面向全生命周期的刀具管理系统研究

核心提示：针对现有刀具管理系统存在的问题，对刀具管埋系统功能进行了需求分析，设计了一一个面向全生命周期的刀具管理系统，定义了UML刀具对象模型，并映射为基于XML 刀具数据模式，最后介绍了系统的实现方法。

关键词:刀具管理系统，全生命周期，刀具信息模型，UML, XML

　　1 引言

　　刀具作为制造活动中的重要资源之一，贯穿于企业的整个生产过程。能否对刀具进行有效管理，不仅直接影响机床的正常使用及生产效率，还会影响加工成本(机械加工中，刀具的直接成本约占加工总成本的4%，间接成本约为直接成本的4倍[1])。现有刀具管理系统(Tools Management System, TMS) 大都从生产制造的角度来分析刀具管理的模式和特点，『是简单要求刀具管理满足生产的需要，其功能主要体现在刀具的储存、调度及监控等方面，尚未包含刀具信息的全部内容，存在一定的局限性，具体表以下三个方面[2-3]:

　　(1)刀具管理仅研究了刀具生命中的一个或几个时期，缺少对整个刀具生命周期的分析，刀具信息不够全面。

　　(2)刀具信息自成一体，造成刀具信息的孤岛，即不同部门、不同系统之间信息不能共享，设计、生产、管理方面的数据出现脱节，不仅容易造成制造资源的浪费，还严重阻碍了企业信息化的整体进程。

　　(3)刀具管理以满足生产制造中的刀具需求为目标，没有考虑到刀具全生命周期内的成本问题，因而无法给企业生产经营提供决策支持。针对上述问题，本文构建了一个基于B/S结构的刀具全生命周期管理系统，并研究了基于XML Sche而刀具对象数据模式，以实现对刀具信息从采购到报损整个过程的标准化管理，从而达到刀具数据共享的目的，为制造业信息化发展建立一定的基础。

　　2 系统功能分析

　　面向全生命周期的刀具管理是围绕刀具投入期、使用期、报废期，对刀具进行集成化管理的一种方法。其系统功能模块如图1所示。

图1 系统功能模块图

　　(1)投入期:在刀具投入期主要进行采购管埋，以及时满足生产制造中的刀具需求，同时将采购信息及时反馈给库房，做好人库准备;反馈给工艺部L做出调整工艺路线或加工方法的准备。

　　(2)使用期:在刀具使用期主要进行刀具库存管埋、刀具工艺管理、基础数据管理、刀具现场管理等。刀具库存管理主要对刀具的出人库和回收进行管理，以保证生产现场刀具使用所需要的安全库存量，并及时将库存信息反馈给工艺人员，辅助工艺人员决策，反馈给采购人员，及时采购刀具”刀具工艺管理主要面向工艺人员，遁过提供各种刀具参数信息，辅助工艺人员制定工艺规程，并优化刀具的选用。刀具基础数据管埋是刀具全生命周期管理中最基础的一个环节，它通过对刀具基础数据的管理和维护来推动其它环节的有效运行。刀具的基础数据主要包括刀具代码、刀具基本参数、刀具几何参数、刀具组件参数及机床参数等。刀具现场管埋主要遁过派工单、生产计划单来制定刀具准备清单，从而指导装刀人员主动送刀，减少刀具准备时明同时监测现场刀具的切削状态及磨损状况，分析其加工性能及耐用度，预测使用寿命，必要时可及时换刀。

　　(3)报废期:在刀具报废期主要进行刀具刃磨管理和刀具报损管理。刀具刃磨管理主要对刃磨后刀具的相关参数进行管埋和维护，以确保刀具刃磨后再次进大加工环节的有效管理。刀具报损管理主要对刀具报损情况进行管理，一方面可以分析刀具的加工性能和工艺规程的合理性，另一方面也可以辅助对相关人员的绩效考核。

　　以上分析表明，刀具全生命周期管理系统内的各个模块之司有着密切联系:刀具采购管理要以刀具库存管埋中的库存信息为依据，刀具库存管理要为工艺管理提供决策依据，刀具基础数据管理是整个刀具全生命周期管理运行的基础，刀具现场管理驱动刀具刃磨管理和刀具报损管理的运行。

　　3 系统设计

　　面向全生命周期的刀具管埋系统必须解决的问题是各功能子模块之司刀具数据的交换及共享，为此建立了如图2所示的系统结构。

图2 系统结构图

　　刀具数据库贮存刀具在其生命周期内所有的相关信息，刀具信息模型是刀具管理系统内外部数据交换的桥梁。在企业内部，刀具管理系统各子模块根据该刀具信息模型的定义规则，建立相应的数据交换接口程序。发送数据时，接口程序负责采集需要传送的刀具数据，并根据预先定义的刀具信息模型，生成标准的刀具数据格式，传递给其它子模块;接收数据时，接口程序则依据标准刀具信息模型的定义，对接收到的刀具数据进行分析处理，提取该子模块所需的刀具数据，并生成规范的数据格式。不同企业之间刀具信息的共享，则采用中司文件交换方式，即将刀具信息模型格式化为标准的、开放的中性文档，从而实现不同企业平台下的刀具数据共享。

　　4 信息模型

　　在全生命周期内，刀具信息模型是刀具信息系统各模块之司信息交换的标准，因此，建立一个标准的、完整的、开放的刀具信息模型是该刀具管理系统的关键所在。

　　4.1基于UML的刀具对象模型

　　通常情况下，刀具信息可以分为两大类:刀具静态数据和刀具动态数据。

　　(1)刀具静态数据:指刀具本身固有的，且不随刀具使用而发生变化的属性信息，即刀具的参数信息，包括刀具编码、名称、类型、材质、几何参数、结构信息等，其中刀具编码能唯一标识每把刀具，是刀具实体在生命周期内的信息采集的唯一标识符。

　　(2)刀具动态信息:指那些随着刀具使用业务流程的变化而变化的刀具信息，与具体业务相结合，包括库存信息、刀具借用信息、装配信息、刀具使用信息、对刀信息、刀具寿命信息及刀具位置/状态信息。针对以上刀具信息，本系统采用基于面向对象技术的UML( Unified Modeling Language，统一建模语言)[5]建立了如图3 所示的刀具对象模型。在该对象模型中，刀具信息类是一个整体类，其属性包含了基础信息类、采购信息类、库存信息类、借还信息类、现场信息类、刃磨信息类及报损信息类等七个部分类。此外，由于加工参数及刀头参数等重要数据会在多个类中重复使用，为了减少数据冗余，将其分别定义为三个独立的小类，以便被其它类引用。该模型基本涵盖了刀具从采购到报损整个生命周期内的所有重要信息，具有较好的完整性。

图3 基于皿ML的刀具对象模型

　　4.2 基于XML的刀具数据模式

　　·XML( extensible Markup Language，可扩展的标识语言) 因其具有相对严谨的定义数据结构的语法，现在正逐渐成为艾持数据交换的一种标准。相对于传统上定义XML文档结构使用的DTD(文档类型定义，document Type Definition)语言，XML Schema 在数据类型、复杂数据结构定义、语法直观性方面有不可

　　替代的优势[6]，所以本系统选用XML Schema 来描述该刀具对象模型的数据结构。

　　在利用XML Schema 描述UML 刀具对象模型过程中，主要解决UML 到XML Schema 之间对应的名称空间映射、元素和元素值的唯一性、多样性约束条件、继承、内容模型、元素顺序、数据类型及链接等问题，从而将UML中的数据有效转换为XML 中的标记，并把数据结构用XML Schema 表示出来。本系统制定了以下从UML对象模型到XML Schema 的映射规则:

　　(1)整个UML 模型映射成一个XML Schema 命名空间，模式中所有的元素(如element等)均在XML Schema 命名空间中。

　　(2)XML 模式元素名的唯一性通过模式文档的上下文来确定。如果不能根据文档上下文的限制来保证元素名的唯一性，则用具体的元素名标识。

　　(3)所有UML类均可生成XML Schema 中一个元素(lement);但对于简单的类(特别是部分类，如刀头参数类等)，亦可生成一个属性组(atribute-Gmup) 。

　　(4)如果UML类属性是基本数据类型，则映射到XML Schema中内置数据类型;如果属性是复杂数据类型，则映射到XML Schema 中个元素或者属性组。

　　(5)UML类存在聚集关联时，将部分类映射为整体类对应元素的子元素。

　　根据以上映射规则，将图3 的UML刀具对象模型转换成图4 所示的XML Schema 刀具对象数据模式。这种基于XML Schema 的刀具数据模式具有以下优点:

图4 基于XML刀具对象数据模式

　　(l)XML Schema 数据模式能较好描述刀具生命周期内的数据信息，是解决刀具系统中数据量庞大、数据类型多样性和复杂性及异构系统之间数据交换和共享的理解方案。

　　(2)XML Schema 是刀具管理系统中XML 数据一致性、标准化及规范性的保证，为实现数据的交换和共享提供强有力的支持。

　　5 系统实现

　　刀具管理系统采用B/S 三层结构(见图5)，刀具信息模型、接口程序及各功能模块等事务均在中间层(即应用服务层)处理，客户端(即Web测览器) 不直接与数据库进行交互。后台刀具数据库选用Microsoft SQL Server20OO，应用服务器选用Microsoft Vistul Studio.Net 2003 作为开发工具，客户端选用iE6.o测览器。该系统具有使用简便、客户端配置低、跨平台及易维护等优点。

图5 B/S三层结构示意图

　　6 结语

　　随着数控加工设备的广泛使用和数字化生产线、生产车间的建立，对刀具管理提出了迫切需求。本文通过对刀具全生命周期管理的分析和设计，同时对刀具信息模型的研究，实现了刀具从采购到报废全生命周期的有效管理，从而为我国制造业信息化建设起到了一定的指导和借鉴作用。