胡永泉 何航 盧慧 高弘博

(1.成都紡織高等?？茖W(xué)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(shù)與工業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，精密設(shè)備與元器件的需求不斷增大。夾具作為數(shù)控機(jī)床加工過程中的輔助穩(wěn)定裝置，是確保加工件精確度和效率的關(guān)鍵[1-2]。然而，由于夾具管理自動(dòng)化、信息化水平不足導(dǎo)致夾具磨損嚴(yán)重、維護(hù)保養(yǎng)不及時(shí)，直接影響了夾具的使用周期。利用物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等前沿信息化手段提高夾具管理與維護(hù)的自動(dòng)化、智能化水平，是推動(dòng)現(xiàn)代化制造業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵要素之一。

1 需求分析

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，夾具的磨損程度會(huì)直接影響精密設(shè)備與元器件生產(chǎn)的質(zhì)量，根據(jù)夾具損壞程度及時(shí)進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)是延長(zhǎng)夾具使用周期和確保安全生產(chǎn)的關(guān)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(jīng)驗(yàn)，從而導(dǎo)致維護(hù)保養(yǎng)不及時(shí)，廢品率增高等后果。鑒于此，如何提高夾具磨損程度監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化和智能化水平，確保維修和保養(yǎng)的及時(shí)性，成為夾具管理的重點(diǎn)[6-7]。

智慧夾具管理平臺(tái)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)自動(dòng)采集設(shè)備生產(chǎn)過程中夾具的關(guān)鍵參數(shù)與圖像，并采用人工智能算法對(duì)數(shù)據(jù)和圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)分析與處理，從而進(jìn)行夾具工程狀的判斷和磨損程度的預(yù)測(cè)。對(duì)于異常情況，平臺(tái)及時(shí)給出預(yù)警，提醒工作人員及時(shí)進(jìn)行保養(yǎng)和維護(hù)。與此同時(shí)，平臺(tái)通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)夾具全生命周期（從入庫到報(bào)廢）數(shù)據(jù)進(jìn)行集中管理，從而實(shí)現(xiàn)夾具運(yùn)維的自動(dòng)化與智能化水平。

2 平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

智慧夾具管理平臺(tái)采用MVC的設(shè)計(jì)思想，將業(yè)務(wù)邏輯、平臺(tái)人機(jī)交互和底層數(shù)據(jù)訪問相分離。平臺(tái)各模塊之間采用高內(nèi)聚、低耦合的設(shè)計(jì)原則，確保各模塊之間彼此獨(dú)立、依賴性低。在最大程度上確保系統(tǒng)具有較好的魯棒性[8-10]，可通過較少的修改來適應(yīng)需求的不斷變化，從而確保平臺(tái)具有良好的擴(kuò)展性與維護(hù)性。

平臺(tái)采用分層設(shè)計(jì)，整體共分為4層，分別為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層、展示層。其中感知層負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)的采集；網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)的傳輸；應(yīng)用層負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)的提取、分析、挖掘和決策等；展示層負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)的可視化展示、用戶與平臺(tái)的交互等。

2.2 平臺(tái)技術(shù)路線

智慧夾具管理平臺(tái)在研發(fā)過程中使用J2EE 技術(shù)體系[11-12]，后臺(tái)采用SpringBoot + MyBatis 進(jìn)行開發(fā)，前端使用漸進(jìn)式JavaScript 框架Vue，UI 界面采用基于Vue的組件庫Element UI，數(shù)據(jù)庫采用MySql，平臺(tái)以結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，通過JSON 統(tǒng)一數(shù)據(jù)交換格式、完成前端與后臺(tái)的數(shù)據(jù)交互。

為方便現(xiàn)場(chǎng)工作人員操作，智慧夾具管理平臺(tái)在提供PC端Web應(yīng)用的同時(shí)，同步研發(fā)了移動(dòng)端應(yīng)用程序。使現(xiàn)場(chǎng)工作人員通過手機(jī)、平板等移動(dòng)端設(shè)備就可進(jìn)行入庫、出庫、報(bào)修、報(bào)廢、狀態(tài)信息查看等操作，極大提高了夾具運(yùn)維管理的效率。

移動(dòng)端App 應(yīng)用采用uni-app 前端應(yīng)用框架進(jìn)行研發(fā)，UI界面采用Vant組件庫，具有一次開發(fā)，普遍適配的特點(diǎn)。所以，開發(fā)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(dòng)端App應(yīng)用與PC端Web應(yīng)用共用后臺(tái)數(shù)據(jù)庫與訪問接口，極大降低了不同平臺(tái)開發(fā)的時(shí)間成本，節(jié)約了人力和物力投入。

2.3 平臺(tái)功能組成

智慧夾具管理平臺(tái)本著功能豐富、界面美觀、操作簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)原則，在對(duì)市面使用的夾具管理平臺(tái)充分調(diào)研基礎(chǔ)上，確定了平臺(tái)功能組成。平臺(tái)功能模塊包括：個(gè)人信息維護(hù)、夾具信息查詢、夾具庫存管理、夾具數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、報(bào)修報(bào)廢管理、數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)可視化展示等。智慧夾具管理平臺(tái)主要功能模塊如圖1所示。

圖1 智慧夾具管理平臺(tái)功能模塊

2.4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)目標(biāo)和原則主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)集中存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化、規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)適應(yīng)性、數(shù)據(jù)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(tái)需求基礎(chǔ)上，采用值約束、結(jié)構(gòu)約束、動(dòng)態(tài)約束等手段，確保表結(jié)構(gòu)滿足完整性、正確性和相容性原則。平臺(tái)數(shù)據(jù)庫表主要包括夾具表（fixture）、夾具數(shù)據(jù)表（fixture_data）、訂單表（orders）、維修表（repairs）、報(bào)廢表（scrap）、庫存表（warehouse）、用戶表（user）、員工表（user）、部門表（section）、角色表（role）、權(quán)限表（privilege）、數(shù)據(jù)字典（data_dict）等。

智慧夾具管理平臺(tái)采用數(shù)據(jù)集中存儲(chǔ)方式，然而不同夾具采集數(shù)據(jù)的頻率差異較大。若采用常規(guī)的設(shè)計(jì)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)，當(dāng)數(shù)據(jù)量較大時(shí)數(shù)據(jù)查詢效率會(huì)產(chǎn)生明顯下降。鑒于此，智慧夾具管理平臺(tái)引入分庫分表中間件（Sharding Sphere），將采集頻率較高的表進(jìn)行分庫分表設(shè)計(jì)，從而滿足多用戶開發(fā)以及數(shù)據(jù)快速查詢的需求。在引入數(shù)據(jù)庫中間件后，數(shù)據(jù)流流向變?yōu)椋簥A具→數(shù)據(jù)庫中間件→數(shù)據(jù)庫→數(shù)據(jù)應(yīng)用（包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、大屏展示、數(shù)據(jù)可視化等）。

2.5 平臺(tái)特點(diǎn)

2.5.1 結(jié)構(gòu)性強(qiáng)

智慧夾具管理平臺(tái)在設(shè)計(jì)上采用分層結(jié)構(gòu)，總體由4 層結(jié)構(gòu)組成，層次分明。平臺(tái)通過統(tǒng)一調(diào)度模塊進(jìn)行集中控制，平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)清晰，業(yè)務(wù)邏輯與功能模塊一一對(duì)應(yīng)。

2.5.2 擴(kuò)展性好

智慧夾具管理平臺(tái)在設(shè)計(jì)上考慮用戶未來對(duì)業(yè)務(wù)發(fā)展的新需求，對(duì)于每個(gè)功能采用模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)模塊基于組件進(jìn)行開發(fā)，便于平臺(tái)統(tǒng)一控制和調(diào)度。與此同時(shí)，平臺(tái)各個(gè)功能模塊相對(duì)獨(dú)立，彼此之間通過接口完成數(shù)據(jù)傳輸，平臺(tái)具備良好的擴(kuò)展性。用戶可根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)需求選擇不同模塊進(jìn)行組合，從而滿足不同場(chǎng)景下的業(yè)務(wù)需求。

2.5.3 實(shí)用性強(qiáng)

智慧夾具管理平臺(tái)設(shè)計(jì)選用了目前較為先進(jìn)且開放性好的Java框架，采用了模塊化的組織方式，使系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性，各個(gè)模塊之間通過精心設(shè)計(jì)的接口進(jìn)行通信，并充分考慮到了未來業(yè)務(wù)擴(kuò)展的需要，預(yù)留了大量的接口。通過Web瀏覽器便可以進(jìn)行任務(wù)調(diào)度配置、夾具位置調(diào)整、各種查詢操作。此外，結(jié)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(tái)采用雙重安全機(jī)制確保訪問與數(shù)據(jù)安全。從物理層面出發(fā)，平臺(tái)將Web 服務(wù)程序和數(shù)據(jù)庫分別部署在兩臺(tái)服務(wù)器上，即使Web 服務(wù)受到攻擊，數(shù)據(jù)也不受影響，從源頭確保數(shù)據(jù)安全；從平臺(tái)訪問認(rèn)證出發(fā)，平臺(tái)采用token認(rèn)證+salt密碼鹽校驗(yàn)方式，嚴(yán)格的權(quán)限管理體系，使非法用戶無法進(jìn)入本系統(tǒng)，而且合法用戶也只能進(jìn)行其權(quán)限允許范圍內(nèi)的操作。此外，軟件還增加系統(tǒng)日志記錄功能，可將對(duì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的操作進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，以便實(shí)現(xiàn)回溯追責(zé)。

3 平臺(tái)主要功能

3.1 用戶管理模塊

智慧夾具管理平臺(tái)通過角色控制用戶的訪問權(quán)限。平臺(tái)共分為3種角色，分別為車間員工、車間經(jīng)理和系統(tǒng)管理員。用戶管理模塊主要功能包括用戶注冊(cè)、角色綁定、權(quán)限分配、密碼重置等。普通員工和經(jīng)理可通過平臺(tái)查看和更新個(gè)人信息，管理員用戶主要完成對(duì)平臺(tái)所用用戶的統(tǒng)一管理和訪問監(jiān)督。

3.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)自動(dòng)化采集精密元器件加工過程中夾具的關(guān)鍵參數(shù)與圖像信息，并通過數(shù)據(jù)傳輸模塊將采集的數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫進(jìn)行持久化保存，為狀態(tài)監(jiān)控和報(bào)修報(bào)廢業(yè)務(wù)開展提供數(shù)據(jù)源。與此同時(shí)，系統(tǒng)管理員可通過數(shù)據(jù)字典修改數(shù)據(jù)采集的頻率，從而滿足不同場(chǎng)景下的業(yè)務(wù)需求。

3.3 狀態(tài)監(jiān)控模塊

智慧夾具管理平臺(tái)基于數(shù)據(jù)采集模塊上傳的夾具狀態(tài)參數(shù)與圖形圖像信息，采用人工智能算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，對(duì)夾具運(yùn)維狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、對(duì)夾具的磨損情況進(jìn)行趨勢(shì)預(yù)測(cè)。當(dāng)夾具運(yùn)行異常時(shí)，平臺(tái)通過聲音報(bào)警和短信提示等方式及時(shí)提醒工作人員進(jìn)行情況確認(rèn)，從而確保夾具得到及時(shí)的保養(yǎng)或報(bào)廢，確保生產(chǎn)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(shí)現(xiàn)對(duì)夾具入庫、出庫信息的智能化管理。與傳統(tǒng)信息錄入方式不同，智慧夾具管理平臺(tái)基于夾具相關(guān)信息生成對(duì)應(yīng)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(shí)現(xiàn)夾具庫存信息的更新與維護(hù)。平臺(tái)同時(shí)提供夾具庫存統(tǒng)計(jì)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(duì)庫存過剩、庫存短缺及時(shí)處理，從而達(dá)到節(jié)省庫存費(fèi)用、減少制造成本的目的。

3.5 報(bào)修報(bào)廢管理模塊

智慧夾具管理平臺(tái)報(bào)修模塊根據(jù)狀態(tài)監(jiān)控模塊的預(yù)警信息及時(shí)安排現(xiàn)場(chǎng)工作人員進(jìn)行夾具運(yùn)行情況確認(rèn)。若夾具存在異常情況，現(xiàn)場(chǎng)人員通過報(bào)修模塊完成報(bào)修單提交，提醒維保人員及時(shí)對(duì)夾具進(jìn)行維修，并將維修情況通過平臺(tái)進(jìn)行記錄，形成信息閉環(huán)。報(bào)廢模塊根據(jù)夾具磨損預(yù)測(cè)結(jié)果提醒維保人員對(duì)夾具使用壽命進(jìn)行確認(rèn)，對(duì)于影響生產(chǎn)精度的夾具及時(shí)進(jìn)行報(bào)廢處理。

3.6 分析統(tǒng)計(jì)

智慧夾具管理平臺(tái)分析統(tǒng)計(jì)模塊根據(jù)用戶輸入的條件（時(shí)間、類別、狀態(tài)）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與匯總，并將結(jié)果以圖形可視化的方式進(jìn)行直觀展示。用戶通過統(tǒng)計(jì)圖表可以直觀了解夾具的庫存、報(bào)修、報(bào)廢等情況，有助于了解不同夾具性能指標(biāo)與使用規(guī)律。

3.7 數(shù)據(jù)可視化

智慧夾具管理平臺(tái)采用孿生大屏可視化方式將夾具運(yùn)維的關(guān)鍵參數(shù)、實(shí)時(shí)圖像、分析統(tǒng)計(jì)過程與結(jié)果數(shù)據(jù)、預(yù)警信息等與三維夾具模型進(jìn)行綁定與展示。用戶可通過大屏直觀了解夾具的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)，改善由于人為因素造成的管理維護(hù)滯后現(xiàn)狀，從而提高夾具管理的信息化與智能化水平。與此同時(shí)，用戶可通過孿生大屏提供的交互功能動(dòng)態(tài)了解夾具不同維度數(shù)據(jù)的變化情況，在較大程度上提高了用戶的操作體驗(yàn)。

4 結(jié)語

智慧夾具管理平臺(tái)采用物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等前沿的信息化手段提高了夾具管理的自動(dòng)化與智能化水平，改善了人為經(jīng)驗(yàn)造成的保養(yǎng)維護(hù)不及時(shí)、廢品率偏高等現(xiàn)狀。在較大程度上節(jié)約了人力成本，提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率，具有較強(qiáng)的推廣價(jià)值。