王勇，谭清江，祝鑫，于洒，唐火红，杨海东

（合肥工业大学机械工程学院，安徽 合肥 230009）

0 引言

由于机械生产制造技术的提高，多品种、小批量生产制造、新产品的研制所占比重的不断上涨以及专用夹具制造成本的提高,专用夹具已不再适用于生产需求。组合夹具能够反复拆卸，可重复使用，能够满足不同零件的装夹需求，直到组合夹具的组件报废为止[1]。因此在新产品的研制过程中使用组合夹具生产制造比重占到90%以上，在满足加工要求的情况下小批量生产尽量使用组合夹具。而在批量生产过程中全面推行组合夹具的使用，势必会使组合夹具站的规模扩大，使传统的组合夹具管理过程的工作量增多，出现元件各种信息很难统计、使用单位用完组合夹具后不能及时归还、元件缺损严重等问题，致使工作效率大大降低。因此企业组合夹具管理系统的目标是降低组合夹具的生产准备周期，实现组合夹具的静态数据管理、动态数据实时更新、数据库读取存储，保证供应、减少流失、降低成本、合理利用。国内组合夹具管理系统的研究，大多从CAD的二次开发、客户端开发进行。王丹[2]针对组合夹具设计数据与文件存储量大的特点，利用云计算与GWT技术解决了组合夹具数据存储等问题，并利用Pro/E建三维模型库结合GAE编程环境实现了组合夹具管理服务系统，该系统具有检索、上传与下载等功能；孙玲玲[3]在组合夹具管理系统中运用了ABC管理模式、成本估算的方法，并选用Access作为数据库在Delphi 6.0的开发环境下实现了组合夹具检索、出入库、成本与装配时所需元件数量的估算等功能。此外，组合夹具管理系统设计应遵照随机应变原则，使其具有模块化、扩展性强、人机交互界面简明高效、操作简便灵活等特征。

本文所设计的组合夹具管理系统的技术方向是在Visual Studio编译环境下，利用C#语言进行程序开发，系统以面向对象技术为基础，运用模块化的设计思想，开发框架采用C/S模式以及三层体系结构，数据库采用Oracle数据库作为存储与调用的载体，以实现生产任务的数字化管理，为企业组合夹具管理系统的设计提供了重要参考依据。

1 系统需求分析

把组合夹具站看作一个独立单元，人员主要由站长、管理员、计划员、设计员、组装工、配送工、检验员、使用单位人员组成，其结构如图1所示。

图1 组合夹具站组织结构Fig. 1 Organization structure of Modular Fixture Station

在组合夹具站中各个人员职能需求分析：

站长：实现对组合夹具站内人员信息的管理。

管理员：对组合夹具元件进行分类、盘点，协助使用单位人员实现元件出库、入库功能。

计划员：对组合夹具设计与组装任务进行派工。

设计员：组装工充当设计员，设计工作由组装工在计算机上完成并填写三维定型卡片，最后将三维定型卡片上传至数据库。

组装工：根据三维定型卡片，领取组合夹具元件进行组装；对使用完成后的组合夹具进行拆卸、清洗。

检验员：分为结构检验员和尺寸检验员，结构校验员由有经验的组装工担任，组装完成即可进行结构校验，结构检验合格后由尺寸检验员进行尺寸校验，合格后即可出库；对清洗后的组合夹具进行结构与尺寸校核，合格后即可入库。

配送工：结构与尺寸均合格后即可配合使用单位人员到组合夹具站领用组装好的组合夹具，并配送到各生产单位，将各单位要归还的组合夹具配送到组合夹具站。

使用单位人员：发出组合夹具需求申请，协助配送工实现组合夹具出库入库。

其中设计员由组装工担任，主要是因为组装工自己设计自己组装，能够随时更改组合夹具的设计，体现出组合夹具的灵活性，并且可以省去沟通上的不便。

2 系统开发技术

1）系统开发工具：根据系统要求选用WinForm作为开发平台[4]。该平台能够在网络环境下用户通过窗体输入实现通讯。WinForm主要具有强大的功能、丰富的控件、快捷的数据显示与操作三个优点，同时支持快速应用程序的开发，具有继承性以及可扩展性，通过继承与扩展可以得到多样的人机交互面。

2）数据库：根据系统集成需要使用Oracle数据库[5]。Oracle数据库能够在任意一台计算机上运行，具有安全性高、互操作性强、数据完整性高的优势。

3）系统开发方法：采用面向对象的开发方法，将客观世界的对象映射到面向对象系统的解空间[6]。面向对象方法主要特点是软件系统既相互独立又相互协作，能够体现功能与数据的统一，通过对象来表述属性与方法的结合，通过对象之间的关系和行为来表征系统的功能[7]。

4）系统开发语言：面向对象语言可以分为C++、Java、C#、VB.Net、Objective-C等多种，其中C#汲取C++、Java等语言优势，更为符合现代软件开发需求[8]。C#是.NET FrameWork框架的一部分，是以对象作为基本单位的程序设计语言，具有类、继承、多态等特征[9]。

3 系统结构设计

目前比较流行的两种软件开发模式主要是C/S（Client/Server）模式和B/S（Brower/Server）模式两种。C/S模式主要应用于程序的开发，B/S模式主要在浏览器、服务器等网站上应用。由于应用于企业内部的网络，即使公司处于断网的状态，系统也应该照常运行，因此采用C/S模式更为合理，如图2所示。

图2 C/S结构模型Fig. 2 C/S structure model

在组合夹具管理系统中，组合夹具站工作人员和站长通过客户端向服务器发送请求，服务器调用处理后将结果返回客户端。因此，系统体系结构采用三层结构[10]，即客户层（Client Tier）、服务器层（Server Tier）和数据层（Data Tier），如图3所示。其中客户层主要指人机界面层，主要用来给用户提供操作界面，传递信息到系统；服务器层作为中间层，起到连接客户层与数据层的作用，它可以处理客户层发出的用户请求，完成业务逻辑结构响应过程；数据层主要被服务器层调用数据进行操作并更新后台数据，实现业务逻辑操作。

图3 三层结构Fig. 3 Three layer structure

采用三层体系结构开发组合夹具管理系统具有以下优点[11]：① 每一层的功能都比较明确，与实际问题之间具有明确对应的关系，能够进一步的简化设计；② 三层结构的结构简单，容易实现；中间层即服务器层中的各个业务代码之间是相互独立的，多个界面一起开发能够提高开发效率，同时有利于软件维护；③ 三层结构扩展性比较好，只需要在后台添加数据以及相应界面和代码即可进行扩展。

4 系统总体设计

组合夹具管理系统包括以下六个模块：系统管理模块、库房管理模块、使用单位模块、计划员管理模块、设计/组装模块和检验管理模块[12]，其功能架构如图4所示。

图4 系统功能架构Fig. 4 System functional architecture

5 功能模块设计与实现

5.1 功能模块设计

依据系统的总体设计，对系统的各功能模块进行了详细设计。

（1）系统管理模块

用于管理组合夹具站内用户以及更换站长。用户管理：站长对用户权限进行添加、删除以及更改操作；更换站长：通过更换站长功能修改用户名以及密码，同时限制前站长的权限。更换成功后则需要重新登陆才能够运行此系统。

（2）库房管理模块

用于管理组合夹具元件，主要包括分批次购买元件入库、元件到期提醒、元件寿命到期提醒、元件出入库信息查询功能。元件入库：包括元件库存不足时再次购买的元件入库，以及原本库房中没有的元件初次进行入库[13]。元件出入库信息查询：查询组合夹具元件的借入归还情况。系统设置：及时提醒使用单位归还元件、提醒采购部门购买新元件。

（3）使用单位模块

一是提出组合夹具的需求；二是去夹具站领用组合夹具；三是去夹具站归还组合夹具；四是查询组合夹具元件领用归还情况。出库管理：组合夹具经检验员检验合格后方可出库，出库时配送工配合使用单位人员扫组合夹具元件条形码实现元件出库。入库管理：组合夹具经检验员检验合格后方可入库，合格后配送工配合使用单位人员扫描组合夹具元件条形码实现元件入库。借用元件查询：查询元件借用、归还、续借时间，元件借用数量等。发布需求：包含组合夹具名称、使用的机床、被加工零件的二维图以及被加工零件的三维图等。

（4）计划员管理模块

对组合夹具人员进行设计与组装组合夹具需求任务分配。计划员对组合夹具需求任务进行分配时需要查询三部分的内容，一是组合夹具需求的查询；二是组装工的查询，主要查询目前手中没有任务的组装工；三是对三维定型卡片进行查询，主要查询三维定型卡片数据库中有没有需求的组合夹具。经过查询后，即可对任务进行分配。

（5）设计/组装模块

本模块中组装工兼任设计员，而设计员的目的除了根据工艺需求设计组合夹具，并填写三维定型卡片外，还需进行组合夹具下一步组装。

（6）检验管理模块

其功能是对组合夹具出库前以及入库前进行质量检测，一是出库前，即组装完成后，组装工人进行结构校对与检验处的检验人员进行的尺寸及精度校验，对有问题的组合夹具，检验员通知组装工进行重新设计组装；二是入库前，即组合夹具元件入库前进行的结构与尺寸校核，对有问题的组合夹具元件进行标记并录入数据库。

5.2 数据库

本文中Oracle数据库主要包含以下五大类，分别为：元件大类表主要包括基础件、支承件、通用件等元件信息；元件组表指单一元件的信息表，即元件大类下的元件，例如简式正方形基础板、正方形基础板等[14]；领用归还信息表用来记录新元件入库信息、各单位借出与归还组合夹具元件信息；用户表用来存储用户信息；三维定型卡片表主要供计划员查询以及组装工查询、下载、上传使用。

5.3 数据流

本文以使用单位模块为例，详细的介绍使用单位模块与数据库之间的关系，如图5所示。

图5 使用单位模块数据流Fig. 5 Using unit module data flow

1）使用单位人员借用组合夹具元件时，需要将借用元件以扫条形码的方式出库，并将组合夹具元件信息以及使用单位人员信息写入领用归还信息表，同时更改元件大类表中的库存、数量信息以及元件组表中的库存信息。

2）使用单位人员归还组合夹具元件时，以扫元件条形码的方式将借用元件入库，并将归还元件信息以及使用单位人员信息写入领用归还信息表，同时更改元件大类表中的库存、数量、借次数信息以及元件组表中的库存、借次数信息。

3）使用单位人员查询借用元件时，需要读取领用归还信息表中信息，了解使用单位人员自己借用元件详情。

4）使用单位人员发布组合夹具需求时需要将被加工元件的信息写入组合夹具需求表。

5.4 系统界面

系统的实现界面如图6所示。用户进入系统时均从此登录界面进入，只有用户符合对应职位才拥有相应权限。以系统管理模块中修改用户密码为例，所实现的模块功能界面如图7所示。

图6 用户登录界面Fig. 6 User login interface

图7 修改密码界面Fig. 7 Modifying the cipher interface

其他功能模块限于篇幅不一一列举。全部功能模块开发完成后，通过模拟企业内网的实验室局域网进行了功能测试，实现了系统的全部功能需求，可以用于企业的组合夹具数字化管理[15]。

6 结论

本文通过对企业内的组合夹具需求流程进行调研与探讨，分析并总结了组合夹具站管理系统需求，建立了企业组合夹具管理系统。本系统在企业内运行可实现生产任务的数字化管理，组合夹具站内业务流程可以直接通过软件完成；系统以人员进行模块划分，每个模块的功能都清晰可见，模块与模块之间功能由数据库进行连接，整个系统的界面简洁，操作便利。

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