1 前 言
計算機集成制造系統(CIMS)是國家“863”計劃的主題之一，它的實施，在制造業中產生了深遠的影響，也深刻地變革著人類的生產制造理念。近年來，CIMS得到了國家和許多科學家與企業的高度重視，其發展十分迅速。“十五”期間，國家計劃從深度和廣度兩個方面進一步推進CIMS在各行業的應用。所謂“廣度”就是在更大范圍、更大領域內推行計算機集成制造技術；而“深度”則是指在已實施CIMS應用示范工程的企業，在原有CIMS基礎上，繼續推進CIMS向底層方向發展。其中，制造執行系統是底層CIMS的重要技術之一，它可以溝通大多數企業業己存在的自動控制系統與上層CIMS間的信息“斷層”，是應用于車間級的信息集成系統。
對于機械類生產車間，制造執行系統應包括：車間級作業計劃與調度，工況數據采集、計算機輔助加工程序編制與管理、計算機輔助零件工藝編制(CAPP)、工具管理等子系統。這些內容既可以構成一個獨立的系統，也可以與上層CIMS系統集成，為物料需求計劃、生產計劃、庫存管理以及CAD、PDM等系統提供實時數據信息。
工具管理是制造執行系統所要研究的重要內容之一，特別是對于機械類生產車間，刀具、夾具和量具的管理是否科學，在很大程度上決定了制造執行系統的可靠性與生產效率的高低。然而，目前還沒有利用計算機等先進手段，對工具進行現代化管理的成熟的商用軟件，直接影響了機械企業加工設備的高效利用。具體弊端表現如下：
1)人工管理工具，勞動強度大，且容易出錯；
2)工具準備計劃和生產計劃脫節，經常出現停機等待工具的現象；
3)無法準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，制造資源計劃(MRPⅡ)、CAPP子系統、NC子系統、工況數據采集系統和作業計劃與調度系統等無法直接獲得足夠的工具信息。
因此，本文建立了一個基于計算機網絡的工具管理系統模型，并分析它與制造執行系統中其它子系統的信息集成方案。
2 面向機械類生產車間的工具管理系統
2.1 模型結構
基于計算機網絡的工具管理系統主要由以下幾部分構成：中央工具庫、工作地工具庫、刀具預調庫、刀具刃磨庫和工具供應庫等。它們組成一個局域網，在制造執行單元實現信息共享，并且預留接口，可以連結到整個企業網和企業外部網。工具管理系統的模型見下圖1。
圖1 工其管理系統模型圖
中央工具庫包括工具手冊、庫存管理、工具查詢和報表及打印等四個模塊，建立在車間工具倉庫微機中；機床工具庫包括機床刀具庫、夾具和量具等三個模塊，建立在工作地微機中。其數據庫中的各模塊關系如圖2和圖3所示。
圖2 中央工具庫各模塊關系
圖3 機床工具庫各模塊關系
2.2 中央工具庫功能
中央工具庫主要功能是工具信息維護與變更。
在剛建立工具庫和新工具進入加工單元時，首先根據一定的編碼規則對工具進行編碼，并將工具信息輸入計算機數據庫中，構成工具手冊，存儲工具信息。然后用條形碼打印機打印條形碼，粘貼在工具上，以此跟蹤工具位置，進行工具庫存管理。
當某一工具數據庫使用主體，需要查詢工具信息時，可以通過工具查詢模塊中適合百己的查詢方式，進行查詢。
工具信息的變更，主要依據是通過報表及打印模塊，得到機床工具庫管理員對工具使用信息的反饋，并可打印出必要的信息。
2.3 機床工具庫功能
機床工具庫主要功能是存儲本機床所有工具的信息，如本機床刀具在機床工具庫的位置、刀具參數、刀具補償值、刀具耐用度、夾具和量具信息等。它可以為數控車床和加工中心提供快速、準確、完整的工具信息，從而提高勞動生產率。
為使本系統運行安全、準確，必須對中央工具庫和機床工具庫的管理員設置不同的管理權限。
3 支持技術
3.1 工具編碼技術
工具編碼是工具管理中最基本的內容之一，它是工具數據信息的識別依據，每把工具古用一組。對工具編碼的合理與否，直接影響到工具數據的存儲、檢索、傳輸的效率以及可靠性。編碼符號采用數字和英文字母相結合的方式，既利于計算機識別，又利于使用者認知代碼含義。刀具具體編碼如下(表1)：
表1 刀具編碼方法表
其中，姊妹碼是區分同一型號工具的符號。
夾具、量具和輔具的編碼規則如下(表2)：
表2 夾具、量具和編具的偏碼規則表
3.2 刀具壽命預測
根據切削學理論，刀具的實際磨損與具體的加工狀態如切削用量、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及機械性能的綜合等因素有關。可以采用數據庫技術，將刀具耐用度計算的有關指數及修正系數建成數據表的形式，存放于機床工具庫中，并從加工程序中采集相關的加工參數，這樣就可以利用數據庫的查詢功能，編制相應的處理程序，智能化地確定刀具的耐用度及刀具的剩余磨損壽命，實時掌握刀具的磨損情況，并能提前預測刀具破損時間，既可以在刀具磨損到一定程度時，提示重新磨刃，在刀具破損前，強制刀具報廢，避免潛在的巨大損失的出現，同時又可以優化刀具壽命管理。
4 工具管理系統與制造執行系統中其它子系統的信息集成
制造執行系統既是一個加工單元，又是一個信息單元，其中作業計劃編制與生產調度系統(CAPS)是制造執行系統的核心，而工具管理系統是一個不可或缺的重要組成部分。作業計劃編制與生產調度系統可以通過調制解調器(MODEM)接受虛擬公司聯盟單位或廠部計劃部門的生產信息，如產品型號、批量、交貨期、圖樣、NC程序等。然后，根據CAPP系統的工序名稱、時間、工時定額、所需設備型號、工裝等信息，并從工具數據庫提取工、夾之量具信息，從資源庫中提取設備信息、人員信息等編制具體的作業計劃，將相應的生產任務和NC程序通過網絡自動傳送給工作地微機，再由現場工作人員在該微機的任務板上查看自己的任務，將NC程序傳給相應的數睦機床，并操作機床完成加工任務。其信息流程如下圖4所示：
圖4 工具管理系統與執行系統中其它子系統的關系
另外，作業計劃編制與生產調度系統述接收工作地微機采集的工況數據(如完成件數、廢品數、工夾具狀況)以及機床數據(如機床損壞、開停機時間、加工時間等)，并將有關數據傳送給廠長查詢系統(EMS)。調度系統根據加工現場的實際情況可對作業計劃進行及時調整，這實際上就構成了一個線路最短的信息閉環調解回路，便生產信息流動暢通、及時、準確。
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本文標題：制造執行系統（MES）中工具管理的研究
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