张 骋，张 丹，徐 锋，史晨红，左敦稳

(南京航空航天大学机电学院，江苏南京 210016)

随着工业生产技术的快速发展，数控加工在实际生产中所占据的地位越来越重要，因此作为承载数字化生产线的数控车间必须体现精益、敏捷的制造思想。刀具是数控车间中极其重要的制造资源，其配送与管理直接关系到生产成本的降低和生产效率的提高［1］。本文以具有全生命周期理念的刀具数据库作为基础［2］，通过面向数控准时生产的刀具配送管理与控制系统，实现数控加工过程中刀具供应、使用数据以及状态的集成控制，为数控设备提供底层支持，实现自底而上的生产集成。

国外对数控加工现场刀具配送的研究开展得非常之早，已出现了多款数控刀具管理及配送系统的商用软件，集中体现了国外数控刀具现场精细化管理的理念［3］。但这些系统的运用都需要一个高度自动化的车间环境，因此并不能在国内的数控生产现场发挥很好的作用。

与此同时，国内的一些高校以及研究所也展开了相关的研究，绝大多数软件能满足刀具的储存、借用管理、调度及监控等方面的基本需求。然而它们只实现了数控刀具的物流配送，忽视了刀具数据的信息流传送，导致不同部门之间无法共享刀具数据信息，不能对刀具状态进行全过程的跟踪［4］，带来了刀具错用、刀具遗失等诸多隐患，同时静态的刀具参数无法满足实际数控编程的需求，刀具装调前后的尺寸数据变化给数控编程带来极大的不便［5］。不仅如此，目前的研究难以将车间的生产调度与车间现场的刀具管理进行有效的配合，从而在计划调度的同时实现生产工具的合理使用，因此无法充分发挥有效的生产工具管理对生产效率提高的作用。

针对以上问题，本文设计开发了基于B/S模式的刀具配送管理系统，最终实现了信息流、物质流和工作流在刀具库房、配送中心和数控车间之间的顺畅流动。

1 系统建模

1．1 系统需求分析

刀具配送管理系统的使用者主要是数控车间中的生产与配送人员，为实现刀具在车间内的自动配送，因此该系统必须首先具有刀具配送和回收这两个基本功能，保证生产任务的按时完成。除此之外，系统还应该具有基本的数据管理功能，方便管理人员查询和修改数据库信息，实现对配送过程的实时监控。刀具库房主要负责借刀和还刀业务，配送中心负责刀具数据准备及配送计划制定和执行，数控车间作为最终的刀具应用部门，是刀具配送对象。

基于以上的思考，在UML中使用系统用例图来最终完成系统需求分析。系统的角色有:系统管理员、数控车间工人、审核中心班组长、配送中心配送人员。系统由五大模块构成:配送准备模块、配送执行模块、回收数据准备模块、回收执行模块以及基础数据管理模块。

1．2 系统静态建模

UML中的静态图反映了系统的静态结构，贯穿于系统的整个生命周期之中。而静态图中的类图不仅定义了系统中的类，还表示了类之间的联系以及类的内部结构(类的属性和操作)。因此，本文对刀具配送管理系统中的各模块分别进行静态建模，图1所示的即是配送准备模块对应的类图。

图1 配送准备模块类图

图1中数控车间终端、审核中心终端和配送中心终端分别是工人、班组长和配送人员对应的接口，是系统中用于连接用户和功能类的特殊抽象类。登录类负责实现用户登录到相应的终端界面时的身份验证功能。其他的类则分别负责刀具配送过程中的某个具体操作。例如:配送数据完善类由配送人员实现，它包含的主要属性有配送员工号、申请号、刀位、刀具编码、刀具实际参数以及刀具装调参数，它的操作有刀具装调、测量刀具实际参数以及完成配送任务表。

1．3 系统动态建模

考虑到系统的大部分活动都是动态的，所以需要在静态建模的基础上对系统进行动态建模。本文中采用UML中的顺序图对系统进行建模，不仅展示了对象之间的动态合作关系，更强调了对象之间交互的时间和顺序。由于篇幅有限，在此不给出具体的模型。

1．4 系统流程图

为了后续的刀具配送管理原型系统的开发，需要在动态建模的基础上进一步得到系统流程图。通过对UML模型中各顺序图的整合，得到了图2所示的刀具配送流程图。

图2中清楚地展现了数控车间中刀具配送的全过程，下文系统设计部分中，将结合各模块的具体功能，对流程中各细节进行具体的介绍。

2 系统构架

本文中的刀具配送管理系统按照J2EE规范进行架构［6］，设计出基于B/S模式的系统构架，如图3所示。参考J2EE准应用模型，将系统分为客户层、Web服务层、应用服务器层和数据层。

a．客户层。基于B/S模式的客户端为用户提供了方便友好的使用界面，采用HTML语言和JSP代码编写，通过HTTP和服务器进行通信。本系统有4种不同的客户端界面分别面向管理员、班组长、配送人员和工人，用户只需安装Web浏览器即可访问各自工作界面。

b．Web服务层。选用Tomcat作为Web服务器，在其中运行JSP页面和Servlet组件，接收从客户层传来的用户请求(如借还刀申请等信息)，打包发送给业务层的JavaBean组件统一处理，同时将处理结果反馈给客户层中的浏览器，以供用户查看。

c．应用服务器层。使用JavaBean组件来处理业务逻辑，接收并处理由Web服务层传来的请求信息，将处理结果交由数据层存储。实现诸如刀具库存搜索、借刀信息记录、配送任务生成等核心业务逻辑服务，并通过J2EE的标准接口JDBC实现与底层数据库的通信。

图2 刀具配送流程图

图3 系统框架结构图

d．数据层。采用SQL Server 2005构建后台数据库，利用该款软件企业级的数据库功能，不仅可以查询修改用户和刀具的基本信息，更实现了对刀具配送过程的有效管理。

3 系统设计

系统按功能可划分为基础数据管理、配送准备、配送执行、回收准备、回收执行五大模块，下文将分别介绍这五大模块的功能。

3．1 基础数据管理模块

基础数据管理模块对数控车间刀具配送的整个生命周期进行全程管理。利用该模块，管理员能对数据库中的信息进行有效管理，不仅能对用户的个人信息和刀具的库存信息进行查询和修改，还可以查询借还刀申请、申请审核结果和刀具配送状态等信息，实现对配送数据的全程监控和动态管理。

3．2 配送准备模块

配送准备模块是刀具配送的基础，涉及人员有数控车间工人、配送人员以及审核班组长。利用该模块，3种用户分别独立完成其各自的任务，在物质上和配送信息上为后续的刀具配送做好准备，其具体功能如图4所示。

图4 配送准备模块功能图

a．借刀信息生成。车间工人根据本工位的生产计划，通过系统客户层中的数控车间终端，提出借刀申请。在填写相应的工号、工位号、刀具类型、刀具参数、刀具数量以及用刀时间等信息后，系统会根据工人填写的借刀信息，生成相应的借刀申请表并发送至审核中心终端。

b．借刀信息审核。审核班组长通过审核中心终端对收到的借刀申请进行相应的审核。班组长不仅需要查询相应刀具的库存信息，还要查看借刀工人和相应工位的借还刀记录，检查是否存在违规情况。审核通过后，系统将借刀申请表送至配送中心终端，同时将审核结果返回数控车间终端。

c．配送任务生成。系统基于准时配送的思想，根据不同申请的用刀时间，将通过审核的借刀申请打包成不同的配送任务，随机均匀分配给各配送人员。配送人员在审核中心终端领取自己的配送任务并进行后续处理。

d．库存信息变动。根据配送任务中各借刀申请的刀具类型、刀具参数和借刀数量，配送人员进入刀具库房，拾取对应的刀具。刀具在离开库房时，必须由库房系统对刀柄上的编码进行扫描［7］，数据库中的刀具库存信息随之发生对应的改变，表明刀具已顺利出库。

e．配送数据完善。配送人员把所需配送的刀具由库房取出后，先对刀具的实际参数进行测量，再将刀具插入配送小车的刀架，并在相应的借刀申请表的基础上，添加对应的刀具编码、刀具实际参数、刀具装调参数、配送车号以及刀具在刀架中所处的刀位号等信息，再由系统自动计算配送所需时间，最终生成完整的配送任务表。

3．3 配送执行模块

在前述相应准备工作的基础上，刀具配送模块完成刀具的相应配送工作，保证车间中各工位的正常生产，并实现对配送过程的实时监控［8］。

a．配送数据传送。系统将完整的配送任务表送至数控车间终端，供工人查看，同时经由特定的通信方式将配送任务表传入配送小车的控制中枢——ARM板内。系统根据小车的配送任务，由相应的算法生成小车的最优配送路径，并通过车间中布置的电子看板、电子标签、RFID阅读器等为小车导航，指挥小车在相应的机床工位停留，等待工人取刀。

b．配送信息确认。工人通过数控车间终端，查询自己提出的借刀申请对应的配送任务表，根据表中的配送时间等待配送小车的到来。小车到达后，车载控制系统根据该工位对应的配送任务表中的刀具编码以及刀位号等相关信息，通过车载LED屏的字幕和刀架中刀位上的小灯给出取刀提示，工人根据提示从相应的刀架上拾取所需刀具。小车在停留预定的时间后离开，前往其他工位继续配送。工人则需要将刀柄上的编码与刀具配送任务表中的刀具编码一一核对，确认无误后，在数控车间终端上确认配送的完成。至此，一个完整的刀具的配送过程才算全部完成，数据库中，工人的借刀记录中也增加了对应的信息。之后，工人根据配送任务表中的刀具实际参数和装调参数等信息，进行后续的生产加工。

3．4 回收准备模块

与配送准备模块类似，回收准备模块同样是刀具回收的基础，但由于工人的还刀申请无需审核，因此该模块并不涉及班组长。工人和配送人员利用该模块，填写相应的刀具数据和配送信息，由系统生成完整的还刀申请表和回收任务表，为刀具回收工作做好准备。其具体内容不再赘述。

3．5 回收执行模块

在回收准备工作的基础上，该模块最终实现刀具的顺利回收，并将刀具归还库房，使库房中刀具的库存维持在一定的数量，以保证数控车间中所有工位的后续生产。和刀具的配送过程类似，该模块由回收数据传送、回收数据核对、回收信息确认和库存信息变动4个部分组成。其中工人在工位核对回收任务表中的数据无误后还刀，配送人员在配送中心确认刀具回收成功并将其放回库房，相应的刀具库存信息随之改变，其详细内容同样不再赘述。

4 系统实现

图5中所示即为系统中配送中心配送人员所对应的界面。界面的左侧为目录导航框架，集中显示配送人员可执行的操作，并提供相应的链接按钮。界面的右侧为页面显示框架，根据配送人员的不同操作弹出相应的页面，显示相关信息。

图5 配送中心配送人员界面

配送人员可以通过上述的界面，履行刀具配送过程中自己负责的全部职能。在领取刀具后，配送人员需要完善配送任务表中的数据。其中，刀具编号是整个配送过程中极其重要的参数，因此设计成下拉列表，列表中的内容可以从数据库的刀具信息表中自动读取，配送人员点击选取即可，避免了误填刀具编号的可能性。而其他例如刀具实际参数等数据，由于是随着刀具的使用不断变化的，需要实际测量才能得到，因此由配送人员在相应输入框中手动填写。图5中所示即为配送人员正在完善相应的配送数据。

5 结束语

本文基于J2EE架构，开发出具有B/S模式的数控车间刀具准时配送管理系统。与传统的研究工作相比，本文中的系统不仅实现了信息流、物质流和工作流在刀具库房、配送中心和数控车间之间的流动，更可以在配送的各个过程对刀具的配送状态进行记录，从而实现对刀具数据的全程监控。本系统在数控车间投入运行后，能显著提高实际生产效率。

目前，系统仍面临的问题是无法及时处理在刀具配送和回收过程中出现的各种意外情况，如班组长审核出错、工人借还刀不及时、小车出现机械故障等突发状况。因此，可以针对这些问题做进一步的深入研究，从而完善系统，提高生产效率，保证实际生产的顺利进行。

［1］ 徐国栋．自动车间刀具管理系统的研究与开发［D］．昆明:昆明理工大学，2005．

［2］ 庞存辰，徐锋，吴小军，等．基于Web的刀具全生命周期管理信息系统研究［J］．中国制造业信息化，2010，39(15):4－7．

［3］ 许晓栋，邹泽明，李从心，等．基于B/S结构的集成信息刀具管理系统［J］．制造业自动化，2005，27(3):66－70．

［4］ Ozbayrak M，Turker A K，R．Bell．Recycling of cutting tools in flexible manufacturing systems［J］．International Journal of Computer Integrated Manufacturing，2003，16(6):409 －427．

［5］ 许琪．数控加工车间的物料运输规划［J］．中国集体经济，2011(7):55－58．

［6］ 乔欢，马铭辰，许兴华．基于网络数据库的数控车间刀具管理系统［J］．组合机床与自动化加工技术，2002(7):18－20．

［7］ 杨旭东，李华臣，王洪生，等．采用标识技术的刀具信息管理研究［J］．现代制造工程，2009(4):16－19．

［8］ 周建鹏．DNC车间中刀具管理系统设计与实现［J］．机床与液压，2005(11):17－19．