一种智能化数控刀具管理系统＊

程 岗，谢雨彤，杨润清，陈通文

（西北工业大学，陕西 西安 710000）

1 研究背景

在现代制造业中，数控机床凭借着智能化、自动化、高精度、高效率的优势，大大提高了机械加工的生产效率，其作为工业母机起着举足轻重的作用。数控刀具更是数控加工不可或缺的一部分。然而很多加工企业在刀具的管理方面，管理思路和水平还相当落后，一般为将管理信息人工记录在纸上或者存储到电脑上，无论是领取还是归还统计，步骤都较为烦琐，效率低，无疑会额外增加企业的生产成本。

高效的刀具管理可以使企业的生产人员与管理人员能够及时把握刀具的使用动态，在满足基本的加工需求基础上维持合理的刀具库存数量，减少不必要的库存，从而降低企业刀具成本。为了确保生产的顺利完成和刀具管理系统的正常运作，在主要车间都需要配置刀具管理系统。目前，随着技术的发展，刀具管理技术也取得了一定的进步。现代化制造企业可以利用先进的刀具管理理念实现对刀具科学高效的管理。数控刀具管理包括刀具选择、刀具分配和刀具维护，目标是保证产品的生产质量，提高加工效率，优化数控工具的资源配置[1]。

2 国内外现状分析

刀具管理研究并不是一个新兴的理念，由于数控机床起源于美国，故美国在刀具管理方面起步较早。刀具管理概念最早由美国制造业在20 世纪80 年代提出，美国通用汽车公司在其土星项目上首次尝试实施刀具管理，即Tool Management。主要针对加工现场的刀具使用、采购进行规范化管理，从而降低加工成本。随后刀具管理开始在美国及欧洲多国家推广开来，经过多年的发展完善，逐步形成了一套科学有效的刀具管理模式。越来越多的加工企业开始采用科学高效的刀具管理模式，希望通过对刀具管理的优化，实现降低企业的生产成本。

中国的刀具管理虽然起步较晚，但发展很迅速。通过学习国外先进的刀具管理理念，很多高校和科研单位投入大量的人力物力去设计开发符合国内需求的刀具管理系统。如上海飞机制造厂数控中心CIMS 工程的MIS 系统中的刀工夹量具子系统，通过基于ORACLE 数据库，基本解决了车间在刀工夹量具管理方面存在的问题，并可以与数控车间CIMS 工程的其他子系统进行集成，提高了数控车间的整体效益[2]。成都飞机工业（集团）有限责任公司数控加工中心开发的工具管理系统实现了对刀具的标准化、系列化管理，最大限度地提高了生产效率。大量的数据表明，先进的刀具管理系统可以助力企业最大程度地优化刀具管理，便于企业降低刀具的损耗及不必要的资源浪费。

对于国内的中、小加工企业而言，刀具品种繁多、复杂，通过智能刀具管理系统对刀具进行自动化的管理，可以规范员工的刀具使用，节约刀具使用成本，提高生产效率。便于企业及时掌握刀具的使用情况，并有针对性地进行采购。传统管理方式很容易造成刀具使用混乱、信息记录不清晰、员工不能及时获取刀具库存信息、管理人员无法科学高效地采购。传统的多规格、大库存的采购模式，只会造成企业不必要的成本浪费。

3 自动化管理系统设计

该项目致力于研究面向中小数控加工企业的一种智能化刀具管理系统，助力中小企业在刀具管理上更加智能。通过手机客户端预览刀具信息和刀具管理系统相结合的方式，如可以准确显示刀具余量库存信息、对应的刀具规格与数量，自动完成领用信息的记录，如领用人的身份、领用时间，一般在车间可放置多个管理系统，多系统之间通过网络互联，数据共享，实现整个车间的刀具管理与协同智能化。同时员工可以直接在客户端上查看新入刀具规格或提出刀具采购需求，便于管理者及时采购。告别传统的工具室管理，这种新型管理方式更为灵活高效，规范企业刀具的使用，从而节约刀具的使用成本。

本项目拟实现刀具的智能存储，其系统设计分为3个部分：刀具存储装置、传感器件、控制装置。

3.1 刀具存储装置

存储装置将同类型刀具存储于同一方形刀具柜中，各个种类刀具的刀具柜将呈抽屉状排列在外壳之中，在不同的控制信号下将选取不同的刀具柜。刀具柜将分为对应放刀槽位保证刀具的有序排放，便于工作人员取用。同时，刀具柜的重量相同，以避免对传感精度造成干扰。刀具柜存储部分结构示意图如图1所示。

图1 刀具柜存储部分结构示意图

3.1.1 刀具柜弹出、复位装置

该部分包括用于选取不同存储货柜的传动装置，传动装置将位于存储货柜下方，在控制信号到达时负责驱动对应存储货柜的弹出，在工作人员取用刀具结束后，能够实现自动复位。该传动机构由齿轮、导轨及电机构成，具体工作步骤如下：①电机接收控制信号；②电机带动齿轮，通过齿轮啮合带动刀具柜实现弹出步骤；③等待工作人员进行刀具取用；④电机接收刀具收回信号；⑤由电机带动齿轮，实现刀具柜收回步骤。

3.1.2 刀具归还分类装置

该部分包括刀具归还、传送、分类、入库装置。归还入口将位于储存装置上方，入口处通过旋转机构实现刀具的次第通过，到达传送带进行运输，传送带将通过各个储存货柜，经过识别，通过货柜后的物理机构进入对应的货柜中。之后未进入刀具柜的报废刀具将通过传送带最终落入整体装置下方的废弃刀具回收箱。该过程中，包含物理机构有：①归还入口处控制刀具进入的旋转机构；②传送刀具至各个货柜的传送带；③传送带上可让刀具进入离开的物理机构；④刀具柜后的选取刀具的物理机构；⑤刀具柜后让刀具单向通过的单向门。

3.2 传感器件

传感器件主要分为2 部分，分别是取用刀具所用传感器件和归还刀具所用传感器件。

取用刀具所用传感器件：该部分采用重量传感的方式，位于刀具柜内部的下方。由于同一种刀具的重量相同，在拿去刀具时，存放刀具的刀具柜下方的传感器件可以记录重量的改变量，并将测量结果传输至控制部分，控制部分可通过重量的改变量来判断刀具柜中刀具的现有数量及取用刀具时的取走的数量。由于刀具的重量变化幅度较小，传感器应保持一定的传感精度，并由于刀具存储上限可能较大，重量传感器应同样具有一定的承重能力。

归还刀具所用传感器件：该部分是归还刀具时对刀具数量种类及刀具状态（是否还能继续使用）进行判断的传感器件，以确保刀具能够如数归还。该部分传感器件应具有一定的传感灵敏度，以保证在较高效率传送刀具时仍能够精确识别刀具种类，并反馈传感信号，实现刀具分类[3]。

3.3 控制装置

控制器件将包含控制电路、用户操作装置与数据存储器件3 部分。

控制电路部分包括2 部分，即控制刀具柜滑出及收回的控制电路、刀具回收归位过程中传感器及机械构件的控制电路。2 部分控制电路基于相同的原理，能够接收传感器信号，并根据预置信息，处理传感信号，控制机械传动装置运作。由所期望的功能能够看出，控制电路应具有可编程能力，以应对不同种类刀具分类的需求，同时，应与存储信息部分连接，可将数据存储入数据库。

用户操作装置包括交互界面和可触摸屏幕。通过交互界面，用刷卡或人脸识别的方式完成信息采集及身份确认，进入使用界面后，界面选项由借取刀具、归还刀具、刀具数据实时监控、导出数据报告几部分组成，会根据身份信息对应人的权限显示相关选项。点入相关选项会产生提示，操作者可根据提示进行下一步操作[4]。可触摸屏幕采用液晶显示屏幕。考虑项目需求，液晶显示屏具有显示质量高、可视面积大、体积小、质量轻的优点，能较好满足使用要求。

数据存储器件负责存储刀具现有信息以及工作人员借还刀具情况，是本项目较为重要的部分。数据存储部分应能够具有数据输入与导出能力，并有连接其他设备的能力，具有信息共享功能。最终实现的主要流程如图2 所示。

图2 刀具存储流程图

3.4 配套软件设计

配套软件部分包括用户操作系统以及通过stm32芯片控制电机舵机偏转工作的嵌入式程序。通过配套软件设计来实现刀具管理，如对刀具存放、出库、归还、使用次数、库存余量、可使用时间预估等信息的分析。帮助企业制定更高效的刀具管理方案。对刀具使用数据进行分析，找出使用过程中潜在的问题，并提出相应的解决措施，固化到日常生产管理制度中，提升生产效率[5]。

用户操作系统：通过摄像头或指纹的方式完成信息采集及身份确认，进入使用界面后，界面选项由借取刀具、归还刀具、刀具数据实时监控、导出数据报告几部分组成，会根据身份信息对应人的权限显示相关选项。点入相关选项会产生提示，操作者可根据提示进行下一步操作。

可触摸屏幕：可触摸屏幕采用嵌入式开发板自带的屏幕。考虑项目需求，使用自带屏幕，能够更好地串联用户操作系统和操作按键。

嵌入式程序：该部分包含很多个不同的部分，首先是基于用户操作系统的按键体系，不同的按键代表着进入不同模式，进行不同的功能。接下来是控制电机转动和舵机偏转的程序，这部分程序可以控制刀具分类装置将刀具划向不同的方向，以达到分类的作用。除此之外，它还会被应用于刀具归类传送装置，这部分程序通过控制电机是否转动，舵机是否偏转以及偏转时间、偏转量等，来操纵该传送系统，使其能够移动到指定位置并升降到指定高度，再通过控制还刀扇叶的旋转将对应刀具放入对应抽屉，并根据旋转角度来确定刀具数量[6]。

4 结束语

目前，项目的很多功能还处于实验验证阶段，系统的结构设计和刀具的自动化识别还有待优化，通过初步的研究完成了对刀具柜的设想和设计方案，并进行了很多调整，使得刀具柜从结构上更加简明，功能实现更加便捷，成本更加低廉。该项目可以降低企业生产人员对刀具的不必要浪费，同时极大改善机械加工企业中刀具的管理方法，使刀具的管理更加智能、便捷，有利于企业的自动化管理，降低企业的刀具耗材成本，具有一定的市场前景。