白 雪，鄢 萍

(1.重慶工商大學融智學院 物流工程學院，重慶 401320；2.重慶大學 機械傳動國家重點實驗室，重慶 400044)

0 引言

兩化融合與中國制造2025要求制造企業(yè)走向智能生產(chǎn)，以滿足多品種、小批量、定制化、服務化的需求。隨著網(wǎng)絡技術、信息技術、工業(yè)技術、集成技術等的不斷發(fā)展，建設數(shù)字化車間逐漸成為制造業(yè)升級轉型的必要。刀夾具作為車間生產(chǎn)加工的重要工具，具有高成本、易損耗、類型相似、資源信息復雜等特點，而且隨著需求的增加，其種類和數(shù)量也不斷增加，隨之而來的一系列管理與資源浪費問題影響了數(shù)字化車間的建設進程。因此，需要尋求一種先進的管理方法與數(shù)字制造結合，來實現(xiàn)車間刀夾具的數(shù)字化管理，以提高生產(chǎn)效率，減少制造成本，促進車間數(shù)字化建設。

刀夾具管理涉及的范圍可能貫穿刀夾具的整個壽命周期，也可能是周期中的某些環(huán)節(jié)。管理手段主要通過建立刀夾具管理信息系統(tǒng)和輸送系統(tǒng)來滿足生產(chǎn)中對刀夾具的需求，其中信息系統(tǒng)主要用于管理刀夾具的各個管程信息；輸送系統(tǒng)主要由立體庫、裝卸臺、檢測儀、條碼閱讀器、中央刀庫、機床刀庫、部件緩沖庫、自動導向小車(Automated Guided Vehicle, AGV)等組成[1]。在國外，美國Kennametal公司刀具管理系統(tǒng)KATMS的主要功能包括基本信息的維護與管理、庫存管理、刀具采購需求分析、加工參數(shù)優(yōu)化、加工成本控制等[2]；英國CTMS公司的刀具管理系統(tǒng)CTMS，通過分布在庫房、檢測中心、機床等位置的終端能夠及時更新刀具的庫存信息、檢測信息和加工信息等，還能實時統(tǒng)計和分析刀具的使用和管理信息；日本Big Daishowa開發(fā)的刀具自動化管理系統(tǒng)，通過無線射頻識別(Radio Frequency IDentification, RFID)識別刀具來進行刀具的庫存管理、基礎信息和加工信息管理、優(yōu)化調度等[3]；德國Delkel開發(fā)的計算機輔助刀具管理系統(tǒng)Tool Manager，能夠實現(xiàn)刀具存儲、刀架配備優(yōu)化、刀具裝配安排、刀具需求和刀具壽命規(guī)劃[4]。Wang等[5]基于RFID的刀具管理系統(tǒng)，在刀具準備階段建立了包括刀具、夾具、機床、零件和數(shù)控程序等信息的集中數(shù)據(jù)庫，這些信息可以自動傳輸?shù)紺AM和仿真軟件，從而在刀具使用階段利用RFID對刀具的存儲和檢索、預設定、狀態(tài)監(jiān)測和破損過程進行控制；Ren等[6]利用RFID對刀具狀態(tài)和位置信息進行實時采集，提高了刀具管理的自動化程度；Meseguer等[7]通過將工具管理與CAPP結合快速為生產(chǎn)計劃匹配工具，提高了制造的靈活性；Chung等[8]對計劃與調度間的工具和機器進行了動態(tài)選擇。這些刀夾具的數(shù)字化管理需要高度自動化的車間環(huán)境作支撐，然而國內大部分傳統(tǒng)制造業(yè)或正在轉型中的制造業(yè)的車間自動化和信息化水平較低，可以借鑒國外的管理方法和思路，但是很難直接套用國外的管理模式和管理系統(tǒng)。國內對車間刀夾具的數(shù)字化管理也進行了大量研究。Wang等[9]建立了銑刀從采購、使用到報廢的管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要分為刀具管理模塊和智能刀具選擇模塊；Sun等[10]基于Web和二維條碼技術的刀具管理系統(tǒng)，不但實現(xiàn)了刀具從使用到磨損的全壽命周期信息追蹤和控制，而且能夠共享；Sui等[11]通過設計數(shù)據(jù)庫來解決數(shù)控刀具匹配與刀具管理脫節(jié)的現(xiàn)象；Sheng等[12]采用集成化計算機輔助制造的定義方法(Integrated computer aided manufacturing DEFinition method, IDEF)刀具全壽命周期管理系統(tǒng)進行設計，涉及刀具資源分類和代碼技術等關鍵技術；海源等[13]研發(fā)的基于RFID的車間級刀具管理系統(tǒng)適用于車、銑、鉆，該系統(tǒng)通過RFID標簽標識刀柄，將刀柄和刀桿組裝成刀具，然后將刀具與RFID標簽綁定，完成數(shù)據(jù)關聯(lián)初始化，從而實現(xiàn)刀具從入庫到報廢的過程管理；饒運清等[14]研發(fā)的車間制造資源集成與制造過程執(zhí)行系統(tǒng)，可以快速集成車間包括刀具在內的制造資源,還能支持網(wǎng)絡化制造環(huán)境下的車間資源共享和制造過程管理與執(zhí)行；浙江大學的王君等[15]設計了工裝數(shù)據(jù)庫，并利用Delphi開發(fā)基于Web的ADO/MTS/COM+工裝管理系統(tǒng)，主要用于管理刀具、夾具等在流程中涉及的圖紙和文件；王勇等[16]研發(fā)的組合夾具系統(tǒng)可以實現(xiàn)夾具的數(shù)字化管理，有效縮短加工過程的生產(chǎn)準備周期。

通過分析上述刀夾具管理的研究現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn)：①管理對象多屬于車銑刀夾具，對滾齒刀、插齒刀等齒輪加工車間的刀夾具研究較少；②管理階段對計劃、采購和打標的管理研究較少；③管理內容多為入庫、出庫等流程管理，對結合基礎信息、管理流程與現(xiàn)場信息的管理研究較少；④管理范圍多局限于單一系統(tǒng)，對與上層計劃系統(tǒng)、車間同級管理系統(tǒng)、下層執(zhí)行系統(tǒng)的協(xié)同管理研究較少。作為裝備制造業(yè)中十分重要的環(huán)節(jié)，齒輪加工生產(chǎn)過程對刀夾具的需求量很大，而齒輪加工刀夾具與車銑類等其他刀夾具不同的是：①在齒形修正、刃磨后需進行淬火等熱處理，使用中伴隨著大量冷卻液、潤滑劑和煙霧，環(huán)境十分惡劣；②安裝方式較其他刀夾具有較大不同，其安裝配合多、要求高，而且兩端固定，因此目前多采用手工安裝方式；③種類繁多，類型相似，兩把模數(shù)不同外徑相同的滾刀很容易混淆；④結構復雜，制造加工困難，生產(chǎn)成本高，因此對其維護尤為重要[17]。鑒于以上自身特有的物理屬性和使用特性，齒輪刀夾具的識別方法、識別位置、選配思路、管理方法、管理模式均不同于其他刀夾具，現(xiàn)有刀夾具管理系統(tǒng)無法較好適應齒輪刀夾具的全壽命周期管理。以往研究[18]設計了一套智能滾齒機刀具、夾具和工件識別與匹配系統(tǒng)(Identification and Matching System for Cutting tools, Fixtures and Workpieces, IMS-CFW)，結合激光標刻二維條碼識別技術和RFID技術對刀夾具進行識別，設計了在位識別和在機識別來保證配送和安裝的正確性。在IMS-CFW的基礎上，本文提出一種基于信息模型的刀夾具全壽命周期管理方法，以齒輪加工刀夾具為研究對象，設計了齒輪加工數(shù)字化車間刀夾具管理系統(tǒng)(Cutting tools and Fixtures Management System for Digital Workshop of Gear Machining, CFMS-GMDW)，該系統(tǒng)貫穿了刀夾具計劃、置辦、使用和維護的全壽命周期，并通過Web Services技術與上層計劃、車間管理和下層執(zhí)行等系統(tǒng)進行了集成，實現(xiàn)了刀夾具計劃信息、管理信息與現(xiàn)場加工使用信息的融合應用，同時設計了管理方法、系統(tǒng)架構、使用流程和數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了齒輪加工刀夾具的全壽命周期管理。

1 CFMS-GMDW系統(tǒng)需求分析

通過調研齒輪加工車間發(fā)現(xiàn)，齒輪加工過程具有多任務、快節(jié)奏、小批量等特點，因為加工任務頻繁變化，所以刀夾具種類繁多，而且隨著需求的增加，刀夾具的數(shù)量也會增加；同時由于齒輪加工刀夾具在使用和管理中涉及多個環(huán)節(jié)，不同環(huán)節(jié)的刀夾具信息以及對信息的需求也在不斷變化，然而目前對這些信息缺乏有效地管理維護。另外，由于車間建設的數(shù)字化管理方法和管理模式比較落后，企業(yè)在刀夾具的管理、選擇、集成等方面存在如下問題：

(1)手工記錄、紙質傳遞的人工管理模式仍普遍存在，這種模式不規(guī)范、易出錯、效率低、難保存，不便于信息的查詢、統(tǒng)計、匯總，很難對刀夾具的位置信息和狀態(tài)信息進行實時追蹤。

(2)刀夾具選配隨意，缺少標準規(guī)則。根據(jù)加工任務給出的刀夾具類型憑經(jīng)驗選取刀夾具進行加工，導致所選刀夾具并非為加工任務所需或者為最為合適的，降低了加工效率和加工質量，間接提高了加工成本。

(3)刀夾具信息缺乏共享，系統(tǒng)煙囪問題突出。車間建立了多套系統(tǒng)，各系統(tǒng)在實際運行生產(chǎn)中，都不可避免地需要使用刀夾具信息，然而由于系統(tǒng)之間互相獨立，同樣的刀夾具信息存在多處錄入、多處維護的問題，導致數(shù)據(jù)冗余或數(shù)據(jù)沖突，從而使生產(chǎn)任務與刀夾具資源發(fā)生矛盾，直接影響整個生產(chǎn)進度與車間產(chǎn)能。

因此，制造企業(yè)亟需借助刀夾具管理系統(tǒng)對齒輪加工車間刀夾具進行數(shù)字化管理，實現(xiàn)刀夾具的基礎信息管理、選配管理、跟蹤管理、庫存管理、信息共享等功能。

2 CFMS-GMDW系統(tǒng)總體設計

2.1 刀夾具全壽命周期管理方法

針對上述刀夾具管理混亂的問題，首先梳理了車間刀夾具管理和使用的各個環(huán)節(jié)，將刀夾具的全壽命周期分為計劃階段、置辦階段、使用階段和維護階段，如圖1所示，其中“工具”指刀具和夾具。

(1)工具計劃階段 根據(jù)車間生產(chǎn)計劃、齒輪加工工藝和工具現(xiàn)狀提出工具需求計劃；工具管理部門統(tǒng)一制定采購或制造計劃，并生成相應的工具清單。

(2)工具置辦階段 現(xiàn)有工具和后期通過采購或自己制造的工具都將作為新工具，先采用一定的標識方法將唯一編碼標記在工具上，再通過識別裝置獲取編碼信息，手動錄入該工具的基礎信息，即完成入庫操作。

(3)工具使用階段 操作員根據(jù)接收到的待加工作業(yè)，發(fā)出“工具請求→選配室選配工具→配送工具至機床→操作員組裝刀具部件和夾具部件→調整工具→安裝工具至機床上→在線加工，實時統(tǒng)計工具的位置信息、狀態(tài)信息、壽命信息→完成作業(yè)”后，拆卸和拆分工具，識別裝置獲取工具的身份信息，表征工具本次使用結束，等待回收檢測。

(4)工具維護階段 檢測員檢測工具，確定工具應該入庫、維修、或報廢，其中待維修的工具送到修磨室完成維修和記錄后還需進行二次檢測，待報廢的工具做好記錄后便可報廢。

2.2 數(shù)字化車間刀夾具管理模式

CFMS-GMDW系統(tǒng)圍繞上述刀夾具全壽命周期管理進行設計，需要完成車間刀夾具的統(tǒng)一管理和使用，并能為其他涉及刀夾具的系統(tǒng)提供服務。本文提出數(shù)字化車間刀夾具管理模式，如圖2所示，圖中涉及的多種制齒機床的定義如表1所示。

表1 多種制齒機床的定義

制齒機床類型制齒機床定義普通制齒機床沒有數(shù)控系統(tǒng)的制齒機床,一般通過機械傳動實現(xiàn)齒輪加工的半自動化數(shù)控制齒機床帶有數(shù)控系統(tǒng)的制齒機床,通過數(shù)控代碼自動控制齒輪加工智能制齒機床在智能制造背景下,具備任務管理、能耗監(jiān)測、故障診斷、質量管理、刀具管理等功能的數(shù)控制齒機床

(1)下層機床端 每臺機床配有一臺終端，并通過初始化與終端綁定。終端可通過瀏覽器訪問刀夾具管理服務器，用于指導現(xiàn)場加工；也可通過客戶端程序與數(shù)控系統(tǒng)或其他信息采集設備進行交互，將采集到的信息直接發(fā)送給刀夾具管理服務器。

(2)中層管理端 車間刀夾具的各管理端分別位于標刻室、庫房、選配室、檢測中心、修磨室，通過局域網(wǎng)刀夾具管理服務器連接，并通過訪問瀏覽器實現(xiàn)身份標記、庫存管理、選配管理、檢測管理、維修管理等功能，是CFMS-GMDW系統(tǒng)的主要組成部分。刀夾具管理服務器用于存儲刀夾具的基礎數(shù)據(jù)、使用和管理過程中的流程數(shù)據(jù)以及與管理相關的支撐數(shù)據(jù)。

(3)上層管理中心 用于企業(yè)對齒輪加工整個過程的綜合管理和監(jiān)控，包括生產(chǎn)部、工藝部、采購部等部門，以及刀夾具管理服務器、Web服務器、CAPP服務器、企業(yè)服務平臺等后臺服務器，各部門通過局域網(wǎng)進行信息共享和集成管理。

在該模式下，CFMS-GMDW系統(tǒng)通過網(wǎng)絡技術、計算機技術等進行車間刀夾具的數(shù)字化管理，向下通過終端客戶端程序與底層設備交互，向上通過與管理中心無縫銜接使相關系統(tǒng)能夠共享刀夾具信息，解決了生產(chǎn)與刀夾具資源的矛盾，在保證生產(chǎn)順利進行的同時使企業(yè)上層能夠指導和監(jiān)督車間現(xiàn)場作業(yè)。

2.3 數(shù)字化車間刀夾具管理系統(tǒng)架構

由2.1節(jié)可知，車間刀夾具分為管理(包括計劃、置辦、維護階段)和使用(使用階段)兩大業(yè)務，分別對應CFMS-GMDW系統(tǒng)的管理端和終端。從2.2節(jié)得到，CFMS-GMDW系統(tǒng)架構設計應采用瀏覽器/服務器(Browser/Server, B/S)為主、客戶機/服務器(Client/Server, C/S)為輔的方式(如圖3)，該方式分為支撐層、處理層、高級應用層和用戶層。

(1)支撐層 為處理層處理多種業(yè)務的前提和基礎：①提供底層信息采集插件，這些插件將接收到的信息發(fā)送給服務器，例如條碼掃描插件用于接收掃描槍獲取的編碼信息，RFID讀寫插件用于接收RFID設備獲取的編碼信息；②提供數(shù)據(jù)庫支持，協(xié)助處理層完成信息修改、查詢等；③提供Web接口，用于刀夾具管理系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)采集指令和接收采集到的數(shù)據(jù)，同時提供系統(tǒng)集成接口與其他相關系統(tǒng)進行集成；④提供網(wǎng)頁開發(fā)環(huán)境和數(shù)據(jù)通信協(xié)議。

(2)處理層 為CFMS-GMDW系統(tǒng)的核心層，主要根據(jù)高級應用層提出的各種業(yè)務請求，從支撐層或借助支撐層從底層設備獲取數(shù)據(jù)，按圖3中的規(guī)則、算法、應用邏輯分析和處理獲取到的數(shù)據(jù)，再將處理過的數(shù)據(jù)返給高級應用層，同時更改支撐層中的某些數(shù)據(jù)狀態(tài)。另外，采用支撐層提供的數(shù)據(jù)庫模塊對刀夾具信息進行增刪改查，采用條碼標刻插件對刀夾具進行身份標記，采用條碼掃描插件和RFID讀寫插件對刀夾具進行身份識別。

(3)高級應用層 為CFMS-GMDW系統(tǒng)進行人機交互的窗口。操作員通過終端瀏覽器訪問CFMS-GMDW完成如下功能：①刀夾具請求，根據(jù)接收的待加工作業(yè)信息向選配管理發(fā)出刀夾具請求；②在位檢測；③在機檢測；④實時信息顯示；⑤修磨預警[18]。管理員通過管理端瀏覽器訪問CFMS-GMDW完成如下功能：

1)編碼管理 可定義編碼規(guī)則，輸入各字段含義，生成唯一編碼。

2)基礎數(shù)據(jù)管理 通過唯一編碼進行基礎信息的增刪改查。

3)采購管理 對某類刀夾具進行采購申請，并定期整合采購申請，生成采購計劃上報企業(yè)資源計劃(Enterprise Resource Planning，ERP)系統(tǒng)，待新的刀夾具進入車間后，通過編碼管理生成編碼，通過打碼和RFID技術對刀夾具進行身份標記，再依次錄入每個編碼對應的刀夾具基本信息，即完成入庫。

4)庫存管理 實現(xiàn)刀夾具的庫存基礎信息管理、出入庫管理、庫存盤點和庫存預警等。

5)跟蹤管理 實時查詢刀夾具的位置、狀態(tài)、壽命等信息。

6)檢測管理 檢測回收的刀夾具，確定刀夾具是入庫、維修還是報廢，并做好記錄。

7)選配管理 根據(jù)各機床終端發(fā)來的刀夾具請求選出合適的刀夾具，并按一定順序生成待配送單。

8)維修報廢管理 處理刀夾具的維修和報廢事務，如報修登記、出庫維修記錄、維修方案記錄和報廢登記等。

9)系統(tǒng)管理 設置人員、權限、系統(tǒng)信息。

(4)用戶層 CFMS-GMDW系統(tǒng)的直接使用者，如車間主管負責人員管理、生產(chǎn)進度監(jiān)督等，庫管員負責出入庫登記、庫存盤點等，操作員負責作業(yè)加工過程中的刀夾具請求、安裝等。

由CFMS-GMDW系統(tǒng)的架構設計可見，系統(tǒng)的核心為刀夾具管理和使用的統(tǒng)一規(guī)范管理。要實現(xiàn)統(tǒng)一規(guī)范管理，在操作上刀夾具的選擇需遵循一定規(guī)則，在內容上需要對刀夾具信息進行分類規(guī)范，在技術上需要集成系統(tǒng)，以便信息共享。下文將對刀夾具選配方法、刀夾具信息模型、刀夾具管理系統(tǒng)集成進行詳細說明。

3 CFMS-GMDW系統(tǒng)的關鍵技術研究

3.1 刀夾具選配方法

一般刀夾具選配指根據(jù)產(chǎn)品工藝要求選擇合適的刀夾具進行加工，該功能由參數(shù)決策系統(tǒng)實現(xiàn)。刀夾具管理系統(tǒng)的刀夾具選配功能指在參數(shù)決策系統(tǒng)為加工作業(yè)決策出刀夾具類型后，快速選出具體的刀夾具，同時當生產(chǎn)現(xiàn)場有多個作業(yè)請求刀夾具時，能夠快速確定響應作業(yè)的先后順序。下面以刀具為例(夾具選配類似)對其選配過程進行說明。

刀具選配指選配室接收到各終端作業(yè)發(fā)送的刀具請求后，按一定選配策略及時為請求作業(yè)選出合適的刀具，選配的核心是選配策略，即針對不同的刀具活動賦予不同的優(yōu)先級。CFMS-GMDW系統(tǒng)的刀具選配策略如圖4所示，當選配室接收到多終端作業(yè)的刀具請求時，按照先進先出、按權優(yōu)先和瓶頸設備優(yōu)先3個原則，確定響應作業(yè)的先后順序；當同時有多把刀具滿足作業(yè)要求時，根據(jù)刀具選配基本原則、刀具運輸時間最短原則和刀具使用均衡原則綜合評價后，依次為每個作業(yè)選出最合適的一把刀具。刀具選配規(guī)則的定義[19]如表2所示。

表2 刀具選配規(guī)則的定義

選配規(guī)則基本定義先進先出原則按作業(yè)請求刀具的時間,優(yōu)先服務請求早的作業(yè)按權優(yōu)先原則按作業(yè)請求刀具的緊急程度(定義如表3),優(yōu)先服務緊急的作業(yè)瓶頸設備優(yōu)先原則按請求作業(yè)的計劃加工時長,優(yōu)先服務時間長的作業(yè)刀具選配基本原則將剩余壽命大于作業(yè)計劃時長的刀具作為備選刀具運輸時間最短原則按刀具與請求作業(yè)對應機床之間的距離,優(yōu)先服務距離短的作業(yè)刀具使用均衡原則按刀具剩余壽命,優(yōu)先選擇剩余壽命較長的刀具

表3 刀具請求緊急程度的定義

綜合上述的選配策略建立刀具的選配方法，如圖5所示。選配員查看來自CFMS-GMDW系統(tǒng)終端的多個作業(yè)刀具請求，請求記錄包括請求編號、刀具類型、請求原因、請求時間、作業(yè)編號等，通過選配策略確定響應請求的順序和選出的刀具編碼，根據(jù)請求編號和刀具編碼，結合數(shù)據(jù)庫關聯(lián)關系，依次生成多個刀具配送單，配送單中包括請求編號、刀具編碼、刀具名稱、刀具位置、機床名稱和機床位置等基本信息，庫房按要求實施配送。

該選配方法能快速為各作業(yè)的刀夾具請求選出最合適的刀夾具，并及時送往作業(yè)對應的機床，從而減少加工中刀夾具的準備時間，避免發(fā)生因刀夾具磨損需二次請求的情況，即減少機床的停工等待時間，提高齒輪生產(chǎn)效率，同時平衡使用刀夾具，更大限度地利用刀夾具資源。

3.2 刀夾具信息模型

刀夾具資源管理實質上是刀夾具信息的管理，這些信息既要能反映車間刀夾具的整體情況，又要覆蓋刀夾具全壽命周期管理的各個階段。通過信息模型對刀夾具自身基本信息和全壽命周期各階段屬性特征進行統(tǒng)一描述和表達，以便管理和共享刀夾具信息。下面依次介紹刀夾具的靜態(tài)信息模型和動態(tài)信息模型。

3.2.1 刀夾具的靜態(tài)信息模型

靜態(tài)信息指刀夾具資源本身固有的信息，這些信息不隨管理和加工過程的改變而改變。由于每類刀夾具的結構和幾何參數(shù)差異較大，不適合采用統(tǒng)一的結構描述刀夾具的靜態(tài)信息，而是根據(jù)資源的不同類別和資源間的共性與個性建立刀夾具的靜態(tài)信息模型，如圖6所示。

3.2.2 刀夾具的動態(tài)信息模型

動態(tài)信息指隨著管理和使用流程的變化而變化，并能表征不同業(yè)務流程的信息。根據(jù)刀夾具從采購到報廢的各階段特征，將刀夾具的動態(tài)信息依次分為采購管理信息、庫存管理信息、借出請求信息、借還管理信息、跟蹤管理信息、使用管理信息、檢測管理信息、維修管理信息和報廢管理信息，如圖7所示。在跟蹤管理信息中，位置信息與狀態(tài)信息的對應關系如圖8所示，狀態(tài)變化如圖9所示，壽命信息通過累計加工件數(shù)和累積使用時長兩個參數(shù)表征，它在加工中和修磨后會發(fā)生變化，通過對比剩余壽命和額定壽命進行加工中刀夾具的修磨預警和報廢預警，防止出現(xiàn)刀夾具嚴重磨損和工件成批報廢的情況。

按照刀夾具動靜態(tài)信息模型定義的規(guī)范對刀夾具管理系統(tǒng)或其他涉及刀夾具的系統(tǒng)信息進行分類描述，有助于系統(tǒng)內信息的增刪改查和系統(tǒng)間的信息共享，實現(xiàn)對車間刀夾具管理和使用全過程信息的統(tǒng)一管理和維護。

3.3 刀夾具管理系統(tǒng)集成設計

3.3.1 刀夾具管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互分析

刀夾具管理系統(tǒng)要對刀夾具進行全壽命周期管理，必然需要與車間的其他系統(tǒng)集成交互，進行數(shù)據(jù)與信息共享。通過分析車間信息流向，得到刀夾具管理系統(tǒng)與其他系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互情況，如圖10所示。

(1)與ERP系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互

首先，在刀夾具管理系統(tǒng)進行用戶功能權限分配時，需要從ERP系統(tǒng)成批導入人員的基礎信息；其次，在ERP系統(tǒng)為齒輪生產(chǎn)計劃準備刀夾具資源時，需要從刀夾具管理系統(tǒng)獲取車間刀夾具現(xiàn)狀，如庫存和壽命；再則，刀夾具管理系統(tǒng)也可向ERP系統(tǒng)發(fā)送刀夾具臨時采購申請。從而有效解決了生產(chǎn)加工與刀夾具資源的矛盾。

(2)與CAPP系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互

工藝部根據(jù)加工零件的基礎數(shù)據(jù)、加工條件和加工要求，參考已有工藝制定工藝路線。在選擇工藝設備資源(刀夾具)時，需要從刀夾具管理系統(tǒng)獲取刀夾具編號、分類信息、尺寸與幾何形狀等。由于這些數(shù)據(jù)都由管理系統(tǒng)統(tǒng)一管理和維護，采用調取的方式可以避免數(shù)據(jù)再次錄入造成的不一致問題。

(3)與任務管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互

車間任務管理系統(tǒng)在制定工藝卡片時，需要從刀夾具管理系統(tǒng)獲取刀夾具編號、名稱、規(guī)格等關鍵參數(shù)。在準備加工時，刀夾具管理系統(tǒng)需要從任務管理系統(tǒng)獲取加工作業(yè)信息，根據(jù)作業(yè)信息中的刀夾具類型提前發(fā)出刀夾具請求。

(4)與參數(shù)決策系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互

車間參數(shù)決策系統(tǒng)在決策切削速度、進給速度、刀具轉速、走刀量和竄刀量等參數(shù)時，需要從刀夾具管理系統(tǒng)獲取刀具的基本參數(shù)信息，如刀具編號、模數(shù)、螺旋方向、壓力角、材料和檢測記錄等。

3.3.2 基于Web Services的系統(tǒng)集成設計

從對刀夾具管理系統(tǒng)與其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互的分析可知，刀夾具管理系統(tǒng)為其他系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持的同時也從其他系統(tǒng)中獲取數(shù)據(jù)信息，因此刀夾具管理系統(tǒng)既是服務的提供者，又是服務的請求者。采用Web Services技術實現(xiàn)以上系統(tǒng)的集成模型，如圖11所示。

在圖11中，①為刀夾具管理系統(tǒng)作為服務提供者與其他系統(tǒng)的集成方式；②為刀夾具管理系統(tǒng)作為服務請求者與其他系統(tǒng)的集成方式，主要通過調用其他系統(tǒng)提供的服務接口完成服務請求。本文的研究重點是刀夾具管理系統(tǒng)作為服務提供者時的集成方式，具體是按照Web Services技術對刀夾具管理系統(tǒng)進行封裝，然后按照Web Services規(guī)范提供Web服務描述語言(Web Services Description Language，WSDL)文檔和接口規(guī)范，其本質是提供接口服務函數(shù)，而且所有接口服務函數(shù)的調用方法均在WSDL文檔中進行了詳細描述。表4所示為刀夾具管理系統(tǒng)提供的主要接口服務函數(shù)。

表4 刀夾具管理系統(tǒng)接口服務函數(shù)

4 CFMS-GMDW系統(tǒng)的詳細設計

4.1 系統(tǒng)使用流程設計

根據(jù)CFMS-GMDW系統(tǒng)的不同使用情景，采用統(tǒng)一建模語言(Unified Modeling Language，UML)中的時序圖分別建立管理員、操作員的操作順序。圖12所示為庫管員、技術員、選配員等管理者在執(zhí)行編碼管理、基礎數(shù)據(jù)管理、采購管理、選配管理等流程時，數(shù)據(jù)和信息的傳遞流程；圖13所示為操作員執(zhí)行刀夾具請求、刀夾具匹配、實時信息顯示三大流程時，數(shù)據(jù)和信息的傳遞流程。

4.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設計

建立刀夾具管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，實際是將大量刀夾具數(shù)據(jù)按照特定的數(shù)據(jù)結構進行組織、存儲和管理后，通過數(shù)據(jù)接口對外提供數(shù)據(jù)的檢索、增加、刪除、修改等功能，以滿足系統(tǒng)中多個功能模塊的多種需求，因此其設計的合理與否直接決定了系統(tǒng)運行的可靠性和穩(wěn)定性。本文基于實體—聯(lián)系(E-R)模型，從概念和邏輯兩個層面對CFMS-GMDW系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫進行設計，如圖14所示。

基于所建立的E-R概念模型，結合CFMS-GMDW系統(tǒng)跨平臺運行、數(shù)據(jù)處理響應需求高的特點，采用Oracle數(shù)據(jù)庫軟件進行數(shù)據(jù)庫的邏輯結構設計，共設計出工具類型信息表、工具信息表、刀具參數(shù)表、檢測管理表、借還管理表等13張數(shù)據(jù)表，通過分析數(shù)據(jù)表之間主鍵與外鍵的關系，形成表與表之間的連接圖(如圖15)，基于該數(shù)據(jù)庫關系結構圖便可實現(xiàn)CFMS-GMDW系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的開發(fā)。

5 功能驗證

在對系統(tǒng)架構、使用流程及關鍵技術研究與論證的基礎上，以Oracle為數(shù)據(jù)庫，基于Java和Javascript兩種語言開發(fā)了CFMS-GMDW系統(tǒng)的框架與界面，并對系統(tǒng)的功能進行了初步驗證。該系統(tǒng)分為管理端和終端兩個部分，其中終端部分的刀夾具請求、在位檢測、在機檢測、實時信息顯示和修磨預警功能已驗證[18]，而管理端運行的主要功能界面如圖16所示，其中：①為基礎數(shù)據(jù)管理，用于增刪改查每一類刀夾具的基礎信息，而且這些操作都有規(guī)范和約束；②為采購管理，當?shù)秺A具庫存低于下限時，系統(tǒng)會提醒采購申請，完成采購申請后將多個申請合并為一個采購計劃，采購到位后，編碼管理為每一把刀夾具生成唯一編碼標記在刀夾具實體上，并錄入對應的基礎信息完成入庫，標志采購流程結束；③為庫存管理，出入庫前識別身份信息，核實后確認出入庫，并修改借還記錄，此外還能進行庫存基本管理、庫存盤點、庫存預警等；④為維修報廢管理，根據(jù)檢測管理檢測的結果進行維修申請/報廢處理，在相關界面錄入信息，即完成登記和統(tǒng)計；⑤為跟蹤管理，用于實時查詢車間刀夾具的當前所在位置、當前所處狀態(tài)、累積使用時長、剩余壽命等；⑥為歷史記錄查詢，用于查看刀夾具的借還記錄、維修記錄、報廢記錄，這里系統(tǒng)終端運行的刀夾具請求、在位檢測、在機檢測、實時信息顯示和修磨預警功能均已驗證[18]。

在完成CFMS-GMDW系統(tǒng)的基本功能模塊開發(fā)后，采用Web Services技術將該系統(tǒng)與重慶某機床集團傳動車間的任務管理系統(tǒng)、參數(shù)決策系統(tǒng)、CAPP系統(tǒng)等進行對接集成，形成一套完整的車間監(jiān)控管理系統(tǒng)。經(jīng)過初步運行測試表明，CFMS-GMDW系統(tǒng)為刀夾具全壽命周期管理提供了合理的解決方案，該系統(tǒng)能有效改善傳統(tǒng)管理模式中存在的記錄不規(guī)范、查詢追蹤困難、信息復用低等問題，緩解刀夾具管理混亂和使用混淆造成的資源浪費，極大地提升了刀夾具管理和使用效率，進而提高了車間產(chǎn)能和經(jīng)濟效益。

6 結束語

本文針對齒輪加工車間刀夾具管理混亂和使用混淆的問題，提出一種基于信息模型的全壽命周期管理方法，并設計開發(fā)了CFMS-GMDW系統(tǒng)。系統(tǒng)圍繞管理、使用兩大業(yè)務應用，設計了面向管理員、操作員的管理端與終端模塊，并通過基于六大原則的選配方法、靜動態(tài)信息模型、基于Web Services的系統(tǒng)集成技術、數(shù)據(jù)庫技術等，實現(xiàn)了刀夾具的基礎數(shù)據(jù)管理、采購管理、庫存管理、跟蹤管理、維修報廢管理和歷史數(shù)據(jù)追溯等功能，有效解決了齒輪加工車間刀夾具管理不規(guī)范、使用易混淆、信息不共享的問題。

該系統(tǒng)已在車間現(xiàn)場進行了功能測試驗證，結果表明，該系統(tǒng)能有效提高刀夾具管理與使用效率，改善數(shù)字化車間信息孤島問題，使刀夾具資源在采購、倉儲、選擇、配送、檢測、修磨、報廢等全壽命周期中都能最大化發(fā)揮其價值，進而降低刀夾具維護與購置成本，提高車間生產(chǎn)效率和質量。本文開發(fā)的系統(tǒng)主要面向齒輪加工車間，下一步研究會將本文思想與系統(tǒng)開發(fā)的經(jīng)驗應用于更多類型的制造車間，以達到工廠級的刀夾具全壽命周期管理。