智慧夾具運維平臺設計與應用

胡永泉 何航 盧慧 高弘博

(1.成都紡織高等專科學校 四川成都 611731; 2.四川逸航星云科技有限公司 四川成都 610199)

隨著信息化技術與工業技術的不斷進步，精密設備與元器件的需求不斷增大。夾具作為數控機床加工過程中的輔助穩定裝置，是確保加工件精確度和效率的關鍵[1-2]。然而，由于夾具管理自動化、信息化水平不足導致夾具磨損嚴重、維護保養不及時，直接影響了夾具的使用周期。利用物聯網、人工智能等前沿信息化手段提高夾具管理與維護的自動化、智能化水平，是推動現代化制造業發展的關鍵要素之一。

1 需求分析

在實際生產過程中，夾具的磨損程度會直接影響精密設備與元器件生產的質量，根據夾具損壞程度及時進行維護和保養是延長夾具使用周期和確保安全生產的關鍵[3-5]。然而，目前夾具磨損程度判斷主要依靠車間工作人員經驗，從而導致維護保養不及時，廢品率增高等后果。鑒于此，如何提高夾具磨損程度監測的自動化和智能化水平，確保維修和保養的及時性，成為夾具管理的重點[6-7]。

智慧夾具管理平臺采用物聯網技術自動采集設備生產過程中夾具的關鍵參數與圖像，并采用人工智能算法對數據和圖像進行實時分析與處理，從而進行夾具工程狀的判斷和磨損程度的預測。對于異常情況，平臺及時給出預警，提醒工作人員及時進行保養和維護。與此同時，平臺通過互聯網技術對夾具全生命周期（從入庫到報廢）數據進行集中管理，從而實現夾具運維的自動化與智能化水平。

2 平臺設計

2.1 平臺架構設計

智慧夾具管理平臺采用MVC的設計思想，將業務邏輯、平臺人機交互和底層數據訪問相分離。平臺各模塊之間采用高內聚、低耦合的設計原則，確保各模塊之間彼此獨立、依賴性低。在最大程度上確保系統具有較好的魯棒性[8-10]，可通過較少的修改來適應需求的不斷變化，從而確保平臺具有良好的擴展性與維護性。

平臺采用分層設計，整體共分為4層，分別為感知層、網絡層、應用層、展示層。其中感知層負責完成數據的采集；網絡層負責完成數據的傳輸；應用層負責完成數據的提取、分析、挖掘和決策等；展示層負責完成數據的可視化展示、用戶與平臺的交互等。

2.2 平臺技術路線

智慧夾具管理平臺在研發過程中使用J2EE 技術體系[11-12]，后臺采用SpringBoot + MyBatis 進行開發，前端使用漸進式JavaScript 框架Vue，UI 界面采用基于Vue的組件庫Element UI，數據庫采用MySql，平臺以結構化的數據庫為基礎，通過JSON 統一數據交換格式、完成前端與后臺的數據交互。

為方便現場工作人員操作，智慧夾具管理平臺在提供PC端Web應用的同時，同步研發了移動端應用程序。使現場工作人員通過手機、平板等移動端設備就可進行入庫、出庫、報修、報廢、狀態信息查看等操作，極大提高了夾具運維管理的效率。

移動端App 應用采用uni-app 前端應用框架進行研發，UI界面采用Vant組件庫，具有一次開發，普遍適配的特點。所以，開發代碼可適配安卓、iOS，以及各種小程序（微信、支付寶、百度、頭條、飛書、QQ、快手、釘釘、淘寶）。此外，移動端App應用與PC端Web應用共用后臺數據庫與訪問接口，極大降低了不同平臺開發的時間成本，節約了人力和物力投入。

2.3 平臺功能組成

智慧夾具管理平臺本著功能豐富、界面美觀、操作簡單的設計原則，在對市面使用的夾具管理平臺充分調研基礎上，確定了平臺功能組成。平臺功能模塊包括：個人信息維護、夾具信息查詢、夾具庫存管理、夾具數據監測、報修報廢管理、數據分析統計、數據可視化展示等。智慧夾具管理平臺主要功能模塊如圖1所示。

圖1 智慧夾具管理平臺功能模塊

2.4 數據庫設計

數據庫設計目標和原則主要體現在數據集中存儲、數據的結構化、規范化和標準化、數據結構適應性、數據共享性、安全和訪問控制等方面。在充分了解智慧夾具管理平臺需求基礎上，采用值約束、結構約束、動態約束等手段，確保表結構滿足完整性、正確性和相容性原則。平臺數據庫表主要包括夾具表（fixture）、夾具數據表（fixture_data）、訂單表（orders）、維修表（repairs）、報廢表（scrap）、庫存表（warehouse）、用戶表（user）、員工表（user）、部門表（section）、角色表（role）、權限表（privilege）、數據字典（data_dict）等。

智慧夾具管理平臺采用數據集中存儲方式，然而不同夾具采集數據的頻率差異較大。若采用常規的設計方式進行數據庫設計，當數據量較大時數據查詢效率會產生明顯下降。鑒于此，智慧夾具管理平臺引入分庫分表中間件（Sharding Sphere），將采集頻率較高的表進行分庫分表設計，從而滿足多用戶開發以及數據快速查詢的需求。在引入數據庫中間件后，數據流流向變為：夾具→數據庫中間件→數據庫→數據應用（包括基礎數據管理、大屏展示、數據可視化等）。

2.5 平臺特點

2.5.1 結構性強

智慧夾具管理平臺在設計上采用分層結構，總體由4 層結構組成，層次分明。平臺通過統一調度模塊進行集中控制，平臺整體結構清晰，業務邏輯與功能模塊一一對應。

2.5.2 擴展性好

智慧夾具管理平臺在設計上考慮用戶未來對業務發展的新需求，對于每個功能采用模塊化設計，每個模塊基于組件進行開發，便于平臺統一控制和調度。與此同時，平臺各個功能模塊相對獨立，彼此之間通過接口完成數據傳輸，平臺具備良好的擴展性。用戶可根據實際業務需求選擇不同模塊進行組合，從而滿足不同場景下的業務需求。

2.5.3 實用性強

智慧夾具管理平臺設計選用了目前較為先進且開放性好的Java框架，采用了模塊化的組織方式，使系統具有良好的可擴展性，各個模塊之間通過精心設計的接口進行通信，并充分考慮到了未來業務擴展的需要，預留了大量的接口。通過Web瀏覽器便可以進行任務調度配置、夾具位置調整、各種查詢操作。此外，結果顯示采用列表或圖形的形式，讓用戶一目了然。

2.5.4 安全性高

智慧夾具管理平臺采用雙重安全機制確保訪問與數據安全。從物理層面出發，平臺將Web 服務程序和數據庫分別部署在兩臺服務器上，即使Web 服務受到攻擊，數據也不受影響，從源頭確保數據安全；從平臺訪問認證出發，平臺采用token認證+salt密碼鹽校驗方式，嚴格的權限管理體系，使非法用戶無法進入本系統，而且合法用戶也只能進行其權限允許范圍內的操作。此外，軟件還增加系統日志記錄功能，可將對關鍵數據的操作進行實時記錄，以便實現回溯追責。

3 平臺主要功能

3.1 用戶管理模塊

智慧夾具管理平臺通過角色控制用戶的訪問權限。平臺共分為3種角色，分別為車間員工、車間經理和系統管理員。用戶管理模塊主要功能包括用戶注冊、角色綁定、權限分配、密碼重置等。普通員工和經理可通過平臺查看和更新個人信息，管理員用戶主要完成對平臺所用用戶的統一管理和訪問監督。

3.2 數據采集模塊

數據采集模塊采用物聯網技術自動化采集精密元器件加工過程中夾具的關鍵參數與圖像信息，并通過數據傳輸模塊將采集的數據自動上傳至遠程數據庫進行持久化保存，為狀態監控和報修報廢業務開展提供數據源。與此同時，系統管理員可通過數據字典修改數據采集的頻率，從而滿足不同場景下的業務需求。

3.3 狀態監控模塊

智慧夾具管理平臺基于數據采集模塊上傳的夾具狀態參數與圖形圖像信息，采用人工智能算法對數據進行分析與處理，對夾具運維狀況進行實時監控、對夾具的磨損情況進行趨勢預測。當夾具運行異常時，平臺通過聲音報警和短信提示等方式及時提醒工作人員進行情況確認，從而確保夾具得到及時的保養或報廢，確保生產的安全性與可靠性。

3.4 庫存管理模塊

庫存管理模塊主要實現對夾具入庫、出庫信息的智能化管理。與傳統信息錄入方式不同，智慧夾具管理平臺基于夾具相關信息生成對應的條形碼，通過射頻掃描的方式完成夾具信息的讀取，從而實現夾具庫存信息的更新與維護。平臺同時提供夾具庫存統計信息的可視化界面，使用戶直觀了解夾具庫存的變化情況，以便對庫存過剩、庫存短缺及時處理，從而達到節省庫存費用、減少制造成本的目的。

3.5 報修報廢管理模塊

智慧夾具管理平臺報修模塊根據狀態監控模塊的預警信息及時安排現場工作人員進行夾具運行情況確認。若夾具存在異常情況，現場人員通過報修模塊完成報修單提交，提醒維保人員及時對夾具進行維修，并將維修情況通過平臺進行記錄，形成信息閉環。報廢模塊根據夾具磨損預測結果提醒維保人員對夾具使用壽命進行確認，對于影響生產精度的夾具及時進行報廢處理。

3.6 分析統計

智慧夾具管理平臺分析統計模塊根據用戶輸入的條件（時間、類別、狀態）進行統計與匯總，并將結果以圖形可視化的方式進行直觀展示。用戶通過統計圖表可以直觀了解夾具的庫存、報修、報廢等情況，有助于了解不同夾具性能指標與使用規律。

3.7 數據可視化

智慧夾具管理平臺采用孿生大屏可視化方式將夾具運維的關鍵參數、實時圖像、分析統計過程與結果數據、預警信息等與三維夾具模型進行綁定與展示。用戶可通過大屏直觀了解夾具的實時工作狀態，改善由于人為因素造成的管理維護滯后現狀，從而提高夾具管理的信息化與智能化水平。與此同時，用戶可通過孿生大屏提供的交互功能動態了解夾具不同維度數據的變化情況，在較大程度上提高了用戶的操作體驗。

4 結語

智慧夾具管理平臺采用物聯網、人工智能等前沿的信息化手段提高了夾具管理的自動化與智能化水平，改善了人為經驗造成的保養維護不及時、廢品率偏高等現狀。在較大程度上節約了人力成本，提高產品生產效率，具有較強的推廣價值。