劉豐文，董惠敏，錢　峰

(大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連　116024)

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刀具全生命周期智能管理系統(tǒng)開發(fā)*

劉豐文，董惠敏，錢峰

(大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連116024)

針對重型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋柔性生產(chǎn)線的生產(chǎn)管理需求，分析刀具管理流程，提出了實(shí)時(shí)信息驅(qū)動(dòng)的生產(chǎn)管理模式，并以狀態(tài)信息為核心，集成ERP、MES、立體庫、條碼系統(tǒng)、對刀儀及數(shù)控機(jī)床等系統(tǒng)數(shù)據(jù)，開發(fā)了刀具全生命周期智能管理系統(tǒng)。通過實(shí)時(shí)采集刀具位置及狀態(tài)等管理信息，對刀具進(jìn)行全生命周期狀態(tài)信息追蹤管理，實(shí)現(xiàn)各管理環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)高度集成與高效流通，消除信息孤島。同時(shí)，引入預(yù)警機(jī)制及邏輯設(shè)置，提升了刀具智能化管理水平及刀具管理效率與質(zhì)量。

刀具智能管理；全生命周期；狀態(tài)信息

0　引言

刀具管理是現(xiàn)代制造業(yè)重要一環(huán)，提升刀具全生命周期智能化管理水平，有助于提升企業(yè)生產(chǎn)管理效率與質(zhì)量[1]。國內(nèi)外許多學(xué)者在刀具管理方面進(jìn)行了積極探索，先后在刀具編碼及信息傳遞方面[2-3]、刀具存儲(chǔ)策略和備刀量算法方面[4]、信息跟蹤與反饋技術(shù)方面[5]以及信息集成方面[6-7]進(jìn)行了相關(guān)研究。國外在刀具管理領(lǐng)域的研究更加深入[8-9]， Sandvik、Valenite Modco及Iscar等公司均推出各具特色的刀具管理系統(tǒng)[10]，但由于管理模式的差異，難以在我國制造業(yè)企業(yè)進(jìn)行移植并普及。

本文以重型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋柔性生產(chǎn)線刀具管理為對象，進(jìn)行基于B/S模式的刀具全生命周期智能管理系統(tǒng)開發(fā)。采用多系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成、刀具狀態(tài)跟蹤管理的方式解決了企業(yè)生產(chǎn)管理信息鏈斷裂的問題，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高度集成及刀具全生命周期信息管理；引入條碼技術(shù)提升信息傳遞的效率及準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)管理信息高效流通；引入預(yù)警機(jī)制及邏輯管理提升刀具管理的智能化程度，降低對管理人員的依賴性；實(shí)時(shí)采集刀具信息并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，解決管理信息滯后的問題，實(shí)現(xiàn)刀具實(shí)時(shí)管理。

1　管理模式與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文在分析刀具管理流程的基礎(chǔ)上，進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)及系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)，其中系統(tǒng)功能模塊如圖1所示。系統(tǒng)設(shè)計(jì)以刀具狀態(tài)信息為核心，提升數(shù)據(jù)集成、信息流通及統(tǒng)計(jì)分析能力，消除管理過程中信息重復(fù)錄入、傳遞效率及準(zhǔn)確性低、反饋滯后及信息利用不充分的問題，準(zhǔn)確反饋刀具位置、使用情況及剩余壽命等信息，實(shí)現(xiàn)刀具全生命周期管理。

圖1　刀具管理系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)圖

1.1管理模式

刀具管理流程如圖2上半部分所示，始于采購終于報(bào)廢，經(jīng)歷領(lǐng)用、組裝、對刀、上/下線、拆解及修磨等環(huán)節(jié)。采購時(shí)，系統(tǒng)綜合ERP、MES系統(tǒng)的投產(chǎn)計(jì)劃信息及庫存信息，自動(dòng)制定采購計(jì)劃。使用過程中，刀具與條碼標(biāo)簽綁定，刀具到達(dá)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)時(shí)均會(huì)對條碼標(biāo)簽進(jìn)行掃描，刀具狀態(tài)信息在線同步更新。系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)刀具狀態(tài)信息并進(jìn)行分析，自動(dòng)生成刀具投放計(jì)劃及庫存調(diào)整計(jì)劃。對刀時(shí)，刀補(bǔ)信息上傳服務(wù)器，刀具使用時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)掃描條碼標(biāo)簽從服務(wù)器下載刀補(bǔ)信息，進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。刀具拆解時(shí)，系統(tǒng)記錄并統(tǒng)計(jì)刀具的處理信息，自動(dòng)生成刀具修磨及報(bào)廢清單。

圖2　實(shí)時(shí)信息驅(qū)動(dòng)的生產(chǎn)管理模式圖

系統(tǒng)集成性提升了管理信息的追溯能力，實(shí)現(xiàn)了刀具全生命周期管理。通過提升實(shí)時(shí)信息采集及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析能力，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信息驅(qū)動(dòng)的生產(chǎn)管理模式。對庫存及出入庫等信息設(shè)置預(yù)警，對庫位調(diào)整、刀具配送等環(huán)節(jié)進(jìn)行邏輯設(shè)置，提升了系統(tǒng)的智能性。

1.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案

刀具管理系統(tǒng)采用了如圖3所示的“基礎(chǔ)信息—服務(wù)器—客戶端”的三級結(jié)構(gòu)方案。

圖3　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案圖

(1)基礎(chǔ)信息采集層

為消除信息孤島，基礎(chǔ)信息采集層通過SQL Server數(shù)據(jù)庫共享及開發(fā)數(shù)據(jù)接口的方式，實(shí)現(xiàn)刀具管理系統(tǒng)與多個(gè)外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成，系統(tǒng)及時(shí)獲取ERP、MES系統(tǒng)的生產(chǎn)計(jì)劃信息、立體庫的庫存信息、對刀儀的刀補(bǔ)參數(shù)信息以及刀具在數(shù)控機(jī)床的使用信息。多系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成提升了信息的流通及追溯能力，能夠?qū)崟r(shí)對各環(huán)節(jié)刀具信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，為管理決策提供指導(dǎo)。

(2)服務(wù)器管理層

管理層及時(shí)獲取基礎(chǔ)層信息，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，生成相應(yīng)報(bào)表指導(dǎo)生產(chǎn)管理。管理層將采集信息與預(yù)警設(shè)置信息比對，對于超出預(yù)警極限的信息會(huì)進(jìn)行預(yù)警提示，便于管理人員進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。此外，管理層會(huì)對部分管理環(huán)節(jié)進(jìn)行邏輯判定，實(shí)現(xiàn)智能化管理。

(3)客戶端應(yīng)用層

工作管理人員可以在客戶端應(yīng)用層查看基礎(chǔ)層采集的生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)和管理層生成的統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)，根據(jù)刀具庫存信息、剩余壽命及刀具消耗等信息開展刀具采購、庫存調(diào)整、刀具投放等生產(chǎn)管理工作。

2　系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

2.1狀態(tài)信息管理

刀具管理信息以信息標(biāo)簽的形式進(jìn)行傳遞，標(biāo)簽編號承載了刀具編號、修磨次數(shù)、狀態(tài)信息、位置信息及使用信息等管理數(shù)據(jù)，信息通過條形碼形式存儲(chǔ)。刀具經(jīng)過各管理環(huán)節(jié)，刀具狀態(tài)信息相應(yīng)改變，從而實(shí)現(xiàn)刀具全生命周期信息管理，流程如圖4所示。

圖4　刀具狀態(tài)信息管理流程圖

刀具經(jīng)過各個(gè)狀態(tài)節(jié)點(diǎn)時(shí)需要掃描條碼，刀具狀態(tài)信息隨之發(fā)生變化，系統(tǒng)信息同步更新。系統(tǒng)將數(shù)據(jù)庫采集的狀態(tài)信息統(tǒng)計(jì)后載入刀具臺賬，并將數(shù)據(jù)分析結(jié)果通過管理看板展示。為確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，會(huì)定期對刀具數(shù)量進(jìn)行盤點(diǎn)，保證管理數(shù)據(jù)質(zhì)量。

2.2信息統(tǒng)計(jì)分析

系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集各管理環(huán)節(jié)的刀具狀態(tài)信息，通過定制化的報(bào)表對信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，自動(dòng)生成管理報(bào)表，為生產(chǎn)管理提供參考依據(jù)，具體狀態(tài)信息管理過程如圖5所示。

由于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析具有時(shí)效性和主動(dòng)性，所以系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)由實(shí)時(shí)信息驅(qū)動(dòng)的生產(chǎn)管理。工作人員能夠依據(jù)庫存統(tǒng)計(jì)、狀態(tài)統(tǒng)計(jì)、壽命統(tǒng)計(jì)及修磨報(bào)廢記錄等信息，開展庫位調(diào)整、刀具投放及刀具采購等工作，實(shí)現(xiàn)由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)推動(dòng)的質(zhì)量管理、成本管理及壽命管理。

圖5　狀態(tài)信息管理及利用圖

2.3系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成

為實(shí)現(xiàn)刀具全生命周期的信息跟蹤管理，系統(tǒng)開發(fā)過程中與ERP、MES、ZOLLER對刀系統(tǒng)、FANUC數(shù)控系統(tǒng)以及立體庫等多個(gè)外部系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)據(jù)集成，集成方案如圖6所示。

圖6　刀具管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成方案

(1)與對刀系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成方案

通過SQL Server鏈接ZOLLER對刀系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。對刀時(shí)，對刀系統(tǒng)通過刀具編號從服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中查找對刀參數(shù)完成對刀。對刀后，對刀系統(tǒng)將刀補(bǔ)信息上傳服務(wù)器。

(2)與數(shù)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成方案

刀具由AGV運(yùn)送至相應(yīng)數(shù)控機(jī)床，數(shù)控系統(tǒng)通過條碼信息從服務(wù)器下載與刀具對應(yīng)的刀補(bǔ)信息。刀具使用過程中，服務(wù)器將從數(shù)控系統(tǒng)中提取刀具上/下機(jī)時(shí)間、刀具加工壽命等信息，為后期生產(chǎn)管理分析提供數(shù)據(jù)支撐。

(3)與立體庫數(shù)據(jù)集成方案

系統(tǒng)通過SQL Server每5min讀取立體庫操作記錄，實(shí)現(xiàn)對立體庫的出入庫信息管理。通過對出入庫信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以得到刀具的庫存信息。此外，定期對庫內(nèi)信息進(jìn)行盤點(diǎn)核對，從而保證管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

3　刀具智能管理

為提升刀具管理智能化程度，降低刀具管理對于工作人員的依賴程度，系統(tǒng)開發(fā)過程中進(jìn)行了管理邏輯設(shè)置及自動(dòng)預(yù)警監(jiān)控，其中管理邏輯設(shè)置主要用于倉儲(chǔ)調(diào)度及刀具投放管理。

3.1倉儲(chǔ)調(diào)度管理

倉儲(chǔ)調(diào)度管理由刀具存取調(diào)度和庫位調(diào)度兩部分組成，對于提升刀具管理效率，提升庫位資源利用率以及降低庫位管理成本有十分重要的意義。

3.1.1存取調(diào)度

傳統(tǒng)刀具存取方式是將不同修磨次數(shù)的刀具混放管理，簡單易行但不利于成本管理，無法準(zhǔn)確分析刀具的消耗情況，無法準(zhǔn)確預(yù)測庫存刀具的剩余加工能力。

使用刀具管理系統(tǒng)后，新舊刀具分庫存放，相同修磨次數(shù)的刀具集中放置，依據(jù)修磨次數(shù)排序，按先入先出原則存取，修磨次數(shù)多的刀具優(yōu)先領(lǐng)用。在刀具存取過程中，系統(tǒng)按此存取模式進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，準(zhǔn)確管理刀具修磨次數(shù)信息，從而實(shí)現(xiàn)刀具壽命管理。

3.1.2庫位調(diào)度

通過引入邏輯管理進(jìn)行庫位調(diào)度，實(shí)現(xiàn)刀具出入庫操作的自動(dòng)庫位調(diào)整。

1)新舊刀具判斷：

(1)

其中：Storage location—庫位變量；

W—編號M刀具的新刀庫位；

w—編號M刀具的舊刀庫位；

k—修磨次數(shù)，k=0,1,…,N；

i、j—分別是新、舊刀具庫位編號，且i、j=0,1,…,N，對于固有庫位而言i、j=0。

2)庫位選擇及庫位擴(kuò)展：

Location code=

(2)

其中：Location code—庫位編號變量；

l—當(dāng)前刀具最大庫位編號；

n—當(dāng)前刀具操作數(shù)量；

num—當(dāng)前刀具現(xiàn)有庫存量；

MAX—單一庫位最大存儲(chǔ)量。

3.2預(yù)警機(jī)制

為實(shí)現(xiàn)管理數(shù)據(jù)自動(dòng)監(jiān)控，系統(tǒng)引入預(yù)警機(jī)制對部分重要刀具管理信息進(jìn)行自動(dòng)預(yù)警，工作流程如圖7a所示，生產(chǎn)過程中采集的數(shù)據(jù)與閥值庫中預(yù)警閥值比對，對超出閥值的信息進(jìn)行預(yù)警。

圖7　刀具管理預(yù)警圖例

預(yù)警主要針對刀具庫存信息、備刀信息以及刀具領(lǐng)用、報(bào)廢信息，有效避免了由于刀具庫存量或備刀量不足而導(dǎo)致的停產(chǎn)事故，并能夠?qū)︻I(lǐng)用、報(bào)廢等管理環(huán)節(jié)中的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警。圖7b是對刀具領(lǐng)用量的預(yù)警，對超出預(yù)警閥值的領(lǐng)用信息進(jìn)行預(yù)警提示，工作人員可以對異常信息及時(shí)分析。

4　系統(tǒng)效能分析

管理系統(tǒng)采用了“模塊—環(huán)節(jié)—用戶—權(quán)限”分級管理模式，通過權(quán)限設(shè)置提升系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全性。系統(tǒng)功能模塊設(shè)置與刀具管理環(huán)節(jié)一致，提升了刀具管理系統(tǒng)的操作性，系統(tǒng)界面如圖8所示。

(a)首頁臺賬　　　　　　　　 (b)請購管理

(c)刀具拆解　　　　　　　　 (d)預(yù)警設(shè)置

刀具管理系統(tǒng)已成功應(yīng)用于我國某大型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)，使用管理系統(tǒng)后數(shù)據(jù)采集、傳遞、統(tǒng)計(jì)、分析以及部分信息的預(yù)警均可通過系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，管理效率及管理信息化程度顯著提升，具體對比如表1所示。

刀具管理系統(tǒng)使用后，管理信息時(shí)效性增強(qiáng)，信息利用程度提升，通過對實(shí)時(shí)信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析指導(dǎo)采購管理、壽命管理及庫存管理等環(huán)節(jié)，有效降低企業(yè)生產(chǎn)管理成本。系統(tǒng)邏輯管理實(shí)現(xiàn)部分管理環(huán)節(jié)的智能操作，避免了刀具管理對于工作人員的依賴，提升了管理效率。預(yù)警機(jī)制能自動(dòng)監(jiān)控異常信息，無需工作人員頻繁開展點(diǎn)檢工作，有效避免由刀具管理原因影響企業(yè)正常生產(chǎn)。

圖9　刀具管理用時(shí)對比圖

圖9為使用管理系統(tǒng)前后工作人員刀具管理用時(shí)對比圖，對比可見刀具管理系統(tǒng)對工作人員工作內(nèi)容影響很大。傳統(tǒng)管理方式下數(shù)據(jù)錄入、統(tǒng)計(jì)及分析等工作占據(jù)工作量的80%，使用刀具管理系統(tǒng)后信息處理性工作百分比降至32.5%，工作人員可將更多時(shí)間投入生產(chǎn)改良性工作，有利于企業(yè)發(fā)展。

5　結(jié)論

本文提出了一種面向刀具全生命管理周期的智能化刀具管理方法，并進(jìn)行了基于B/S結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)開發(fā)。通過實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)分析各管理環(huán)節(jié)的刀具狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)了由實(shí)時(shí)信息驅(qū)動(dòng)的刀具管理模式。此外，引入預(yù)警機(jī)制及邏輯管理，實(shí)現(xiàn)重要信息的預(yù)警監(jiān)控及部分管理環(huán)節(jié)的智能判斷，提升了刀具管理的自動(dòng)化及智能化程度。本系統(tǒng)在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)獲得良好的應(yīng)用效果，對于信息化生產(chǎn)制造系統(tǒng)有普遍的借鑒意義，為我國制造業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)升級改造提供了一種可行方案。

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(編輯李秀敏)

Development of Intelligent Tool Management System in Lifecycle

LIU Feng-wen, DONG Hui-min, QIAN Feng

(School of Mechanical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian Liaoning 116024, China)

According to the requirements of production and management of flexible production lines of cylinder block and cylinder head of heavy-duty diesel engines, a production management mode driven by real time information is presented, by analyzing tool management process. A intelligent tool management system in lifecycle with condition information as its core is developed, by integrating the information of ERP, MES, automated warehouse, barcode system, tool setting gauge and CNC. Information island is eliminated by collecting management information in real time and tracing and managing condition information in lifecycle. Information in all management links is highly integrated, and can flow efficiently. Warning system and logic management are introduced into, and the intelligent level of tool management has been promoted and the efficiency and the quality of tool management have been improved.

tool intelligent management; lifecycle; condition information

1001-2265(2015)11-0137-04DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.11.038

2015-02-09

“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項(xiàng)(2013ZX04012071)

劉豐文(1989—)，男，山東煙臺人，大連理工大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)閿?shù)字化設(shè)計(jì)及精益制造，(E-mail)liuwenkeyi@126.com。

TH166;TG506

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