基于Web的數控車間刀具準時配送管理系統

張 騁，張 丹，徐 鋒，史晨紅，左敦穩

(南京航空航天大學機電學院，江蘇南京 210016)

隨著工業生產技術的快速發展，數控加工在實際生產中所占據的地位越來越重要，因此作為承載數字化生產線的數控車間必須體現精益、敏捷的制造思想。刀具是數控車間中極其重要的制造資源，其配送與管理直接關系到生產成本的降低和生產效率的提高［1］。本文以具有全生命周期理念的刀具數據庫作為基礎［2］，通過面向數控準時生產的刀具配送管理與控制系統，實現數控加工過程中刀具供應、使用數據以及狀態的集成控制，為數控設備提供底層支持，實現自底而上的生產集成。

國外對數控加工現場刀具配送的研究開展得非常之早，已出現了多款數控刀具管理及配送系統的商用軟件，集中體現了國外數控刀具現場精細化管理的理念［3］。但這些系統的運用都需要一個高度自動化的車間環境，因此并不能在國內的數控生產現場發揮很好的作用。

與此同時，國內的一些高校以及研究所也展開了相關的研究，絕大多數軟件能滿足刀具的儲存、借用管理、調度及監控等方面的基本需求。然而它們只實現了數控刀具的物流配送，忽視了刀具數據的信息流傳送，導致不同部門之間無法共享刀具數據信息，不能對刀具狀態進行全過程的跟蹤［4］，帶來了刀具錯用、刀具遺失等諸多隱患，同時靜態的刀具參數無法滿足實際數控編程的需求，刀具裝調前后的尺寸數據變化給數控編程帶來極大的不便［5］。不僅如此，目前的研究難以將車間的生產調度與車間現場的刀具管理進行有效的配合，從而在計劃調度的同時實現生產工具的合理使用，因此無法充分發揮有效的生產工具管理對生產效率提高的作用。

針對以上問題，本文設計開發了基于B/S模式的刀具配送管理系統，最終實現了信息流、物質流和工作流在刀具庫房、配送中心和數控車間之間的順暢流動。

1 系統建模

1．1 系統需求分析

刀具配送管理系統的使用者主要是數控車間中的生產與配送人員，為實現刀具在車間內的自動配送，因此該系統必須首先具有刀具配送和回收這兩個基本功能，保證生產任務的按時完成。除此之外，系統還應該具有基本的數據管理功能，方便管理人員查詢和修改數據庫信息，實現對配送過程的實時監控。刀具庫房主要負責借刀和還刀業務，配送中心負責刀具數據準備及配送計劃制定和執行，數控車間作為最終的刀具應用部門，是刀具配送對象。

基于以上的思考，在UML中使用系統用例圖來最終完成系統需求分析。系統的角色有:系統管理員、數控車間工人、審核中心班組長、配送中心配送人員。系統由五大模塊構成:配送準備模塊、配送執行模塊、回收數據準備模塊、回收執行模塊以及基礎數據管理模塊。

1．2 系統靜態建模

UML中的靜態圖反映了系統的靜態結構，貫穿于系統的整個生命周期之中。而靜態圖中的類圖不僅定義了系統中的類，還表示了類之間的聯系以及類的內部結構(類的屬性和操作)。因此，本文對刀具配送管理系統中的各模塊分別進行靜態建模，圖1所示的即是配送準備模塊對應的類圖。

圖1 配送準備模塊類圖

圖1中數控車間終端、審核中心終端和配送中心終端分別是工人、班組長和配送人員對應的接口，是系統中用于連接用戶和功能類的特殊抽象類。登錄類負責實現用戶登錄到相應的終端界面時的身份驗證功能。其他的類則分別負責刀具配送過程中的某個具體操作。例如:配送數據完善類由配送人員實現，它包含的主要屬性有配送員工號、申請號、刀位、刀具編碼、刀具實際參數以及刀具裝調參數，它的操作有刀具裝調、測量刀具實際參數以及完成配送任務表。

1．3 系統動態建模

考慮到系統的大部分活動都是動態的，所以需要在靜態建模的基礎上對系統進行動態建模。本文中采用UML中的順序圖對系統進行建模，不僅展示了對象之間的動態合作關系，更強調了對象之間交互的時間和順序。由于篇幅有限，在此不給出具體的模型。

1．4 系統流程圖

為了后續的刀具配送管理原型系統的開發，需要在動態建模的基礎上進一步得到系統流程圖。通過對UML模型中各順序圖的整合，得到了圖2所示的刀具配送流程圖。

圖2中清楚地展現了數控車間中刀具配送的全過程，下文系統設計部分中，將結合各模塊的具體功能，對流程中各細節進行具體的介紹。

2 系統構架

本文中的刀具配送管理系統按照J2EE規范進行架構［6］，設計出基于B/S模式的系統構架，如圖3所示。參考J2EE準應用模型，將系統分為客戶層、Web服務層、應用服務器層和數據層。

a．客戶層?；贐/S模式的客戶端為用戶提供了方便友好的使用界面，采用HTML語言和JSP代碼編寫，通過HTTP和服務器進行通信。本系統有4種不同的客戶端界面分別面向管理員、班組長、配送人員和工人，用戶只需安裝Web瀏覽器即可訪問各自工作界面。

b．Web服務層。選用Tomcat作為Web服務器，在其中運行JSP頁面和Servlet組件，接收從客戶層傳來的用戶請求(如借還刀申請等信息)，打包發送給業務層的JavaBean組件統一處理，同時將處理結果反饋給客戶層中的瀏覽器，以供用戶查看。

c．應用服務器層。使用JavaBean組件來處理業務邏輯，接收并處理由Web服務層傳來的請求信息，將處理結果交由數據層存儲。實現諸如刀具庫存搜索、借刀信息記錄、配送任務生成等核心業務邏輯服務，并通過J2EE的標準接口JDBC實現與底層數據庫的通信。

圖2 刀具配送流程圖

圖3 系統框架結構圖

d．數據層。采用SQL Server 2005構建后臺數據庫，利用該款軟件企業級的數據庫功能，不僅可以查詢修改用戶和刀具的基本信息，更實現了對刀具配送過程的有效管理。

3 系統設計

系統按功能可劃分為基礎數據管理、配送準備、配送執行、回收準備、回收執行五大模塊，下文將分別介紹這五大模塊的功能。

3．1 基礎數據管理模塊

基礎數據管理模塊對數控車間刀具配送的整個生命周期進行全程管理。利用該模塊，管理員能對數據庫中的信息進行有效管理，不僅能對用戶的個人信息和刀具的庫存信息進行查詢和修改，還可以查詢借還刀申請、申請審核結果和刀具配送狀態等信息，實現對配送數據的全程監控和動態管理。

3．2 配送準備模塊

配送準備模塊是刀具配送的基礎，涉及人員有數控車間工人、配送人員以及審核班組長。利用該模塊，3種用戶分別獨立完成其各自的任務，在物質上和配送信息上為后續的刀具配送做好準備，其具體功能如圖4所示。

圖4 配送準備模塊功能圖

a．借刀信息生成。車間工人根據本工位的生產計劃，通過系統客戶層中的數控車間終端，提出借刀申請。在填寫相應的工號、工位號、刀具類型、刀具參數、刀具數量以及用刀時間等信息后，系統會根據工人填寫的借刀信息，生成相應的借刀申請表并發送至審核中心終端。

b．借刀信息審核。審核班組長通過審核中心終端對收到的借刀申請進行相應的審核。班組長不僅需要查詢相應刀具的庫存信息，還要查看借刀工人和相應工位的借還刀記錄，檢查是否存在違規情況。審核通過后，系統將借刀申請表送至配送中心終端，同時將審核結果返回數控車間終端。

c．配送任務生成。系統基于準時配送的思想，根據不同申請的用刀時間，將通過審核的借刀申請打包成不同的配送任務，隨機均勻分配給各配送人員。配送人員在審核中心終端領取自己的配送任務并進行后續處理。

d．庫存信息變動。根據配送任務中各借刀申請的刀具類型、刀具參數和借刀數量，配送人員進入刀具庫房，拾取對應的刀具。刀具在離開庫房時，必須由庫房系統對刀柄上的編碼進行掃描［7］，數據庫中的刀具庫存信息隨之發生對應的改變，表明刀具已順利出庫。

e．配送數據完善。配送人員把所需配送的刀具由庫房取出后，先對刀具的實際參數進行測量，再將刀具插入配送小車的刀架，并在相應的借刀申請表的基礎上，添加對應的刀具編碼、刀具實際參數、刀具裝調參數、配送車號以及刀具在刀架中所處的刀位號等信息，再由系統自動計算配送所需時間，最終生成完整的配送任務表。

3．3 配送執行模塊

在前述相應準備工作的基礎上，刀具配送模塊完成刀具的相應配送工作，保證車間中各工位的正常生產，并實現對配送過程的實時監控［8］。

a．配送數據傳送。系統將完整的配送任務表送至數控車間終端，供工人查看，同時經由特定的通信方式將配送任務表傳入配送小車的控制中樞——ARM板內。系統根據小車的配送任務，由相應的算法生成小車的最優配送路徑，并通過車間中布置的電子看板、電子標簽、RFID閱讀器等為小車導航，指揮小車在相應的機床工位停留，等待工人取刀。

b．配送信息確認。工人通過數控車間終端，查詢自己提出的借刀申請對應的配送任務表，根據表中的配送時間等待配送小車的到來。小車到達后，車載控制系統根據該工位對應的配送任務表中的刀具編碼以及刀位號等相關信息，通過車載LED屏的字幕和刀架中刀位上的小燈給出取刀提示，工人根據提示從相應的刀架上拾取所需刀具。小車在停留預定的時間后離開，前往其他工位繼續配送。工人則需要將刀柄上的編碼與刀具配送任務表中的刀具編碼一一核對，確認無誤后，在數控車間終端上確認配送的完成。至此，一個完整的刀具的配送過程才算全部完成，數據庫中，工人的借刀記錄中也增加了對應的信息。之后，工人根據配送任務表中的刀具實際參數和裝調參數等信息，進行后續的生產加工。

3．4 回收準備模塊

與配送準備模塊類似，回收準備模塊同樣是刀具回收的基礎，但由于工人的還刀申請無需審核，因此該模塊并不涉及班組長。工人和配送人員利用該模塊，填寫相應的刀具數據和配送信息，由系統生成完整的還刀申請表和回收任務表，為刀具回收工作做好準備。其具體內容不再贅述。

3．5 回收執行模塊

在回收準備工作的基礎上，該模塊最終實現刀具的順利回收，并將刀具歸還庫房，使庫房中刀具的庫存維持在一定的數量，以保證數控車間中所有工位的后續生產。和刀具的配送過程類似，該模塊由回收數據傳送、回收數據核對、回收信息確認和庫存信息變動4個部分組成。其中工人在工位核對回收任務表中的數據無誤后還刀，配送人員在配送中心確認刀具回收成功并將其放回庫房，相應的刀具庫存信息隨之改變，其詳細內容同樣不再贅述。

4 系統實現

圖5中所示即為系統中配送中心配送人員所對應的界面。界面的左側為目錄導航框架，集中顯示配送人員可執行的操作，并提供相應的鏈接按鈕。界面的右側為頁面顯示框架，根據配送人員的不同操作彈出相應的頁面，顯示相關信息。

圖5 配送中心配送人員界面

配送人員可以通過上述的界面，履行刀具配送過程中自己負責的全部職能。在領取刀具后，配送人員需要完善配送任務表中的數據。其中，刀具編號是整個配送過程中極其重要的參數，因此設計成下拉列表，列表中的內容可以從數據庫的刀具信息表中自動讀取，配送人員點擊選取即可，避免了誤填刀具編號的可能性。而其他例如刀具實際參數等數據，由于是隨著刀具的使用不斷變化的，需要實際測量才能得到，因此由配送人員在相應輸入框中手動填寫。圖5中所示即為配送人員正在完善相應的配送數據。

5 結束語

本文基于J2EE架構，開發出具有B/S模式的數控車間刀具準時配送管理系統。與傳統的研究工作相比，本文中的系統不僅實現了信息流、物質流和工作流在刀具庫房、配送中心和數控車間之間的流動，更可以在配送的各個過程對刀具的配送狀態進行記錄，從而實現對刀具數據的全程監控。本系統在數控車間投入運行后，能顯著提高實際生產效率。

目前，系統仍面臨的問題是無法及時處理在刀具配送和回收過程中出現的各種意外情況，如班組長審核出錯、工人借還刀不及時、小車出現機械故障等突發狀況。因此，可以針對這些問題做進一步的深入研究，從而完善系統，提高生產效率，保證實際生產的順利進行。

［1］ 徐國棟．自動車間刀具管理系統的研究與開發［D］．昆明:昆明理工大學，2005．

［2］ 龐存辰，徐鋒，吳小軍，等．基于Web的刀具全生命周期管理信息系統研究［J］．中國制造業信息化，2010，39(15):4－7．

［3］ 許曉棟，鄒澤明，李從心，等．基于B/S結構的集成信息刀具管理系統［J］．制造業自動化，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］ 許琪．數控加工車間的物料運輸規劃［J］．中國集體經濟，2011(7):55－58．

［6］ 喬歡，馬銘辰，許興華．基于網絡數據庫的數控車間刀具管理系統［J］．組合機床與自動化加工技術，2002(7):18－20．

［7］ 楊旭東，李華臣，王洪生，等．采用標識技術的刀具信息管理研究［J］．現代制造工程，2009(4):16－19．

［8］ 周建鵬．DNC車間中刀具管理系統設計與實現［J］．機床與液壓，2005(11):17－19．