1 前 言

    計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)是國(guó)家“863”計(jì)劃的主題之一，它的實(shí)施，在制造業(yè)中產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，也深刻地變革著人類的生產(chǎn)制造理念。近年來(lái)，CIMS得到了國(guó)家和許多科學(xué)家與企業(yè)的高度重視，其發(fā)展十分迅速�！笆�五”期間，國(guó)家計(jì)劃從深度和廣度兩個(gè)方面進(jìn)一步推進(jìn)CIMS在各行業(yè)的應(yīng)用。所謂“廣度”就是在更大范圍、更大領(lǐng)域內(nèi)推行計(jì)算機(jī)集成制造技術(shù)；而“深度”則是指在已實(shí)施CIMS應(yīng)用示范工程的企業(yè)，在原有CIMS基礎(chǔ)上，繼續(xù)推進(jìn)CIMS向底層方向發(fā)展。其中，制造執(zhí)行系統(tǒng)是底層CIMS的重要技術(shù)之一，它可以溝通大多數(shù)企業(yè)業(yè)己存在的自動(dòng)控制系統(tǒng)與上層CIMS間的信息“斷層”，是應(yīng)用于車間級(jí)的信息集成系統(tǒng)。

    對(duì)于機(jī)械類生產(chǎn)車間，制造執(zhí)行系統(tǒng)應(yīng)包括：車間級(jí)作業(yè)計(jì)劃與調(diào)度，工況數(shù)據(jù)采集、計(jì)算機(jī)輔助加工程序編制與管理、計(jì)算機(jī)輔助零件工藝編制(CAPP)、工具管理等子系統(tǒng)。這些內(nèi)容既可以構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，也可以與上層CIMS系統(tǒng)集成，為物料需求計(jì)劃、生產(chǎn)計(jì)劃、庫(kù)存管理以及CAD、PDM等系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息。

    工具管理是制造執(zhí)行系統(tǒng)所要研究的重要內(nèi)容之一，特別是對(duì)于機(jī)械類生產(chǎn)車間，刀具、夾具和量具的管理是否科學(xué)，在很大程度上決定了制造執(zhí)行系統(tǒng)的可靠性與生產(chǎn)效率的高低。然而，目前還沒(méi)有利用計(jì)算機(jī)等先進(jìn)手段，對(duì)工具進(jìn)行現(xiàn)代化管理的成熟的商用軟件，直接影響了機(jī)械企業(yè)加工設(shè)備的高效利用。具體弊端表現(xiàn)如下：

    1)人工管理工具，勞動(dòng)強(qiáng)度大，且容易出錯(cuò)；

    2)工具準(zhǔn)備計(jì)劃和生產(chǎn)計(jì)劃脫節(jié)，經(jīng)常出現(xiàn)停機(jī)等待工具的現(xiàn)象；

    3)無(wú)法準(zhǔn)確掌握工具的磨損情況，影響了加工精度；

    4)工具信息不暢通，制造資源計(jì)劃(MRPⅡ)、CAPP子系統(tǒng)、NC子系統(tǒng)、工況數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和作業(yè)計(jì)劃與調(diào)度系統(tǒng)等無(wú)法直接獲得足夠的工具信息。

    因此，本文建立了一個(gè)基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的工具管理系統(tǒng)模型，并分析它與制造執(zhí)行系統(tǒng)中其它子系統(tǒng)的信息集成方案。

2 面向機(jī)械類生產(chǎn)車間的工具管理系統(tǒng)

    2.1 模型結(jié)構(gòu)

    基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的工具管理系統(tǒng)主要由以下幾部分構(gòu)成：中央工具庫(kù)、工作地工具庫(kù)、刀具預(yù)調(diào)庫(kù)、刀具刃磨庫(kù)和工具供應(yīng)庫(kù)等。它們組成一個(gè)局域網(wǎng)，在制造執(zhí)行單元實(shí)現(xiàn)信息共享，并且預(yù)留接口，可以連結(jié)到整個(gè)企業(yè)網(wǎng)和企業(yè)外部網(wǎng)。工具管理系統(tǒng)的模型見(jiàn)下圖1。

圖1 工其管理系統(tǒng)模型圖

    中央工具庫(kù)包括工具手冊(cè)、庫(kù)存管理、工具查詢和報(bào)表及打印等四個(gè)模塊，建立在車間工具倉(cāng)庫(kù)微機(jī)中；機(jī)床工具庫(kù)包括機(jī)床刀具庫(kù)、夾具和量具等三個(gè)模塊，建立在工作地微機(jī)中。其數(shù)據(jù)庫(kù)中的各模塊關(guān)系如圖2和圖3所示。

圖2 中央工具庫(kù)各模塊關(guān)系


圖3 機(jī)床工具庫(kù)各模塊關(guān)系

    2.2 中央工具庫(kù)功能

    中央工具庫(kù)主要功能是工具信息維護(hù)與變更。

    在剛建立工具庫(kù)和新工具進(jìn)入加工單元時(shí)，首先根據(jù)一定的編碼規(guī)則對(duì)工具進(jìn)行編碼，并將工具信息輸入計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)中，構(gòu)成工具手冊(cè)，存儲(chǔ)工具信息。然后用條形碼打印機(jī)打印條形碼，粘貼在工具上，以此跟蹤工具位置，進(jìn)行工具庫(kù)存管理。

    當(dāng)某一工具數(shù)據(jù)庫(kù)使用主體，需要查詢工具信息時(shí)，可以通過(guò)工具查詢模塊中適合百己的查詢方式，進(jìn)行查詢。

    工具信息的變更，主要依據(jù)是通過(guò)報(bào)表及打印模塊，得到機(jī)床工具庫(kù)管理員對(duì)工具使用信息的反饋，并可打印出必要的信息。

    2.3 機(jī)床工具庫(kù)功能

    機(jī)床工具庫(kù)主要功能是存儲(chǔ)本機(jī)床所有工具的信息，如本機(jī)床刀具在機(jī)床工具庫(kù)的位置、刀具參數(shù)、刀具補(bǔ)償值、刀具耐用度、夾具和量具信息等。它可以為數(shù)控車床和加工中心提供快速、準(zhǔn)確、完整的工具信息，從而提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。

    為使本系統(tǒng)運(yùn)行安全、準(zhǔn)確，必須對(duì)中央工具庫(kù)和機(jī)床工具庫(kù)的管理員設(shè)置不同的管理權(quán)限。

3 支持技術(shù)

    3.1 工具編碼技術(shù)

    工具編碼是工具管理中最基本的內(nèi)容之一，它是工具數(shù)據(jù)信息的識(shí)別依據(jù)，每把工具古用一組。對(duì)工具編碼的合理與否，直接影響到工具數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、檢索、傳輸?shù)男�率以及可靠性。編碼符號(hào)采用數(shù)字和英文字母相結(jié)合的方式，既利于計(jì)算機(jī)識(shí)別，又利于使用者認(rèn)知代碼含義。刀具具體編碼如下(表1)：

表1 刀具編碼方法表

    其中，姊妹碼是區(qū)分同一型號(hào)工具的符號(hào)。

    夾具、量具和輔具的編碼規(guī)則如下(表2)：

表2 夾具、量具和編具的偏碼規(guī)則表

    3.2 刀具壽命預(yù)測(cè)

    根據(jù)切削學(xué)理論，刀具的實(shí)際磨損與具體的加工狀態(tài)如切削用量、刀具的材料、工件材料、切削部分的形狀和刀具材料與加工材料的物理一化學(xué)及機(jī)械性能的綜合等因素有關(guān)�？梢圆捎脭�(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，將刀具耐用度計(jì)算的有關(guān)指數(shù)及修正系數(shù)建成數(shù)據(jù)表的形式，存放于機(jī)床工具庫(kù)中，并從加工程序中采集相關(guān)的加工參數(shù)，這樣就可以利用數(shù)據(jù)庫(kù)的查詢功能，編制相應(yīng)的處理程序，智能化地確定刀具的耐用度及刀具的剩余磨損壽命，實(shí)時(shí)掌握刀具的磨損情況，并能提前預(yù)測(cè)刀具破損時(shí)間，既可以在刀具磨損到一定程度時(shí)，提示重新磨刃，在刀具破損前，強(qiáng)制刀具報(bào)廢，避免潛在的巨大損失的出現(xiàn)，同時(shí)又可以優(yōu)化刀具壽命管理。

4 工具管理系統(tǒng)與制造執(zhí)行系統(tǒng)中其它子系統(tǒng)的信息集成

    制造執(zhí)行系統(tǒng)既是一個(gè)加工單元，又是一個(gè)信息單元，其中作業(yè)計(jì)劃編制與生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)(CAPS)是制造執(zhí)行系統(tǒng)的核心，而工具管理系統(tǒng)是一個(gè)不可或缺的重要組成部分。作業(yè)計(jì)劃編制與生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)可以通過(guò)調(diào)制解調(diào)器(MODEM)接受虛擬公司聯(lián)盟單位或廠部計(jì)劃部門(mén)的生產(chǎn)信息，如產(chǎn)品型號(hào)、批量、交貨期、圖樣、NC程序等。然后，根據(jù)CAPP系統(tǒng)的工序名稱、時(shí)間、工時(shí)定額、所需設(shè)備型號(hào)、工裝等信息，并從工具數(shù)據(jù)庫(kù)提取工、夾之量具信息，從資源庫(kù)中提取設(shè)備信息、人員信息等編制具體的作業(yè)計(jì)劃，將相應(yīng)的生產(chǎn)任務(wù)和NC程序通過(guò)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)傳送給工作地微機(jī)，再由現(xiàn)場(chǎng)工作人員在該微機(jī)的任務(wù)板上查看自己的任務(wù)，將NC程序傳給相應(yīng)的數(shù)睦機(jī)床，并操作機(jī)床完成加工任務(wù)。其信息流程如下圖4所示：

圖4 工具管理系統(tǒng)與執(zhí)行系統(tǒng)中其它子系統(tǒng)的關(guān)系

    另外，作業(yè)計(jì)劃編制與生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)述接收工作地微機(jī)采集的工況數(shù)據(jù)(如完成件數(shù)、廢品數(shù)、工夾具狀況)以及機(jī)床數(shù)據(jù)(如機(jī)床損壞、開(kāi)停機(jī)時(shí)間、加工時(shí)間等)，并將有關(guān)數(shù)據(jù)傳送給廠長(zhǎng)查詢系統(tǒng)(EMS)。調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)加工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況可對(duì)作業(yè)計(jì)劃進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，這實(shí)際上就構(gòu)成了一個(gè)線路最短的信息閉環(huán)調(diào)解回路，便生產(chǎn)信息流動(dòng)暢通、及時(shí)、準(zhǔn)確。

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本文標(biāo)題：制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）中工具管理的研究

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