刀具全寿命周期管理系统详细设计V10

刀具全寿命周期管理系统
详细设计
西北工业大学
2012-5-20
本文档描述刀具全寿命周期管理与信息追踪系统的主要功能，本软件系统主要应用于制造业企业刀具的标识与管理。

1术语定义
刀具直接标识：采用激光标刻技术，直接在刀具表面标识可机器识读的条码。

刀具全寿命周期管理：指从刀具需求提出到刀具报废整个寿命周期业务过程中的管理与协同，是围绕刀具计划期、投入期、使用期、报废期进行集成化管理的一种方法。

2目标与意义
具管理的根本目的是提高生产效率，降低制造成本。

首先，它实现刀具的标准化。

因为能够更快地安装刀具，及时更换已磨损的刀具，并避免使用错误的刀具，机床的利用率得到提高；降低刀具库房，减少了资金占用，同时又提高了刀具的利用率；此外，还能够缩短刀具组装准备时间。

最终，保证在正确的位置与恰当的时间使用正确的刀具。

刀具管理的基础是对所有刀具编制目录，建立核心数据库，反映刀具位置、成本、使用者、供货商、切削性能、刀具寿命、适用的机床和能够加工的零部件等综合信息，对刀具具体到型号的各类加工参数都有了详细的记录。

更重要的是本系统对刀柄、刀头和刀杆等可打码刀具实现了具体到把的管理，而对刀片、连接杆等非可打码刀具具体到型号的管理。

刀具管理的核心则是对所有刀具进行跟踪，并将刀具实际状态及状况及时准确地集中反映在数据库当中，以便实现控制管理。

本着企业信息化、数字化的原则，我们建立刀具全生命周期管理系统，通过对刀具的刀柄、刀头和刀杆进行标识，从而在刀具的整个生命周期内对其进行跟踪管理。

3刀具全寿命周期管理总体需求
3.1传统刀具管理模式存在的弊端
传统的刀具管理是将刀具的信息记录在纸上,或记忆在人脑中,刀具的动态信息管理跟不上。

不同的管理者对刀具信息的掌握程度也不同,管理水平因人而异,而且时间稍长,记录的信息容易丢失。

数控刀具是实现柔性制造的较昂贵的消耗性资源,信息繁多。

随着数控设备和加工零件品种的增多,刀具零部件的种类和相应资源信息也会越来越庞杂,占投资的比重也逐渐增大。

由于生产加工的需要,大量的刀具频繁地在刀具库和机床以及机床与机床之间流动和交换。

传统的刀具管理模式显然已无法适应柔性制造的需要。

传统柔性化车间拥有数控设备30～40台,操作工人80～100人,数控刀具元件的数量高达2 900 件,刀片种类300 余种。

柔性化车间成立初期,使用的数控刀具都在操作人员手中,对刀具的管理只是简单的从工具箱出装上机床就行了,但随着柔性化车间数控设备和使用的人数的不断增加,数控刀具的数量日益增多,传统管理模式的弊端也越来越明显,主要表现在以下几方面:
➢由于刀具都在个人手中,刀具管理员无法掌握生产现场数控刀具的使用动态,做不到统一调配数控刀具,现有的刀具得不到充分利用,往往是借上刀具的人不用这把刀,而要用的人到处在找刀,数控刀具资源无法共享,无形中延长了操作者的准备时间,降低了生产效率。

常常出现每年都新增刀具,仍然不断有操作者提出刀具数量不够。

➢刀具管理员无法掌握生产现场刀具的完好情况,做不到及时补充库房,难以统筹计划工具费用。

由于刀具在个人手中,经常会发生刀具的损坏和丢失,由于操作者不愿意赔偿,所以隐瞒不服,到真正需要时才发现账面上有的刀具实际上已不能用。

于是只好临时找代用刀具,严重影响生产周期和产品质量。

➢刀片作为消耗品,一般不专门控制,但数控刀具使用的刀片价格昂贵,不加约束地使用,无形中会造成很大浪费。

➢车间中有不少刀具积压，甚至是多年以前的刀具都一直未用，造成这一情况的原因有两个：
a)历史方面的原因：以前刀具的分配是自上而下的按计划分配方式，这与车
间底层的需求脱节。

b)刀具信息管理的原因：由于刀具信息管理的措施没有从根本上加以改进，
这就造成了刀具信息查询、管理方面的困难。

➢刀具信息不通畅，使得制造资源计划(MRP)、CAPP子系统、NC子系统以及工况数据采集系统和作业计划与调度系统等无法直接获得足够的工具信息。

目前采购中的计划需求、计划汇总、审核报表、采购清单、库房管理等都通过手工完成和管理，仅物资供应计划调度室每位计划员管理的常规采购项目都达3500项以上，工作量打打准确率低，不便于信息的存储、传递和共享，不管是查询还是修改执行效率低下还增加了人力成本。

3.2领域需求
制造业企业对刀具管理的需求主要体现在以下几个方面：
◆实现刀具采购环节中计划需求、计划汇总、报表审核、采购清单等业务
过程的计算机化管理。

◆改变传统的依靠纸制卡片等手工管理刀具的模式，实现刀具库存管理计
算机化，降低刀具管理强度。

◆实现总厂刀具和分厂、车间刀具信息资源共享。

◆能够对每把刀具进行追踪管理，获取刀具的状态和位置信息。

◆实现刀具管理系统与对刀仪的集成，实现对刀仪刀具实测参数数据直接
更新刀具管理界面，避免数据的手工输入和传递。

◆实现刀具管理系统与条码识别设备的集成，实现条码扫描设备读取的刀
具编码数据直接更新刀具管理界面，避免手工输入。

◆实现部分数控设备刀具加工数据尤其刀具加工时间采集，能够直接用于
刀具寿命计算。

◆实现与计划调度管理系统的集成，能够生成与计划任务对应的刀具需求
清单、机床现有刀具清单、补充刀具清单等。

◆实现与CAPP系统的集成，满足CAPP对刀具数据检索的需求，生成刀
具需求清单。

4 刀具全寿命周期管理系统分析
4.1 刀具全生命周期管理业务过程分析
刀具全寿命周期管理是指在满足生产制造的需要的前提下，以刀具成本为主线，结合生产经营效益分析，研究刀具整个寿命周期内,包括刀具选用与组合、申购、采购、入库、出库、加工使用、回收、刃磨、报废等，如何进行集成化管理的一种方法。

刀具信息采集过程如图4-1所示，针对刀具库存管理和现场管理的要求，刀具数据采集主要包括通过条码扫描设备采集刀具编码信息，通过对刀仪采集刀具参数信息，通过DNC 采集刀具加工时间、刀库列表信息等。

流程信息追踪系统数据采集图4-1 基于直接标识的刀具全生命周期管理
1）条码扫描设备与刀具管理系统的集成
实现条码扫描设备与刀具管理系统的集成，能够将标刻在刀具表面的条码通过条码扫描仪直接读取到刀具管理系统的界面，而不用手工录入，条码主要包含的是刀具编码信息。

2）对刀仪与刀具管理系统的集成
实现几类常见对刀仪与刀具管理系统的集成，能够将实测刀具参数信息直接写入刀具管理系统的界面，而不用手工录入和传递。

对刀仪主要测量刀具长度、刀具直径、刀尖圆弧半径等刀具参数。

3）DNC系统与刀具管理系统的集成
以DNC-MAX软件为依托，采用宏指令、触发程序、定时上传记录等方式实现Fanuc、Siemens、三菱、海德汉等常见数控系统部分状态信息的采集，包括刀具所在设备、加工零件、加工开始时间、加工结束时间等，刀具加工时间的获取是实现刀具寿命管理的依据。

在刀具的全寿命周期中，刀具一般需要经过以下几个业务流程：
1)刀具标刻：在刀具上用激光直接标刻一维/二维条码。

按既定的编码规
则对刀具进行编码，将编码通过激光标刻装置直接刻在刀具上。

2)入库：通过条码扫描设备（手持式或固定式）将刀具扫描入库，由专门
人员进行刀具数据录入，把入库后的刀具存放到指定的存放位置刀具的
各种信息保存到中央刀具数据库中以供使用。

3)借用：根据上层ERP给出的刀具需求清单来进行刀具借用。

当任务下发
到车间，由调度人员进行具体分配后，具体任务被分解为工序级小任务，
使用具体刀具可以由工艺路线中得到。

当工人去借用刀具时，首先扫描
（或填写）工人的工号，然后对其刀具需求进行审核及位置检索，然后
取出刀具进行扫描借出。

此时刀具进入生产车间，状态信息发生变化，
同时数据库中插入一条借用信息，包括人员，刀具，时间等信息。

4)配刀：将刀具组件进行绑定，形成组合刀具，并以刀柄条码作为组合刀
具条码进行识别跟踪。

在这个过程中，刀具的状态属性发生变化，并生
成一条组合刀具记录，这个记录中包括：装配的各个组成部件的编号、
名称等。

5)对刀：利用对刀仪对刀具进行测量，并将结果传给计算机进行处理。

此
时组合刀具信息发生变化，插入刀具长度、刀具半径、刀具弧度等信息，
同时刀具相应信息业发生对应改变。

对刀通常发生在两种情况下，一是
刀具组合（即配刀）后，再就是刀具刃磨重新入库时。

此处主要指刀具
组合后的对刀，刀具刃磨后的对刀在刃磨时期完成，不单独作为一个业
务流程进行处理。

6)装刀：将组合刀具安装到机床上。

通过组合刀具、机床刀具库刀位号识
别完成绑定，生成刀具文件；将刀具文件传递给机床（DNC软件部分），
形成新的刀具文件；刀具文件的传递方法有两种：一种方法是手工录入
刀具参数，一种方法是自动更新机床刀具补偿文件。

7)刀具在线信息采集：通过DNC获得刀具加工状态信息，如正在执行的NC
程序名称、正在加工的零件名称、机床开始加工时间、机床结束加工时
间、主轴转速、进给速度、当前刀具、换刀操作等，并将这些信息存储
到数据库中，当数控程序自动换刀时，只需改变刀具状态。

同时，在此
过程中，通过DNC获得刀具实际加工的时间，通过刀具寿命管理系统进
行寿命计算。

更新数据库中的切削时间和刀具寿命。

8)卸刀：从机床上卸除组合刀具，改变组合刀具的位置和状态信息。

卸刀
指刀具使用完毕可以归还刀具室的情况下进行的移除。

卸刀后，刀具和
机床刀位的对应绑定关系消失，在数据库中删除。

9)刀具分解：分解组合刀具，把刀具和刀柄分开，各部件位置和状态信息
变化，反映在数据库中，记录被更新。

组合刀具记录被删除。

10)刀具归还：通过条码识别设备（手持、固定式条码识读器）完成刀具的
归还。

刀具位置和状态信息发生变化，数据库中记录更新。

11)刀具刃磨：对非一次性可刃磨刀具，在使用后，由刀具室人员决定是否
需要进行刃磨。

刃磨后，需要进行对刀，来重新检测刀具的物理参数如
刀具长度、刀具半径、刀具弧度等信息，并更新数据库中的相应信息。

12)刀具出库：通过条码识别设备（手持、固定式条码识读器）完成刀具的
出库。

刀具状态发生变化，此刀具号不可重复使用，因为可能需要刀具
加工历史信息。

刀具的出库情况有以下几种：到寿命报废、刃磨报废、
加工过程中断刀、刀具丢失、刀具借至其它车间等。

上述12个过程是按刀具从打标入库、使用、出库的整个刀具使用过程进行描述的，而刀具全生命周期管理系统的主要功能就是实现每一把刀具在这12个业务过程中信息的采集。

对于每一把刀具来说这12个业务过程由其固定的顺序，刀具在整个过程中只能按照这一顺序在单元内循环，比如，刀具一定要先借用，才能进行配刀操作，然后对刀、装刀等。

通过对刀具各业务流程的分析，可以发现，刀具在各业务流程之间基本上不存在信息交互，系统对各业务流程获得的刀具信息均存储在数据库中，刀具信息的共享通过数据库来实现。

除上述的与刀具实体操作有关的12个业务流程外，还包括库存盘点、数据维护、数据导入、刀具寿命统计、刀具寿命预警、生成报表、信息查询等业务。

➢库存盘点：由工具管理员定期进行刀具库存信息的统计，并不修改刀具数据。

➢数据维护：可进行刀具数据的增、删、改等操作，用于上述12个业务发生异常无法正常工作时，处理刀具相关信息。

➢数据导入：实现刀具参数数据、库存数据等的导入，主要用于系统实现之初。

➢刀具寿命统计：通过采集到的刀具加工时间进行刀具寿命的统计。

➢刀具寿命预警：当刀具使用寿命达到刀具额定寿命时，系统生成刀具预
警信息，强制机床换刀。

➢生成报表：可根据用户的不同需求，选择不同的报表格式，生成特定的报表，如：刀具库存报表、刀具空闲报表、刀具报废报表、刀具借出报
表等。

➢信息查询：可设定不同的查询条件，用于不同用户需求的刀具信息的查询。

4.2刀具信息模型分析
刀具全生命周期管理系统主要是通过刀具使用业务流程，实现对刀具信息的统一管理。

刀具信息可以分为两类：刀具静态信息和刀具动态信息。

（1）刀具静态信息是指刀具本身固有的，且不随刀具的使用加工而变化的属性信息，即刀具参数信息，包括：刀具条码、刀具编号（企业编号）、刀具名称、刀具类型、刀具型号、刀具材质、刀具涂层、刀具几何参数、刀具结构信息（形状、图形）等，其中，刀具条码能够唯一的标识每一把刀具，是实现刀具实体在使用过程中的信息采集的关键。

刀具的种类繁多、结构、几何参数相差加大，无法采用统一的结构对所有刀具静态信息进行管理，因此，需要对刀具按其结构、作用、几何参数种类的不同进行分类管理，具体的分类如图4-2所示：
图4-2 刀具分类图
按上述刀具分类图，将刀具静态信息进行分组管理，每一组静态信息都是一组结构化的数据。

（2）刀具动态信息是指那些随着刀具使用业务流程的变化而变化的刀具信息，与具体业务相结合，可将刀具动态信息分为七类：
1)库存信息：库存位置、入库时间、出库时间、出库原因等；
2)刀具借用信息：借用人、借用时间、归还时间；
3)装配信息：装配刀编号、装配刀各组件编号、装配刀几何参数
4)刀具使用信息：所在机床、加工零件、加工工序、程序、加工时间、加
工状态
5)对刀信息：刀具几何参数、刀具寿命
6)刀具寿命信息：刀具额定寿命、刃磨次数、剩余寿命、切削时间；
7)刀具位置/状态信息：所在位置、状态
上述的七类刀具动态信息在刀具使用的某个或某几个业务过程中会发生变化，刀具全生命周期管理系统就是要实现对这些变化的信息的实时采集。

4.3系统总体结构分析
刀具全生命周期管理系统的总体结构如图4-3所示。

刀具全生命周期管理系统软件按照刀具使用业务对刀具信息进行采集管理，主要包括五个功能模块：库存管理模块、在线跟踪模块、寿命管理模块、信息管理模块、系统管理模块。

由图4-3看出，刀具全生命周期管理系统软件通过与数控机床、条码识别设备、对刀仪等设备的集成（包括硬件联网、软件集成），获取刀具在数控机床、对刀仪、中央刀库等的动态信息，再结合刀具借用、归还、配刀、装刀、加工信息采集、库存盘点等刀具使用业务流程，实现刀具动态信息的实时跟踪。

其中，数控机床与刀具全生命周期管理系统软件之间的信息联系是双向的，即刀具全生命周期管理系统可以从数控机床获得刀具加工实时信息，数控机床也能够从刀具全生命周期管理系统获得刀具参数信息（刀具文件）；条码扫瞄设备、对刀仪之间的联系是单向的，也就是说，它们只需将采集到的数据传递给刀具全生命周期管理系统，刀具全生命周期管理系统根据获得的数据进行记录。

通过上述分析可以看出，刀具全生命周期管理系统需要解决的主要问题有以下几个：
（1）刀具全生命周期管理系统软件的设计与开发。

（2）刀具的直接标刻与自动识别：主要解决如何标刻（选择何种标刻方法）、标刻内容（刀具编码），及条码扫瞄设备与刀具全生命周期管理系统的集成问题。

（3）刀具全生命周期管理系统与对刀仪的集成：主要解决对刀仪传输数据的采集。

（4）刀具加工信息采集：即通过DNC如何获取数控机床刀具加工状态信息，及如何实现刀具加工时间累计来进行刀具寿命统计。

图4-3 系统总体结构
5刀具全寿命周期管理系统功能模型
刀具全寿命周期管理所包含的主要功能模块如图5-1所示：
图5-1 刀具全寿命周期管理系统功能树
●刀具信息管理
包括刀具数据维护和刀具信息查询。

➢刀具数据维护：刀具数据的添加、删除与修改等。

➢刀具信息查询：按刀具类别查询、按刀具借用人查询和按工作地查询。

➢刀具选择：系统还提供了辅助设计功能，能够根据工艺设计人员提供的机床型号、被加工零件的材料、加工的内容、切削刀具的总长和切削深
度，交互式选择刀具、刀片的切削用量，自动提供几种刀具组合的可能
性，并提示库存情况，为刀具选择提供辅助支持。

●刀具计划管理
包括刀具采购计划管理和自制刀具计划管理。

采购计划管理包括采购计划生成、采购计划汇总、采购管理等。

➢采购计划生成
根据供需决策生成车间刀具申购计划。

提供请购单的生成、审批和管理等功能。

➢采购计划汇总
接收各分厂（车间）刀具需求计划并汇总，经主管部门领导批准后转采购部门购买。

提供按供应商汇总、按申购部门汇总与按申购刀具类型汇总等功能。

➢采购管理
包括订单管理、到货接收、退货管理、采购资金管理、供应商管理等。

自制刀具计划管理包括自制计划生成、自制计划汇总、加工管理等。

➢自制计划生成
根据供需决策生成车间自制刀具计划。

提供请制单的生成、审批和管理。

➢自制计划汇总
接收各分厂（车间）刀具需求计划并汇总，经主管部门领导批准后转生产部门制造。

➢加工管理
自制刀具的接收和检验等。

●刀具库存管理
包括刀具入库管理、出库管理、库存周期盘点等。

➢入库管理
采购的刀具先进入中央刀具库房，由库房管理员办理入库检验和入库登记。

当采用条码系统时，采购的刀具首先进行编码和刻码，并采用条码设备扫描入库。

➢出库管理
刀具从一级库房（企业级）领出到二级库房（车间级），提供批量导出、二级库房自动入库和报表输出等功能。

➢库存周期盘点
按月、季、年盘点刀具库存，计算购置、自制、领用、报废、剩余等不同状态刀具的数量和资金，提供各类统计报表。

●刀具领用管理
包括配刀管理、分解管理、借还管理以及组合刀具管理等。

➢配刀管理
根据每一项加工任务，首先对比CAPP生成的刀具需求清单与机床刀库现有
刀具数据表生成借用刀具清单，按借用刀具清单配刀，提供加工使用。

配刀过程还需完成刀具与刀柄（刀杆）的绑定，形成刀具、刀柄（刀杆）组合，通过刀柄（刀杆）识别跟踪刀具。

➢刀具分解管理
刀具分解与组合过程相反，刀具分解后需删除数据库中对应的组合刀具记录，并修改各组件的可装配状态。

➢借还管理
根据每一项加工任务生成的刀具需求清单进行刀具的借用，刀具的借用和归还通过条码识别设备完成。

➢组合刀具管理
刀片、刀杆、变径套、卡簧、接长杆等组装在一起，形成组合刀具，通过刀杆识别组合刀具，刀具组合涉及各组成部件状态的变化。

系统建立了刀柄、刀杆、拉钉、刀片以及刀具元件配套关系数据库，能够方便地实现刀具组装管理。

●刀具现场管理
刀具现场管理从刀具领用进入现场到归还离开现场，包含对刀、装刀、加工、卸刀、归还等多个环节，是刀具信息追踪的重点。

依托刀具直接标识技术我们能够对每一把刀具进行标识，加工过程中刀具的状态、加工时间等信息则通过DNC 获取。

➢对刀管理
通过对刀仪获取刀具长度、刀具直径、刀尖圆弧半径等参数，这些参数直接传递给刀具管理系统，随刀具清单一起下发到生产现场。

➢装刀管理
刀具、刀柄组合安装，通过刀柄、机床刀具库刀位识别完成绑定，生成刀具文件。

➢卸刀管理
卸刀操作主要涉及机床刀库现有刀具清单的变化。

卸刀后，能够生成机床刀库现有刀具清单，并通过DNC传递给刀具管理系统。

➢刀具加工过程数据采集
通过DNC采集刀具加工过程中的状态信息，包括刀具所在设备、所属产品、
加工的工件数、加工时间等。

●刀具寿命管理
刀具寿命管理是一项非常复杂的内容，刀具寿命与被加工材料特性、主轴转速、进刀量、进给速度、冷却液等有关，很难准确计算。

本系统对刀具寿命计算进行了简化，按刀具加工时间和加工长度作为评定刀具的标准，具有实际意义。

刀具寿命管理包含加工时间统计、剩余寿命计算、刀具的刃磨管理、报废管理以及刀具磨破损监控等。

➢加工时间统计
通过与部分数控设备的集成，能够采集到刀具加工过程中详细的状态信息，其中刀具寿命管理主要采集刀具加工时间信息，并按照加工的材料和其它加工参数折算成对应的加工长度，计算出已加工长度、刀具剩余寿命等，对即将达到设定寿命的刀具进行报警。

➢刀具刃磨管理
刀具刃磨后，通过对刀仪测量刀具的技术参数并传给刀具管理系统，同时提供刀具刃磨次数、维修人员、维修时间、处理意见等方面的信息，刀具刃磨后，刀具寿命信息也应作相应的更新。

➢刀具磨破损监控
国内外对刀具的磨破损监控方法进行了深入的研究，提出了多传感器信息融合、基于神经网络的识别方法、切削力监控法、声发射监控法等多种方法，但这些方法的应用有很大的局限性，如切削力监控法传感器安装不方便，声发射监控法干扰信号剔除困难，震动检测法信号实时处理困难等，离工程应用还有较大的距离。

本系统主要利用主轴功率的变化对刀具的磨破损状态进行监控，也可以根据客户的需求进行相应的研究。

➢刀具报废管理
刀具达到使用寿命或破损后报废，刀具报废后状态为不可用，可进行相应的数量和资金统计。

●统计分析与查询
系统提供完善的统计分析功能，并可按照用户需求定制报表。

➢统计分析
提供刀具需求计划汇总统计，中央刀具库刀具库存、领用、周期盘点，车间。