘴具有體積小,結(jié)構(gòu)緊湊,零件尺寸精度高的特點(diǎn),特別是,不同批次產(chǎn)品精度的加工一致性對(duì)燃料分布,噴霧角度,燃燒完整性,起動(dòng)點(diǎn)火,潤(rùn)滑等有很大影響。該類零件不僅要滿足設(shè)計(jì)要求,更要在生產(chǎn)過程中按期對(duì)使用性能進(jìn)行質(zhì)量過程控制。
因此,為滿足生產(chǎn)需求,在制造執(zhí)行系統(tǒng),特別是機(jī)械生產(chǎn)車間中,刀具管理是否合理、科學(xué),是研究的重要內(nèi)容之一。并很大程度上,決定了制造執(zhí)行系統(tǒng)的可靠性和生產(chǎn)效率。目前刀具管理存在的主要問題如下:(1)操作人員普遍按照過往的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行刀具的選用和裝配,暫且沒有相對(duì)統(tǒng)一的刀具選用和裝配標(biāo)準(zhǔn),因此想要在刀具信息管理模塊中采取統(tǒng)一的管理模式是困難的;(2)沒有辦法對(duì)刀具的參數(shù)進(jìn)行查詢,也不能及時(shí)獲得刀具的庫(kù)存信息和刀具的具體參數(shù)信息,這樣往往會(huì)延誤刀具的采購(gòu),影響正常的生產(chǎn)任務(wù);;(3)刀具準(zhǔn)備計(jì)劃和生產(chǎn)計(jì)劃匹配效率低,經(jīng)常出現(xiàn)停止生產(chǎn)等待刀具準(zhǔn)備到位的情況;(4)刀具的信息共享不通暢,刀具準(zhǔn)備計(jì)劃,CAPP子系統(tǒng),NC子系統(tǒng),工況數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),運(yùn)行計(jì)劃調(diào)度系統(tǒng)都不能直接獲取必要的刀具信息;(5)現(xiàn)有刀具管理軟件功能不全或功能冗雜,不能滿足企業(yè)的個(gè)性化需求。
鑒于當(dāng)前刀具管理面臨的問題,結(jié)合企業(yè)的個(gè)性化需求,刀具管理系統(tǒng)應(yīng)具備的功能包括:(1)建立刀具信息庫(kù)。根據(jù)刀具加工類型,刀具材料,刀刃形狀,刀具等級(jí),涂層,硬度等,建立刀具技術(shù)信息庫(kù),并存儲(chǔ)刀具的具體技術(shù)參數(shù)信息,便于篩選和查詢;(2)刀具狀態(tài)管理。實(shí)現(xiàn)狀態(tài)信息管理,如工具庫(kù)存,采購(gòu),借用/返還和分配;(3)項(xiàng)目信息管理。包括項(xiàng)目整體信息管理,工具選擇信息管理,NC程序管理,處理參數(shù)信息管理等功能;(4)刀具查詢與選配。根據(jù)加工零件參數(shù)信息、材料信息等,實(shí)現(xiàn)刀具信息快速查詢與選配;(5)加工參數(shù)推薦。在進(jìn)行刀具選配時(shí),智能推薦過往項(xiàng)目中的相似項(xiàng)目,為加工參數(shù)的設(shè)計(jì)提供參考與借鑒。
結(jié)合上述企業(yè)的需求分析,智能化刀具庫(kù)信息管理系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu),如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System Function Module Structure Diagram
根據(jù)企業(yè)對(duì)建立刀具信息庫(kù),實(shí)現(xiàn)刀具具體參數(shù)的管理及建立刀具狀態(tài)管理,實(shí)現(xiàn)刀具庫(kù)存、采購(gòu)、借用/歸還、配送等狀態(tài)信息管理的需求。本系統(tǒng)構(gòu)建了相關(guān)的刀具管理模塊,本刀具管理模塊中的刀具庫(kù)包括兩部分,即企業(yè)現(xiàn)有刀具及尚未采購(gòu)但可能有采購(gòu)意向的備選刀具。備選刀具庫(kù)中只包含刀具的技術(shù)參數(shù)信息,現(xiàn)有刀具庫(kù)中不僅包含刀具的技術(shù)參數(shù)信息,還包含刀具的庫(kù)存信息、采購(gòu)信息、狀態(tài)信息等。
3.1.1 基礎(chǔ)信息
刀具基礎(chǔ)信息包括刀具類型、刀具材料、涂層、硬度、供應(yīng)商等信息。
3.1.2 技術(shù)信息
不同刀具類型的刀具參數(shù)信息會(huì)有很大的區(qū)別。以Walter刀具某型號(hào)車刀為例,其主要技術(shù)參數(shù)包括縱向加工主偏角、最小鉆孔直徑、主體直徑、柄高、工作寬度、功能長(zhǎng)度、垂直前角、刃傾角等。
3.1.3 庫(kù)存信息
刀具是現(xiàn)代生產(chǎn)制造行業(yè)的重要生產(chǎn)工具,尤其是在大型的以加工中心為主的制造車間中,由于刀具的種類繁多,數(shù)量龐大,如何解決刀具的庫(kù)存問題成為了重中之重。刀具的庫(kù)存是機(jī)加工行業(yè)再生產(chǎn)過程中為滿足自身生產(chǎn)而對(duì)刀具進(jìn)行必要的貯備,對(duì)保證生產(chǎn)的正常進(jìn)行起著至關(guān)重要的作用。刀具庫(kù)存信息可查詢現(xiàn)有刀具類型及庫(kù)存數(shù)量、刀具儲(chǔ)存位置信息、刀具使用狀態(tài)信息、刀具壽命信息等。
3.1.4 采購(gòu)信息
刀具采購(gòu)可在現(xiàn)有刀具庫(kù)中增加刀具庫(kù)存量,也可將備選刀具庫(kù)中等刀具添加到現(xiàn)有刀具庫(kù)中。若新采購(gòu)的刀具未在備選刀具庫(kù)中錄入信息,也可在刀具庫(kù)中添加新的刀具信息。
3.1.5 借用/歸還
刀具借用/歸還包括三種狀態(tài),即合格、報(bào)廢和修配。當(dāng)?shù)毒叱霈F(xiàn)損壞時(shí),應(yīng)進(jìn)行修配處理,修理?yè)p壞的部分,配齊殘缺的部分。若經(jīng)相關(guān)工作人員檢驗(yàn)、審批,確認(rèn)刀具已達(dá)到報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn),無(wú)法進(jìn)行修配時(shí),對(duì)刀具作報(bào)廢處理,同時(shí)記錄相關(guān)信息。
3.1.6 配送信息
工藝設(shè)計(jì)人員完成數(shù)控加工程序的編制后,刀具配送人員根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃指令,按照刀具列表進(jìn)行刀具準(zhǔn)備、調(diào)度,提前進(jìn)行刀具配送,協(xié)調(diào)與管理刀具物流。刀具的配送信息應(yīng)與工件圖號(hào)及加工工序相關(guān)聯(lián)。
針對(duì)企業(yè)對(duì)項(xiàng)目整體信息、刀具選用信息、數(shù)控程序、加工參數(shù)信息等功能管理的需求,并實(shí)現(xiàn)刀具信息快速查詢與選配及相關(guān)加工參數(shù)的推薦。本系統(tǒng)構(gòu)建了相應(yīng)的工藝管理模塊,以實(shí)現(xiàn)對(duì)項(xiàng)目信息、刀具查詢與選配及加工參數(shù)推薦的功能模塊的建立。
3.2.1 基礎(chǔ)信息管理
基礎(chǔ)信息管理包括三部分:(1)新建工藝信息,其中一個(gè)工藝信息新建的具體流程如圖2所示;(2)查詢已完成工藝信息。可以查詢的信息包括工件參數(shù)信息、刀具選用信息、數(shù)控程序代碼、工藝數(shù)據(jù)等;(3)查詢正在進(jìn)行中的工藝進(jìn)度及信息。可以查詢的信息包括工件參數(shù)信息、刀具選用信息、數(shù)控程序代碼、加工參數(shù)信息、工藝進(jìn)度信息等。

圖2 新建工藝信息流程圖Fig.2 New Process Information Flow Chart
3.2.2 刀具選用管理
刀具選用有快速選用和條件篩選兩種方式。快速選用適用于員工較熟悉的刀具,員工可通過直接輸入刀具編碼來(lái)快速查找刀具。條件篩選是按照工件材料、刀具加工類型、刀具材料、刀片形狀、刀具牌號(hào)、涂層、硬度等條件對(duì)刀具進(jìn)行篩選,以查找到適合的刀具信息。
3.2.3 加工方案推薦
用戶新建工藝信息,進(jìn)行刀具選用的過程中,系統(tǒng)根據(jù)用戶輸入的工件信息(工件類型、材料等)及刀具篩選信息(刀具加工類型、刀具材料、刀片形狀、刀具牌號(hào)、涂層、硬度等),智能推薦已完成工藝信息中的相似案例。用戶可查看這些相似案例中的刀具選用信息、數(shù)控程序信息及加工參數(shù)信息,作為當(dāng)前工藝信息刀具選配和加工參數(shù)設(shè)計(jì)的參考。
3.2.4 數(shù)控程序管理
數(shù)控程序管理包括定版、發(fā)放、審批、存儲(chǔ)及變更,如圖3所示。編寫的數(shù)控加工程序經(jīng)試加工檢驗(yàn)符合要求后,將進(jìn)行固化作為最終使用版本。程序的發(fā)放應(yīng)經(jīng)過相關(guān)管理人員的審批,所有程序發(fā)放都應(yīng)在系統(tǒng)中做記錄。程序的存儲(chǔ)方式應(yīng)按照相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。若程序后續(xù)需要進(jìn)行變更,可在系統(tǒng)中進(jìn)行改版及變更操作。

圖3 數(shù)控程序管理內(nèi)容Fig.3 Nc Program Management Content
3.2.5 工藝數(shù)據(jù)管理
經(jīng)過數(shù)控程序處理的加工參數(shù)信息(主軸轉(zhuǎn)速、切削速度、進(jìn)給量、切削深度等)按照一定的模板樣式生成工藝數(shù)據(jù)表并錄入刀具庫(kù)信息管理系統(tǒng)進(jìn)行管理。需要時(shí)可將報(bào)表導(dǎo)出為文檔格式或直接在系統(tǒng)中打印。
為了讓操作人員有效、安全地使用系統(tǒng)功能,需對(duì)所有的操作人員實(shí)行有效地分類管理。基于這種原因開發(fā)了用戶管理系統(tǒng),該系統(tǒng)主要的功能是對(duì)用戶信息、用戶權(quán)限及用戶日志進(jìn)行相關(guān)的管理。
3.3.1 用戶信息維護(hù)
用戶基本信息包括用戶名、登錄密碼、所屬部門、職位、聯(lián)系方式等。
3.3.2 用戶權(quán)限管理
為了維護(hù)刀具庫(kù)信息管理系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全,保障系統(tǒng)正常運(yùn)行,需對(duì)使用本系統(tǒng)的所有用戶進(jìn)行權(quán)限管理,為不同角色的用戶設(shè)置不同的權(quán)限,通過這種方式來(lái)限定每個(gè)用戶所能進(jìn)行的操作及所能完成的工作。
系統(tǒng)用戶分為一般用戶、設(shè)計(jì)人員、系統(tǒng)管理員等,每種角色的權(quán)限與職能如下:(1)一般用戶:登錄系統(tǒng),修改個(gè)人信息;查詢刀具信息及工藝信息。(2)設(shè)計(jì)人員:登錄系統(tǒng),修改個(gè)人信息;查詢刀具信息及工藝信息;修改刀具基礎(chǔ)信息、技術(shù)信息、庫(kù)存、采購(gòu)、借用/歸還、配送等;修改工藝信息,進(jìn)行刀具選配,確定工藝方案;數(shù)控加工程序、工藝數(shù)據(jù)等信息的定版、審批、變更等。(3)系統(tǒng)管理員:登錄系統(tǒng),修改個(gè)人信息;添加或刪除用戶;修改用戶權(quán)限信息;查看及維護(hù)用戶日志信息。
3.3.3 用戶日志管理
為了維護(hù)刀具庫(kù)信息管理系統(tǒng)及其用戶的網(wǎng)絡(luò)安全和信息安全,應(yīng)以日志的形式保存不同用戶在系統(tǒng)中所進(jìn)行的操作、修改等,并進(jìn)行管理和維護(hù)。這些日志數(shù)據(jù)能夠幫助用戶提前發(fā)現(xiàn)和避開災(zāi)難,并且找到安全事件的根本原因。
本開發(fā)軟件基于C#語(yǔ)言開發(fā),采用ORACLE數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)作為支撐。將企業(yè)現(xiàn)有的刀具基礎(chǔ)信息、刀具技術(shù)信息、刀具庫(kù)存信息及已經(jīng)固定的相關(guān)工藝數(shù)據(jù)導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫(kù)中,并錄入管理人員及操作人員的相關(guān)信息及權(quán)限。應(yīng)用B/S三層架構(gòu)體系,將系統(tǒng)分為表示層、應(yīng)用層與數(shù)據(jù)層。為了使系統(tǒng)具有良好的可編程與可擴(kuò)展性,采用了MVC(Model View Control)設(shè)計(jì)模式,應(yīng)用面向?qū)ο蟮木幊趟枷耄瑢④浖膽?yīng)用模塊劃分開來(lái),減少了代碼的冗余與繁復(fù)。具體開發(fā)技術(shù)采用Microsoft推出的ASP.NET,以Microsoft Visual Studio 2017為集成開發(fā)環(huán)境,使用JavaScript處理前端需求。結(jié)合企業(yè)的功能需求,將系統(tǒng)劃分為刀具管理與配送管理兩大塊。刀具管理又分為庫(kù)存管理、業(yè)務(wù)操作和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)三大模塊。其中庫(kù)存管理包括刀具信息管理與庫(kù)房信息管理;業(yè)務(wù)操作包含采購(gòu)單、采購(gòu)入庫(kù)、借用單、歸還等信息管理;基礎(chǔ)信息包括部門、工種、人員、供應(yīng)商、操作員及工件等信息管理,系統(tǒng)的主界面如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)主界面Fig.4 System Main Interface
庫(kù)存管理,業(yè)務(wù)操作和基本數(shù)據(jù)模塊中的信息與數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)表一一對(duì)應(yīng),并用于對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)執(zhí)行相應(yīng)的操作。目前,共設(shè)計(jì)了20個(gè)數(shù)據(jù)表,包括工具信息表,工具類別表,工具庫(kù)存表,工具供應(yīng)商信息表和管理員信息表。使用邏輯關(guān)系結(jié)構(gòu)模型完成數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)并建立數(shù)據(jù)表之間的外鍵約束關(guān)系。并以之構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)的關(guān)系結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的關(guān)系結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)系結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Database Relationship Structure Diagram
以刀具信息管理為例,如圖6所示為刀具信息管理界面,其中左側(cè)導(dǎo)航欄中顯示了刀具信息管理模塊根據(jù)企業(yè)需求包含了“刀具庫(kù)”、“工裝庫(kù)”、“量具庫(kù)”、“產(chǎn)品庫(kù)”、“高渦葉片”及自定義的“我的刀具”等庫(kù)存信息。右側(cè)顯示了數(shù)據(jù)表中存儲(chǔ)的刀具信息,操作人員可根據(jù)刀具名稱或刀具編號(hào)進(jìn)行模糊查詢,也可通過添加、修改、刪除等按鈕進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)信息操作。

圖6 刀具管理信息界面Fig.6 Tool Management Information Interface
刀具信息管理模塊與工件信息管理模塊通過相關(guān)的工藝流程聯(lián)系起來(lái),每一個(gè)工藝流程分為若干個(gè)工步,每個(gè)工步對(duì)應(yīng)于單個(gè)工具,并且工具表還包括相關(guān)刀片和輔助工具的組成信息。工藝流程對(duì)應(yīng)了相關(guān)的生產(chǎn)線,實(shí)現(xiàn)了刀具和工件與生產(chǎn)線的信息銜接。生產(chǎn)操作人員可進(jìn)入工件管理界面,根據(jù)具體所要加工的工件,制定相應(yīng)的工藝流程,并在工藝流程中添加若干個(gè)工步,在每個(gè)工步中,將依照已經(jīng)固化的生產(chǎn)流程,推薦若干個(gè)可選用的刀具,如圖7所示。經(jīng)測(cè)試,系統(tǒng)各模塊相互之間的響應(yīng)均快速準(zhǔn)確,保證了生產(chǎn)流程的效率,滿足了企業(yè)的生產(chǎn)需求。

圖7 工件管理界面Fig.7 Workpiece Management Interface
智能刀具管理及選配系統(tǒng)是一個(gè)技術(shù)性和實(shí)用性很強(qiáng)的研究課題,該項(xiàng)目的研究取得了如下成果:
(1)針對(duì)該航空發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)對(duì)燃油噴嘴生產(chǎn)線刀具管理的個(gè)性化需求,完成了智能刀具管理及選配系統(tǒng)的需求分析,總結(jié)出刀具管理系統(tǒng)應(yīng)具備刀具信息庫(kù)、刀具狀態(tài)管理、刀具查詢與選配及加工參數(shù)推薦等功能。
(2)依據(jù)智能刀具管理及選配系統(tǒng)的需求分析,并綜合考慮生產(chǎn)工藝與生產(chǎn)效率的影響,完成了系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì),將系統(tǒng)劃分為刀具管理、工藝管理及用戶管理三大功能模塊,使刀具的管理更加精細(xì)、準(zhǔn)確。
(3)采用B/S三層架構(gòu)體系/使用MVC(Model View Control)設(shè)計(jì)模式并應(yīng)用面向?qū)ο蟮木幊趟枷耄瑢?shí)現(xiàn)了燃油噴嘴生產(chǎn)線智能刀具管理及選配系統(tǒng);并以刀具信息的管理為例,對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了應(yīng)用展示。
該項(xiàng)目所述的航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴生產(chǎn)線智能刀具管理及選配系統(tǒng)的成功應(yīng)用,不僅對(duì)該航空發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)的刀具管理系統(tǒng)智能化升級(jí)起到了積極的推動(dòng)作用,也對(duì)其他制造企業(yè)的刀具智能化管理提供了參考。