一種智能工具管理系統柜的結構設計及優化

張靖佳 居 敏 羅健偉 湯斌杰

（南京信息工程大學濱江學院 電子信息工程學院，江蘇 南京211800）

當前的工具管理普遍手段不足，以人工為主，效率低下，管理成本高，“三清點”制度不能有效地落實。從而導致：工具使用頻繁高、容易丟失；工具規格不一、數量繁多、領取不便、領用后難以監控去向[1]；工具借還耗時長、工具丟失、工具管理工作強度大；有的工具使用少，有些工具被過度使用導致報廢等問題，特別是對于航空領域[2]。目前對飛機維修工具的管理方式大都還停留在人工管理階段，雖然傳統的“三清點”制度對工具管理起到了一定作用，但是純人工管理工具的方式容易受人為因素影響，將維修工具落在飛機上的事故時有發生，造成不可挽回的嚴重后果。有部分航空公司將條碼技術應用在了航空維修工具管理系統中，實現了工具信息化管理，但是由于機務維修工作的特殊性，條碼技術仍存在許多不足之處，比如根據計量工具需定期校驗的特點，條碼標簽定期更換[3]；工具多次使用后條碼標簽磨損嚴重，以至于無法起到對工具標識的目的。

本文采用先進的視頻識別技術與二維碼標簽結合，并基于計算機信息管理軟件，能賦予工具唯一ID，精準識別其外形特征，自主判斷并清點、統計、記錄，自動提示校驗信息，動態監控工具去向。通過提供自動和智能化的管理手段，真正實現操作人員的傻瓜式操作，有效節約人力物力，大大簡化人工管理存放工具的過程，提高了自動化程度，實現信息的共享、真正實現工具管理的可追溯、可量化的智能化管理。從而，大幅提高工具管理的準確性和高效性，實現工具管控數據實時更新和統計追溯，滿足工具日常維系維護和正確使用，滿足生產增效需要。同時，為了滿足航空復雜環境[4,5]，對設計的新型智能工具管理系統柜進行參數化的ANSYS 仿真[6-10]，分別對每一層進行結構分析，再綜合整體結構，對新型智能工具管理系統柜進行結構優化。

1 工作原理

本款智能工具管理系統柜，采用感應卡門禁開鎖。系統通過門禁系統識別操作者合法性。

在開鎖狀態下，操作員打開抽屜直到關閉抽屜全過程會有工業相機對工具柜抽屜內進行錄像掃描，通過圖像識別技術識別抽屜的工具實時情況，系統根據前后抽屜關閉間的圖像差異自動識別工具的借用歸還及破損情況。自動記錄借出、歸還工具的種類、數量、人員、時間等信息，從而實現工具借用和歸還的無人化管理。工具柜抽屜開關設計為互鎖控制，使得用戶每次只能打開一個抽屜。每個抽屜都有傳感裝置，系統能夠自動識別哪個抽屜被打開，并開始自動掃描抽拉狀態，在此期間，每次抽拉均會被掃描到，在抽屜關閉后，通過視頻圖像處理自動生成整幅抽屜內工具狀態畫面，并自動標識出工具變化情況。每個抽屜關閉后，系統列明并語音播報本次存取工具清單，及本次工具存取前后抽屜圖片差異，并用特殊顏色框圖標識出借/還工具位置。本智能工具管理系統柜同時采用了圖像識別技術與二維碼技術。通過二維碼賦予每件工具唯一ID 號。

在歸還時，通過二維碼掃描器驗證工具的合法性，通過工具圖像驗證工具的真實性。既實現了工具高效智能化管理，同時又保證了工具的合法性和真實性，從而徹底解決了工具破損和被替換的管理難題。

投入使用前，需要對有權使用智能工具管理系統柜的人員及其權限進行定義。智能工具管理系統柜采用感應卡讀卡系統進行登錄管理，管理員可在軟件中設置所有使用者權限。已有授權的操作者使用感應卡登錄開鎖，系統將自動判斷用戶的合法性，身份合法則系統允許并自動登錄。

圖1 工具柜整體結構及部件

圖2 激光雕刻二維碼示例

圖3 常見的單層抽屜布置

系統采用操作員、管理員、系統管理員三級管理權限管理：

a.操作員權限：只有借、還工具的權限。

b.管理員權限：可配置和定義使用權限，可更換工具柜內部工具，數據更新、設置軟件的參數、出現故障異常時可手動開啟系統等。

c.系統員權限：可進行軟件升級和維護，根據使用需求修改系統所有參數。出現故障異常時可手動開啟系統。

2 結構分析

項目產品的工具柜整體結構及部件如圖1 所示。

根據用戶現場工具的使用和管理需求，確定需要管理的工具清單。每個工具使用激光雕刻二維碼，賦予每個工具唯一ID，就相當于給每一個工具賦予獨一無二的標識。根據最終確定的工具進行可視化設計并刻模（圖2）。

通過給工具雕刻二維碼，賦予工具唯一標識ID。工具真實性鑒別原理是，以已經注冊登記的二維碼唯一標識ID 結合工具的識別圖像，兩者匹配性為唯一標識ID。即任何合法工具，必須同時具備兩個條件：一是合法的二維碼標識ID，二是合法的工具識別圖像。只有上述兩者同時具備，才認定為合法工具，這樣有效避免了工具人為替換或破損追責等問題。

任何一次歸還數據，必須先二維碼掃描，然后放入柜體內，關閉柜體后，系統即自動進行工具真實性和破損程度鑒定，并給出鑒定記錄，如發現非合法工具（無二維碼標簽，或二維碼標簽ID 與圖像不一致），則給出警示信息，并綁定責任人，同時具備將此情況自動上報管理員功能。

3 結構分析

由于航空用工具器材種類十分繁多且大小重量差異較大，為了合理設計箱體內部的布置情況，本文使用ANSYS 對結構優化進行了嘗試(圖3)。

圖4 設計仿真方案

圖5 平板變形

安全系數是工程結構設計方法中用以反映結構安全程度的系數。為了保證結構受到的力在允許范圍內，即理論上能承受的最大的力與許用應力之比。本研究使用商用有限元軟件ANSYS workbench 對單層支架板進行了靜力學分析并以安全系數與最大變形量為優化參數，應用響應曲面法進行優化設計。

仿真設計方案如下，將面板劃分為9 個部分，如果有需要特別考慮的結構，可以額外劃分出特殊受力點。由于平板在收納狀態時，兩側均勻的支撐力保證平板不會產生發生過大形變，但是當盛放有重量較大的航空修理工具時，平板處于抽出狀態，會形成接近懸臂梁的結構，不受支撐力直接作用的平板部分變形就會相對較大，如圖4，此時平板上的不同重量的工具的放置分布就需要進行進一步分析優化。響應曲面法，也稱為回歸設計，常用于設計相關的優化本文將9個位置的應力作為輸入參數，安全系數與最大應變作為優化目標參數，進行了曲面響應優化。

本文假設每個區域的受力大小在10N～100N 之間，并設計了150 項的曲面響應優化表。圖5 為A 點的最小安全系數隨受力變化的情況，安全系數隨受力大小變大而迅速變大。相應的最大變形量隨安全系數的增加而增大，圖6 為150 個計算項的仿真分布情況。

圖7 為9 處位置的安全系數與最大位移靈敏度對比圖，發現位置越靠內部，對安全系數與最大位移的影響越小，而水平位置的影響也有差異，越靠近中間位置，靈敏度越大，即E 的影響大于D 與F 位置。圖8 最靠外的結構受力越大，安全系數與最大位移靈敏度變化越大。

4 結論

圖6 A 點的最小安全系數

本文針對多層智能工具管理系統存在的不同重量工具布置分布問題進行了仿真分析與優化設計，得出結論，較重的工具應該集中放置在靠內側位置，如果為方便拿取，可以安置在靠側邊支撐位置，重物放在靠近外側的位置已造成抽屜變形，長期如此易損壞箱體。本優化方法具有普適性，對于復雜結構同樣具有很好的優化效果。

圖7 計算項的仿真分布

圖8 靈敏度