1 前 言
计算机集成制造系统(CIMS)是国家“863”计划的主题之一，它的实施，在制造业中产生了深远的影响，也深刻地变革着人类的生产制造理念。近年来，CIMS得到了国家和许多科学家与企业的高度重视，其发展十分迅速。“十五”期间，国家计划从深度和广度两个方面进一步推进CIMS在各行业的应用。所谓“广度”就是在更大范围、更大领域内推行计算机集成制造技术；而“深度”则是指在已实施CIMS应用示范工程的企业，在原有CIMS基础上，继续推进CIMS向底层方向发展。其中，制造执行系统是底层CIMS的重要技术之一，它可以沟通大多数企业业己存在的自动控制系统与上层CIMS间的信息“断层”，是应用于车间级的信息集成系统。
对于机械类生产车间，制造执行系统应包括：车间级作业计划与调度，工况数据采集、计算机辅助加工程序编制与管理、计算机辅助零件工艺编制(CAPP)、工具管理等子系统。这些内容既可以构成一个独立的系统，也可以与上层CIMS系统集成，为物料需求计划、生产计划、库存管理以及CAD、PDM等系统提供实时数据信息。
工具管理是制造执行系统所要研究的重要内容之一，特别是对于机械类生产车间，刀具、夹具和量具的管理是否科学，在很大程度上决定了制造执行系统的可靠性与生产效率的高低。然而，目前还没有利用计算机等先进手段，对工具进行现代化管理的成熟的商用软件，直接影响了机械企业加工设备的高效利用。具体弊端表现如下：
1)人工管理工具，劳动强度大，且容易出错；
2)工具准备计划和生产计划脱节，经常出现停机等待工具的现象；
3)无法准确掌握工具的磨损情况，影响了加工精度；
4)工具信息不畅通，制造资源计划(MRPⅡ)、CAPP子系统、NC子系统、工况数据采集系统和作业计划与调度系统等无法直接获得足够的工具信息。
因此，本文建立了一个基于计算机网络的工具管理系统模型，并分析它与制造执行系统中其它子系统的信息集成方案。
2 面向机械类生产车间的工具管理系统
2.1 模型结构
基于计算机网络的工具管理系统主要由以下几部分构成：中央工具库、工作地工具库、刀具预调库、刀具刃磨库和工具供应库等。它们组成一个局域网，在制造执行单元实现信息共享，并且预留接口，可以连结到整个企业网和企业外部网。工具管理系统的模型见下图1。
图1 工其管理系统模型图
中央工具库包括工具手册、库存管理、工具查询和报表及打印等四个模块，建立在车间工具仓库微机中；机床工具库包括机床刀具库、夹具和量具等三个模块，建立在工作地微机中。其数据库中的各模块关系如图2和图3所示。
图2 中央工具库各模块关系
图3 机床工具库各模块关系
2.2 中央工具库功能
中央工具库主要功能是工具信息维护与变更。
在刚建立工具库和新工具进入加工单元时，首先根据一定的编码规则对工具进行编码，并将工具信息输入计算机数据库中，构成工具手册，存储工具信息。然后用条形码打印机打印条形码，粘贴在工具上，以此跟踪工具位置，进行工具库存管理。
当某一工具数据库使用主体，需要查询工具信息时，可以通过工具查询模块中适合百己的查询方式，进行查询。
工具信息的变更，主要依据是通过报表及打印模块，得到机床工具库管理员对工具使用信息的反馈，并可打印出必要的信息。
2.3 机床工具库功能
机床工具库主要功能是存储本机床所有工具的信息，如本机床刀具在机床工具库的位置、刀具参数、刀具补偿值、刀具耐用度、夹具和量具信息等。它可以为数控车床和加工中心提供快速、准确、完整的工具信息，从而提高劳动生产率。
为使本系统运行安全、准确，必须对中央工具库和机床工具库的管理员设置不同的管理权限。
3 支持技术
3.1 工具编码技术
工具编码是工具管理中最基本的内容之一，它是工具数据信息的识别依据，每把工具古用一组。对工具编码的合理与否，直接影响到工具数据的存储、检索、传输的效率以及可靠性。编码符号采用数字和英文字母相结合的方式，既利于计算机识别，又利于使用者认知代码含义。刀具具体编码如下(表1)：
表1 刀具编码方法表
其中，姊妹码是区分同一型号工具的符号。
夹具、量具和辅具的编码规则如下(表2)：
表2 夹具、量具和编具的偏码规则表
3.2 刀具寿命预测
根据切削学理论，刀具的实际磨损与具体的加工状态如切削用量、刀具的材料、工件材料、切削部分的形状和刀具材料与加工材料的物理一化学及机械性能的综合等因素有关。可以采用数据库技术，将刀具耐用度计算的有关指数及修正系数建成数据表的形式，存放于机床工具库中，并从加工程序中采集相关的加工参数，这样就可以利用数据库的查询功能，编制相应的处理程序，智能化地确定刀具的耐用度及刀具的剩余磨损寿命，实时掌握刀具的磨损情况，并能提前预测刀具破损时间，既可以在刀具磨损到一定程度时，提示重新磨刃，在刀具破损前，强制刀具报废，避免潜在的巨大损失的出现，同时又可以优化刀具寿命管理。
4 工具管理系统与制造执行系统中其它子系统的信息集成
制造执行系统既是一个加工单元，又是一个信息单元，其中作业计划编制与生产调度系统(CAPS)是制造执行系统的核心，而工具管理系统是一个不可或缺的重要组成部分。作业计划编制与生产调度系统可以通过调制解调器(MODEM)接受虚拟公司联盟单位或厂部计划部门的生产信息，如产品型号、批量、交货期、图样、NC程序等。然后，根据CAPP系统的工序名称、时间、工时定额、所需设备型号、工装等信息，并从工具数据库提取工、夹之量具信息，从资源库中提取设备信息、人员信息等编制具体的作业计划，将相应的生产任务和NC程序通过网络自动传送给工作地微机，再由现场工作人员在该微机的任务板上查看自己的任务，将NC程序传给相应的数睦机床，并操作机床完成加工任务。其信息流程如下图4所示：
图4 工具管理系统与执行系统中其它子系统的关系
另外，作业计划编制与生产调度系统述接收工作地微机采集的工况数据(如完成件数、废品数、工夹具状况)以及机床数据(如机床损坏、开停机时间、加工时间等)，并将有关数据传送给厂长查询系统(EMS)。调度系统根据加工现场的实际情况可对作业计划进行及时调整，这实际上就构成了一个线路最短的信息闭环调解回路，便生产信息流动畅通、及时、准确。
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本文标题：制造执行系统（MES）中工具管理的研究
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