某航空发动机燃油喷嘴生产线智能刀具管理及选配系统研究

2021-10-20李勇胜朱学刚

机械设计与制造 2021年10期

李勇胜，侯力，段阳，朱学刚

（四川大学制造科学与工程学院，四川成都610065）

1 前言

由于航空发动机燃油喷嘴结构的复杂性及单件小批量的生产模式，要求高的生产精度，复杂的生产技术等问题，导致航空发动机生产企业所需刀具等辅助资源的数量及金额过高，使企业的刀具管理成本、生产成本及生产效率都受到了负面的影响［1］。根据相关信息，16%的生产计划因缺乏相关的刀具而暂停，而刀具的查找、借用、配送及归还等操作占用了机床操作人员20%的生产时间［2］。相关研究和案例表明，刀具管理系统的开发和应用可以有效地改善企业刀具管理的系统性和规划性。它在提高企业的加工效率和降低加工成本方面发挥着重要作用［3］。

目前在世界制造业领域内使用较为普遍的刀具管理系统有美国Kennametal的KATMS、德国Delkel的Tool manager英国CTMS的CYMS、瑞典Sandvik的Coratas等［4］。而目前国内制造企业常用的刀具管理系统以Smart Crib和eTMS为代表的刀具管理系统各功能模块之间的信息共享与交互不通畅，实用性较低，功能过于简单［5-7］。因此，刀具管理系统的相关研究得到了高度的关注。文献开发了一套基于射频识别技术的车间级刀具管理系统，解决了刀具识别与刀具从入库到报废环节的过程管理问题［8］。同济大学为了提高刀具参数输入的效率与准确性，建立了一种面向加工中心的RFID刀具信息管理系统，并有效降低了准备阶段的时间与出错率［9］。文献为了提高企业刀具的管理能力，并辅助企业进行车间执行层面上的刀具信息管理建设，建立了一套基于MES的数字化车间刀具管理系统［10］。文献提出了基于零件特征的刀具信息模型，并在此基础上建立了刀具数据库［11］。纵观上述文献，目前高校研究刀具管理系统的重点主要集中在刀具编码、刀具识别及刀具数据库本身的建立与存储等方面，旨在通过数据库的应用实现刀具有效的识别与分类存储，从而科学有效的管理刀具。而企业对于刀具管理流程中的工艺与刀具的匹配更加重视，希望通过建立刀具管理系统来将生产过程中的经验性知识进行有效的管理和存储，根据生产要求实现智能匹配，从而提高生产效率和生产质量。随着刀具管理系统研究的开展，智能化刀具管理与选配系统将会成为企业刀具管理系统发展的趋势之一。

该项目通过相关的研究，开发了一套航空发动机燃油喷嘴生产线智能化刀具管理与选配系统，实现刀具信息、项目信息、工艺信息等内容的统一管理。通过分析工件的特征信息并使用标准化的数据库技术来完成刀具选配系统的开发，使系统能够实现刀具类别与刀具辅件匹配以及工件材料和刀具材料匹配，从而快速完成刀具的智能选配，从而解决企业所面临的刀具管理问题。该系统解决了企业内部部门之间缺乏信息交换而导致的内部信息滞留问题，实现刀具的参数化管理，以及刀具组件的智能化和信息化管理，提高企业的生产效率。

2 航空发动机零件刀具管理与选配系统需求分析

喷嘴是航空发动机的核心零件之一，它被广泛地应用于各型民用、军用的内燃机上。由于燃油喷嘴具有体积小，结构紧凑，零件尺寸精度高的特点，特别是，不同批次产品精度的加工一致性对燃料分布，喷雾角度，燃烧完整性，起动点火，润滑等有很大影响。该类零件不仅要满足设计要求，更要在生产过程中按期对使用性能进行质量过程控制。

因此，为满足生产需求，在制造执行系统，特别是机械生产车间中，刀具管理是否合理、科学，是研究的重要内容之一。并很大程度上，决定了制造执行系统的可靠性和生产效率。目前刀具管理存在的主要问题如下：（1）操作人员普遍按照过往的生产经验进行刀具的选用和装配，暂且没有相对统一的刀具选用和装配标准，因此想要在刀具信息管理模块中采取统一的管理模式是困难的；（2）没有办法对刀具的参数进行查询，也不能及时获得刀具的库存信息和刀具的具体参数信息，这样往往会延误刀具的采购，影响正常的生产任务；；（3）刀具准备计划和生产计划匹配效率低，经常出现停止生产等待刀具准备到位的情况；（4）刀具的信息共享不通畅，刀具准备计划，CAPP子系统，NC子系统，工况数据采集系统，运行计划调度系统都不能直接获取必要的刀具信息；（5）现有刀具管理软件功能不全或功能冗杂，不能满足企业的个性化需求。

鉴于当前刀具管理面临的问题，结合企业的个性化需求，刀具管理系统应具备的功能包括：（1）建立刀具信息库。根据刀具加工类型，刀具材料，刀刃形状，刀具等级，涂层，硬度等，建立刀具技术信息库，并存储刀具的具体技术参数信息，便于筛选和查询；（2）刀具状态管理。实现状态信息管理，如工具库存，采购，借用/返还和分配；（3）项目信息管理。包括项目整体信息管理，工具选择信息管理，NC程序管理，处理参数信息管理等功能；（4）刀具查询与选配。根据加工零件参数信息、材料信息等，实现刀具信息快速查询与选配；（5）加工参数推荐。在进行刀具选配时，智能推荐过往项目中的相似项目，为加工参数的设计提供参考与借鉴。

3 航空发动机零件刀具管理与选配系统功能模块设计

结合上述企业的需求分析，智能化刀具库信息管理系统的功能结构，如图1所示。

图1 系统功能模块结构图Fig.1 System Function Module Structure Diagram

3.1 刀具管理模块

根据企业对建立刀具信息库，实现刀具具体参数的管理及建立刀具状态管理，实现刀具库存、采购、借用/归还、配送等状态信息管理的需求。本系统构建了相关的刀具管理模块，本刀具管理模块中的刀具库包括两部分，即企业现有刀具及尚未采购但可能有采购意向的备选刀具。备选刀具库中只包含刀具的技术参数信息，现有刀具库中不仅包含刀具的技术参数信息，还包含刀具的库存信息、采购信息、状态信息等。

3.1.1 基础信息

刀具基础信息包括刀具类型、刀具材料、涂层、硬度、供应商等信息。

3.1.2 技术信息

不同刀具类型的刀具参数信息会有很大的区别。以Walter刀具某型号车刀为例，其主要技术参数包括纵向加工主偏角、最小钻孔直径、主体直径、柄高、工作宽度、功能长度、垂直前角、刃倾角等。

3.1.3 库存信息

刀具是现代生产制造行业的重要生产工具，尤其是在大型的以加工中心为主的制造车间中，由于刀具的种类繁多，数量庞大，如何解决刀具的库存问题成为了重中之重。刀具的库存是机加工行业再生产过程中为满足自身生产而对刀具进行必要的贮备，对保证生产的正常进行起着至关重要的作用。刀具库存信息可查询现有刀具类型及库存数量、刀具储存位置信息、刀具使用状态信息、刀具寿命信息等。

3.1.4 采购信息

刀具采购可在现有刀具库中增加刀具库存量，也可将备选刀具库中等刀具添加到现有刀具库中。若新采购的刀具未在备选刀具库中录入信息，也可在刀具库中添加新的刀具信息。

3.1.5 借用/归还

刀具借用/归还包括三种状态，即合格、报废和修配。当刀具出现损坏时，应进行修配处理，修理损坏的部分，配齐残缺的部分。若经相关工作人员检验、审批，确认刀具已达到报废标准，无法进行修配时，对刀具作报废处理，同时记录相关信息。

3.1.6 配送信息

工艺设计人员完成数控加工程序的编制后，刀具配送人员根据生产计划指令，按照刀具列表进行刀具准备、调度，提前进行刀具配送，协调与管理刀具物流。刀具的配送信息应与工件图号及加工工序相关联。

3.2 工艺管理模块

针对企业对项目整体信息、刀具选用信息、数控程序、加工参数信息等功能管理的需求，并实现刀具信息快速查询与选配及相关加工参数的推荐。本系统构建了相应的工艺管理模块，以实现对项目信息、刀具查询与选配及加工参数推荐的功能模块的建立。

3.2.1 基础信息管理

基础信息管理包括三部分：（1）新建工艺信息，其中一个工艺信息新建的具体流程如图2所示；（2）查询已完成工艺信息。可以查询的信息包括工件参数信息、刀具选用信息、数控程序代码、工艺数据等；（3）查询正在进行中的工艺进度及信息。可以查询的信息包括工件参数信息、刀具选用信息、数控程序代码、加工参数信息、工艺进度信息等。

图2 新建工艺信息流程图Fig.2 New Process Information Flow Chart

3.2.2 刀具选用管理

刀具选用有快速选用和条件筛选两种方式。快速选用适用于员工较熟悉的刀具，员工可通过直接输入刀具编码来快速查找刀具。条件筛选是按照工件材料、刀具加工类型、刀具材料、刀片形状、刀具牌号、涂层、硬度等条件对刀具进行筛选，以查找到适合的刀具信息。

3.2.3 加工方案推荐

用户新建工艺信息，进行刀具选用的过程中，系统根据用户输入的工件信息（工件类型、材料等）及刀具筛选信息（刀具加工类型、刀具材料、刀片形状、刀具牌号、涂层、硬度等），智能推荐已完成工艺信息中的相似案例。用户可查看这些相似案例中的刀具选用信息、数控程序信息及加工参数信息，作为当前工艺信息刀具选配和加工参数设计的参考。

3.2.4 数控程序管理

数控程序管理包括定版、发放、审批、存储及变更，如图3所示。编写的数控加工程序经试加工检验符合要求后，将进行固化作为最终使用版本。程序的发放应经过相关管理人员的审批，所有程序发放都应在系统中做记录。程序的存储方式应按照相关规定进行。若程序后续需要进行变更，可在系统中进行改版及变更操作。

图3 数控程序管理内容Fig.3 Nc Program Management Content

3.2.5 工艺数据管理

经过数控程序处理的加工参数信息（主轴转速、切削速度、进给量、切削深度等）按照一定的模板样式生成工艺数据表并录入刀具库信息管理系统进行管理。需要时可将报表导出为文档格式或直接在系统中打印。

3.3 用户管理模块

为了让操作人员有效、安全地使用系统功能，需对所有的操作人员实行有效地分类管理。基于这种原因开发了用户管理系统，该系统主要的功能是对用户信息、用户权限及用户日志进行相关的管理。

3.3.1 用户信息维护

用户基本信息包括用户名、登录密码、所属部门、职位、联系方式等。

3.3.2 用户权限管理

为了维护刀具库信息管理系统的稳定和安全，保障系统正常运行，需对使用本系统的所有用户进行权限管理，为不同角色的用户设置不同的权限，通过这种方式来限定每个用户所能进行的操作及所能完成的工作。

系统用户分为一般用户、设计人员、系统管理员等，每种角色的权限与职能如下：（1）一般用户：登录系统，修改个人信息；查询刀具信息及工艺信息。（2）设计人员：登录系统，修改个人信息；查询刀具信息及工艺信息；修改刀具基础信息、技术信息、库存、采购、借用/归还、配送等；修改工艺信息，进行刀具选配，确定工艺方案；数控加工程序、工艺数据等信息的定版、审批、变更等。（3）系统管理员：登录系统，修改个人信息；添加或删除用户；修改用户权限信息；查看及维护用户日志信息。

3.3.3 用户日志管理

为了维护刀具库信息管理系统及其用户的网络安全和信息安全，应以日志的形式保存不同用户在系统中所进行的操作、修改等，并进行管理和维护。这些日志数据能够帮助用户提前发现和避开灾难，并且找到安全事件的根本原因。

4 系统实现

本开发软件基于C#语言开发，采用ORACLE数据库系统作为支撑。将企业现有的刀具基础信息、刀具技术信息、刀具库存信息及已经固定的相关工艺数据导入到数据库中，并录入管理人员及操作人员的相关信息及权限。应用B/S三层架构体系，将系统分为表示层、应用层与数据层。为了使系统具有良好的可编程与可扩展性，采用了MVC（Model View Control）设计模式，应用面向对象的编程思想，将软件的应用模块划分开来，减少了代码的冗余与繁复。具体开发技术采用Microsoft推出的ASP.NET，以Microsoft Visual Studio 2017为集成开发环境，使用JavaScript处理前端需求。结合企业的功能需求，将系统划分为刀具管理与配送管理两大块。刀具管理又分为库存管理、业务操作和基础数据三大模块。其中库存管理包括刀具信息管理与库房信息管理；业务操作包含采购单、采购入库、借用单、归还等信息管理；基础信息包括部门、工种、人员、供应商、操作员及工件等信息管理，系统的主界面如图4所示。

图4 系统主界面Fig.4 System Main Interface

库存管理，业务操作和基本数据模块中的信息与数据库中的数据表一一对应，并用于对数据库中的数据执行相应的操作。目前，共设计了20个数据表，包括工具信息表，工具类别表，工具库存表，工具供应商信息表和管理员信息表。使用逻辑关系结构模型完成数据库设计并建立数据表之间的外键约束关系。并以之构建数据库的关系结构。系统数据库的关系结构如图5所示。

图5 数据库关系结构图Fig.5 Database Relationship Structure Diagram

5 系统示例

以刀具信息管理为例，如图6所示为刀具信息管理界面，其中左侧导航栏中显示了刀具信息管理模块根据企业需求包含了“刀具库”、“工装库”、“量具库”、“产品库”、“高涡叶片”及自定义的“我的刀具”等库存信息。右侧显示了数据表中存储的刀具信息，操作人员可根据刀具名称或刀具编号进行模糊查询，也可通过添加、修改、删除等按钮进行相关的数据库信息操作。

图6 刀具管理信息界面Fig.6 Tool Management Information Interface

刀具信息管理模块与工件信息管理模块通过相关的工艺流程联系起来，每一个工艺流程分为若干个工步，每个工步对应于单个工具，并且工具表还包括相关刀片和辅助工具的组成信息。工艺流程对应了相关的生产线，实现了刀具和工件与生产线的信息衔接。生产操作人员可进入工件管理界面，根据具体所要加工的工件，制定相应的工艺流程，并在工艺流程中添加若干个工步，在每个工步中，将依照已经固化的生产流程，推荐若干个可选用的刀具，如图7所示。经测试，系统各模块相互之间的响应均快速准确，保证了生产流程的效率，满足了企业的生产需求。