數字化車間視角下刀具全生命周期管理研究

任超，郭慶峰，張帥，張菲

（金航數碼科技有限責任公司，北京 100028）

隨著智能制造的發展和柔性生產線的普及，工廠對于制造資源要求越來越高。刀具作為機加車間的重要工具，能否對其進行全面有效的管理，對于提升企業的生產效率至關重要。生產現場的刀具數量多、種類雜、管理難度大，加之刀具價格昂貴，對刀具的有效管理能更好的輔助企業進行成本管控。現有的刀具系統大多關注于刀具加工過程中產生的動態數據的管理，進行刀具剩余加工壽命和自適應進給研究，缺乏針對刀具全生命周期的管理和研究。

本文從工廠用戶的實際需求出發，結合國內外刀具管理系統的設計理念，從數字化車間建設的大背景下，開展覆蓋刀具基礎信息、刀具采購、刀具庫存、刀具使用、刀具供應商的全生命周期研究，以期降低刀具管理成本、增強刀具使用過程穩定性、提升刀具利用效率。

1 刀具管理現狀分析

對于國內外研究而言，英國、德國、瑞典等國外刀具管理軟件大多結合特定應用場景對刀具管理功能進行設計，整體比較成熟，但費用昂貴且難以有效的和國內其他軟件系統進行集成，因此國外刀具管理軟件在國內應用較少。國內對于刀具管理的研究相對較晚，蘭光實現了基于局域網的刀具信息的共享，提供了刀具的出入庫、組裝、庫存及采購模塊，方便用戶獲得最優刀具資源配置。還有其他一些國內企業基于電子標簽等技術，實現了刀具的臺賬記錄、數據分析等功能。

綜合來看，國內外刀具管理軟件大多存在以下問題：缺少針對刀具的標準化的編碼方案，缺少對刀具壽命預警研究的應用、缺少和車間MES 等信息系統的有效集成。

對于國內制造企業而言，大多數企業仍停留在手工記賬的水平，難以對數量繁多的刀具和生產任務進行匹配和管理，刀具信息查找、刀具獲取使用、刀具存儲管理混亂，造成刀具使用效率低下。

刀具現狀不清晰，使用情況不掌握，導致采購部門難以結合車間實際情況合理制定采購計劃。另一方面，刀具管理系統只有和車間MES 系統結合起來，才能明確對刀具的使用計劃進行安排，并及時獲取加工任務，車間制造資源和信息系統的有效集成也是數字化車間發展的必然趨勢。最后，無論是離散制造業還是流程行業，對生產過程的自動化提出了越來越高的要求，只有實現對刀具實時狀態的動態感知和自動化綜合分析，才能建立起以刀具為中心的管理和追溯機制，滿足柔性化生產線和數字化車間建設的管理需求。

2 刀具全生命周期管理功能分析

數字化車間以車間生產全過程數據為依據，進行計算機輔助下的模擬仿真，屬于新型成產組織方式，而數字化車間的建設依賴于車間人、機、料、法、環、測多維護的制造過程數據，而刀具作為重要的制造資源，只有對其進行全生命周期的信息化管理，才能為數字化車間建設提供全面的制造資源數據。

刀具全生命周期包括刀具基礎信息管理、刀具綜合采購管理、刀具庫存管理、刀具供應商管理、刀具實時監控與綜合分析，本文通過搭建刀具全壽命周期管理的應用框架，為刀具管理的信息化提供建設思路（圖1）。

2.1 刀具基礎信息管理

刀具信息管理模塊主要實現對組合刀具、散件刀具的標準編碼以及刀具采購基礎數據和刀具庫存基礎數據的管理，為建立刀具臺賬提供數據基礎。刀具采購基礎數據包含采購期段、刀具類別定義、數據權限定義、計量單位、刀具基本屬性等基礎信息的編制和維護。刀具庫存基礎數據包含庫存事務定義、庫位、期初建賬等庫存基礎信息的定義和維護。

2.2 刀具綜合采購管理

采購計劃管理，根據產品生產訂單，刀具安全庫存、業務部門刀具采購需求生成的刀具采購計劃，發起采購工作。對審批通過的采購計劃，可進行計劃下達操作。審批不通過的采購計劃可再編制并再提交審批。采購計劃下達之后，數據將流轉至詢比價環節。

圖1 應用架構

比價管理，主要實現在采購計劃下達以后，判斷該計劃是詢比價還是直接采購。對于需要詢價的采購計劃，要根據供應商的刀具供貨明細生成詢價單，并由供應商報價后，再進行比價；對于直接進行比價的采購計劃，可以在系統外進行詢價后，在系統中直接維護比價信息。

采購合同管理，根據比價過程中確定的供應商、價格有交付日期，依據預先在定義的合同模板，來編制刀具采購合同，當合同簽訂后，可以對合同進行修改和手工關閉。

采購到貨管理，實現了刀具按合同到貨明細登記、按批次送檢、按批次入庫以及不合格品退貨處理等功能，系統記錄送檢單、入庫單、返修單、報廢單等各種單據信息。

2.3 刀具庫存管理

刀具出入庫管理，出入庫管理主要實現出庫、入庫、移庫、出入庫調錯、庫存紅沖等功能。可以根據用戶的實際出入庫類型，設置多種出入庫類型，并可以根據業務擴展需要進行增加，包括：采購入庫、完工入庫、外協入庫、領料出庫、退貨出庫、報廢出庫、復檢出庫、三期出入庫等多種出入庫類型。能夠記錄和查詢入庫業務、出庫業務。

刀具庫存盤點，用于處理企業定期對刀具庫存進行清點的業務。主要實現庫房盤點清單生成、審批以及盤點結果錄入及查詢功能。

刀具壽命預測，通過獲取刀具加工過程的海量數據，通過機理模型和支持向量機算法進行刀具使用剩余壽命的預測。

刀具修磨，對于需要修磨的刀具，提出修磨申請，進行刀具出庫，修磨結束后記錄修磨結果并執行刀具入庫。

刀具報廢，對于達到刀具使用壽命且無法再進行修磨的刀具，執行報廢處理流程。

2.4 刀具供應商管理

系統將采購歷史供應商數據納入系統管理，并對不同供應商采購到的刀具壽命、故障信息進行多維度對比分析，為從合適的供應商采購合適的刀具提供決策依據。

供應商信息管理，對所有供應商的基本信息、法律信息、財務信息、溝通記錄、成本信息等進行維護和查詢。

指標管理，對供應商的評價指標和權重進行維護，從供貨、質量、售后、技術水平等不同維度進行評價指標的設置。供貨指標分為以下四個二級指標：交貨及時性、交貨準確性、供貨周期、應急能力。

質量指標分為以下四個二級指標：工廢情況、返工情況、耐用度、尺寸穩定性。售后指標分為以下四個二級指標：相應及時性、新產品及培訓、質量優化、成功優化。技術水平分為硬件設備和技術、經驗指標。此外還包括價格、問詢反饋時間等。

供貨、售后、技術水平指標得分和權重通過專家打分方式獲取，質量指標涉及的生產過程中反饋的指標數據由數控加工自適應控制和監測系統獲取，基于生產過程海量數據，結合數據挖掘算法對供應商刀具質量進行綜合評價。

供應商評價，對供應商評價和平級結果進行展示，可實現以下功能：

供應商評級，結合指標和數據情況對供應商進行評級，將評級結果反饋給采購部門，為采購決策提供依據。

違約供應商識別，由供應商原因導致的違約包括供應商交貨的時間延誤、數量偏差、地點錯誤和質量問題。造成違約的原因可能來自企業內部，也可能來自外部。根據企業對供應商交貨表現的統計資料和供應商的特征信息資料，用描述式數據挖掘方法，提取造成違約事件供應商的共同特征。

供應商適配，基于生產過程反饋數據，對不同生產環節涉及到的不同刀具進行橫向比對分析，將上一生產周期中刀具表現進行綜合評價，為刀具采購提供最佳供應商適配推薦。

2.5 刀具實時監控與綜合分析

實時監控，管理人員可以看到如下監控信息：實時顯示切削過程中負載變化情況、進給速度變化情況、監控所選時間段的整個生產情況、當前正在加工的工序、實際加工時間、當前走刀的開始時間和已運行時間、主軸是否旋轉、刀具是否在切削材料、生產過程中的過載情況、當前走刀的使用刀具、機床處于切削/非切削狀態。

綜合分析，切削加工過程的統計和匯總情況：任何所需時間段的產量情況分析、所需時間段完成和未完成零件數目統計、針對某個機床在選定時間段的加工的工序的種類和完成情況自動生成報告、針對某個工序在選定時間段在所加工機床上的生產情況生成報、班次在時間段產量情況、機床的利用率和停工期、刀具的使用情況和利用率、生產過程中的刀具折損情況。

3 結語

隨著數字化車間的建設和車間自動化水平的提高，刀具的應用將越來越廣泛，對刀具管理系統的應用提出更加迫切的需求。本文通過分析刀具全生命周期管理的現狀和功能，實現了對刀具基礎信息、采購、庫存、供應商全方位的管理，為刀具管理的改善和優化提供了思路。