李勇勝，侯 力，段 陽，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）

1 前言

由于航空發(fā)動機燃油噴嘴結(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)動機生產(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)效率都受到了負面的影響［1］。根據(jù)相關(guān)信息，16%的生產(chǎn)計劃因缺乏相關(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床操作人員20%的生產(chǎn)時間［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Kennametal的KATMS、德國Delkel的Tool manager英國CTMS的CYMS、瑞典Sandvik的Coratas等［4］。而目前國內(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，實用性較低，功能過于簡單［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。文獻開發(fā)了一套基于射頻識別技術(shù)的車間級刀具管理系統(tǒng)，解決了刀具識別與刀具從入庫到報廢環(huán)節(jié)的過程管理問題［8］。同濟大學(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)備階段的時間與出錯率［9］。文獻為了提高企業(yè)刀具的管理能力，并輔助企業(yè)進行車間執(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［11］。縱觀上述文獻，目前高校研究刀具管理系統(tǒng)的重點主要集中在刀具編碼、刀具識別及刀具數(shù)據(jù)庫本身的建立與存儲等方面，旨在通過數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用實現(xiàn)刀具有效的識別與分類存儲，從而科學(xué)有效的管理刀具。而企業(yè)對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)來將生產(chǎn)過程中的經(jīng)驗性知識進行有效的管理和存儲，根據(jù)生產(chǎn)要求實現(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)將會成為企業(yè)刀具管理系統(tǒng)發(fā)展的趨勢之一。

該項目通過相關(guān)的研究，開發(fā)了一套航空發(fā)動機燃油噴嘴生產(chǎn)線智能化刀具管理與選配系統(tǒng)，實現(xiàn)刀具信息、項目信息、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)庫技術(shù)來完成刀具選配系統(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。

2 航空發(fā)動機零件刀具管理與選配系統(tǒng)需求分析

噴嘴是航空發(fā)動機的核心零件之一，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，特別是，不同批次產(chǎn)品精度的加工一致性對燃料分布，噴霧角度，燃燒完整性，起動點火，潤滑等有很大影響。該類零件不僅要滿足設(shè)計要求，更要在生產(chǎn)過程中按期對使用性能進行質(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)驗進行刀具的選用和裝配，暫且沒有相對統(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）沒有辦法對刀具的參數(shù)進行查詢，也不能及時獲得刀具的庫存信息和刀具的具體參數(shù)信息，這樣往往會延誤刀具的采購，影響正常的生產(chǎn)任務(wù)；；（3）刀具準(zhǔn)備計劃和生產(chǎn)計劃匹配效率低，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)備計劃，CAPP子系統(tǒng)，NC子系統(tǒng)，工況數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，運行計劃調(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。根據(jù)刀具加工類型，刀具材料，刀刃形狀，刀具等級，涂層，硬度等，建立刀具技術(shù)信息庫，并存儲刀具的具體技術(shù)參數(shù)信息，便于篩選和查詢；（2）刀具狀態(tài)管理。實現(xiàn)狀態(tài)信息管理，如工具庫存，采購，借用/返還和分配；（3）項目信息管理。包括項目整體信息管理，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，實現(xiàn)刀具信息快速查詢與選配；（5）加工參數(shù)推薦。在進行刀具選配時，智能推薦過往項目中的相似項目，為加工參數(shù)的設(shè)計提供參考與借鑒。

3 航空發(fā)動機零件刀具管理與選配系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

結(jié)合上述企業(yè)的需求分析，智能化刀具庫信息管理系統(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

3.1 刀具管理模塊

根據(jù)企業(yè)對建立刀具信息庫，實現(xiàn)刀具具體參數(shù)的管理及建立刀具狀態(tài)管理，實現(xiàn)刀具庫存、采購、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包括兩部分，即企業(yè)現(xiàn)有刀具及尚未采購但可能有采購意向的備選刀具。備選刀具庫中只包含刀具的技術(shù)參數(shù)信息，現(xiàn)有刀具庫中不僅包含刀具的技術(shù)參數(shù)信息，還包含刀具的庫存信息、采購信息、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)信息會有很大的區(qū)別。以Walter刀具某型號車刀為例，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、功能長度、垂直前角、刃傾角等。

3.1.3 庫存信息

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，如何解決刀具的庫存問題成為了重中之重。刀具的庫存是機加工行業(yè)再生產(chǎn)過程中為滿足自身生產(chǎn)而對刀具進行必要的貯備，對保證生產(chǎn)的正常進行起著至關(guān)重要的作用。刀具庫存信息可查詢現(xiàn)有刀具類型及庫存數(shù)量、刀具儲存位置信息、刀具使用狀態(tài)信息、刀具壽命信息等。

3.1.4 采購信息

刀具采購可在現(xiàn)有刀具庫中增加刀具庫存量，也可將備選刀具庫中等刀具添加到現(xiàn)有刀具庫中。若新采購的刀具未在備選刀具庫中錄入信息，也可在刀具庫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、報廢和修配。當(dāng)?shù)毒叱霈F(xiàn)損壞時，應(yīng)進行修配處理，修理損壞的部分，配齊殘缺的部分。若經(jīng)相關(guān)工作人員檢驗、審批，確認刀具已達到報廢標(biāo)準(zhǔn)，無法進行修配時，對刀具作報廢處理，同時記錄相關(guān)信息。

3.1.6 配送信息

工藝設(shè)計人員完成數(shù)控加工程序的編制后，刀具配送人員根據(jù)生產(chǎn)計劃指令，按照刀具列表進行刀具準(zhǔn)備、調(diào)度，提前進行刀具配送，協(xié)調(diào)與管理刀具物流。刀具的配送信息應(yīng)與工件圖號及加工工序相關(guān)聯(lián)。

3.2 工藝管理模塊

針對企業(yè)對項目整體信息、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，以實現(xiàn)對項目信息、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?？梢圆樵兊男畔üぜ?shù)信息、刀具選用信息、數(shù)控程序代碼、工藝數(shù)據(jù)等；（3）查詢正在進行中的工藝進度及信息?？梢圆樵兊男畔üぜ?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?？焖龠x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、涂層、硬度等條件對刀具進行篩選，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、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)試加工檢驗符合要求后，將進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。程序的存儲方式應(yīng)按照相關(guān)規(guī)定進行。若程序后續(xù)需要進行變更，可在系統(tǒng)中進行改版及變更操作。

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)表并錄入刀具庫信息管理系統(tǒng)進行管理。需要時可將報表導(dǎo)出為文檔格式或直接在系統(tǒng)中打印。

3.3 用戶管理模塊

為了讓操作人員有效、安全地使用系統(tǒng)功能，需對所有的操作人員實行有效地分類管理。基于這種原因開發(fā)了用戶管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要的功能是對用戶信息、用戶權(quán)限及用戶日志進行相關(guān)的管理。

3.3.1 用戶信息維護

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

為了維護刀具庫信息管理系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全，保障系統(tǒng)正常運行，需對使用本系統(tǒng)的所有用戶進行權(quán)限管理，為不同角色的用戶設(shè)置不同的權(quán)限，通過這種方式來限定每個用戶所能進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)，修改個人信息；查詢刀具信息及工藝信息。（2）設(shè)計人員：登錄系統(tǒng)，修改個人信息；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、庫存、采購、借用/歸還、配送等；修改工藝信息，進行刀具選配，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)，修改個人信息；添加或刪除用戶；修改用戶權(quán)限信息；查看及維護用戶日志信息。

3.3.3 用戶日志管理

為了維護刀具庫信息管理系統(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)中所進行的操作、修改等，并進行管理和維護。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。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

本開發(fā)軟件基于C#語言開發(fā)，采用ORACLE數(shù)據(jù)庫系統(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展性，采用了MVC（Model View Control）設(shè)計模式，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，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。刀具管理又分為庫存管理、業(yè)務(wù)操作和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)三大模塊。其中庫存管理包括刀具信息管理與庫房信息管理；業(yè)務(wù)操作包含采購單、采購入庫、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)庫中的數(shù)據(jù)表一一對應(yīng)，并用于對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)執(zhí)行相應(yīng)的操作。目前，共設(shè)計了20個數(shù)據(jù)表，包括工具信息表，工具類別表，工具庫存表，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)庫設(shè)計并建立數(shù)據(jù)表之間的外鍵約束關(guān)系。并以之構(gòu)建數(shù)據(jù)庫的關(guān)系結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的關(guān)系結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)庫關(guān)系結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Database Relationship Structure Diagram

5 系統(tǒng)示例

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”、“工裝庫”、“量具庫”、“產(chǎn)品庫”、“高渦葉片”及自定義的“我的刀具”等庫存信息。右側(cè)顯示了數(shù)據(jù)表中存儲的刀具信息，操作人員可根據(jù)刀具名稱或刀具編號進行模糊查詢，也可通過添加、修改、刪除等按鈕進行相關(guān)的數(shù)據(jù)庫信息操作。

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，每一個工藝流程分為若干個工步，每個工步對應(yīng)于單個工具，并且工具表還包括相關(guān)刀片和輔助工具的組成信息。工藝流程對應(yīng)了相關(guān)的生產(chǎn)線，實現(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工步，在每個工步中，將依照已經(jīng)固化的生產(chǎn)流程，推薦若干個可選用的刀具，如圖7所示。經(jīng)測試，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

6 結(jié)論

智能刀具管理及選配系統(tǒng)是一個技術(shù)性和實用性很強的研究課題，該項目的研究取得了如下成果：

（1）針對該航空發(fā)動機企業(yè)對燃油噴嘴生產(chǎn)線刀具管理的個性化需求，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、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，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、準(zhǔn)確。

（3）采用B/S三層架構(gòu)體系/使用MVC（Model View Control）設(shè)計模式并應(yīng)用面向?qū)ο蟮木幊趟枷?，實現(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，對該系統(tǒng)進行了應(yīng)用展示。

該項目所述的航空發(fā)動機燃油噴嘴生產(chǎn)線智能刀具管理及選配系統(tǒng)的成功應(yīng)用，不僅對該航空發(fā)動機生產(chǎn)企業(yè)的刀具管理系統(tǒng)智能化升級起到了積極的推動作用，也對其他制造企業(yè)的刀具智能化管理提供了參考。