（航空宇航制造工程专业论文）mes下的刀具管理及信息追踪技术研究.pdf

西北工业大学硕上学位论文 摘要 摘要 随着制造企业之间的竞争越来越激烈，为了及时准确掌握企业底层具体加工 信息来指导上层做出合理正确的决策，企业对生产车间底层信息的实时跟踪和采 集提出了更高的要求。对数控刀具信息的实时采集和跟踪，可以减少制造单元的 加工准备时间，可以有效提高制造单元对刀具的调度以及对工序的安排，进而提 高整个制造单元的生产效率。本文从这样的背景出发，对m e s 下底层信息采集 中的刀具信息采集进行了以下研究： 1 根据数控刀具可能参与的所有业务，对刀具的全寿命周期模型进行了分 析，并对刀具的信息模型进行了归纳，根据企业的切实需求给出了一套 刀具管理及信息追踪解决方案。 2 针对数控刀具独特的加工性能和需要，在进行了对比研究的基础上，给 出了套合理可行的数控刀具标识方案，并根据企业的具体情况设计了 符合要求的刀具编码方案。 3 研究了数控机床联网以及数控刀具在线信息追踪采集问题。通过采用现 有成熟技术并进行适当处理，实现了系统与对刀仪，系统与数控机床的 联网并成功进行刀具信息追踪采集，在此基础上，根据企业需要，对刀 具寿命进行了初步管理。 4 刀具管理及信息追踪系统实现。在分析了企业需要，以及系统的功能和 体系结构后，利用u m l 等工具进行了系统设计，采用j a v a 语言与o m c l e 数据库技术实现了系统，并在具体车间进行了实例验证和具体应用，初 步达到了预期目标。 关键词：m e s ，、刀具，信息追踪，标码技术，d n c 技术 西北工业大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t a l o n gw m l 也ec o m p k t eb e t w e e nc o r p o r a t i o n sb e c o m em o r ea n dm o r ei 证i o u s ， r o rm es a k eo fm a s t e rt h ei d i o g r a p h i ci n f o 册a t i o no ft h eb o t t o mo ft h ec o r p t o s u p e n r i s ef h et o po ft h ec o r p t om a k et h ec o r r e c td e c i s i o n ，h i g h e rr e q u i r e m e n tt ot 1 1 e r e a l t i m ei n f o 肌a t i o nc o l l e c t i o na 1 1 d 廿a c k i l l go fe n t e 印r i s eb o t t o mm a l l h c t l l r i n gc e 儿 i sp mf o n a r d t h et o o l r e a l m m ec o l l e c t i n ga n dt r a c k i n gc a i lr e d u c et h ep r e p a r et i m e o fm em a n u f a c t l l r i n gc e l l ，i m p r o v e 血ea n e m p e ro ft h et o o la i l dt h es c h e d u l eo ft h e p r o c e s s e sa v a i l a b ly ，t b e ni m p r o v et h ep r o d u c er a l co fa l lt h em a 工l u f k t u r i n gc e l l b a s e do nm eb a c k g r o u n da _ b o v e ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e s 也et o o li n f oc o l l e c t i o no ft h e d a t ac o l l e c t i o nb a s e do nm e sa sf o l l o w s ： 1 a n a l y z et h ec y c l e l i f em o d e l o ft o o l f 0 1 l o w i n g a l lo ft 1 1 ep o s s i b l e o p e r a t i o n s ，a n dc o r l c l u d et h ei n f o m a t i o nm o d e lo ft h et o o l ，p u to u tas o l v e p r o j e c t 。f t o o lm a n a g e n l e n ta n di 缸b m a t i o nt i a c k i n g 2 c o n t r a p o s et l es p e c i a ln e e da 工l dm a n u f a c 嘶n gc a p a b i l i 饥p u t o u to n e l o g i c a la n df e a s i b l ep r o j e c to f 廿1 et 0 0 1m a r ki d e n t 谒c a l i o nb a s e do nt h e r e s e a r c ha n d c o m p a r e ， a i l d d e s i g n ac o r r e c tm a r kr e g u l “o nf 西t h e i d i o g r a p h j cc o r l d i t i o no f t h ec o r p o r a t i o n 3 r e s e a r c hm en e t 、v o r ko f t h el a t h ea n dt o o lo n l i n ei n 工b 玎n a t i o nc o l l e c t i o na n d t r a c k i n g t 1 1 r o u 曲d e a l i n gw i t ht h er e s u l t sw h i c hb a s e do nt h ec u r r e m t e c h n 0 1 0 9 y ，s y s t e mr e a i i z ei m e 斟a t i o n 晒t ht 0 0 1d e t e c t i v ea i l dl a t h e ，r e a l i z e n l et r a c k i n ga n dc o l i e c t i n gt o o l 纽f o r m a t i o n a 以u p o na l lo ft 1 1 e s e ，m a k ea l i m er e s e a r c ho nt 0 0 1l i f em a n a g e m e n t 4 t h er e a l i z a t i o no f 廿l et o o lm a n a g e m e n ta n di n f b m l a t i o nt r a c k i n gs y s t e m a r e ra 1 1 a l y z et h en e e do ft h ec o r p o r a t i o n ，t h ef u n c t i o n sa n dt h es t r u c t l 】r eo f t h es y s t e m ，d e s 追nt h es y s t e mb yu m lm o d e l i n gt o o i ，r e a l i z et h es y s 始m u s i n gj a v ap r o g r 扣砌i n gl a n g u a g ea 1 1 do r a c l ed a t a b a s et e c l l l l o l o g ya n du s e i h es y s t e mi nam a n u f a c t u r i n gc e l l ，o b t a i nm ep r e t a 唱e t k e yw o r d s ：m e s ，t o o l ，i n f o r m a t i o nt r a c k i n 舀c o d et e c h i q u e ，d n ct c c h n i q u e i i 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1m e s 中的刀具管理 制造执行系统缸u f a c t i l r i n ge x e c 呖s y s t 锄，简称m b s ) 的概念最早形成 于上世纪8 0 年代末，进入2 0 世纪9 0 年代逐渐成形并获得迅速发展。它的产生 有着明显的时代特征。人类社会进入2 0 世纪9 0 年代后，世界经济逐步朝着一体 化的趋势发展，这种变化更加促使了竞争的加剧。在这种日益增大的竞争压力下， 为了保持自己的竞争力和影响力，各种生产管理和控制方式，如物料需求计划 姗r p ，制造资源计划姗r p ，准时生产j r r ，最优生产技术0 p t ，以及精良生 产l p ，敏捷制造a m 等技术相继出现。纵观这些方法，从生产管理角度它们都 有共同特点，即强调计划的执行【1 l 。根据先进制造理论，如果想让编制的生产计 划有效执行，很重要的保证是底层制造过程、控制系统和员工必须有效集入到计 划体系中【2 】。为此，将计划与制造过程统一连接起来的制造执行系统就应运而生 了【3 1 。 咖巳s 是美国管理界上世纪9 0 年代提出的新概念，美国先进制造研究机构 ( a d v a n c c dm a n u f a c t i l 血gf e s e a r c h ，a m r ) 将m e s 定义为“位于上层计划管理 系统与底层工业控制之间的、面向车间层的管理信息系统”【4 】。m e s a 【5 】( m e s 国际联合会) 对m e s 的定义是：m e s 能通过信息传递对从订单下达到产品完成 的整个生产过程进行优化管理当工厂发生实时事件时，m e s 能对此及时做出 反应、报告，并用当前的准确数据对它们进行指导和处理。这种对状态变化的迅 速响应使m e s 能够减少企业内部没有附加值的活动，有效地指导工厂的生产运 作过程，从而使其既能提高工厂及时交货能力，改善物料的流通性能，又能提高 生产回报率。m e s 还通过双向的直接通信在企业内部和整个产品供应链中提供 有关产品行为的关键任务信息嘲。同时m e s a 还定义了m e s 应具备的1 1 个功能 模块： 资源分配和状态管理 操作详细排产 分配生产单元 文件控制 数据收集 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 劳动力管理 质量管理 过程管理 维护管理 产品跟踪和产品清单管理 性能分析 在m e s 的定义中强调了三点川： l 、m e s 的优化目标是整个生产过程； 2 、m e s 需要收集生产过程中大量的实时数据，并且能对实时事件进行处理； 3 、m e s 需要同时与计划层和控制层保持双向通信能力，从上、下两层接收 相应数据并反馈处理结果、发布生产指令。 刀具作为现代机械加工车间中最为活跃的生产要素，具有数量大，品种多， 体积小，更新速度快等特点，一般的小型数控加工车间的刀具配备量就可以达到 几千把，再加上刀片以及配套的零部件，总量可以达到上万把，品种可以达到几 百种。面对数量如此庞大的库存，传统的人工管理效率低下，寻找工具，配刀以 及借出、归还等都会消耗大量的时间，而对于时间就是金钱的现代工业，这会造 成车间加工效率的低下，成为现代数控车间的生产瓶颈。为了更科学有效地管理 和使用车间的刀具，国内外都开发了相应的刀具管理系统软件。 1 2 刀具信息追踪技术国内外研究现状 1 2 1 刀具管理技术国内外现状 一般的情况是( 以汽车制造厂为例) 间接的刀具费用占制造成本的3 0 ，这 部分费用没有被单独列出来，而是计入企业的一般费用里，因此刀具费用有很大 的节约潜力。 据山特维克的说法【川： 1 6 的计划作业停止是由于缺乏刀具造成的。 3 0 6 0 的刀具库存不在控制之中。 2 0 的机械师时间花费在查找刀具上。 4 0 8 0 的监督人员时间花费在寻求刀具上。 由此可以看出，刀具在现代加工企业中所占的比重非常大，而目前的管理 现状却使得刀具部分成了企业的加工能力瓶颈，限制了企业的核心竞争力。国内 外很多研究者也早已注意到这个问题，为此撰写了大量的论文并开发了一些相应 2 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 的刀具管理系统软件。尤其是最近几年来，刀具管理系统技术得到了长足的发展， 在国外，己经出现了不少商用的刀具管理软件，较具代表性的有【9 】： ( 1 ) 英国c 1 m s 公司的计算机用刀具管理系统( c 订s ) ： 它由一系列软件模块组成，可配置1 6 个终端，分别设置在刀具房、刀具预 调间、计量室和供应科室等处，各终端直接与中心数据库联网，整个系统的作用 可以概括为：改善刀具的发放时间及控制发放在外的刀具数量；不断更新刀具房 的库存信息，直接用刀具预调数据以调定刀具；提供刀具购置信息；提供刀具用 途分析报告。 ( 2 ) 美国c 缸l c i 蚰a l im i l a c r o n 公司的刀具管理系统软件包括以下五个方面的职 能： 为刀具库准备刀具；给各机床分派刀具；刀具的调度与搬运( 轨道) ；刀具检 测；刀具的信息处理。 ( 3 ) 德国的d e l k e l 开发的t o o lm a i l a 雪时计算机辅助刀具管理系统； 适合于加工单元、柔性制造系统甚至整个部门的刀具监视、规划和跟踪管理。 其软件功能包括：刀具的储备；刀架配备的优化；刀具装配安排；各零件对刀具 弱需求；刀具寿命规划。 二纂 “) 瑞典的s 锄d v i l ( 公司的成套商用刀具管理软件c o 均t 鹤； 童可使刀具管理实现自动化。该系统能监控刀具从有效地点进入刀具库，直至 机加工车间机床上的全部运行过程。它能保证在开始一批新工件的加工时，预先 对刀具作合理的准备，并对刀具的状态和工况进行监测。此系统能发现刀具的临 界状态和确定刀具库存量的合理性，大大提高了生产的柔性和可靠性以及设备的 利用率。该系统可在各加工阶段优化与刀具管理组织有关的各种因素，进而缩短 准备、结束时间，减少车间刀具存放量，提高刀具的使用寿命。 国内还没有成熟的产品化的刀具管理软件产品，绝大多数软件由企业和科研 院所根据企业的实际需求编制，主要目的是实现刀具信息的计算机管理，功能单 一，主要解决刀具的库存管理以及借入、借出等简单的动态管理。9 0 年代随着 研究的深入，国内些高校如东南大学、清华大学、西安交通大学、西北工业大 学和航空、兵器的一些研究所对自动车间环境下的刀具管理系统进行了深入的研 究，也开发一些与之相适应的刀具管理软件，但由于适合的系统投资高昂不适合 国情，该项研究也仅仅停留在理论和实验室阶段，实用价值不高。 纵观以上各个软件或者研究成果，可以发现，它们共同的特点是对刀具的管 理功能做得比较出色，但是对于刀具信息的跟踪采集却都有所欠缺。这方面做得 比较好的有中日合资宁夏小巨人公司智能生产中心的智能刀具管理系统( c v b 盱 t o o lm 锄a g e r ) 1 1 0 j 可以实现与c a p p 系统、计划调度系统以及数控机床刀具库的 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 数据交换，它能够根据c a p p 系统提供的刀具信息和计划调度系统提供的工作任 务信息对每台设备的刀库刀具数据进行分析，再针对每个加工任务提出：( 1 ) 加 工中需要，但未装入刀库的刀具清单；( 2 ) 刀库内多余的刀具清单：( 3 ) 刀库中 虽有但加工过程中将达到寿命期的刀具清单。然后通过网络将这些信息发送到每 个相应的加工单元和刀具室，有了这些信息，操作者和刀具管理人员就可对刀具 进行快捷、高效的管理。体现了相当高的应用水平。在这个全自动的管理系统中， 对于刀具信息的采集是通过射频方式进行的。射频有其优点，但是也有其缺点， 尤其是在刀具信息的跟踪采集上。 在自动化加工中，最为常见的故障便是刀具状态的变化，因此刀具状态监测 是加工过程监控【1 1 1 3 】最为重要、最为关键的技术之一，也是刀具管理系统中刀 具监测功能得以实现的技术支持。总的来看刀具的监测方法可分为直接监测法和 间接监测法。直接监测法的优点是有较高的测量精度。它的缺点是：i ) 一般只 能在不切削时进行，检测时要求停机，占用生产时间：2 ) 在线实时监测有一定 的困难，不能够检测出加工过程中出现的刀具突然损坏；3 ) 花费昂贵，且安装 存在一定的限制。而间接检测法就是通过监测与刀具磨损状态相关的物理信号来 估计刀具的磨损状态。常用于间接监测刀具状态的物理信号包括加工过程切削 力、功率、振动和声发射等，每一种物理量都有各自的特点。间接监测法可以方 便的实现刀具状态在线监测，此方法是刀具在线监测技术的重要研究方向，而研 究的关键是如何提高监测的可靠性。 1 2 2 刀具信息追踪技术国内外研究现状 刀具信息追踪的含义是对刀具信息进行全方位的追踪和掌握，即刀具的全 寿命周期信息追踪。不仅包括刀具在库房的信息及状态参数的追踪，还包括刀具 在库房外( 对刀，送磨，加工) 时的信息追踪和及时掌握。 纵观上述刀具管理软件，它们都涉及到了刀具信息追踪的范畴，刀具监控 主要实现刀具状态信息的采集，而刀具监测技术就是其实现的基本和基础。虽然 以上几种刀具管理软件对这方面均有涉猎，但是也都有其局限性，具体表现在以 下几个方面： 1 二次投资较高，不太符合现实国情。以上的几种刀具管理软件，均适合 在大型或自动化程度很高的数控加工中心或大型f m s 系统中运行，需要一个高 度自动化的车间环境来配合才能发挥其重要功能，而离开了那个环境，功能便大 打折扣甚至无法实现其功能。而且很多监测技术都需要安装相应的传感设备和相 应的软件来支持，这部分的投资相对也较大。 2 刀具信息采集不够全面。目前不少刀具管理软件可以初步做到刀具信息 4 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 的跟踪采集，但是采集的信息相当有限而且比较分散，只对某些典型的刀具状态 进行了跟踪采集，无法做到刀具的全寿命周期内的全方位信息追踪采集。只能监 测某些特定时间点或位置点的信息，不够灵活和精确。 3 刀具信息孤立，无法完全发挥其作用。现有的刀具管理软件均需特定的 场合和环境才能充分发挥其功效，对于m e s 制造执行系统而言可用信息不多， 而现有软件也无法与m e s 做到无缝集成，采集的信息无法做到物尽其用，对实 际生产的指导作用大大降低。 4 刀具信息追踪与采集多通过人工参与的办法进行，引入了不稳定因素。 对信息的可靠性造成影响，且对于无法人工参与的信息部分无法采集。 1 2 3 怔s 下刀具信息追踪技术的提出 综合分析以上各刀具管理软件的特点后可以看出，目前大多刀具管理软件在 刀具管理的计算机化，降低库存，节约成本等方面都做出了比较好的成果，在一 定程度上降低了工人的劳动强度，缩短了刀具的准备周期，提高了刀具和设备的 利用率。除了中日合资宁夏小巨人公司智能生产中心的智能刀具管理系统( c y b 盯 t o o im 孤a g 盱) 【10 】实现了较大程度的自动化和与外部系统的接口外，其它系统都 相对独立，无法使其信息做到很好的应用，更毋庸说把信息提供给m e s 系统进 行进一步分析处理以对车间生产进行更科学有效的管理和组织。 在数控加工过程中，从提出刀具需求到加工完毕整个流程中，所使用刀具的 位置信息、状态信息以及物理参数等信息都会发生变化，而这种变化与刀具的切 削能力、使用寿命以及完工质量等的关系都非常密切。现代机械加工中，大多质 量问题都直接或间接与刀具有关，比如加工过程中的突然断刀、崩刃等对工件造 成不可修复的误伤，对刀的偏差造成工件的超差或报废，刀具库存量的不足或特 定刀具的缺少使得加工被迫中断等，都会直接或间接影响数控车间的加工效率。 在这种情况下，如何在m e s 中及时有效地采集到所需的刀具信息就成为很迫切 的问题和需要。针对这种情况，本文提出了m e s 下刀具信息追踪技术的概念。 所谓巳s 下的刀具信息追踪技术，就是指在枷巳s 整体软件环境下，对数控车 间的每一把具体刀具进行全寿命周期的追踪和管理，即从购入后的入库，到其后 的借用，归还，送磨等不同状态以及在加工状态中的具体信息加以跟踪和采集， 并对采集到的信息进行及时有效的处理，并把结果反馈到m e s 系统中进行决策 分析，为m e s 中车间生产计划调度等的顺利执行提供坚实有效的基础。 5 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 课题来源和研究意义 1 3 1 课题来源 本论文受国家自然科学基金( 5 0 5 0 5 0 3 9 ) 资助，以m e s ( 制造执行系统) 为依托，拟通过刀具的标识、刀具信息采集和自动跟踪技术，并结合研q c 技术 和数据库技术来设计一套适合国内企业数控车间使用的刀具管理和信息追踪系 统。并希望由此带来数控车间乃至整个企业生产效率的显著提高。 1 3 2 研究意义 通过对数控车间中的刀具进行单个的信息追踪，及时获取刀具在加工中心或 数控机床上的动态信息，可以及时有效掌握整个车间的加工情况和具体任务进行 情况，可以为车间信息管理，生产计划调度管理，质量管理和车间制造成本管理 提供准确及时的信息反馈，实现数字化生产车间与企业级信息管理系统和决策系 统的信息共享和集成，使得m e s 系统可以完全有效地实现和发挥其功能，使企 业上层管理决策可以畅通无误地传达到底层生产车间，更可以使底层车间的信息 有效地传达到上层决策系统。单从数控车间来说，可以提高机床效率从而提高整 个数控车间的生产效率，进而提高整个企业的生产力和综合竞争力。 1 4 研究内容和章节安排 1 4 1 研究内容 刀具信息追踪的主要内容包括刀具信息的全寿命周期管理，主要从刀具的管 理和如何有效提高刀具的使用效率来提高整个数控车间加工效率方面进行了分 析探讨，提出了适合国内数控车间使用的刀具管理及信息追踪方法。此前已有不 少人在此方面做了不少工作。比如王苏安博士，其主要研究内容为基于w e b 的 刀具全寿命周期管理；殷锐硕士，她的主要研究内容为敏捷制造单元中的刀具标 识技术；曹丽欣硕士，其主要研究内容为提出了一套面向敏捷制造单元的刀具信 息跟踪方法。以上这些都为我的工作提供了一个良好的基础，本文的主要研究内 容包括： 1 刀具全寿命周期模型研究和刀具信息模型分析。本文从刀具的新购入库 直至报废出库的整个存活周期中提取期中的关键作业部分，分析了刀具的全生命 6 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 周期模型。从信息采集的角度对所要采集的信息进行了分析，并结合具体车间的 实际情况抽取重要的信息进行重点跟踪。引出了本文的研究重点和关键技术。 2 ，刀具标识技术的实际应用。跟踪刀具信息。首先必须解决刀具的识别问 题。由于刀具本身的一些特性，使得要实现对刀具的准确标识不是很容易，本文 在刀具标识和刀具编码上做了一些初步的探讨，并结合具体车间进行工程实际的 应用，通过具体试验，解决了一些工程实际问题。 3 系统与对刀仪的集成。对刀数据在数控机床外完成，可以节省很多的生 产准备时间，进而大大提高数控机床的生产效率。解决系统与对刀仪的集成问题， 有助于在对刀过程中减少人工干预，大大降低因人工参与而导致的次品和报废品 概率。结合具体车间的实际情况，给出了两种解决方案。 4 刀具在线信息追踪和处理。刀具在加工过程中的信息是不能像其他信息 那样由工人在控制台输入的，加工过程中刀具信息直接影响到产品的质量，对于 此类信息的采集和跟踪只能通过自动方式来实现。利用现有的机床联网软件迸行 二次开发，实现刀具在线信息的追踪采集和处理。 i 4 2 章节安排 论文共分为5 章： 第一章：绪论。主要介绍m b s 的产生和发展以及m e s 中刀具信息管理 帝追踪的重要性，突出了选题目的和意义。提出了m e s 下刀具信息追踪技术的 概念，最后介绍了本论文的研究内容和结构安排。 第二章：基于直接标识的刀具全寿命周期信息追踪系统分析。详细分析了刀 具全寿命周期信息变化情况，根据具体车间的实际情况，结合刀具信息追踪系统 分析了刀具编码和准确识别问题，进行了刀具全寿命周期的信息模型和业务流程 分析。 第三章：刀具信息在线追踪。结合m e s 对刀具在线状态的数据需要，分析 了m b s 下刀具信息追踪技术的几个重点和难点，并对d n c 技术，系统与对刀 仪的集成问题结合具体车间实际情况进行了分析研究。 第四章：刀具信息追踪系统的设计和具体实现。根据具体调研分析，采用 u m l 对刀具信息追踪系统的库存管理模块和在线跟踪模块进行了详细设计；对 系统底层数据库进行设计并实现；并就j a v a 实现数据库的操作进行了分析，完 成了m e s 下刀具信息追踪系统的开发，并在具体车间进行实际应用，给出了系 统运行实例 第五章：结束语。对论文进行总结，提出研究的不足之处，并对今后的工作 进行了展望，提出下一步工作方向。 7 西北工业大学硕士学位论文第二章基于直接标识的刀具全寿命周期信息追踪系统分析 第二章基于直接标识的刀具全寿命周期信 息追踪系统分析 2 1 刀具标识及自动识别 无论是在刀具库还是在数控机床或者数控加工中心上，要实现对单把刀具的 准确信息追踪，首先必须要解决的问题就是刀具的准确识别问题。由此，如何对 单个刀具进行有效的标识和准确的跟踪也是本系统实施的一个关键技术。 由于刀具是与工件直接接触的部件，在工作过程中所处的环境比较复杂和恶 劣，如何有效准确地区分和辨识刀具就是一个非常重要的问题。以下就分别对刀 具的标识和识别技术进行分别探讨，并对其在具体车间应用方面做了试验。 2 1 1 刀具标识技术 现今的标记方法有许多种“”，如丝网印刷、喷码、贴标签、冲模打标、直接 标刻等等。传统的印记方法都有着难以克服的缺点。例如贴标签速度侵且烦琐， 丝网印刷方法有易脱落的缺点，喷码不耐磨损，而金属冲模打标方法又有易破坏 零件质量的缺点。比较新的技术有刀具直接标刻技术。 刀具的直接标刻技术是基于条码技术“”之上的。直接标刻技术最主要的好处 是能够直接在物品表面形成永久性的甚至与物品同寿命的图形和文字。对于刀具 等金属物品，最有效的直接标刻技术是非接触激光光刻。对于刀具来说，因为可 用的面积很小，表面弯曲并且反光，激光光刻技术已经被证明是唯一能够保证图 象质量的标识技术“”。 激光标刻是近十几年随着激光技术发展而产生的一种新的标刻技术，它采用 计算机控制激光作为加工手段，其基本原理是：计算机控制具有较高能量密度的 聚焦激光束按预定的轨迹作用于机械零部件、电子元器件、仪器仪表等需要进行 标记的工件表面，材料表面吸收激光能量，在热斑区域内发生热激发过程，从而 使材料表面( 或涂层) 温度上升，产生变态、熔融、烧蚀、蒸发等现象，使表层 材料达到瞬间汽化，刻蚀出具有一定深度的条码，文字和图案等，从而在工件表面 留下永久性标记。 刀具作为一种消耗品，在生产加工中必然会有磨损和报废的情况，而且刀具 西北工业大学硕士学位论文第二章基于直接标识的刀具全寿命周期信息追踪系统分析 的物理性能直接关系到产品质量的好坏。因此，对其进行编码和标识，必须要考 虑这些因素。传统的标识方法比如贴标签，只适合带有托盘的自动跟踪系统使用， 但是对于刀具本身来说，由于在生产过程中需要经常装卸，会很快把标签磨损以 至于无法辨识，而且还有尺寸等影响因素，因此并不适合在其本身贴一个额外的 标签。而丝网印刷比贴标签要好一些，但是也一样要面对磨损和热以及电化学腐 蚀问题，编码的可识读性根本得不到保证，所以不适合用来做刀具标识方法。金 属冲模打标方法可以在刀具的非工作表面形成一个永久性的编码，但是对于高精 密加工的数控用刀具来说，其本身的性能是关系到产品质量的重要因素，在其上 冲模打标，极易破坏其金属结构和物理性能，从而对刀具造成不可挽回的创伤， 导致刀具的报废，检测刀具是否可用等过程，又会在另外的程度上增加企业成本。 综上种种考虑，传统的几种标识方法都不适合m e s 中的刀具追踪系统中的刀具标 识，而激光标刻技术作为一种现代精密加工方法，与腐蚀、电火花加工、机械刻 划及印刷等传统的加工方法相比，具有无与伦比的优势 1 l ： 采用激光做加工手段，与工件之间没有加工力的作用，具有无接触、无切 削力、热变形小的优点，保证了工件的原有精度。同时。对材料的适应性 较广，可以在多神材料的表面制作出非常精细的标记且耐久性非常好： 计算机软件提供了中西文及各种图形的图文混排功能，使设计及编辑能 力加强； 激光的空间控制性和时间控制性很好，对加工对象的材质、形状、尺寸和 加工环境的自由度都很大； 激光刻划精细，线条可以达到毫米到微米量级，图像无失真缺陷； 激光加工没有污染源，噪声小，是一种清洁无污染的高环保加工技术。 所以，本系统中的标识采用的是激光直接标刻技术进行基础支持。 在实际应用中，激光标刻可以较好地完成任务，值得注意的是小尺寸刀具的 标刻。在小尺寸刀具上进行激光标刻时，由于刀具本身尺寸较小，除去刀具编码 会产生较大的畸变之外，刀具本身曲率的较大变化也会影响标刻效果，由于激光 标刻是使用聚焦激光束对金属表面进行烧蚀，所以曲率大，必然导致聚焦的不准 确，从而使得打出的编码远不如在平面上清晰。通过试验得知，要提高刀具编码 的标刻效果。可以从两个方面着手：一是合理控制编码的大小，使刀具编码尺寸 控制在一个比较合理的区域内；二是标刻对焦时焦点选在编码区域两侧l 4 处， 由此可以使得条码标刻效果提高。 2 1 2 自动识别技术 自动识别技术呻1 是刀具标识技术中的一个关键技术。根据目前国际上通常的 9 西北工业大学硕士学位论文第二章基于直接标识的刀具全寿命周期信息追踪系统分析 定义，所谓的自动识别技术是指对字符、影像、条码、声音等记录数据的载体进 行机器自动识别，自动地获取被识别物品的相关信息，并提供给后台的计算机处 理系统来完成相关后续处理的一种技术。它是一种高度自动化的信息或者数据采 集技术，其中包含了自动识别、数据采集和移动计算三个方面的技术应用“”。自 动识别是指对字符、影像、条码、声音等记录数据的载体进行机器自动辨识并转 化为数据的技术，包括很多种识别技术，如条码识别、磁卡识别、射频识别、生 物特征识别、图象识别、语音识别等等，以条码识别技术、射频识别技术( r f i d ) 为代表。数据的采集是指对识读后的数据进行存储和传递的技术。移动计算技术 是依靠通讯技术实时或准实时地传递识读后的数据，这在国外物流技术中正在被 广泛采用。 目前刀具可以采用的识别技术主要包括：射频技术( r f i d ) 、条码技术伽。 r f i d 技术是以无线通讯的方式读取电子标签里包含的编码数据，其主要优 点是识读准确率高，非常适宜应用在物流领域中的产品上，但是它应用于刀具上 的局限性却也非常明显：第一，对于小尺寸刀具，要在其中嵌入一个电子标签而 不破坏其物理性能是非常困难的；第二，对于合适尺寸的刀具，嵌入一个“异物” 极有可能导致刀具物理参数的变化两导致其报废或可用工作寿命的降低，这将德 不偿失；第三，电子标签实行的是不同的几个标准，当前主要的r f i d 相关标准 有欧美的e p c 标准日本的u i d ( u b i q u i t o u si d ) 标准和i s o18 0 0 0 系列标准“。 而它们并没有统一，对于以后的使用和维护都会带来一定的麻烦；第四，r f i d 通常工作在1 2 5 k h z ( 低频段) 、1 3 5 6 删z ( 高频段) 和4 3 3 9 2 m h z 、9 0 0 姗z 和2 4 5 g h z ( 超高频段和微波段) 附近的频段，而通常的数控加工车间内的电磁干扰都比较 严重，会大大影响电子标签的识别准确率。除此之外，刀具编码需要逐个进行扫 描，而电子标签在这个方面的代价就显得太高昂，也无法发挥其本身固有的优势。 条码技术是迄今为止最为经济、实用的一种自动识别技术，更是实现制造资 源信息自动采集与输入的重要技术。条码技术具有以下几个优点嘲：第一：输入 速度快，与键盘输入相比，条码输入的速度是键盘输入的5 倍。第二：可靠性高， 键盘输入数据出错率为三百分之一，利用光学字符识读技术出错率为万分之一， 而采用条码技术误码率低于百万分之一。第三：采集信息量大，利用传统的一维 条码一次可采集几十位字符的信息，二维条码更可以携带数千个字符的信息，可 以包含图形或汉字，并有一定的自动纠错能力。第四：灵活实用，条码标识既可 以作为一种识读手段单独使用，也可以和有关识读设备组成一个系统实现自动化 识读，还可以和其他控制设备联接起来实现自动化管理。 综合以上分析研究，本系统采用的是激光直接标刻方法对刀具进行标识，即 在刀具的非工作表面用激光烧蚀一个与刀具同寿命的永久的一维或二维条码来 l o 西北工业大学硕士学位论文第二章基于直接标识的刀具全寿命周期信息追踪系统分析 唯一确定刀具的身份。系统在需要数据采集的各个地方分布放置了手持式和固定 式的条码扫描仪，用来对刀具进行准确识读和区分。 在实际应用中，由于刀具大多为圆柱形刀具，其上大都没有一块较大的比较 平整的区域用来做条码的标刻，只能选择刀身的非工作区域进行条码的标刻。由 于刀具的尺寸都不是非常大，导致条码的尺寸也相应受到限制。因为在圆柱形刀 身上进行标刻和识读，必然会遇到条码畸变的阿题。越是小尺寸的刀具，条码的 畸变越大，识读起来就越困难。而且标刻在小尺寸刀具上的条码本身就不能太大， 由此使其正确识读率大大降低。 而且在实际应用中发现，刀身的反光对于刀具编码的识读也是很大的影响因 素。由于目前所使用的刀具刀身表面光洁度都很好，所以在进行条码扫描的时候 会有较大的柱面反光。由于要控制刀具编码的畸变，迫使我们不能在刀身上标刻 比较大的二维条码，而条码太小的话，进行扫描时那道柱面反光又会把条码遮盖 住，给识读带来很不利的影响。二维条码的柱面反光如图2 一l 所示： 图2 1 二维条码识读时柱面反光示意图 要提高二维条码的识读率，可以采取的方案有以下三种：一是对刀身进行预 处理，使刀身部分的标刻区域产生漫反射以消除或减轻柱面反光的强度。这么做 的好处是可以增加编码的识读效果，此预处理要求不能损伤刀具本身的物理性 能。二是在刀具非工作端面进行标刻，刀具的非工作端面为一个平面，且具有较 大的标刻面积，是一个理想的标刻位置。此方法的缺点在于很多刀具的非工作端 面并不平整，表面有很多划伤，对于激光标刻出来的条码影响很大，识读效果反 而不好。要利用这个方法，可以先对刀具非工作端面进行预加工，但这又会增加 企业成本，而且可能改变刀具物理性能。三是采用增加辅助光源的办法，即在进 行条码识读的时候，增加一个额外的光源进行辅助照明，提高条码的识读率。此 方法简单，操作方便，但是还存在一定的局限性。 鉴于以上分析，在刀身上标刻二维条码进行识读有一定难度，要达到工业级 应用，还有不少问题需要深入研究，为此我们进行了一维条码的标刻和识读试验。 西北工业大学硕士学位论文第二章基于直接标识的刀具全寿命周期信息追踪系统分析 一维条码是由一些明暗相间的条纹组成，信息容量较小，但是识读效果比较 好，也是目前应用较广的一种条码。对一维条码进行柱面标刻也会遇到柱面反光。 但是这时的柱面反光却不会降低条码的识读率，因为此柱面反光会增加条码本身 的明暗对比，反而会对识读有帮助，一维条码的柱面反光如图2 2 所示： 图2 2 一维条码识读时柱面反光不意图 虽然一维条码在标刻和识读方面效果不错，但是其用在刀具上却有些缺点， 具体表现在如下两个方面：，一维条码信息容量小，占用的刀身面积大，对于 较小尺寸的刀具，标刻和识读都比较困难：二，一维条码相比于二维条码，纠错 能力太差，如果一维条码表面划伤比较重，或者条码被部分破坏的话，整个条码 便无法识读，给追踪带来极大不便。而刀具正因为工作时所处的环境恶劣，更容 易对条码产生污损和划伤，所以用一维条码虽然在开始可以取得不错的效果，但 是不利于长期使用。 而对于二维条码，虽然在光滑的柱面上识读效果不是很好，但是在经过处理 的柱面和普通的平面上却已经可以很好地进行识读，而且其可以在较小的面积上 存储非常大量的信息，更重要的是，二维条码本身具有很强的容错性能。在条码 破损的情况下它仍能实现较好的识读，而这点正是刀具条码标刻最重视的。所以 二维条码用在刀具刀身上进行标刻和识读也是未来的发展方向，只是需要在识读 的准确性和速度上做进一步更深入的研究以达到工业级应用水平。目前应用时， 我们才用增加辅助光源的方法来解决此问题，增加辅助光源要尽量采取侧光照 射，以尽可能光照均匀，图2 3 和图2 4 是在增加侧光的情况下抓取的二维条码 图像对比： 图2 3 未加辅助光源 1 2 图2 - 4 加辅助光源后 西北工业大学硕士学位论文第二章基于直接标识的刀具全寿命周期信息追踪系统分析 试验表明，在增加辅助光源后，识读率均有提高，尤其对于金属柱面的二维 条码识读帮助比较大，所以说增加辅助光源为提高二维条码识读率的一个有效方 法。 2 1 3 刀具分类编码研究 要准确对刀具进行识别，需要有一个良好的编码规则来对所有刀具进行统一 编码。编码田j 要遵循一定的原则：使用国家标准的码制编码，编码采用分类码 与顺序码相结合的结构；要保证编码的唯一性、独立性；要有部分可读性；有较 强的可扩展性。 到目前为止还没有一种统一的通用的刀具编码系统，一般是根据制造系统的 复杂程度和信息系统的具体要求来制定。刀具作为企业资源的一部分，各个企业 都有其特有的内部编码原则，然而这些编码规则只是针对刀具类型，而不是针对 每一把具体的刀具，不能满足刀具信息追踪系统对每一把刀具都唯一标识的要 求。 根据对某数控车间的调研分析，发现其主要任务是金属切削类任务，主要用 的是铣削类的刀具，而其中最常用的是中6 0 2 0 的刀具，其内部分类方法是按 爨刀具种类进行划分( 2 3 1 有介绍) ，由此，我们为其设计了一套编码方案。 对于数控刀具中的刀柄来讲，无论是少数专用刀柄还是通用刀柄，其非工作 嚷面都比较多，而且面积都比较大，利用激光直接标刻法在其任一非工作表面进 行标刻都可以达到比较好的识读效果，对于o1 5 以上的柱面标刻，可标刻模块 宽度为4 的条码，条码识读率都可达到9 0 以上圆。对于刀具，因为尺寸跨度 比较大，所以有两种编码方式可以选择对于比较大的即尺寸在m1 2 以上的刀 具，我们采用大编码方式，即二维码标刻方式，这种方式的优点是可以在较小的 面积上存储尽可能多的信息，而且对于m 1 2 以上的刀具，柱面标刻数据量有限 的情况下，可以实现较高的准确识读率。对于中1 2 以下到0 6 甚至更小的刀具， 由于尺寸的减小，刀具的柱面弧度相对变大，使得二维条码的识读可靠性大大降 低，对于这种情况。采用一维条形码标刻方法。 由于刀身柱面反光的影响，使得二维条码的识读效果不太理想，但是同时又 由于一维条码固有的缺陷，使得我们无法采用一维条码进行标刻，经过与车间管 理人员的沟通，最后采用二维条码进行标刻。刀具编码作为刀具的一个唯一编号， 更具体的信息可以由后台数据库进行存储。根据某车间实际情况，对其刀具采用 以下结构进行编码，刀具编码结构如图2 5 所示； 西北工业大学硕士学位论文第二章基于直接标识的刀具全寿命周期信息追踪系统分析 流水码 刀具材质码 圆角数据码 刀具半径码 刀具类别码 图2 5 某车间具体刀具编码结构图 由图可以看出，刀具编码由“刀具类别码+ 刀具半径码+ 圆角数据码+ 刀具材 质码+ 流水码”组成。以锥形刀为例来说明：刀具类别码为g r ( 符合企业使用习 惯) ，刀具半径为0 3 、0 4 、0 5 等数值，比如g r 0 3 代表的是刀尖半径为3 的锥形 刀；锥形刀的圆角数据码为锥形刀的锥度，比如g r 0 3 2 5 代表的是刀尖半径为3 锥度为2 5 度的锥形刀；刀具材质种类选择用数字来区分，即o 、l 、2 等阿拉 伯数字，每一个数字代表一种材质。如0 1 代表普通钢，那么g r 0 3 2 5 0 1 即代表 所有材质为普通钢的刀尖半径为3 锥度为2 5 度的锥形刀；由于每种刀具都有一 定的库存容量，以满足正常的加工需要，所以还要对具体刀具加一个流水号进行 区分。通过对某车间的调研，其每种刀具库存总量为几十到上百把不等，所以采 用3 位流水号进行区分。如g r 0 3 2 5 0 1 0 2 2 即代表材质为普通钢的刀尖半径为3 锥度为2 5 度的编号为0 2 2 的一把锥形刀。这样可以在庞大的刀具库中唯一表示 此刀具，也就为对其进行跟踪和信息采集提供了基础和保障。 对于小尺寸刀具，采用一维条码进行标刻也可以实现较好的识读，可以采用 此种编码，即“刀具类别码+ 刀具半径码十圆角数据码+ 刀具材质码+ 流水码”的形 式，一维条码为明暗相隔的条纹线，所以在弧度不是非常大的情况下可以进行较 好的识读，如果刀具尺寸小于或等于4 ，则识读起来就很困难了。对于刀具尺 寸对条形码识读率的影响，不在本文的研究范畴，这里就不详细赘述。 2 2 刀具全寿命周期业务流程分析 2 2 1 刀具典型业务流程 刀具寿命周期包括投入期、使用期和报废期。刀具全寿命周期管理是指在满 足生产制造的需要的前提下，以刀具成本为主线，结合生产经营效益分析，研究 刀具整个寿命周期内，包括刀具选用与组合、申购、采购、入库、出库、加工使 1 4 西北工业大学硕士学位论文第二章基于直接标识的刀具全寿命周期信息追踪系统分析 用、回收、刃磨、报废等，如何进行集成化管理的一种方法嘲1 。 在刀具的全寿命周期中，刀具一般需要经过以下几个业务流程： 1 刀具标刻：在刀具上用激光直接标刻一维二维条码。按既定的编码规 则对刀具进行编码，将编码通过激光标刻装置直接刻在刀具上。 2 入库：通过条码扫描设备( 手持式或固定式) 将刀具扫描入库，由专门 人员进行刀具数据录入，把入库后的刀具存放到指定的存放位置刀具的各种信息 保存到中央刀具数据库中以供使用。 3 借用：根据上层e r p 给出的刀具需求清单来进行刀具借用。当任务下发 到车间，由调度人员进行具体分配后，具体任务被分解为工序级小任务，使用具 体刀具可以由工艺路线中得到。当工人去借用刀具时，首先扫描( 或填写)