張 騁，張 丹，徐 鋒，史晨紅，左敦穩(wěn)

(南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京 210016)

隨著工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)控加工在實(shí)際生產(chǎn)中所占據(jù)的地位越來越重要，因此作為承載數(shù)字化生產(chǎn)線的數(shù)控車間必須體現(xiàn)精益、敏捷的制造思想。刀具是數(shù)控車間中極其重要的制造資源，其配送與管理直接關(guān)系到生產(chǎn)成本的降低和生產(chǎn)效率的提高［1］。本文以具有全生命周期理念的刀具數(shù)據(jù)庫作為基礎(chǔ)［2］，通過面向數(shù)控準(zhǔn)時(shí)生產(chǎn)的刀具配送管理與控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工過程中刀具供應(yīng)、使用數(shù)據(jù)以及狀態(tài)的集成控制，為數(shù)控設(shè)備提供底層支持，實(shí)現(xiàn)自底而上的生產(chǎn)集成。

國外對數(shù)控加工現(xiàn)場刀具配送的研究開展得非常之早，已出現(xiàn)了多款數(shù)控刀具管理及配送系統(tǒng)的商用軟件，集中體現(xiàn)了國外數(shù)控刀具現(xiàn)場精細(xì)化管理的理念［3］。但這些系統(tǒng)的運(yùn)用都需要一個(gè)高度自動(dòng)化的車間環(huán)境，因此并不能在國內(nèi)的數(shù)控生產(chǎn)現(xiàn)場發(fā)揮很好的作用。

與此同時(shí)，國內(nèi)的一些高校以及研究所也展開了相關(guān)的研究，絕大多數(shù)軟件能滿足刀具的儲存、借用管理、調(diào)度及監(jiān)控等方面的基本需求。然而它們只實(shí)現(xiàn)了數(shù)控刀具的物流配送，忽視了刀具數(shù)據(jù)的信息流傳送，導(dǎo)致不同部門之間無法共享刀具數(shù)據(jù)信息，不能對刀具狀態(tài)進(jìn)行全過程的跟蹤［4］，帶來了刀具錯(cuò)用、刀具遺失等諸多隱患，同時(shí)靜態(tài)的刀具參數(shù)無法滿足實(shí)際數(shù)控編程的需求，刀具裝調(diào)前后的尺寸數(shù)據(jù)變化給數(shù)控編程帶來極大的不便［5］。不僅如此，目前的研究難以將車間的生產(chǎn)調(diào)度與車間現(xiàn)場的刀具管理進(jìn)行有效的配合，從而在計(jì)劃調(diào)度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工具的合理使用，因此無法充分發(fā)揮有效的生產(chǎn)工具管理對生產(chǎn)效率提高的作用。

針對以上問題，本文設(shè)計(jì)開發(fā)了基于B/S模式的刀具配送管理系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)了信息流、物質(zhì)流和工作流在刀具庫房、配送中心和數(shù)控車間之間的順暢流動(dòng)。

1 系統(tǒng)建模

1．1 系統(tǒng)需求分析

刀具配送管理系統(tǒng)的使用者主要是數(shù)控車間中的生產(chǎn)與配送人員，為實(shí)現(xiàn)刀具在車間內(nèi)的自動(dòng)配送，因此該系統(tǒng)必須首先具有刀具配送和回收這兩個(gè)基本功能，保證生產(chǎn)任務(wù)的按時(shí)完成。除此之外，系統(tǒng)還應(yīng)該具有基本的數(shù)據(jù)管理功能，方便管理人員查詢和修改數(shù)據(jù)庫信息，實(shí)現(xiàn)對配送過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控。刀具庫房主要負(fù)責(zé)借刀和還刀業(yè)務(wù)，配送中心負(fù)責(zé)刀具數(shù)據(jù)準(zhǔn)備及配送計(jì)劃制定和執(zhí)行，數(shù)控車間作為最終的刀具應(yīng)用部門，是刀具配送對象。

基于以上的思考，在UML中使用系統(tǒng)用例圖來最終完成系統(tǒng)需求分析。系統(tǒng)的角色有:系統(tǒng)管理員、數(shù)控車間工人、審核中心班組長、配送中心配送人員。系統(tǒng)由五大模塊構(gòu)成:配送準(zhǔn)備模塊、配送執(zhí)行模塊、回收數(shù)據(jù)準(zhǔn)備模塊、回收執(zhí)行模塊以及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理模塊。

1．2 系統(tǒng)靜態(tài)建模

UML中的靜態(tài)圖反映了系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)，貫穿于系統(tǒng)的整個(gè)生命周期之中。而靜態(tài)圖中的類圖不僅定義了系統(tǒng)中的類，還表示了類之間的聯(lián)系以及類的內(nèi)部結(jié)構(gòu)(類的屬性和操作)。因此，本文對刀具配送管理系統(tǒng)中的各模塊分別進(jìn)行靜態(tài)建模，圖1所示的即是配送準(zhǔn)備模塊對應(yīng)的類圖。

圖1 配送準(zhǔn)備模塊類圖

圖1中數(shù)控車間終端、審核中心終端和配送中心終端分別是工人、班組長和配送人員對應(yīng)的接口，是系統(tǒng)中用于連接用戶和功能類的特殊抽象類。登錄類負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)用戶登錄到相應(yīng)的終端界面時(shí)的身份驗(yàn)證功能。其他的類則分別負(fù)責(zé)刀具配送過程中的某個(gè)具體操作。例如:配送數(shù)據(jù)完善類由配送人員實(shí)現(xiàn)，它包含的主要屬性有配送員工號、申請?zhí)?、刀位、刀具編碼、刀具實(shí)際參數(shù)以及刀具裝調(diào)參數(shù)，它的操作有刀具裝調(diào)、測量刀具實(shí)際參數(shù)以及完成配送任務(wù)表。

1．3 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)建模

考慮到系統(tǒng)的大部分活動(dòng)都是動(dòng)態(tài)的，所以需要在靜態(tài)建模的基礎(chǔ)上對系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)建模。本文中采用UML中的順序圖對系統(tǒng)進(jìn)行建模，不僅展示了對象之間的動(dòng)態(tài)合作關(guān)系，更強(qiáng)調(diào)了對象之間交互的時(shí)間和順序。由于篇幅有限，在此不給出具體的模型。

1．4 系統(tǒng)流程圖

為了后續(xù)的刀具配送管理原型系統(tǒng)的開發(fā)，需要在動(dòng)態(tài)建模的基礎(chǔ)上進(jìn)一步得到系統(tǒng)流程圖。通過對UML模型中各順序圖的整合，得到了圖2所示的刀具配送流程圖。

圖2中清楚地展現(xiàn)了數(shù)控車間中刀具配送的全過程，下文系統(tǒng)設(shè)計(jì)部分中，將結(jié)合各模塊的具體功能，對流程中各細(xì)節(jié)進(jìn)行具體的介紹。

2 系統(tǒng)構(gòu)架

本文中的刀具配送管理系統(tǒng)按照J(rèn)2EE規(guī)范進(jìn)行架構(gòu)［6］，設(shè)計(jì)出基于B/S模式的系統(tǒng)構(gòu)架，如圖3所示。參考J2EE準(zhǔn)應(yīng)用模型，將系統(tǒng)分為客戶層、Web服務(wù)層、應(yīng)用服務(wù)器層和數(shù)據(jù)層。

a．客戶層。基于B/S模式的客戶端為用戶提供了方便友好的使用界面，采用HTML語言和JSP代碼編寫，通過HTTP和服務(wù)器進(jìn)行通信。本系統(tǒng)有4種不同的客戶端界面分別面向管理員、班組長、配送人員和工人，用戶只需安裝Web瀏覽器即可訪問各自工作界面。

b．Web服務(wù)層。選用Tomcat作為Web服務(wù)器，在其中運(yùn)行JSP頁面和Servlet組件，接收從客戶層傳來的用戶請求(如借還刀申請等信息)，打包發(fā)送給業(yè)務(wù)層的JavaBean組件統(tǒng)一處理，同時(shí)將處理結(jié)果反饋給客戶層中的瀏覽器，以供用戶查看。

c．應(yīng)用服務(wù)器層。使用JavaBean組件來處理業(yè)務(wù)邏輯，接收并處理由Web服務(wù)層傳來的請求信息，將處理結(jié)果交由數(shù)據(jù)層存儲。實(shí)現(xiàn)諸如刀具庫存搜索、借刀信息記錄、配送任務(wù)生成等核心業(yè)務(wù)邏輯服務(wù)，并通過J2EE的標(biāo)準(zhǔn)接口JDBC實(shí)現(xiàn)與底層數(shù)據(jù)庫的通信。

圖2 刀具配送流程圖

圖3 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖

d．?dāng)?shù)據(jù)層。采用SQL Server 2005構(gòu)建后臺數(shù)據(jù)庫，利用該款軟件企業(yè)級的數(shù)據(jù)庫功能，不僅可以查詢修改用戶和刀具的基本信息，更實(shí)現(xiàn)了對刀具配送過程的有效管理。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)按功能可劃分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、配送準(zhǔn)備、配送執(zhí)行、回收準(zhǔn)備、回收執(zhí)行五大模塊，下文將分別介紹這五大模塊的功能。

3．1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理模塊

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理模塊對數(shù)控車間刀具配送的整個(gè)生命周期進(jìn)行全程管理。利用該模塊，管理員能對數(shù)據(jù)庫中的信息進(jìn)行有效管理，不僅能對用戶的個(gè)人信息和刀具的庫存信息進(jìn)行查詢和修改，還可以查詢借還刀申請、申請審核結(jié)果和刀具配送狀態(tài)等信息，實(shí)現(xiàn)對配送數(shù)據(jù)的全程監(jiān)控和動(dòng)態(tài)管理。

3．2 配送準(zhǔn)備模塊

配送準(zhǔn)備模塊是刀具配送的基礎(chǔ)，涉及人員有數(shù)控車間工人、配送人員以及審核班組長。利用該模塊，3種用戶分別獨(dú)立完成其各自的任務(wù)，在物質(zhì)上和配送信息上為后續(xù)的刀具配送做好準(zhǔn)備，其具體功能如圖4所示。

圖4 配送準(zhǔn)備模塊功能圖

a．借刀信息生成。車間工人根據(jù)本工位的生產(chǎn)計(jì)劃，通過系統(tǒng)客戶層中的數(shù)控車間終端，提出借刀申請。在填寫相應(yīng)的工號、工位號、刀具類型、刀具參數(shù)、刀具數(shù)量以及用刀時(shí)間等信息后，系統(tǒng)會根據(jù)工人填寫的借刀信息，生成相應(yīng)的借刀申請表并發(fā)送至審核中心終端。

b．借刀信息審核。審核班組長通過審核中心終端對收到的借刀申請進(jìn)行相應(yīng)的審核。班組長不僅需要查詢相應(yīng)刀具的庫存信息，還要查看借刀工人和相應(yīng)工位的借還刀記錄，檢查是否存在違規(guī)情況。審核通過后，系統(tǒng)將借刀申請表送至配送中心終端，同時(shí)將審核結(jié)果返回?cái)?shù)控車間終端。

c．配送任務(wù)生成。系統(tǒng)基于準(zhǔn)時(shí)配送的思想，根據(jù)不同申請的用刀時(shí)間，將通過審核的借刀申請打包成不同的配送任務(wù)，隨機(jī)均勻分配給各配送人員。配送人員在審核中心終端領(lǐng)取自己的配送任務(wù)并進(jìn)行后續(xù)處理。

d．庫存信息變動(dòng)。根據(jù)配送任務(wù)中各借刀申請的刀具類型、刀具參數(shù)和借刀數(shù)量，配送人員進(jìn)入刀具庫房，拾取對應(yīng)的刀具。刀具在離開庫房時(shí)，必須由庫房系統(tǒng)對刀柄上的編碼進(jìn)行掃描［7］，數(shù)據(jù)庫中的刀具庫存信息隨之發(fā)生對應(yīng)的改變，表明刀具已順利出庫。

e．配送數(shù)據(jù)完善。配送人員把所需配送的刀具由庫房取出后，先對刀具的實(shí)際參數(shù)進(jìn)行測量，再將刀具插入配送小車的刀架，并在相應(yīng)的借刀申請表的基礎(chǔ)上，添加對應(yīng)的刀具編碼、刀具實(shí)際參數(shù)、刀具裝調(diào)參數(shù)、配送車號以及刀具在刀架中所處的刀位號等信息，再由系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算配送所需時(shí)間，最終生成完整的配送任務(wù)表。

3．3 配送執(zhí)行模塊

在前述相應(yīng)準(zhǔn)備工作的基礎(chǔ)上，刀具配送模塊完成刀具的相應(yīng)配送工作，保證車間中各工位的正常生產(chǎn)，并實(shí)現(xiàn)對配送過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控［8］。

a．配送數(shù)據(jù)傳送。系統(tǒng)將完整的配送任務(wù)表送至數(shù)控車間終端，供工人查看，同時(shí)經(jīng)由特定的通信方式將配送任務(wù)表傳入配送小車的控制中樞——ARM板內(nèi)。系統(tǒng)根據(jù)小車的配送任務(wù)，由相應(yīng)的算法生成小車的最優(yōu)配送路徑，并通過車間中布置的電子看板、電子標(biāo)簽、RFID閱讀器等為小車導(dǎo)航，指揮小車在相應(yīng)的機(jī)床工位停留，等待工人取刀。

b．配送信息確認(rèn)。工人通過數(shù)控車間終端，查詢自己提出的借刀申請對應(yīng)的配送任務(wù)表，根據(jù)表中的配送時(shí)間等待配送小車的到來。小車到達(dá)后，車載控制系統(tǒng)根據(jù)該工位對應(yīng)的配送任務(wù)表中的刀具編碼以及刀位號等相關(guān)信息，通過車載LED屏的字幕和刀架中刀位上的小燈給出取刀提示，工人根據(jù)提示從相應(yīng)的刀架上拾取所需刀具。小車在停留預(yù)定的時(shí)間后離開，前往其他工位繼續(xù)配送。工人則需要將刀柄上的編碼與刀具配送任務(wù)表中的刀具編碼一一核對，確認(rèn)無誤后，在數(shù)控車間終端上確認(rèn)配送的完成。至此，一個(gè)完整的刀具的配送過程才算全部完成，數(shù)據(jù)庫中，工人的借刀記錄中也增加了對應(yīng)的信息。之后，工人根據(jù)配送任務(wù)表中的刀具實(shí)際參數(shù)和裝調(diào)參數(shù)等信息，進(jìn)行后續(xù)的生產(chǎn)加工。

3．4 回收準(zhǔn)備模塊

與配送準(zhǔn)備模塊類似，回收準(zhǔn)備模塊同樣是刀具回收的基礎(chǔ)，但由于工人的還刀申請無需審核，因此該模塊并不涉及班組長。工人和配送人員利用該模塊，填寫相應(yīng)的刀具數(shù)據(jù)和配送信息，由系統(tǒng)生成完整的還刀申請表和回收任務(wù)表，為刀具回收工作做好準(zhǔn)備。其具體內(nèi)容不再贅述。

3．5 回收執(zhí)行模塊

在回收準(zhǔn)備工作的基礎(chǔ)上，該模塊最終實(shí)現(xiàn)刀具的順利回收，并將刀具歸還庫房，使庫房中刀具的庫存維持在一定的數(shù)量，以保證數(shù)控車間中所有工位的后續(xù)生產(chǎn)。和刀具的配送過程類似，該模塊由回收數(shù)據(jù)傳送、回收數(shù)據(jù)核對、回收信息確認(rèn)和庫存信息變動(dòng)4個(gè)部分組成。其中工人在工位核對回收任務(wù)表中的數(shù)據(jù)無誤后還刀，配送人員在配送中心確認(rèn)刀具回收成功并將其放回庫房，相應(yīng)的刀具庫存信息隨之改變，其詳細(xì)內(nèi)容同樣不再贅述。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

圖5中所示即為系統(tǒng)中配送中心配送人員所對應(yīng)的界面。界面的左側(cè)為目錄導(dǎo)航框架，集中顯示配送人員可執(zhí)行的操作，并提供相應(yīng)的鏈接按鈕。界面的右側(cè)為頁面顯示框架，根據(jù)配送人員的不同操作彈出相應(yīng)的頁面，顯示相關(guān)信息。

圖5 配送中心配送人員界面

配送人員可以通過上述的界面，履行刀具配送過程中自己負(fù)責(zé)的全部職能。在領(lǐng)取刀具后，配送人員需要完善配送任務(wù)表中的數(shù)據(jù)。其中，刀具編號是整個(gè)配送過程中極其重要的參數(shù)，因此設(shè)計(jì)成下拉列表，列表中的內(nèi)容可以從數(shù)據(jù)庫的刀具信息表中自動(dòng)讀取，配送人員點(diǎn)擊選取即可，避免了誤填刀具編號的可能性。而其他例如刀具實(shí)際參數(shù)等數(shù)據(jù)，由于是隨著刀具的使用不斷變化的，需要實(shí)際測量才能得到，因此由配送人員在相應(yīng)輸入框中手動(dòng)填寫。圖5中所示即為配送人員正在完善相應(yīng)的配送數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語

本文基于J2EE架構(gòu)，開發(fā)出具有B/S模式的數(shù)控車間刀具準(zhǔn)時(shí)配送管理系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的研究工作相比，本文中的系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了信息流、物質(zhì)流和工作流在刀具庫房、配送中心和數(shù)控車間之間的流動(dòng)，更可以在配送的各個(gè)過程對刀具的配送狀態(tài)進(jìn)行記錄，從而實(shí)現(xiàn)對刀具數(shù)據(jù)的全程監(jiān)控。本系統(tǒng)在數(shù)控車間投入運(yùn)行后，能顯著提高實(shí)際生產(chǎn)效率。

目前，系統(tǒng)仍面臨的問題是無法及時(shí)處理在刀具配送和回收過程中出現(xiàn)的各種意外情況，如班組長審核出錯(cuò)、工人借還刀不及時(shí)、小車出現(xiàn)機(jī)械故障等突發(fā)狀況。因此，可以針對這些問題做進(jìn)一步的深入研究，從而完善系統(tǒng)，提高生產(chǎn)效率，保證實(shí)際生產(chǎn)的順利進(jìn)行。

［1］ 徐國棟．自動(dòng)車間刀具管理系統(tǒng)的研究與開發(fā)［D］．昆明:昆明理工大學(xué)，2005．

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