（航空宇航制造工程专业论文）面向敏捷制造单元的刀具信息跟踪系统.pdf

西北工业大学硕士学位论文摘婴 摘要 随着敏捷制造模式向单元层的深入，企业对底层制造单元实时信息的采集与 跟踪提出了更高的要求。对刀具实时信息的采集与跟踪，能够有效地提高敏捷制 造单元对刀具的计划与调度的效率，从而提高制造单元的加工效率和敏捷性。为 了有效地实现制造过程中刀具信息的采集与跟踪，本文提出了面向敏捷制造单元 的刀具信息跟踪系统，并从以下几个方面进行了研究： 1 基于敏捷制造单元对刀具实时信息采集与跟踪的需求，在对刀具使用业务流 程分析的基础上，建立了相应的刀具信息模型，提出了刀具信息跟踪系统的 总体结构，完成了刀具信息跟踪系统的功能模块划分和数据库设计。 2 在比较分析现有标识技术的基础上，重点研究了刀具的直接标刻与自动识别 技术，主要包括刀具编码、刀具标刻以及系统与条码扫描设备的集成。通过 系统与对刀仪的集成，实现了对刀数据的实时采集。在数控机床联网的基础 上，提出了刀具加工过程信息的采集与存储方案，进而实现了基于刀具加工 信息采集的刀具寿命统计。 3 在上述工作的基础上，基于u m l 语言完成了系统详细分析与设计，采用j a v a ， o r a c l e 完成刀具信息跟踪系统的开发，对本文提出的相关技术进行了验证。 关键词：刀具信息跟踪、直接标刻与自动识别、对刀仪、刀具加工信息采集 西北r 业大学顿士学位论文 英史摘要 a b s 仃a c t a l o n gw i t ha g i l em a n u f a c t u r i n gm o d eg o i n gd e e pi n t ot h ec e l ll a y e r , h i g h e r r e q u i r e m e n tt ot h er e a l - t i m ei n f o r m a t i o nc o l l e c t i o na n dt r a c k i n go fe n t e r p r i s eb o t t o m m a n u f a c t u r i n gu n i ti sp u tf o r w a r d t h et o o lr e a l t i m ei n f o r m a t i o nc o l l e c t i o na n d t r a c k i n gc a ni m p l e m e n tt o o lp l a n n i n ga n ds c h e d u l i n gi na g i l em a n u f a c t u r i n gc e l l ( a m c ) i ne f f e c t ，a n di m p r o v et h em a c h i n i n ge f f i c i e n c y a n d a g i l i t y o ft h e m a n u l ：a c m r i n gc e l l s i no r d e rt or e a l i z et h et o o li n f o r m a t i o nc o l l e c t i o na n dt r a c k i n gi n m a n u f a c t u r i n gp r o c e s s e s c u t t i n gt o o li n f o r m a t i o nt r a c k i n gs y s t e m f o r a g i l e m a n u f a c t u r i n gc e l li si n t r o d u c e du n d e rt h e s ed e m a n d s a n dt h ef o l l o w i n ga s p e c t sa r e r e s e a r c h e di nt h i sd i s s e r t a t i o n b a s e do nt h er e q u i r e m e n t ，w h i c ha g i l e m a n u f a c t u r i n gc e l ld e m a n df o rt o o l r e a l t i m ei n f o r m a t i o n ，t h ec o r r e s p o n d i n gt o o li n f o r m a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e d ，a n d t h ew h o l es t r u c t u r eo ft o o li n f o r m a t i o nt r a c k i n gs y s t e mi sp u tf o r w a r d ，a f t e rt h a tt h e f u n c t i o n a lm o d u l ed e s i g na n dd a t a b a s ed e s i g no ft o o li n f o r m a t i o nt r a c k i n gs y s t e ma r e a c c o m p l i s h e ds u c c e s s f u l l y b a s e do nt h ec o m p a r i s o no fe x i s t i n gm a r k i n gt e c h n o l o g i e s ，t h i sd i s s e r t a t i o n s v e n g t h e n ss t u d yo nt h et o o ld i r e c tm a r k i n ga n di d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g y , s u c ha s t o o lc o d i n g ，t o o lm a r k i n ga n di n t e g r a t i o no fs c a n n e ra n ds y s t e m r e a l t i m ea c q u i s i t i o n o ft h ea d j u s t i n gd a t ai sr e a l i z e db yt h ei n t e g r a t i o no fs y s t e ma n dt o o l m e a s u r ed e v i c e b a s e do nc n cm a c h i n en e t w o r k ，at o o lm a c h i n i n gp r o c e s si n f o r m a t i o na c q u i s i t i o n a n ds t o r a g ep r o j e c ti s p r o p o s e d ，a n dt h e c a l c u l a t i o no ft o o l l i f eb a s e do nt o o l m a c h i n i n gi n f o r m a t i o na c q u i s i t i o ni sr e a l i z e d a c c o r d i n gt oa b o v ev i e w p o i n t ，t h ep a r t i c u l a ra n a l y s i sa n dd e s i g na r e a c c o m p l i s h e dw i t hu m l ，a n dt o o li n f o r m a t i o nt r a c k i n gs y s t e mi sd e v e l o p e dw i t h j a v a a n do r a c l e t h ea b o v et e c h n o l o g i e sa r ev a l i d a t e d k e yw o r d s ：c u t t i n gt o o li n f o r m a t i o nt r a c k i n g 、d i r e c tm a r k i n ga n di d e n t i f i c a t i o n 、 t o o l m e a s u r ed e v i c e 、t o o lm a c h i n i n gi n f o r m a t i o na c q u i s i t i o n 两北工业大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 敏捷制造 1 1 1 敏捷制造模式 第一章绪论 2 1 世纪，对于制造企业来说是一个竞争的世纪。新知识、新概念的不断涌 现和新产品、新工艺的迅速更迭加速了市场的变化。技术的发展总是为了适应市 场的需要。目前，世界范围内的机械产品市场的发展趋势是：( 1 ) 随着科学技术、 特别是信息技术的发展，经济市场朝着国际化、全球化的方向发展；( 2 ) 市场变化 迅速，竞争激烈，竞争的优势主要取决于新产品的上市的速度及满足顾客需求的 能力；( 3 ) 顾客对产品的需求日益多样化、个性化；( 4 ) 产品的知识和技术含量目益 增高，新产品更新加快，开发周期越来越短。市场经济的迅速发展与变化，导致 单一品种的大规模生产模式的衰落，代之而来的必然是适应市场变化、富有竞争 机制的新模式。 敏捷制造( a g i l em a n u f a c t u r i n g ，a m ) 【1 1 就是顺应了市场快速变化提出的新 的制造模式嘲。它利用人的智能和信息技术，通过多方面的协作改变企业延用的 复杂的梯阶结构，来改变传统的大批量生产。其实质是在先进柔性生产技术的基 础上，通过企业内部的多功能项目组与企业外部的项目组合作组建一个虚拟公 司，这种动态的组织结构把全球范围内的各种资源集成在一起，实现技术、管理 和人的集成，从而在整个产品生命周期最大限度地满足用户需求，提高企业竞争 力吼 作为一种提高企业( 群体) 的竞争能力的制造组织模式，敏捷制造代表着制 造业的发展方向。这一概念的提出，在世界范围内引起了强烈的反响，受到政府 及工业界的广泛重视。对我国国防工业而占，敏捷制造模式，体现了建立与发展 “军民结合、平战结合”的新型国防工业体系的需求，体现了提高我国国防工业 快速研制和批量生产新一代先进武器装备的能力以及快速转换和扩大生产武器 装备的能力的需求。因此，研究和推进敏捷制造技术在国防工业的应用，对于我 国国防工业适应时代发展要求具有重要的意义。 西北工业大学硕士学位论文第章绪论 。个敏捷制造企业系统可以分成三个级别：设备级、单元级和企业级f 47 ”。 敏捷制造系统的设备级功能能够保证设备的正常运行，减少以致消除设备故障， 减少设备的等待时间，确保产品能够按时、保质地完成。敏捷制造系统的单元级 所能实现的功能包括对生产信息的管理和生产状态的监测，它向上负责和企业级 进行通信联络，接受生产、管理指令；和平缴系统进行信息交互，共享敏捷企业 信息：对下进行生产状态检控、进行生产调度。敏捷制造系统的企业级能应用网 络对敏捷生产资源进行优化配置，减少生产成本，提高生产效率。 本文关注的是如何提高敏捷制造单元的敏捷性。作为制造系统的基本构成单 位和生产任务的基本执行单位，敏捷制造单元的组织管理方式、对生产设备的控 制协调方式及其自身的运行方式都必须改变以适应敏捷性的要求。 1 1 2 敏捷制造单元 敏捷制造单元被定义为根据某一阶段的生产任务聚合起的制造资源集合，这 种聚合是在生产组织和管理上的快速重构。敏捷制造环境下的智能制造单元 敏捷制造单元是敏捷制造模式下生产组织的基本单位，是决定制造敏捷性、保证 单元间灵活协调与合作能力的关键。敏捷制造单元是适应敏捷制造的要求，由一 组具有多种加工能力和局部决策能力的智能设备和其它辅助设备通过通信网络 联结起来的松散耦合、分布自治、协同合作的网络化制造系统坤j 。 敏捷制造单元的概念的提出，其目的是要采用敏捷制造的思想，提出一种具 有高度适应生产任务变化能力的制造资源管理系统，从而提高资源的利用效率 7 1 。随着对敏捷制造研究的不断深入，敏捷制造单元越来越被人们所重视。通过 建立敏捷制造单元的形式，可以实现跨车间乃至跨企业的资源组合，实现企业间 加工设备及资源的共享，对我国改造传统制造模式，增加企业竞争力，从而在激 烈的全球化竞争中获得生存与发展具有很大的指导意义和广泛的应用前景l 。 综合国内外敏捷制造单元的研究现状，我们发现对敏捷制造单元的研究和应 用主要集中在敏捷制造单元的建模技术、控制系统的结构、信息集成和敏捷制造 单元的重构等问题上，然而如何解决因内外部原因对制造单元的敏捷性造成的影 响，却极少有人重视。随着制造执行系统m e s 概念的形成与发展1 9 1 0 , 1 1 2 1 ，人 们对车间的实时信息系统更加重视。由于企业的生产环境存在许多不确定性，车 间需要面对不可预测的外部环境变化( 如定单的突然增加、取消) 和内部扰动( 如 设备故障、刀具破损、产品质量不合格等) ，需要对上述变化做出及时准确的反 应，这就要求实时信息系统同步的对这些变化进行采集与跟踪，以实现制造单元 西北工业大学硕十学位论文筇一章绪论 的敏捷性。而这些采集的信息弥补了敏捷制造单元中的信息不足，为敏捷制造单 元的资源模型增添了具体的加工信息。 数控机床是机械加工必不呵少的工具，在敏捷制造单元在设备布局上也足以 数控机床为核心。刀具作为数控加工系统中最为活跃，灵活多样，对加工质量、 效率、成本影响最为显著的重要制造工具，对刀具实时信息的采集与跟踪成为敏 捷制造单元研究中的关键问题之一，研究和开发适合于敏捷制造单元的刀具信息 跟踪系统己成为必然。 1 2 刀具信息跟踪相关研究 刀具管理系统( b “8 j 一般具有刀具库存管理、刀具计划管理、刀具调度管理、 刀具监测等功能。刀具管理系统中的刀具监测功能能够实现对刀具的磨破损状态 监测及寿命预警，是对刀具使用过程中的某一特定时间点上的信息进行跟踪，而 无法实现使用全过程的刀具信息跟踪。在某种程度上刀具监测功能可以看作是刀 具信息跟踪的一部分，只是一个是对某点信息的跟踪，而一个则是对刀具在整个 使用过程中的信息进行跟踪。 1 2 1 刀具管理 1 2 1 1 刀具管理软件研究现状 现有的刀具管理指刀具的库存管理、计划、调度等一系列以刀具型号为管理 单位的管理。刀具管理的方式是由人将刀具信息经由刀具管理系统输入到相应的 数据库中。大多数的刀具管理系统都包括刀具库存管理、刀具计划管理、刀具调 度管理、刀具监测等功能。 国外有一些比较成熟的刀具管理软件，如美国的c r i b 刀具管理软件不但可 以实现刀具的库存、借用管理，还可以实现与条码识别系统和对刀仪的完全集成。 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 e rt o o l m a n a g e r ) 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 对每台设备的月库刀具数据进行分析，再针对每个加工任务提出：( 1 ) 加工需要 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 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 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。 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 f m s 研究的深入，国内一些高校如东南大学、清华大学、西安交通大学、西北 工业大学和航空、兵器的些研究所对f m s 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f m s 系统高昂的投资 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。 在f m s 刀具管理中，刀具信息跟踪通过对自动传送系统的监控得以实现， 但因为自动传送装置的相对固定，只能监控在传送线上的刀具，而对于没有自动 传送装置的单元，或敏捷制造单元由多个柔性单元组成，就无法实现刀具使用工 程中信息的跟踪。 1 ，2 1 2 刀具监测技术 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 是加工过程监控睁2 1 】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。刀具监测技术的研究一直是研究的重点，不同 的加工过程及刀具切削状态有不同的监测方法，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。 ( 1 ) 直接监测法 直接监测法就是直接监测刀具磨损面的数值大小，测量与刀具体积有关的参 量。常见的方法有：光学测量法、化学测量法和电阻法等，例如采用接触式探头、 工业摄像机、放射传感器等设备直接监测刀具的磨损量。直接监测法的优点是有 较高的测量精度。它的缺点是：1 ) 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。 ( 2 ) 间接监测法 当刀具磨损时，会引起如切削力、功率、振动以及零件的表面粗糙度等物理 量的变化，因而可以通过监测这些物理量并找出他们与刀具磨损状态的对应关系 从而间接的探知刀具的状态。间接监测法就是通过监测这些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 西北t 业大学硕士学位论文第一章绪论 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。而如何 对已获得的物理信号进行有效的处理，剃除检测中各种干扰影响，提取出特征信 号，是目前国内外研究的重点。随着计算机的普及和信号处理技术的发展，为实 现用间接监控法实时监测刀具磨损状态提供了有利条件；同时，通过采用模糊技 术、神经网络技术、智能技术等改进信号处理算法，使其结果更快速、更准确。 间接监测法可以方便的实现刀具状态在线监测，故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 现有刀具信息跟踪系统的不足 在上述刀具管理及刀具监测技术的研究中均包含刀具信息跟踪的基本概念， 其中，刀具管理中的监控功能模块主要实现刀具加工时的状态监控，是刀具信息 跟踪的重要部分，而刀具监测技术是实现刀具监控的重要技术。但刀具管理与刀 具监测技术的某些特性并不适合在我国制造业中实现敏捷制造单元中的刀具信 息跟踪，主要原因有以下三个方面： ( 1 ) 自动化程度要求较高，需要在设备上投入较多，不适合我国制造业的 基本国情。如许多刀具管理系统是基于柔性系统的；而检测技术的实现也要求在 机床上安装各种相应的传感器等。 ( 2 ) 只能在时间点上实现刀具加工状态的反馈。如刀具磨破损状态、刀具 到寿命预警等，而刀具正常加工时的信息和刀具不加工时的信息却无法获得。 ( 3 ) 只是实现刀具状态的监测，而没有反馈到控制层，不能满足敏捷制造 单元对底层信息反馈的需求。 1 3 面向敏捷制造单元的刀具信息跟踪概念的提出 通过对现有刀具管理现状的分析，可以发现刀具的计算机化、有效库存、计 划调度等管理，在一定程度上提高了刀具的使用率，缩短了刀具准备时间，减少 了车间刀具的存放量。但因为刀具在制造单元内的状态( 如离线、在线、加工等) 随着加工任务的需要时刻发生变化，刀具本身的物理参数也在不断地变化，这使 得刀具的计划调度和库存量的控制不能有效地进行，至少要留出较大的余量，才 不至于使加工被迫中断；同时，现场刀具的动态信息的采集与跟踪，是影响制造 单元敏捷性的关键问题。针对这种情况，本文提出了刀具信息跟踪的概念。所谓 的刀具信息跟踪，就是指对每一把刀具实现从打标、入库、使用到出库的刀具使 e 西j e 上业人学硕十学位论文 第一章绪论 用过程中信息的跟踪，实时地获取刀具的动态信息，及时了解各个刀具的使用情 况，为刀具的计划调度提供实时、准确的反馈信息，使刀具的计划调度与库存量 能够根据具体的加工情况及时地变更。刀具信息跟踪管理系统就是指在对敏捷制 造单元内的设备( 如数控机床、对刀仪等) 及条码识读设备进行联网的基础上， 利用直接标识与自动识别技术、d n c 通讯技术实现刀具在制造单元内的自动跟 踪与信息的实时采集，并利用数据库技术实现刀具信息的存储与管理。 1 4 本课题的研究目的和工作内容 1 4 1 课题来源 本论文受航空科学基金( 0 4 h 5 3 0 6 3 ) 和国家自然科学基金( 5 0 5 0 5 0 3 9 ) 资 助。本论文以敏捷制造单元为背景，拟在刀具信息标识、采集和跟踪技术，数控 双向通讯技术研究取得突破，开发一套支持刀具库存管理和现场刀具信息实时跟 踪的刀具信息标识、采集与跟踪系统面向敏捷制造单元的刀具信息跟踪系 统，为车闯生产计划管理系统和生产调度系统提供实时准确的反馈信息。 1 4 2 研究内容 本论文的研究内容是围绕面向敏捷制造单元的刀具信息跟踪管理系统进行， 主要的研究内容有： 对敏捷制造单元中刀具使用业务流程、刀具信息模型进行分析，实现刀 具信息跟踪系统的设计。 刀具的直接标刻与自动识别的研究。解决刀具标刻的关键问题：1 ) 标 刻方法选择，2 ) 刀具编码，3 ) 解决条码识别设备与刀具信息跟踪系统 的集成，实现刀具条码的自动识别。 刀具信息跟踪系统与对刀仪的集成：解决对刀数据的采集与传输问题。 刀具加工信息采集与存储：主要研究数控机床加工过程信息的采集方 案，解决刀具加工信息采集与存储问题。 刀具信息跟踪系统设计与实现。 1 4 3 意义 p q 北上业人学硕十学位论文 第一章绪论 通过对敏捷制造单元中的刀具信息进行跟踪，实时地获取每一把刀具在敏捷 制造单元加工过程中的动态信息，为车间信息管理、生产计划管理以及质量管理 提供准确和及时的刀具信息反馈，达到提高数控加工效率，实现数字化生产线与 车问、企业级信息管理系统的集成与共享，使企业层所做的生产计划能够有效地 在车间制造单元层上执行，进而影响到车间计划和调度的准确性和效率，支持敏 捷制造在统一的框架从企业层到加工单元层的深入实施。 1 5 文章结构 本论文分为五章： 第一章：绪论。介绍了敏捷制造单元、刀具管理的研究方向、刀具信息跟踪 的概念、本文的研究内容和文章的结构。 第二章：刀具信息跟踪系统的分析与整体设计。详细分析了敏捷制造单元对 刀具实时信息的需求，在对刀具使用业务流程分析的基础上，分析了刀具信息模 型和总体结构；并进行了系统的体系结构、功能模块、及数据库设计。 第三章：刀具信息跟踪的关键技术研究。分别对刀具的直接标刻与自动识别、 系统与对刀仪的集成、以及刀具加工信息的采集与存储这三个系统实现的关键技 术进行了深入研究，解决了刀具信息跟踪过程中的技术难点。 第四章：刀具信息跟踪系统的详细设计与实现。采用u m l 对刀具信息跟踪 管理系统的库存管理模块和在线跟踪模块进行了详细设计；并就j a v a 、s e r v l e t 实 现数据库的操作进行了分析，完成了面向敏捷制造单元的刀具信息跟踪系统的开 发。 第五章：结束语：对论文做了总结，并提出了下一步工作的方向。 西北上业大学硕十学位论文 第二章系统分析与整体设汁 2 1 系统分析 第二章系统分析与整体设计 2 1 1 敏捷制造单元对刀具实时信息的需求 敏捷制造单元的定义源于敏捷制造，它强调制造资源根据生产任务变化而快 速重构，使制造系统能够迅速地响应产品的变化，满足多变的市场需求。一个敏 捷制造单元( a g i l em a n u f a c t u r i n gc e l l ，a m c ) 是一组根据具体生产任务的需要快 速组合的资源配置，当生产任务发生变化时，它能根据任务变化特点，在原有基 础上自行组织新的资源配置【2 2 】。在现代机械加工企业内，敏捷制造单元是根据具 体的加工任务，以数控机床为核心，重新组织设备、工装、刀具、物料、人员等 企业资源。 目前，由于缺乏准确和足够的底层加工信息的实时反馈，导致敏捷制造计划 调度等决策信息的可执行性差，严重制约敏捷制造单元的快速组织资源配置能 力。其中，刀具是敏捷制造单元中种类、数量最多的制造资源，在加工过程中， 刀具信息时刻变化，直接影响加工质量、加工效率；同时，由于敏捷制造单元所 承担的加工任务很可能是一个崭新的加工任务，无法根据经验对刀具需求数量进 行估计，也无法预估刀具在加工过程中的磨损情况及可能出现的问题，敏捷制造 单元的刀具采购计划、刀具生产调度等都不能有效地进行，这大大的影响了敏捷 制造单元的敏捷性。 本文提出的面向敏捷制造单元的刀具信息跟踪系统就是针对上述问题提出 的解决方案。下面从敏捷制造单元的生产流程和信息流程角度，来分析刀具信息 跟踪系统对敏捷制造单元中刀具信息的采集与反馈。图2 1 描述了敏捷制造单元 中刀具信息的采集与反馈流程。 首先，e r p 系统下达生产任务，c a p p 系统提供相应的工件信息及其工艺规 程，单元重构平台在收到这些信息后，通过制造资源管理平台了解可用的制造资 源信息( 如设备信息、工装信息等) ，在此基础上对加工任务进行优化分解，一 方面将任务分为若干个子任务，一方面动态地形成相应的单元完成各个子任务。 l j n i l z 业人学硕士学位论文第二章系统分析与整体设计 在重构完成后，子任务交由各个单元控制器，由它们负责组织制造资源完成该任 务。在敏捷制造单元中，刀具的生产调度、采购计划都是通过制造资源平台的工 装管理分系统来实现的。在生产过程中，信息反馈按制造资源( 工作站) j 单 元控制器j 重构平台j e r p 系统进行，使各级系统了解加工任务的执行情况， 这些反馈的信息都是针对加工任务的。 图2 1 敏捷制造单元中刀具信息的采集与反馈流程 刀具信息跟踪系统位于底层加工信息采集层，主要实现敏捷制造单元刀具信 息采集的操作。它对刀具实时信息的反馈并不通过敏捷制造单元的控制器来实 现，而是通过系统与工装管理系统的接口将采集到的刀具实时信息传递到制造资 源管理平台，使各级系统通过平台了解刀具的使用情况。另外，刀具信息跟踪系 统中的刀具寿命统计主要是实现刀具寿命的实时计算，当到达预先设定的刀具极 限寿命时，发出寿命预警信号，提醒用户换刀，避免因刀具过度磨损而引起的加 工精度的降低，更甚的是出现报废零件的情况。刀具信息跟踪系统通过对敏捷制 造单元中的刀具实时信息采集与跟踪，快速准确地获取刀具在制造单元内的使用 信息，并将这一信息通过制造资源管理平台与敏捷制造单元的各级系统共享刀具 的实时信息，一方面提高刀具的使用效率，另一方面有助于刀具采购计划与刀具 生产调度等业务的有效进行。 2 i 2 刀具使用业务流程分析 通过对刀具在敏捷制造单元中的使用过程进行分析，提取出刀具使用的、务 9 曲北工业大学硕十学位论文第二章系统分析与整体设计 流程如下：( 注：在下面的描述中，如不特别声明刀具是指刀具组件) ( 1 ) 刀具标刻与识别：在刀具上用激光直接标刻一维二维条码。按对应码 编码规则对刀具进行编码，大刀具按8 位代码方式处理，小刀具按5 位代码方式 处理，将编码通过激光标刻装置直接刻在刀具上。 ( 2 ) 入库：通过条码识别设备进行刀具的入库，刀具数据库更新( 通过刀 具条码将刀具实体与数据库中的刀具记录绑定) ，并将刀具存入到相应的中央刀 库的架位上。将条码( 刀具编码) 通过条码识别设备读出，刀具编码与刀具数据 库记录相对应，针对每一个编码，提取其相应的对应码，由对应码表获得对应刀 具型号，而具体的刀具属性信息则通过刀具型号与刀具参数表关联。 ( 3 ) 借用：根据敏捷制造单元的加工任务和c a p p 系统确定的刀具需求清 单，通过条码识别设备进行刀具的借用操作，刀具进入生产现场。刀具借出后刀 具的状态发生变化，同时，生成一条包含有刀具编码、借用人、借用时间等的新 的借用信息记录。 ( 4 ) 配刀：将刀具组件进行绑定，形成装配刀，并以刀柄条码作为装配刀 条码进行识别跟踪。在这个过程中，刀具的状态属性发生变化，并生成一条配刀 记录，这个记录中包括：装配的各个组成部件的编号、名称等。 ( 5 ) 对刀：采用对刀仪实现刀具参数的测量，并将测量结果传给处理计算 机，经处理后传递给刀具信息跟踪系统，改变装配刀参数( 刀具长度、刀具直径、 刀尖圆弧半径等) ，并可能修改刀具寿命。对刀可能发生在两个情况下，是装 配刀组装完成后，进行刀具参数的测量；二是刀具刃磨后，进行刀具寿命的修改。 在此主要是指对装配刀的对刀，而刃磨后对刀直接放在刃磨过程处理，不再单独 处理。 ( 6 ) 装刀：将装配刀安装到机床上。通过装配刀、机床刀具库刀位识别完 成绑定，生成刀具文件；将刀具文件传递给机床( d n c ) ，形成新的刀具文件； 刀具文件的传递方法有两种：一种方法是手工录入刀具参数，一种方法是自动更 新机床刀库。 ( 7 ) 刀具加工信息采集：通过d n c 获得刀具加工状态信息，如正在执行的 程序名称、正在加工的零件名称、机床开始加工时间、机床结束加工时间、主轴 转速、进给速度、当前刀具、换刀操作等，并将这些信息存储到数据库中，当数 控程序自动换刀时，只需改变刀具状态。同时，在此过程中，通过d n c 获得刀 具实际加工的时间，通过刀具寿命管理系统进行寿命计算。更新数据库中的切削 时间和刀具寿命。 ( 8 ) 卸刀：从机床刀具库卸下装配刀；改变装配刀位置状态。卸刀指零件 西北r 业大学硕士学位论文第二章系统分析1 整体设计 加丁完成，需要进行下一个零件的加工准备。卸刀后，最主要的参数变化足数控 机床刀库刀具数据列表，最终形成机床已有川具列表。 ( 9 ) 刀具分解：分解装配刀，并删除数据库中对应的装i g e t j 记录，各刀具 状态发生变化。 ( 1 0 ) 刀具归还：通过条码识别设备实现刀具的还库操作，删除刀具借用信 息记录，刀具状态发生改变。 ( 1 1 ) 刀具刃磨：刀具刃磨后，通过对刀仪测量新的参数传给计算机，并修 改相关参数信息：刃磨次数、寿命时间、剩余寿命等信息。 ( 1 2 ) 刀具出库：通过条码识别设备注销陔刀具，序列号收回，但作为历史 记录。刀具的出库情况有以下几种：到寿命报废、刃磨报废、加工中断刀、刀具 丢失、刀具借给其它车间等。 上述1 2 个过程是按刀具从打标入库、使用、出库的整个刀具使用过程进行 描述的，而刀具信息跟踪系统的主要功能就是实现每一把刀具在这1 2 个、务过 程中信息的采集。如图2 2 所示，对于每一把刀具来说这1 2 个业务过程由其固 定的顺序，刀具在整个过程中只能按照这一顺序在单元内循环，比如，刀具一定 要先借用，才能进行配刀操作，然后对刀、装刀等。通过对刀具各业务流程的分 析，可以发现，刀具在各业务流程之间基本上不存在信息交互，系统对各业务流 程获得的刀具信息均存储在数据库中，刀具信息的共享通过数据库来实现。 图2 - 2 刀具信息跟踪业务流程图 除上述的与刀具实体操作有关的1 2 个业务流程外，还包括库存盘点、数据 维护、数据导入、刀具寿命统计、刀具寿命预警、生成报表、信息查询等业务。 库存盘点：由工具管理员定期进行刀具库存信息的统计，并不修改刀具 数据。 数据维护：可进行刀具数据的增、删、改等操作，用于上述1 2 个业务发 # 阜亩 一 一 二瓣，。戮 西北工业人学硕十学位论文第：章系统分析与整体设计 生异常无法正常工作时，处理刀具相关信息。 数据导入：实现j j 具参数数据、库存数据等的导入，主要用于系统实现 之初。 刀具寿命统计：通过采集到的刀具加工时间进行刀具寿命的统计。 刀具寿命预警：当刀具使用寿命达到刀具额定寿命时，系统生成刀具预 警信息，强制机床换刀。 生成报表：可根据用户的不同需求，选择不同的报表格式，生成特定的 报表，如：刀具库存报表、刀具空闲报表、刀具报废报表、刀具借出报 表等。 信息查询：可设定不同的查询条件，用于不同用户需求的刀具信息的查 询。 2 1 3 刀具信息模型分析 刀具信息跟踪系统主要是通过刀具使用业务流程，实现对刀具信息的统一管 理。刀具信息可以分为两类：刀具静态信息和刀具动态信息。 ( 1 ) 刀具静态信息是指刀具本身固有的，且不随刀具的使用加工而变化的 属性信息，即刀具参数信息，包括：刀具条码、刀具编号( 企业编号) 、刀具名 称、刀具类型、刀具型号、刀具材质、刀具涂层、刀具几何参数、刀具结构信息 ( 形状、图形) 等，其中，刀具条码能够唯一的标识每一把刀具，是实现刀具实 体在使用过程中的信息采集的关键。 刀具的种类繁多、结构、几何参数相差加大，无法采用统一的结构对所有刀 具静态信息进行管理，因此，需要对刀具按其结构、作用、几何参数种类的不同 进行分类管理，具体的分类如图2 3 所示： r 一百一 _ _月片b o l 一一h 车刀 l 图2 - 3 刀具分类图 1 2 西北工业人学硕士学位论文第二章系统分析与整体设计 按上述刀具分类图，将刀具静态信息进行分组管理，每一组静态信息都是一 组结构化的数据。 ( 2 ) 刀具动态信息是指那些随着刀具使用业务流程的变化而变化的刀具信 息，与具体业务相结合，可将刀具动态信息分为七类： i ) 库存信息：库存位置、入库时间、出库时间、出库原因等； 2 ) 刀具借用信息：借用人、借用时间、归还时间： 3 ) 装配信息：装配刀编号、装配刀各组件编号、装配刀几何参数 4 ) 刀具使用信息：所在机床、加工零件、加工工序、程序、加工时间、加 工状态 5 1 对刀信息：刀具几何参数、刀具寿命 6 ) 刀具寿命信息：刀具额定寿命、刃磨次数、剩余寿命、切削时间； 7 ) 刀具位置状态信息：所在位置、状态 上述的七类刀具动态信息在刀具使用的某个或某几个业务过程中会发生变 化，刀具信息跟踪系统就是要实现对这些变化的信息的实时采集。 2 1 4 系统总体结构分析 面向敏捷制造单元的刀具信息跟踪系统的总体结构如图2 - 4 所示。由系统的 总体结构可以看出，刀具信息跟踪系统软件是刀具信息跟踪系统的核心部分，也 是本文的开发重点。刀具信息跟踪系统软件按照刀具使用业务对刀具信息进行采 集管理，主要包括五个功能模块：库存管理模块、在线跟踪模块、寿命管理模块、 信息管理模块、系统管理模块。 由图2 3 看出，刀具信息跟踪系统软件通过与数控机床、条码识别设备、对 刀仪等设备的集成( 包括硬件联网、软件集成) ，获取刀具在数控机床、对刀仪、 中央刀库等的动态信息，再结合刀具借用、归还、配刀、装刀、加工信息采集、 库存盘点等刀具使用业务流程，实现刀具动态信息的实时跟踪。其中，数控机床 与刀具信息跟踪系统软件之间的信息联系是双向的，即刀具信息跟踪系统可以从 数控机床获得刀具加工实时信息，数控机床也能够从刀具信息跟踪系统获得刀具 参数信息( 刀具文件) ；条码扫瞄设备、对刀仪之间的联系是单向的，也就是说， 它们只需将采集到的数据传递给刀具信息跟踪系统，刀具信息跟踪系统根据获得 的数据进行记录。 通过上述分析可以看出，在面向敏捷制造单元的刀具信息跟踪系统的研究 中，需要解决的主要问题有以下几个： 西北工业人学硕士学位论文 第二章系统分析与整体设计 ( 1 ) 刀具信息跟踪系统软件的设计与开发。 ( 2 ) 刀具的直接标刻与自动识别：主要解决如何标刻( 选择何种标刻方法) 、 标刻内容( 刀具编码) ，及条码扫瞄设备与刀具信息跟踪系统的集成问题。 ( 3 ) 刀具信息跟踪系统与对刀仪的集成：主要解决对刀仪传输数据的采集。 ( 4 ) 刀具加工信息采集：即通过d n c 如何获取数控机床刀具3 n y _ 状态信息， 及如何实现刀具加工时间累计来进行刀具寿命统计。 本论文将于第三章进行关键问题及解决方案的研究，于第四章进行刀具信息 跟踪系统软件的设计与开发。 2 2 整体设计 杂 激 码 光 扫 打 瞄 标 设 机 备 _ _ _ _ _ _ 。_ _ 刀具信息跟踪系统软件 i i 鬲司 库存管理 堕臣受讣一在线跟踪鲤i一一 t 十ft 同闺 2 2 1 体系结构设计 2 2 1 1 软件体系结构设计 图2 - 4 系统总体结构 曲北工业大学硕| j 学位论文 第一章系统分析与整体设汁 刀具信，皂跟踪系统软件结构采用c s 三层体系结构，如图2 5 所示。 图2 5 刀具信息跟踪系统体系结构图 ( 一) 客户表示层：是系统与用户的接口，是人机交互界面，各用户通过此 层发出客户请求命令，而且请求的结果也在此层进行显示。这种结构的好处是用 户不能直接操作数据库，保证了数据库的安全性；而且在工具室、机床、对刀仪 等客户机终端分别使用不同的客户端程序，这种方法具有很好的分布性。 ( 二) 中间逻辑层：主要是对从客户端接收到的请求进行处理，并将处理结 果传输给客户端，是系统的核心，该层的主要功能是实现刀具信息跟踪的业务流 程。本层还可以细分为两个层次：业务逻辑层和连接逻辑层。业务逻辑层是指按 照企业业务相关流程的对数据管理层进行访问和修改。连接逻辑层是业务逻辑层 的基础，是实现对数据库操作，及对条码、对刀参数、d n c 加工信息的采集操 作，刘实现与业务流程变化不相关，而与具体的设备相关的信息采集。当刀具信 息跟踪系统需扩充功能时，只要在服务器上增加业务逻辑层的功能即可实现刀具 功能的扩充，而无需修改前台应用程序；当采用车间的设备变化时，只需修改操 作逻辑层即可，而无需修改业务逻辑层，这就保证了刀具管理系统具有良好的扩 两北工业大学硕1 | j 学位论文第二章系统分析与整体发计 充性能。 ( 三) 数掘管理层：本系统通过关系型数据库存储刀具信息跟踪的相关数据 ( 如刀具的几何参数、刀具加工信息等) ，主要是为中间逻辑层提供数据服务， 如存储中间逻辑层的处理结果、返回中间逻辑层检索的数据结果。 2 2 1 2 网络拓扑结构设计 刀具信息跟踪系统中数控机床、条码扫瞄设备、对刀仪、计算机服务器等设 备之间的通信是通过设备联网实现的。如图2 - 6 所示，系统采用星形拓扑结构。 制造资源平台 职p 系统c a p p 系统 数据库计算机 ( 刀具库) c r 曲c 0d n cm a x 服务器 管理计算机 ( 刀具信息跟踪 系统服务器) 以太网交换机 客户端计算机i 广二一 ( 数控机床) 卜i 多串口服务器 条码扫瞄设备 客户端计算机 ( 对刀系统) 客户端计算机 ( 配刀系统) 客户端计算机 ( 工具室) 客户端计算机 ( 数控机床) 机床 i机床r 图2 6 刀具信息跟踪系统网络拓扑结构图 条码扫瞄设备 对刀仪 条码扫瞄设备 条码扫瞄设备 条码扫瞄设备 所谓星形拓扑结构是指由一台作为刀具信息跟踪系统的服务器计算机作为中心 节点，各客户端计算机作为各分站点，每个分站点通过以太网分别与中心节点相 连来实现点对点的传输。因条码扫瞄设备、对刀仪都带有r s 一2 3 2 通信接口，且 串行通信结构简单，传输可靠，成本低廉，因此，我们采用串行通信技术解决条 码扫瞄设备、对刀仪与各客户端计算机站点的通信问题；数控机床的联网采用 c i m c o 公司的d n c m a x 软件平台来实现，系统为了实现刀具跟踪的效率，为 每台机床配置了一台客户端计算机，以实现刀具的装刀与卸刀操作。 西北工业大学硕j j 学位论文第二章系统分析与整体设计 2 2 2 功能模块划分 刀具信息跟踪系统的建立是为了在企业实现刀具信息的共享，满足现场工作 人员、c a p p 工艺人员、设计人员、计划调度人员、刀具供应人员等对刀具信息 的需求，以完善刀具管理，提高企业的劳动生产率，并优化刀具寿命，降低产品 的成本。刀具信息跟踪系统主要功能是：通过与条码识读系统、对刀仪、d n c 系统的集成，对每一把刀具进行监控，实现刀具从入库、使用、直至出库使用过 程的信息跟踪管理，并在此基础上实现刀具的寿命统计，进行刀具寿命预警。本 系统共分为五个功能模块，包括库存管理模块、在线跟踪模块、信息管理模块、 寿命管理模块、和系统管理模块。此系统的功能模块如图2 - 7 所示。 刀具信息 跟踪系统 在线管理 寿命管理 信息管理 一 箕粪姿dr 丽函r 型坚毕翥番爿 一用户管理 一 巫蠓 图2 7 刀具信息跟踪系统功能树 ( 1 ) 库存管理模块 库存管理模块主要实现库房内刀具、刀具组件的管理，包括刀具打标，刀具 入库，刀具借用，刀具归还，刀具出库，库存盘点，是刀具的离线管理。其中刀 1 7 爨焉重矍票一 西北j 一业大学硕士学位论文 第二章系统分析与整体设计 具借用、归还与在线跟踪模块部分重叠，是刀具信息跟踪的起点和终点。 ( 2 ) 在线跟踪模块 在线跟踪模块是本系统的核心，主要实现每一把刀具在线信息的自动跟踪与 采集，即实现配刀、对刀、装刀、卸刀、拆分、刃磨、加工信息采集等刀具在线 信息的跟踪管理。 ( 3 ) 寿命管理模块 寿命管理模块由两个子模块组成：寿命统计模块和寿命预警模块。 ( 4 ) 信息管理模块 信息管理模块包括刀具数据导入、刀具信息查询、刀具数据维护、报表管理。 ( 5 ) 系统管理模块 系统管理模块包括人员管理，权限管理、日志管理、备份恢复。 2 2 3 数据库设计 数据库设计是指对于一个给定的应用环境，构造最优的数据库模式，建立数 据库及其应用系统，使之能够有效的存储数据，满足各种用户的应用需求( 信息 要求和处理要求) 。它是建立数据库及其应用系统的技术，是信息系统开发和建 设中的核心技术l 2 3 1 。 数据库设计是刀具信息跟踪系统设计中一个极为重要的环节，数据库设计的 好坏直接影响到整个系统的成败。本文通过对刀具信息的分析，建立了e _ r 模型， 并在此e r 模型的基础上导出了刀具信息跟踪系统的逻辑模型。 2 2 3 1 e r 模型的建立 概念数据模型独立于计算机系统，它完全不涉及信息在计算机系统中的表 示，只是用来描述某个特定组织所关心的信息结构，是按用户的观点来对数据和 信息建模，是对企业主要数据对象的基本表示和概括性描述【2 4 】。它独立于数据库 逻辑结构，也独立于特定的d b m s