（机械制造及其自动化专业论文）自动车间刀具管理系统的研究与开发.pdf

昆明理工大学硕士学位论文 摘要 摘要 计算机集成制造( c i m s ) 是企业自动化生产的发展方向，它的突出的特点是 集成，不仅是物流的集成更是信息的集成。刀具管理系统( t m s ) 是c i m s 系统的一个重要环节，是加工中心的重要辅助工具，也是企业重要的制造资 源管理系统之一。 刀具和切削参数的选择是一项复杂的、经验性要求高的专业工作，因此 有必要将各类刀具系统的信息集成。建立统一的刀具信息管理系统。 本文对刀具管理系统的硬件结构和实现的功能进行了全面的分析研究， 并重点对其控制策略、数据库结构、刀具的优选等几个关键技术进行了比较 全面的研究，开发了刀具管理系统，并取得了如下的研究成果： 1 ) 刀具管理系统的实体模型向关系模型的转换。该数据库不仅要符合范 式要求，还要考虑数据库使用对象的特殊需要。作为统一的数据源， 数据库包含了系统所有的数据信息。 2 ) 利用a c t i v e d a t a o b j e c t s ( a d o ) 数据库接口技术，实现关系型数据库 与面向对象设计方法的集成。a d o 作为一种适用各种数据类型的商层 接口，它的应用不仅使面向对象的设计的程序可以管理多种类型的数 据库系统，而且具有良好的可移植性。 3 ) 所研究的刀具分配策略综合了成组技术，遗传算法及虚拟刀具库思想， 能够较好的解决柔性制造单元 f m s ) 中刀具的优化分配问题。 4 ) 基予以上技术编程设计出友好的用户界面和实用的使用功能。软件系 统中的刀具数据库导航界面、通用数据库编辑界面及库存信息显示界 面等，都是多种编程技术综合的体现。 关键词：计算机集成制造系统；刀具管理系统；数据库；分配策略；面向 对象技术 昆明理工火学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t ： c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ( c i m s ) i st h e d i r e c t i o no f a u t o m a t e dp r o d u c t i o ni ne v e r ye n t e r p r i s e t h em o s tr e m a r k a b l ec h a r a c t e ro fi t i s i n t e g r a t i o n ，n o to n l yo ft h em a t e r i a lf l o w ，b u ta l s oo ft h ei n f o r m a t i o nf l o w t o o l m a n a g e m e n ts y s t e m ( t m s ) i sas i g n i f i c a n tp a r to fc i m s a sa na u x i l i a r ym e a n s f o rm a c h i n i n gc e n t e r ，t m si so n eo ft h ei m p o r t a n tm a n u f a c t u r i n gr e c o u r s e sf o ra n e n t e r p r i s e t o o la n di t sd a t as e l e c t i o ni nd e s i g n i n gt h ep r o c e s sf i l ef o ra m a c h i n i n gi s h i g h l ys k i l l e dj o b t h u sa ni n f o r m a t i o ns y s t e mi n t e g r a t i n gd i f f e r e n tk i n d so ft o o l i n f o r m a t i o ni si n d i s p e n s a b l e t h i sp a p e rs t u d i e sa sw e l la sa n a l y s e sc o m p r e h e n s i v e l yh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o n a n df u n c t i o nr e a l i z a t i o no ft m s ，p u t t i n gs p e c i a le m p h a s i su p o ns e v e r a lk e y t e c h n o l o g i e s ，t h a t sc o n t r o ls t r a t e g y ，d a t a b a s es t r u c t u r e ，t o o lo p t i m i z a t i o na n ds o o n t h et m si sb e e nd e v e l o p e d ，a n dt h ef o l l o w i n ga r et h em a i na c h i e v e m e n t so f t h ea r t i c l e 1 ) t r a n s f o r m a t i o no fc u t t i n gt o o ls y s t e mf r o me n t i t a t i v em o d e lt or e l a t i o n a l m o d e l t h ed a t a b a s es h o u l dc o n f o r mt ot h en o r m a lf o r m sr e q u i r e m e n t sa n d s p e c i a ld e m a n d so fu s e r s a sau n i f i e dd a t as o u r c e ，d a t a b a s ec o n t a i n sa l lt h e d a t ei n f o r m a t i o no ft h es y s t e m 2 ) i n t e g r a t i o no fr e l a t i o n a ld a t a b a s ea n do b j e c t o r i e n t e dd e s i g nb yu s i n ga c t i v e d a t ao b j e c t s ( a d o ) a d oi sah i g h l e v e li n t e r f a c es u i t a b l ef o ra l lk i n d so f d a t a b a s e ，f a c i l i t a t i n gt h em a n i p u l a t i n g a n dm i g r a t i n go fv a r i o u sf o r m so f d a t a b a s es y s t e m sd e v e l o p e db y0 b j e c t o r i e n t e dd e s i g n ( o o d ) m e t h o d s 3 ) an e wt o o la l l o c a t i o ns t r a t e g y i n t e g r a t e s g r o u pt e c h n o l o g y ，g e n e t i c a l g o r i t h m sa n dv i r t u a lt o o lm a t r i xs t r a t e g y ，i tc a ns o l v et h ep r o b l e ma b o u t t o o la ll o c a t i o no p t i m i z ew e l li nf m s 4 ) i n t e g r a t i n gm u l t i p l ep r o g r a m m i n gt e c h n i q u e si n a s y s t e m ，w ec a nd e s i g n u s e f u lf u n c t i o n sa n du s e r s f r i e n d l yi n t e r f a c e s t h i si si m p l e m e n t e da sf o l l o w s ： t o o ld a t a b a s en a v i g a t i o n ，c o m m o nd a t a b a s ee d i t i n gi n t e r f a c ea n di m m e d i a t e d i s p l a y i n go fi n f o r m a t i o ns t o r i n g k e yw o r d s ：c i m s ；t m s ；d a t a b a s e ； a l l o c a t i o n s t r a t e g y ；o b j e e t o r i e n t e d t e c h n o l o g y u 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下( 或 我个人) 进行研究工作所取得的成果，除文中已经注明引用的内 容外，本论文不合任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：；司樯、 日 期：1 年b 月站日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守) 导师签名：论文作者签名：i 至1 匀壁： 日 期：一r 年 月0 6 日 昆明理工大学硕士学位论文 第一+ 帝绪论 第一章绪论 1 1 概述 江泽民同志在中共十六大报告中明确指出，信息化是我国加快实现工业 化和现代化的必然选择。制造业信息化是以信息化带动工业化的突破口，是 我国制造业国际竞争能力的需要。“九五”期间实施的“8 6 3 c i m s 应用示范工 程”，为推动我国的制造业信息化进程发挥了非常重要的作用。当今，世界范 围内的机械产品市场发生了巨大的变化，制造企业之间的竞争日趋激烈。决 定制造企业竞争力的主要指标是新产品的开发时间( t i m e ) 、质最( q u a l i t y ) 、 成本( c o s t ) 以及相应的服务( s e r v i c e ) ，即t q c s 。其中： t ：缩短开发周期，适时推出新产品，生产柔性化； q ：改进产品质量，保证可靠性，做到“零缺陷”； c ：降低成本，提高性能价格比： s ：方便用户，优质及时服务。 柔性制造系统( f 1 e x i b l em a n u f a c t u r es y s t e m 简称f m s ) 就是顺应了市 场需求的变化发展起来的，由电子计算机控制的系统，它可同时加工相近的 一组或一类产品。许多工业先进国家都在大力发展柔性制造系统。近年来髓 着c i m s 技术迅速向纵深发展，柔性制造技术也有了新的发展，在c i m 环境下， f m s 己跳出了传统f m s 的概念局限性。被定义为在广义上的可编程的控制系统+ 它具有处理高层次分布数据的能力，具有自动的物流，它使c i m 的概念可班 在车问实施，从而实现小批量、高效率的制造，以适应不同产品生命周期的 动态变化。随着柔性制造技术的发展；最近在全球范围内还展开了一场轰轰 烈烈的关干制造技术和生产管理方法的研究，出现了准时制生产、以人为中 心的c i w 、精良制造、敏捷制造、全能制造、虚拟制造及并行工程等新概念。 刀具管理系统( t m s ) 是f m s 系统的一个重要环节，刀具和切削参数的 选择是一项复杂的、经验性要求离的专业工作，因此有必要将各类刀具系统 的信息集成。建立统一的刀具信息管理系统。刀具物流管理及刀具信息流集 成是形成集成制造的关键，是加工中心的重要辅助工具，也是企业重要的制 造资源管理系统之一。因此，刀具管理系统是计算机集成制造系统设计中的 一个关键环节。 昆l ! | j 理t 大学颁士学位论文 第一带绪论 1 2c im s 的发展现状 1 2 1 计算机集成制造系统的产生协6 1 根据社会的需要，产品制造模式的发展在经历了少品种少批量、少品种 大批量之后，开始朝多品种小批量方向发展。同时制造厂商之间的竞争也变 为全球性，而且消费者的需求日趋表现为主体化、个性化和多样化。大批量 生产模式虽能降低成本，产品质量易于保证，但在快速响应市场方面有其阐 有的缺陷。 美国学者约瑟夫哈林顿博士针对企业所面临的激烈市场竞争，首次提出 c i m ( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c tl i t i n g ) 的概念。这是一种组织企业生产 的全新管理思想，该思想有两个基本观点：系统的观点和信息化的观点。这 两个基本观点构成了c i m s 最原始的概念，c i m s 是一个先进的思想。c i m s 发 展到现在，在市场竞争的激励与相关技术进步的推动下，c i m s 在实践中被不 断充实、完善与发展，已经有了更加丰富和具体的内容。 在具体实现上c i i s 要借助计算机硬件及软件，综合运用现代信息技术、 管理技术、自动化技术、制造技术和系统工程技术的有机结合，将企业生产 全过程中有关的人员组织、技术、设备、经营管理四要素与其信息流、物流、 价值流有机集成并实现企业整体优化运行，在市场分析、产品开发、产品质 量、生产成本和周期、市场开拓、产品销售和服务等方面达到总体优化，使 产品上市快、服务好、质量优、成本低的目的，进而提高企业的柔性、健壮 性和敏捷性，使企业在激烈的市场竞争中立于不败之地。总之，它是使企业 获得竞争的一门综合性技术，是在实践中不断发展的系统技术。 1 2 2 计算机集成制造系统的技术构成 计算机集成制造是一种新的制造观念和技术形态，是未来工厂的生产模 式，是信息技术与制造过程相结合的自动化技术与科学。c i m s 最突出的特点 在于集成，不仅仅是物流的集成，更重要的是信息的集成。它利用现代信息 技术将计算机辅助设计、计算机辅助制造、计算机辅助生产管理等部门，在 系统支持技术( 数据库、网络) 连接下形成个有机综合的覆盖整个企业从 产品订货、产品设计、生产制造到销售服务全部生产过程的生产制造系统。 在以c a d 做出设计后，立即由c r p p 系统制订出，工。艺计划，然后自动生成n c 代 2 昆明理二【大学硕士学位论文 第一章绪论 码，并由f m s 完成产品的制造，从而实现企业中c i m s 技术与现代化企业管理 机制的有机结合。 1 3 柔性制造系统 随着社会的进步和生活水平的提高，社会对产品多样化，低制造成本及短 制造周期等需求日趋迫切，传统的制造技术已不能满足市场对多品种小批量， 更具特色、符合顾客个人要求样式和功能的产品的需求。9 0 年代后，由于微电 子技术、计算机技术、通信技术、机械与控制设备的发展，制造业自动化进入 一个崭新的时代，技术日臻成熟。柔性制造技术已成为各工业化国家机械制造 自动化的研制发展重点。 1 。3 1基本概念 1 3 1 1 柔性 柔性可以表述为两个方面。第一方面是系统适应外部环境变化的能力，可 用系统满足新产品要求的程度来衡量：第二方面是系统适应内部变化的能力， 可用在有干扰( 如机器出现故障) 情况下，系统的生产率与无干扰情况下的生 产率期望值之比来衡量柔性是相对于刚性而言的。传统的刚性自动化 生产线主要实现单一品种的大批量生产。其优点是生产率很高，由于设备是固 定的，所以设备利用率也很高，单件产品的成本低。但价格相当昂贵，且只能加 工一个或几个相类似的零件，难以应付多品种中小批量的生产。随着批量生产 时代正逐渐被适应市场动态变化的生产所替换，一个制造自动化系统的生存 能力和竞争能力在很大程度上取决于它是否能在很短的开发周期内，生产出 较低成本、较高质量的不同品种产品的能力。柔性已占有相当重要的位置。 柔性主要包括： 1 )机器柔性：当要求生产一系列不同类型的产品时，机器随产品变化而加= 【 不同零件的难易程度。 2 )工艺柔性：一是工艺流程不变时自身适应产品或原材料变化的能力：二是 制造系统内为适应产品或原材料变化而改变相应工艺的难易程度。 昆明理工大学硕士学位论文 第一章绪论 3 ) 产品柔性：一是产品更新或完全转向后，系统能够非常经济和迅速地生产 出新产品的能力：二是产品更新后，对老产品有用特性的继承能力和兼容能 力。 4 ) 维护柔性：采用多种方式查询、处理故障，保障生产正常进行的能力。 5 ) 生产能力柔性：当生产量改变、系统也能经济地运行的能力。对于根据 订货而组织生产的制造系统，这一点尤为重要。 6 )扩展柔性：当生产需要的时候，可以很容易地扩展系统结构，增加模块， 构成一个更大系统的能力。 7 )运行柔性：利用不同的机器、材料、工艺流程来生产一系列产品的能力 和同样的产品，换用不同工序加工的能力。 1 3 1 2 柔性制造技术 柔性制造技术是对各种不同形状加工对象实现程序化柔性制造加工的各 种技术的总和柔性制造技术是技术密集型的技术群，我们认为凡是侧重于柔 性，适应于多品种、中小批量( 包括单件产品) 的加工技术都属于柔性制造技 术。目前按规模大小划分为： 1 )柔性制造系统( f m s ) 关于柔性制造系统( f m s ，f 1 e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 的定义很多， 权威性的定义有：美国国家标准局把f m s 定义为：由一个传输系统联系起来的 一些设各，传输装置把工件放在其他联结装置上送到各加工设备，使工件加工 准确、迅速和自动化。中央计算机控制机床和传输系统，柔牲制造系统有时可 同时加工几种不同的零件。国际生产工程研究协会指出：柔性制造系统是一 个自动化的生产制造系统，在最少人的干预下，能够生产任何范围的产品族， 系统的柔性通常受到系统设计时所考虑的产品族的限制。而我国国家军用标 准则定义为：柔性制造系统是由数控加工设备、物料运储装置和计算机控制 系统组成的自动化制造系统，它包括多个柔性制造单元，能根据制造任务或生 产环境的变化迅速进行调整，适用于多品种、中小批量生产。简单地说，f m s 是由若干数控设备、物料运贮装置和计算机控制系统组成的并能根据制造任 务和生产品种变化而迅速进行调整的自动化制造系统。目前常见的组成通常 包括4 台或更多台全自动数控机床( 加工中心与车削中心等) ，由集中的控制系 统及物料搬运系统连接起来，可在不停机的情况下实现多品种、中小批量的加 工及饽理。目前反映工厂整体水、f ，的f m s 是第。代f m s ，闩本从1 9 9 1 年丌始实 4 昆明理_ 【= 夫学硕士学位论文第章绪论 施的“智能制造系统”( i m s ) 国际性开发项目，属于第二代f m s ；而真正完善的 第二代f m s 预计本世纪十年代后才会实现。 2 )柔性制造单元( f m c ) f m c 的问世并在生产中使用大约比f m s 晚6 8 年，f m c 可视为一个规模最 小的f m s ，是f m s 向廉价化及小型化方向发展的一种产物，它是由1 2 台加工 中心、工业机器人、数控机床及物料运送存贮设备构成，其特点是实现单机柔 性化及自动化。具有适应加工多品种产品的灵活性。迄今己进入普及应用阶 段。 3 )柔性制造线( f m l ) 它是处于单一或少品种大批量非柔性自动线与中小批量多品种f m s 之间 的生产线。其加工设备可以是通用的加工中心、c n c 机床；亦可采用专用机床 或n c 专用机床，对物料搬运系统柔性的要求低于f m s ，但生产率更高。它是以 离散型生产中的柔性制造系统和连续生过程中的分散型控制系统( d c s ) 为代 表，其特点是实现生产线柔性化及自动化，其技术已日臻成熟，迄今已进入实 用化阶段。 4 )柔性制造工厂( f m f ) f m f 是将多条f m s 连接起来，配以自动化立体仓库，用计算机系统进行联系 采用从订货、设计、加工、装配、检验、运送至发货的完整f m f 。它包括了 c a d c a m 并使计算机集成制造系统( c i m s ) 投入实际，实现生产系统柔性化及 自动化，进而实现全厂范围的生产管理、产品加工及物料贮运进程的全盘化。 f m f 是自动化生产的最高水平，反映出世界上最先进的自动化应用技术。它是 将制造、产品开发及经营管理的自动化连成一个整体，以信息流控制物质流的 智能制造系统( i m s ) 为代表，其特点是实现工厂柔性化及自动化。 1 3 2 柔性制造所采用的关键技术 1 ) 计算机辅助设计 未来c a d 技术发展将会引入专家系统使之具有智能化，可处理各种复杂 的问题。当前设计技术最新的一个突破是光敏立体成形技术，该项新技术是宜 接利用c a d 数据，通过计算机控制的激光扫描系统，将三维数字模型分成若干 层二维片状图形，并按二维片状图形对池内的光敏树脂液面进行光学扫描， 被扫描到的液面则变成固化塑料，如此循环操作，逐层扫描成形，并自动地将 昆明理工 学碗士学位论文 第一章绪路 施的“智能制造系统”( i m s ) 国际性开发项目，属于第二代f m s ：而真正完善的 第二代f m s 预计本世纪十年代后才会实现。 2 )柔性制造单元( f m c ) f m c 的问世并在生产中使用大约比f m s 晚6 8 年，f m c 可视为一个规模最 小的f m s ，是f m s 向廉价化及小型化方向发展的一种产物，它是由l 2 台加】 中心、工业机器人、数控机床及物料运送存贮设备构成，其特点是实现单机柔 性化及自动化，具有适应加工多品种产品的灵活性。迄今己进入普及应用阶 段。 3 )柔性制造线( f m l ) 它是处于单一或少品种大批量非柔性自动线与中小批量多品种f m s 之问 的生产线。其加工设备可以是通用的加工中心、c n c 机床；亦可采用专用机床 或h c 专用机床。对物料搬运系统柔性的要求低于f m s ，但生产率更高。它是蜕 离散型生产中的柔性制造系统和连续生过程中的分散型控制系统( d c s ) 为代 表，萁特点是实现生产线柔性化及自动化其技术已日臻成熟，迄今已进入实 用化阶段。 4 )柔性制造工厂( f m f ) f m f 是将多条f m s 连接起来，配以自动化立体仓库，用计算机系统进行联系 采用从订货、设计、加工、装配、检验、运送至发货的完整f m f 。它包括了 c a d c a m 。并使计算机集成制造系统( c i m s ) 投入实际，实现生产系统柔性化及 自动亿，进而实现全厂范围的生产管理、产品加工及物料贮运进程的全盘化。 p h f 是自动化生产的最高水平反映出世界上最先进的自动化应用技术。它是 将制造、产品开发及经营管理的自动化连成一个整体，以信息流控制物质流的 智能制造系统( i n s ) 为代表，其特点是实现工厂柔性化及自动化。 1 3 2 柔性制造所采用的关键技术 1 ) 计算机辅助设计 未来c a d 技术发展将会引入专家系统使之具有智能化，可处理各种复杂 的问趣。当前设计技术最新的一个突破是光敏立体成形技术，该项新技术是直 接利用c a d 数据，通过计算机控制的激光扫描系统，将三维数字模型分成若干 层二维片状图形，并按：_ _ 二维片状图形对池内的光敏树脂液面进行光学扫描， 被扫描到的液面则变成固化塑料，如此循环操作，逐层扫描成形，并自动地将 被扫描到的液面则变成固化塑料，如此循环操作，逐层扫描成形，并自动地将 昆明理工大学硕士学位论文 第一章绪融 分层成形的各片状固化塑料粘合在一起，仅需确定数据，数小时内便可制出精 确的原型。它有助于加快开发新产品和研制新结构的速度。 2 ) 模糊控制技术 模糊数学的实际应用是模糊控制器。最近开发出的高性能模糊控制器具 有自学习功能，可在控制过程中不断获取新的信息并自动地对控制量作调整， 使系统性能大为改善，其中尤其以基于人工神经网络的自学方法更引起人们 极大的关注。 3 ) 人工智能、专家系统及智能传感器技术 迄今，柔性制造技术中所采用的人工智能大多指基于规则的专家系统。专 家系统利用专家知识和推理规则进行推理，求解各类问题( 如解释、预测、诊 断、查找故障、设计、计划、监视、修复、命令及控制等) 。由于专家系统能 简便地将各种事实及经验证过的理论与通过经验获得的知识相结合，因而专 家系统为柔性制造的诸方面工作增强了柔性。展望未来，以知识密集为特征， 以知识处理为手段的人工智能( 包括专家系统) 技术必将在柔性制造业( 尤其 智能型) 中起着日趋重要的关键性的作用。目前用于柔性制造中的各种技术， 预计最有发展前途的仍是人工智能。预计到2 1 世纪初，人工智能在柔性制造 技术中的应用规模将在比目前大4 倍。智能制造技术( i m t ) 旨在将人工智能融 入制造过程的各个环节。借助模拟专家的智能活动，取代或延伸制造环境中人 的部分脑力劳动。在制造过程，系统能自动监测其运行状态，在受到外界或内 部激励时能自动调节其参数，以达到最佳工作状态。具备自组织能力。故1 m t 被称为未来2 l 世纪的制造技术。对未来智能化柔性制造技术具有重要意义的 一个正在急速发展的领域是智能传感器技术。该项技术是伴随计算机应用技 术和人工智能而产生的，它使传感器具有内在的决策功能。 4 ) 人工神经网络技术 人工神经网络( a n n ) 是模拟智能生物的神经网络对信息进行并处理的一 种方法。故人工神经网络也就是一种人工智能工具。在自动控制领域，神经网 络不久将并列于专家系统和模糊控制系统，成为现代自动化系统中的一个组 成部分。 昆明理工大学硕士学位论文 第一。章绪论 1 3 3 柔性制造技术的发展趋势 1 )f m c 将成为发展和应用的热门技术。这是因为f m c 的投资比f m s 少得多而 经济效益相接近，更适用于财力有限的中小型企业。目前国外众多厂家将f m c 列为发展之重。 2 )发展效率更高的f m l 多品种大批量的生产企业如汽车及拖拉机等工厂对 f m l 的需求引起了f i v l s 制造厂的极大关注。采用价格低廉的专用数控机床替代 通用的加工中心将是f i l l 的发展趋势。 3 )朝多功能方向发展。由单纯加工型f m s 进一步开发以焊接、装配、检验 及钣材加工乃至铸、锻等制造工序兼具的多种功能f m s 。 1 3 4 柔性制造技术的意义 柔性制造技术是实现未来工厂的新颖概念模式和新的发展趋势。是决定 制造企业未来发展前途的具有战略意义的举措。届时，智能化机械与人之间将 相互融合，柔性地全面协调从接受订货单至生产、销售这一企业生产经营的全 部活动。近年来，柔性制造作为一种现代化工业生产的科学“哲理”和工厂自 动化的先进模式已为国际上所公认，可以这样认为：柔性制造技术是在自动化 技术、信息技术及制造技术的基础上，将以往企业中相互独立的工程设计、生 产制造及经营管理等过程，在计算机及其软件的支撑下，构成一个覆盖整个企 业的完整而有机的系统，以实现全局动态最优化，总体高效益、高柔性，并进而 赢得竞争全胜的智能制造技术。它作为当今世界制造自动化技术发展的前沿 科技，为未来机构制造工厂提供了一幅宏伟的蓝图，将成为2 l 世纪机构制造业 的主要生产模式。 1 4 刀具管理技术的进展 ”1 c i m s 系统主要包括管理信息系统、质量信息系统、工程信息系统和自动 化车间，刀具管理系统是自动化车间的重要组成部分。在c i m s 中刀具管理不 仅为车间生产加工及时提供合适的刀其而且还涉及产品设计、工艺编程、 库存维护、成本核算等生产经营活动，刀具管理的合理性将影响到整个制造 系统的成败。c i m s 环境下的刀具管理包括了与生产经营、市场、产品设计和 7 昆明理工大学硕士学位论文第一章绪论 制造相关的一系列活动。刀具物流管理及刀具信息流集成是形成集成制造的 关键，因此，刀具管理系统是计算机集成制造系统设计中的一个关键环节。 1 4 1 刀具管理产生的必然”1 1 由于f m s 针对的是中小批量、多品种零件的加工，除了不同种类的零件 要求有不同种类的刀具之外，还要配有防止刀具磨损、突然受到破坏的备用 刀具。从现场的加工情况分析，同一种类、同一尺寸的刀具至少要有3 把： 一是用于目前机床的切削加工；二是用于刀具磨损和突然受到损坏的备用； 三是刀具库房的备用。为了确保整个系统刀具的供给，一般都备有4 5 把刀 具。所以。实际上对一条f w s 来说，其刀具的数最是相当大的。如图1 1 所 示。刀具数量的庞大增加了刀具的成本和管理的难度。髓着柔性带4 造技术的 不断发展，对系统的柔性和刀具自动化程度要求越来越高，从而导致了大容 量刀具库、刀具自动输送装置、中央刀具库的出现，并迫使人们研究更为复 杂的刀具管理理论，以最少量的刀具满足生产现场的器求，开发更为复杂的 刀具管理软件，以解决刀具引起的一系列问题。 卫 誓 i m i 嘲 萄o 图1 1f w s 中刀具的数量 早期开发的柔性制造系统并没有刀具管理功能，后来，随着世界各国企 业自动化程度的提高，柔性制造技术不断发展并在生产中得到了进一步应用。 各大企业纷纷采用加工中心生产线，对系统柔性程度要求越来越高，c n c 刀具 的数量、品种、规格也越来越多。如何有效管理这些大量品种、规格各异的 刀具，己成为每个企业所面临的新课题。在这种生产高度自动化的情况下， 刀具的合理分配和有效使用对提高生产效率、降低生产成本都非常熏要。柔 8 昆明理工丈学碘：学位论文 第一章绪沧 性生产线上的刀具闲置，造成浪费，降低了刀具的利用率。如能在间隔生产 的生产线之间互相借用刀具，就可提高刀具利用率，降低生产成本。 1 4 2 刀具管理的重要意义 刀具管理系统是先进制造系统获得高效益、高柔性的支柱和基石，而虽已 成为进一步提高f m s 系统柔性的“瓶颈”。研究和开发配套的刀具管理和供应 系统与之相配套已成为必然。九十年代以来刀具管理系统技术得到长足发展+ 在国外已出现了代表性豹刀具管理商用软件。这些刀具管理软件的功能包括； 1 ) 刀具寿命处理规划功能； 2 ) 刀具信息处理功能； 3 ) 刀具分配调度优化功能； 4 ) 与刚s 数据库联网功能。 这些功能能够确保刀具从有效地点进入刀具库，直至机加工车间机床上 的全部运行过程；保证在开始一批新工件的加工前，预先对刀具作合理的准 备。并对刀具的状态和工况进行监测：及时发现刀具的临界状态和确定刀具 库的合理性，大大提高了生产的柔性和可靠性以及设备的利用率。系统还可 以在各加工阶段优化与刀具管理组织有关的各种因素。进而缩短准备、结束 时间，减少车间刀具的存放量，提高刀具的使用寿命。 零件是在机床上通过工件与刀具进行相对切削运动加工而成的，因此， 刀具的选用决定了加工工艺过程。它既“构成了成本”，又“对成本负有责 任”。在制造系统的费用分析中，刀具投资占了相当大的比重，所以，单从 刀具构成的成本而言，就应象对待机床投资一样重视刀具的选用和维护。刀 具系统及其管理己成为整个加工系统的一个重要组成部分。 1 4 3 刀具管理系统的发展状况 1 4 3 1 国外研究现状 近年来，人们不仅将正在建造的f m s 纳入c i m 的概念之下，即按c i m 概 念设计外，而且一般都配以功能完善的刀具管理与供应系统，同时也陆续为 早期_ 丌发的f m s 重新研制配套刀具系统，以弥补出于刀具管理方面的问题丽 9 昆删理丁夫学硕士学位论文 第“一章绪论 引发的缺陷，特别是进入九十年代以后，刀具管理系统技术得到了长足的发 展，在国外，已经出现了不少的刀具管理商用软件，较具代表性的有： ( 1 ) 英国c t m s 公司的计算机用刀具管理系统( c y m s ) ： 它由一系列软件模块组成，可配置1 6 个终端，分别设置在刀具房、刀具 预调间、计量室和供应科室等处，各终端直接与中心数据库联网，整个系统 的作用可以概括为： 改善刀具的发放时间及控制发放在外的刀具数量；不断更新刀具房的库 存信息，直接用刀具预调数据以调定刀具：提供刀具购置信息；提供刀具用 途分析报告。 ( 2 ) 美国c i n o i n n a t im i l a c r o n 公司的刀具管理系统软件包括以下五个方面 的职能： 为刀具库准备刀具；给各机床分派刀具：刀具的调度与搬运( 轨道) ； 刀具检测；刀具的信息处理。 ( 3 ) 德国的d e l k e l 开发的t o o lm a n a g e r 计算机辅助刀具管理系统 适合于加工单元、柔性制造系统甚至整个部门的刀具监视、规划和跟踪 管理。其软件功能包括：刀具的储备；刀架配备的优化：刀具装配安排；各 零件对刀具的需求；刀具寿命规划。 ( 4 ) 瑞典的s a n d v i k 公司的成套商用刀具管理软件c o r a t a s 可使刀具管理实现自动化。该系统能监控刀具从有效地点进入刀具库， 直至机加工车间机床上的全部运行过程。它能保证在开始一批新工件的加工 时，预先对刀具作合理的准备，并对刀具的状态和工况进行监测。此系统能 发现刀具的临界状态和确定刀具库存量的合理性，大大提高了生产的柔性和 可靠性以及设备的利用率。该系统可在各加工阶段优化与刀具管理组织有关 的各种因素，进而缩短准备、结束时间，减少车间刀具存放量，提高刀具的 使用寿命。 此外，作为应用技术和机械制造自动化水平领先地位的日本，近期开发 或展出的f m s 均配有完善的刀具管理功能，并已有成功地纳入c i m s 环境下 运行的例子，如山崎铁工所、牧野铣床制作所和北越精机等开发的f m s 产品。 其刀具管理功能基本包括： 刀具的库存管理：刀具的优化调度；刀具的动态调度：刀具的寿命管理： 刀具的数据管理：刀具识别；刀具自动调定；刀具的自动轨道运输；刀具的 监控检测：与外围设备的通信。 1 0 a iv i 删t 人学坝i + ! 位论义 1 4 3 2 国内研究状况 在国内，作为f m s 技术的研究弱点，刀具系统技术的研究起步时涮较晚， 基本处于国外刀具管理技术的跟踪研究状态。具有代表性的有：清华：走学建 立的国家c i m s 实验工程中心的刀具工作站；航天部6 2 5 所开发的b f m s 刀其 工作站，它均具有刀具管理功能。此外，如西安交大系统工程研究所与济两 第一机床厂联合开发的j p f m s ，上海第四机床厂的s j f b t s ，长春洲s 殳验 中心的e s 等都具有一定的刀具管理功能，但由 二受到系统配置的限制，局 限性大，专用性强。所以总体上讲，国内在刀具系统研究的层次上还比较低： ( 1 ) 一般均是按照f m s 的具体配簧进行7 1 ：发，所以属“埘。”的体制，刮 对性强，适应性差： ( 2 ) 刀具配置方式均较简单多采用批处理方式，这对于使用刀具种类较多 的加工系统来说，刀具交换对系统生产率影响较大： ( 3 ) 正因为是“一对一”的结构，所以一般刀具调度功能均较单调，刀其调 度缺乏灵活性： ( 4 ) 过多地强调人的作用，刀具交换的自动化程度较低，一定程度卜限制了 刀具系统的先进性。 1 5 课题来源与研究目的 本课题来源于云南省信息网络技术歼发计划一昆明云内动力股份有限公 司c i m s 应用示范工程项目。课题研究目的是在分析国际先进的刀具管理系统 的基础上，对刀具系统的关键技术进行全面系统的研究，完成f m s 刀具管理 系统的研究工作，为该企业的实际运行提供刀具的系统管理，开发一套能在 该企业f m s 中应用的刀具管理系统应用软件，从而进一步解决先进制造系统 柔性的“瓶颈”技术，为在现代工业企业进行先进制造技术与系统的应用打 下肇实的基础。 本文的主要研究内容如卜：对柔性制造单元及生产线技术疗案进行j 洋细 分析，在此基础上建立刀具数掘库的j j 县模型，设计刀具数掷库：没汁刀具 管理系统的整体框架结构，主要功能模块，并最终完成刀：艮管理系统软件n 勺 设计。 昆f 抛理【人学倾i 弹位论文第一二章柔性制造系统中川具管删相关扳术 第二章柔性制造系统中刀具管理相关技术 2 1 刀具管理系统的硬件配置 2 1 1 刀具管理系统硬件设备的多样性 由于刀具管理系统针对的情况相差很大，系统中的物流形式、机床数量、 系统总体布局等均无限制，目前运行的f m s 系统配置也就千差万别。例如， 系统般都要配疑中央刀具，用于存储大量的不常使用的刀具，但根据实际 情况，也可以采用可转换加工中心局部配置刀具库的方法。从而省去了巾心 刀具库。另外刀具输送装置也可采取多种形式，可以使用人工手推小车、自 主小车或手臂机器人。 2 1 2 刀具管理系统的一般组成 刀具管理系统管理的对象主要包括机床本身刀具库中的刀具和中心刀具 库中的所有刀具。刀具管理计算机是f m s 刀具管理系统的核心，整个刀其系 统要由计算机来负责调度和控制，根据不同情况，可利用f m s 主控计算机或 利用加工工作站计算机，也可设立专门的刀具工作站计算机。 一个典型的刀具管理系统硬件组成示意图如图2 1 所示，现分别予以说 明。 图2 if m s 硬件设备 1 2 昆明理工人学硕士学位论文 第二章粜性制造系统中刀具管理相关技术 1 ) 标准化刀具 系统内的所有刀具都是被管理的对象。一般说来，一把可宣接用于切削加 工的刀具由多个刀具构件元素( 如刀柄、刀杆、刀片、夹紧元件等) 组成。 2 ) 中央刀具库 中央刀具库用于储存加工工作所霭的各种刀具及备用刀具。刀具的配置是 根据当前机床的加工零件、加工负荷等所确定的。机床按被加工工件的要求， 可以从刀具室、刀具库或其它加工中心的机床刀具库调取所需要的刀具。 3 ) 条形码打印机和阅读机 进入系统的刀具应按一定的编码规则进行编码，并由条形码打印机打印出 条形码。条形码标签贴在刀柄上，其作用一是便于刀具在系统外的人工识别； 二是便于对刀具进行动态跟踪管理。 4 ) 刀具预调仪 刀具预调仪是对即将进入系统的刀具进行对刀预调，以确保刀具有准备的 参数。 5 ) 刀具进出站 刀具进出站是刀具进出的门户，是人与刀具输送系统之间的界面，它应有 足够的存放刀具的刀位，每个刀位设有监控装置，指示刀具的进出状态，新 刀由此进入系统：磨损、破损的刀具由此出系统。 6 ) 刀具破损监测系统 在金属切削过程中，若刀具的磨损和破损未能及时她发现，将导致切削过 程的中断、引起工件的报废、机床损坏、甚至使整个生产线停止运行，造成 很大的经济损失。因此，正确她监铡刀具在机床中的实际运行状态。是使生 产线的生产率提高的十分重要的技术之一。在加工中心及柔性制造系统中常 见的监测刀具破损的方法有：声发射法、切削力变化法、激光法、电机功率 法等等。 7 ) 刀具管理计算机 刀具管理计算机是刀具管理系统的核心，一个刀具系统要由计算机来全面 调度和控制。根据实际情况，可选择利用主控计算机、也可选择利用加工工 作站计算机，还可设立专门的刀具工作站。 8 ) 刀具库房 刀具库房是基本刀具元件的存放地点，负责刀具的刃磨、刀具的装配、刀 具的接收与发放等工作。 昆明理工大学硕士学位论文 第二章柔性制造系统中刀具管理相关拉术 2 1 3f m s 刀具工作流程图 典型刀具管理系统的工作流程为： 刀具、辅具由供应部门提供后，分别按刀具辅具的品种规格由编码系统 进行编码，存放于预调室内的刀具库中，并将刀具、辅具的信息( 如规格、 型号、尺寸、名称、库存位号等) 输入微机数据库。条形码打印机对给定的 编码打印条形码标签，条形码标签粘羲占在刀柄上便可用在系统外标识刀具。 新刀进入系统前，通过条形码阅读机将条形码转化为计算机可识别的刀具编 码。这样，计算机便可通过追踪刀具编码来跟踪每把刀具的实际情况。 工艺室按所编工艺进行刀具的选配和分派后，将计算机打印的刀具组装 卡交预调室，由预调室将刀具和辅具组装。刀具预调仪用来对组装好的刀具 精心预调( 对刀) ，所获得的刀具补偿量通过通讯接口，在刀具数据库上进 行记录，并把相应的补偿量传至机床控制器适当的位置上去。 预调好的刀具由刀具进出站进入系统，然后由刀具输送装置按刀具分派 表将刀具送至每台机床的缓冲库内，再由操作者将缓冲库中的刀具按在线刀 具使用单，装入机床刀具库中。刀具输送装置负责刀具进出站一中央刀具库、 中央刀具库一机床刀具库或刀具室一机床刀具库之间的刀具运送，有自动导向 小车( 载有可存放一组刀具的托架) 、刀具机器人、高架有轨式输送系统等 形式。加工中心的机床刀具库用来装载目前加工所需的刀具，它的配置是根 据目前机床的加工零件、加工负荷实现的。机床按被加工工件的要求，可以 直接通过刀具输送装置从刀具室、中央刀具库或其它加工中心的某机床刀具 库调取所需要的刀具，并在自己的机床刀具库形成一个刀具组。在实际加工 过程中，机床可一边加工，一边往自己的刀具库调用要求的刀具。中央刀具 库用于贮存c i m s 中加工工件所需的各种刀具及备用刀具，目前机床不急需使 用的刀具都可存放在里面。将中央刀具库通过刀具自动输送装置与机床刀具 库连接起来，就可形成自动刀具供给系统。 此外，在切削加工过程中刀具监测系统还要负责监测刀具在运行过程 中的实际工况，主要包括刀具的磨损、破损和位置情况。 加工完后下线的刀具也由刀具运输装置送回预调室，经检查后，或拆 卸、或装入刀具库、或送磨、或报废，并打印相应的刀具返回单、刀具送磨 单、刀具报废单等。至此便完成刀具管理的全部过程。 1 4 昆剐j 理工大学硕士学位论文 第二章柔性制造系统中刀具管理相关技术 刀具在f m s 内的流动管理包括刀具的信息流动管理和物理流动管理。对 应的管理框图如图2 2 ： 图2 2f m s 刀具流动管理框图 刀具信息流动管理包括f m s 内所有刀具的分布信息和调度刀具流动的集 成指令处理信息。它将准确地实现刀具物理流动的执行状态和执行结果。这 些信息主要包括： 1 ) f m s 系