某航空發動機燃油噴嘴生產線智能刀具管理及選配系統研究

李勇勝，侯 力，段 陽，朱學剛

（四川大學制造科學與工程學院，四川 成都610065）

1 前言

由于航空發動機燃油噴嘴結構的復雜性及單件小批量的生產模式，要求高的生產精度，復雜的生產技術等問題，導致航空發動機生產企業所需刀具等輔助資源的數量及金額過高，使企業的刀具管理成本、生產成本及生產效率都受到了負面的影響［1］。根據相關信息，16%的生產計劃因缺乏相關的刀具而暫停，而刀具的查找、借用、配送及歸還等操作占用了機床操作人員20%的生產時間［2］。相關研究和案例表明，刀具管理系統的開發和應用可以有效地改善企業刀具管理的系統性和規劃性。它在提高企業的加工效率和降低加工成本方面發揮著重要作用［3］。

目前在世界制造業領域內使用較為普遍的刀具管理系統有美國Kennametal的KATMS、德國Delkel的Tool manager英國CTMS的CYMS、瑞典Sandvik的Coratas等［4］。而目前國內制造企業常用的刀具管理系統以Smart Crib和eTMS為代表的刀具管理系統各功能模塊之間的信息共享與交互不通暢，實用性較低，功能過于簡單［5-7］。因此，刀具管理系統的相關研究得到了高度的關注。文獻開發了一套基于射頻識別技術的車間級刀具管理系統，解決了刀具識別與刀具從入庫到報廢環節的過程管理問題［8］。同濟大學為了提高刀具參數輸入的效率與準確性，建立了一種面向加工中心的RFID刀具信息管理系統，并有效降低了準備階段的時間與出錯率［9］。文獻為了提高企業刀具的管理能力，并輔助企業進行車間執行層面上的刀具信息管理建設，建立了一套基于MES的數字化車間刀具管理系統［10］。文獻提出了基于零件特征的刀具信息模型，并在此基礎上建立了刀具數據庫［11］。縱觀上述文獻，目前高校研究刀具管理系統的重點主要集中在刀具編碼、刀具識別及刀具數據庫本身的建立與存儲等方面，旨在通過數據庫的應用實現刀具有效的識別與分類存儲，從而科學有效的管理刀具。而企業對于刀具管理流程中的工藝與刀具的匹配更加重視，希望通過建立刀具管理系統來將生產過程中的經驗性知識進行有效的管理和存儲，根據生產要求實現智能匹配，從而提高生產效率和生產質量。隨著刀具管理系統研究的開展，智能化刀具管理與選配系統將會成為企業刀具管理系統發展的趨勢之一。

該項目通過相關的研究，開發了一套航空發動機燃油噴嘴生產線智能化刀具管理與選配系統，實現刀具信息、項目信息、工藝信息等內容的統一管理。通過分析工件的特征信息并使用標準化的數據庫技術來完成刀具選配系統的開發，使系統能夠實現刀具類別與刀具輔件匹配以及工件材料和刀具材料匹配，從而快速完成刀具的智能選配，從而解決企業所面臨的刀具管理問題。該系統解決了企業內部部門之間缺乏信息交換而導致的內部信息滯留問題，實現刀具的參數化管理，以及刀具組件的智能化和信息化管理，提高企業的生產效率。

2 航空發動機零件刀具管理與選配系統需求分析

噴嘴是航空發動機的核心零件之一，它被廣泛地應用于各型民用、軍用的內燃機上。由于燃油噴嘴具有體積小，結構緊湊，零件尺寸精度高的特點，特別是，不同批次產品精度的加工一致性對燃料分布，噴霧角度，燃燒完整性，起動點火，潤滑等有很大影響。該類零件不僅要滿足設計要求，更要在生產過程中按期對使用性能進行質量過程控制。

因此，為滿足生產需求，在制造執行系統，特別是機械生產車間中，刀具管理是否合理、科學，是研究的重要內容之一。并很大程度上，決定了制造執行系統的可靠性和生產效率。目前刀具管理存在的主要問題如下：（1）操作人員普遍按照過往的生產經驗進行刀具的選用和裝配，暫且沒有相對統一的刀具選用和裝配標準，因此想要在刀具信息管理模塊中采取統一的管理模式是困難的；（2）沒有辦法對刀具的參數進行查詢，也不能及時獲得刀具的庫存信息和刀具的具體參數信息，這樣往往會延誤刀具的采購，影響正常的生產任務；；（3）刀具準備計劃和生產計劃匹配效率低，經常出現停止生產等待刀具準備到位的情況；（4）刀具的信息共享不通暢，刀具準備計劃，CAPP子系統，NC子系統，工況數據采集系統，運行計劃調度系統都不能直接獲取必要的刀具信息；（5）現有刀具管理軟件功能不全或功能冗雜，不能滿足企業的個性化需求。

鑒于當前刀具管理面臨的問題，結合企業的個性化需求，刀具管理系統應具備的功能包括：（1）建立刀具信息庫。根據刀具加工類型，刀具材料，刀刃形狀，刀具等級，涂層，硬度等，建立刀具技術信息庫，并存儲刀具的具體技術參數信息，便于篩選和查詢；（2）刀具狀態管理。實現狀態信息管理，如工具庫存，采購，借用/返還和分配；（3）項目信息管理。包括項目整體信息管理，工具選擇信息管理，NC程序管理，處理參數信息管理等功能；（4）刀具查詢與選配。根據加工零件參數信息、材料信息等，實現刀具信息快速查詢與選配；（5）加工參數推薦。在進行刀具選配時，智能推薦過往項目中的相似項目，為加工參數的設計提供參考與借鑒。

3 航空發動機零件刀具管理與選配系統功能模塊設計

結合上述企業的需求分析，智能化刀具庫信息管理系統的功能結構，如圖1所示。

圖1 系統功能模塊結構圖Fig.1 System Function Module Structure Diagram

3.1 刀具管理模塊

根據企業對建立刀具信息庫，實現刀具具體參數的管理及建立刀具狀態管理，實現刀具庫存、采購、借用/歸還、配送等狀態信息管理的需求。本系統構建了相關的刀具管理模塊，本刀具管理模塊中的刀具庫包括兩部分，即企業現有刀具及尚未采購但可能有采購意向的備選刀具。備選刀具庫中只包含刀具的技術參數信息，現有刀具庫中不僅包含刀具的技術參數信息，還包含刀具的庫存信息、采購信息、狀態信息等。

3.1.1 基礎信息

刀具基礎信息包括刀具類型、刀具材料、涂層、硬度、供應商等信息。

3.1.2 技術信息

不同刀具類型的刀具參數信息會有很大的區別。以Walter刀具某型號車刀為例，其主要技術參數包括縱向加工主偏角、最小鉆孔直徑、主體直徑、柄高、工作寬度、功能長度、垂直前角、刃傾角等。

3.1.3 庫存信息

刀具是現代生產制造行業的重要生產工具，尤其是在大型的以加工中心為主的制造車間中，由于刀具的種類繁多，數量龐大，如何解決刀具的庫存問題成為了重中之重。刀具的庫存是機加工行業再生產過程中為滿足自身生產而對刀具進行必要的貯備，對保證生產的正常進行起著至關重要的作用。刀具庫存信息可查詢現有刀具類型及庫存數量、刀具儲存位置信息、刀具使用狀態信息、刀具壽命信息等。

3.1.4 采購信息

刀具采購可在現有刀具庫中增加刀具庫存量，也可將備選刀具庫中等刀具添加到現有刀具庫中。若新采購的刀具未在備選刀具庫中錄入信息，也可在刀具庫中添加新的刀具信息。

3.1.5 借用/歸還

刀具借用/歸還包括三種狀態，即合格、報廢和修配。當刀具出現損壞時，應進行修配處理，修理損壞的部分，配齊殘缺的部分。若經相關工作人員檢驗、審批，確認刀具已達到報廢標準，無法進行修配時，對刀具作報廢處理，同時記錄相關信息。

3.1.6 配送信息

工藝設計人員完成數控加工程序的編制后，刀具配送人員根據生產計劃指令，按照刀具列表進行刀具準備、調度，提前進行刀具配送，協調與管理刀具物流。刀具的配送信息應與工件圖號及加工工序相關聯。

3.2 工藝管理模塊

針對企業對項目整體信息、刀具選用信息、數控程序、加工參數信息等功能管理的需求，并實現刀具信息快速查詢與選配及相關加工參數的推薦。本系統構建了相應的工藝管理模塊，以實現對項目信息、刀具查詢與選配及加工參數推薦的功能模塊的建立。

3.2.1 基礎信息管理

基礎信息管理包括三部分：（1）新建工藝信息，其中一個工藝信息新建的具體流程如圖2所示；（2）查詢已完成工藝信息。可以查詢的信息包括工件參數信息、刀具選用信息、數控程序代碼、工藝數據等；（3）查詢正在進行中的工藝進度及信息。可以查詢的信息包括工件參數信息、刀具選用信息、數控程序代碼、加工參數信息、工藝進度信息等。

圖2 新建工藝信息流程圖Fig.2 New Process Information Flow Chart

3.2.2 刀具選用管理

刀具選用有快速選用和條件篩選兩種方式。快速選用適用于員工較熟悉的刀具，員工可通過直接輸入刀具編碼來快速查找刀具。條件篩選是按照工件材料、刀具加工類型、刀具材料、刀片形狀、刀具牌號、涂層、硬度等條件對刀具進行篩選，以查找到適合的刀具信息。

3.2.3 加工方案推薦

用戶新建工藝信息，進行刀具選用的過程中，系統根據用戶輸入的工件信息（工件類型、材料等）及刀具篩選信息（刀具加工類型、刀具材料、刀片形狀、刀具牌號、涂層、硬度等），智能推薦已完成工藝信息中的相似案例。用戶可查看這些相似案例中的刀具選用信息、數控程序信息及加工參數信息，作為當前工藝信息刀具選配和加工參數設計的參考。

3.2.4 數控程序管理

數控程序管理包括定版、發放、審批、存儲及變更，如圖3所示。編寫的數控加工程序經試加工檢驗符合要求后，將進行固化作為最終使用版本。程序的發放應經過相關管理人員的審批，所有程序發放都應在系統中做記錄。程序的存儲方式應按照相關規定進行。若程序后續需要進行變更，可在系統中進行改版及變更操作。

圖3 數控程序管理內容Fig.3 Nc Program Management Content

3.2.5 工藝數據管理

經過數控程序處理的加工參數信息（主軸轉速、切削速度、進給量、切削深度等）按照一定的模板樣式生成工藝數據表并錄入刀具庫信息管理系統進行管理。需要時可將報表導出為文檔格式或直接在系統中打印。

3.3 用戶管理模塊

為了讓操作人員有效、安全地使用系統功能，需對所有的操作人員實行有效地分類管理。基于這種原因開發了用戶管理系統，該系統主要的功能是對用戶信息、用戶權限及用戶日志進行相關的管理。

3.3.1 用戶信息維護

用戶基本信息包括用戶名、登錄密碼、所屬部門、職位、聯系方式等。

3.3.2 用戶權限管理

為了維護刀具庫信息管理系統的穩定和安全，保障系統正常運行，需對使用本系統的所有用戶進行權限管理，為不同角色的用戶設置不同的權限，通過這種方式來限定每個用戶所能進行的操作及所能完成的工作。

系統用戶分為一般用戶、設計人員、系統管理員等，每種角色的權限與職能如下：（1）一般用戶：登錄系統，修改個人信息；查詢刀具信息及工藝信息。（2）設計人員：登錄系統，修改個人信息；查詢刀具信息及工藝信息；修改刀具基礎信息、技術信息、庫存、采購、借用/歸還、配送等；修改工藝信息，進行刀具選配，確定工藝方案；數控加工程序、工藝數據等信息的定版、審批、變更等。（3）系統管理員：登錄系統，修改個人信息；添加或刪除用戶；修改用戶權限信息；查看及維護用戶日志信息。

3.3.3 用戶日志管理

為了維護刀具庫信息管理系統及其用戶的網絡安全和信息安全，應以日志的形式保存不同用戶在系統中所進行的操作、修改等，并進行管理和維護。這些日志數據能夠幫助用戶提前發現和避開災難，并且找到安全事件的根本原因。

4 系統實現

本開發軟件基于C#語言開發，采用ORACLE數據庫系統作為支撐。將企業現有的刀具基礎信息、刀具技術信息、刀具庫存信息及已經固定的相關工藝數據導入到數據庫中，并錄入管理人員及操作人員的相關信息及權限。應用B/S三層架構體系，將系統分為表示層、應用層與數據層。為了使系統具有良好的可編程與可擴展性，采用了MVC（Model View Control）設計模式，應用面向對象的編程思想，將軟件的應用模塊劃分開來，減少了代碼的冗余與繁復。具體開發技術采用Microsoft推出的ASP.NET，以Microsoft Visual Studio 2017為集成開發環境，使用JavaScript處理前端需求。結合企業的功能需求，將系統劃分為刀具管理與配送管理兩大塊。刀具管理又分為庫存管理、業務操作和基礎數據三大模塊。其中庫存管理包括刀具信息管理與庫房信息管理；業務操作包含采購單、采購入庫、借用單、歸還等信息管理；基礎信息包括部門、工種、人員、供應商、操作員及工件等信息管理，系統的主界面如圖4所示。

圖4 系統主界面Fig.4 System Main Interface

庫存管理，業務操作和基本數據模塊中的信息與數據庫中的數據表一一對應，并用于對數據庫中的數據執行相應的操作。目前，共設計了20個數據表，包括工具信息表，工具類別表，工具庫存表，工具供應商信息表和管理員信息表。使用邏輯關系結構模型完成數據庫設計并建立數據表之間的外鍵約束關系。并以之構建數據庫的關系結構。系統數據庫的關系結構如圖5所示。

圖5 數據庫關系結構圖Fig.5 Database Relationship Structure Diagram

5 系統示例

以刀具信息管理為例，如圖6所示為刀具信息管理界面，其中左側導航欄中顯示了刀具信息管理模塊根據企業需求包含了“刀具庫”、“工裝庫”、“量具庫”、“產品庫”、“高渦葉片”及自定義的“我的刀具”等庫存信息。右側顯示了數據表中存儲的刀具信息，操作人員可根據刀具名稱或刀具編號進行模糊查詢，也可通過添加、修改、刪除等按鈕進行相關的數據庫信息操作。

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

刀具信息管理模塊與工件信息管理模塊通過相關的工藝流程聯系起來，每一個工藝流程分為若干個工步，每個工步對應于單個工具，并且工具表還包括相關刀片和輔助工具的組成信息。工藝流程對應了相關的生產線，實現了刀具和工件與生產線的信息銜接。生產操作人員可進入工件管理界面，根據具體所要加工的工件，制定相應的工藝流程，并在工藝流程中添加若干個工步，在每個工步中，將依照已經固化的生產流程，推薦若干個可選用的刀具，如圖7所示。經測試，系統各模塊相互之間的響應均快速準確，保證了生產流程的效率，滿足了企業的生產需求。

圖7 工件管理界面Fig.7 Workpiece Management Interface

6 結論

智能刀具管理及選配系統是一個技術性和實用性很強的研究課題，該項目的研究取得了如下成果：

（1）針對該航空發動機企業對燃油噴嘴生產線刀具管理的個性化需求，完成了智能刀具管理及選配系統的需求分析，總結出刀具管理系統應具備刀具信息庫、刀具狀態管理、刀具查詢與選配及加工參數推薦等功能。

（2）依據智能刀具管理及選配系統的需求分析，并綜合考慮生產工藝與生產效率的影響，完成了系統功能模塊設計，將系統劃分為刀具管理、工藝管理及用戶管理三大功能模塊，使刀具的管理更加精細、準確。

（3）采用B/S三層架構體系/使用MVC（Model View Control）設計模式并應用面向對象的編程思想，實現了燃油噴嘴生產線智能刀具管理及選配系統；并以刀具信息的管理為例，對該系統進行了應用展示。

該項目所述的航空發動機燃油噴嘴生產線智能刀具管理及選配系統的成功應用，不僅對該航空發動機生產企業的刀具管理系統智能化升級起到了積極的推動作用，也對其他制造企業的刀具智能化管理提供了參考。