2024年5月7日发(作者：高涵桃)
官理与
言息
4
Management
and
Informatization
______________________________________________________
2°
茁年第
2
期
*
航天智能制造生产线刀具管理系统研究
张素燕
张
泽何万林
吴雪松
刘
鑫
刘
争
赵洪杰
落海伟
(首都航天机械有限公司，
北京
100076)
摘
要:针对生产线智能化刀具管理系统建设需求
，
基于
TDM
刀具管理软件
，
通过对刀仪
、
立体库
、
RFID
射
频识别等硬件搭建和软件集成，
实现了工艺设计阶段
、
生产准备阶段
、
生产加工阶段刀具信息的传递
与共享
，
最终实现了刀具全生命周期管理
。
研究成果对提高生产线刀具管理信息化
、
智能化水平有
着非常重要的意义
。
关键词
：
智能制造生产线;刀具管理系统;
R
町
D
射频识别;全生命周期管理
中图分类号:
TG71
文献标识码:
A
DOI
：
10.
19287/j.
cnki.
1005-2402.2021.
02.
024
The
research
of
tool
management
system
for
aerospace
intelligent
production
line
ZHANG
Suyan,
ZHANG
Ze,
HE
Wanlin,
WU
Xuesong,
LIU
Xin,
LIU
Zheng,
ZHAO
Hongjie,
LUO
Haiwei
(
Capital
Aerospace
Machinery
Co.
,
Ltd.
,
Beijing
100076,
CHN)
Abstract
:
To
meet
the
construction
requirement
of
the
intelligent
tool
management
system
,
based
on
the
TDM
sys
tem
,
the
hardware
and
software
of
the
tool-measure
device
,
automated
warehouse
and
radio
frequency
i-
dentification
(
RFID
)
is
set
up
,
and
the
tool
information
can
transmit
and
share
between
the
process
de
sign,
arrangements
and
production.
At
last,
the
tool
life-cycle
management
is
implemented.
The
result
is
of
great
significance
to
improve
the
informatization
and
intelligence
of
tool
management
system.
Keywords
:
intelligent
production
Line
；
tool
management
system
；
radio
frequency
identification
(
RFID
)
；
tool
life-
cycle
management
数控刀具管理水平是航天智能制造生产线能够高
效
、
低成本运行的关键因素
，在很大程度上决定了生产
机电研究所的
AMS
-
TMS
和四川成飞科技的
FDNC
⑻等
。
国内外刀具管理软件大部分作为独立的系统使
用,部分能够实现与其他软件的集成
。但是与生产线
各业务部门之间的信息共享程度低
，
无法追踪物理刀
线的运行能力和经济效益
。
随着数字制造技术的快速
发展
，
数控刀具的种类和数量日益增多
,
相关的信息参
数也逐步增多
，
传统的人工纸质管理模式已经无法满
足生产线刀具管理需求口切
。
综合应用信息网络技
术、
计算机技术和数据库技术
,
建设智能化的刀具管理
系统
,
实现数控刀具全生命周期管理
,
有利于提升生产
具的位置
、
记录刀具切削时间和刀具使用寿命
。
近年来，
射频识别
(
radio
frequency
identification
,
RFID
)
技术快速发展
，
其可重复读写
、
信息存储量大,
为刀具管理提供了一种稳定有效的识别方法
。
目前德
线的生产水平
，
提高经济效益
。
随着刀具管理技术的不断发展
,
刀具管理软件日
国
、日本等国家已将其应用于刀具管理系统
，
如德国的
益成熟，
国外企业推出了一些成形的商业软件,如瑞典
Balhiff
公司将
RFID
技术应用到刀具管理系统
miLink
Sandvik
公司的
TDM
System
软件
、
美国
Kennametal
公
司的
KATMS
软件
、
英国
CTMS
公司的
CTMS
软件
、
德
国
Delkel
公司的
Tool
Manager
软件等①刀
。
国内高校
Tool
ID
中
，
可以获得加工时的刀具磨损补偿量
、刀具
几何偏置量等⑼
。
国内主要进行
RFID
刀具识别系统
的开发研究
，
与刀具管理系统相结合的较少
［
⑹
o
和企业对刀具管理理论模型和系统软件也进行了深入
研究,
开发出相应的刀具管理软件
，
如:北京兰光创新
因此亟需开展智能化刀具管理系统开发
，
以实现
数控刀具的全生命周期管理
。
基于
TDM
刀具管理软
件
，
通过对刀仪
、
立体库
、
RFID
射频识别等硬件搭建和
的
Smart
Crib
软件
、
上海诺升科技的
eTMS
软件
、
北京
*
“
国防基础科研计划仃
CKY2018601C002)
；
装备预先研究项目
(41423010301)
•
120
•
用
§9
“
刻出滋**和雷
2021
年第
2
期
软件集成
,
建立航天智能制造生产线刀具管理系统
,
实
现工艺设计阶段
、
生产准备阶段
、
生产加工阶段刀具信
息的传递与共享,最终实现刀具的全生命周期管理
。
1
刀具管理系统搭建
刀具管理系统需要面向刀具流转的各个部门与环
节,工艺设计阶段需要为工艺人员提供刀具基本信息
和切削参数
,
生产准备阶段需要为工具室人员提供库
存信息
、
预调信息,生产加工阶段需要采集记录刀具位
置
、
刀具寿命以及切削参数信息
。
数字化机加生产线
刀具管理系统整体结构如图
1
所示
，
通过搭建
TDM
刀
具管理软件与各软件系统之间的接口
，
基于
RFID
刀
具射频识别技术
、
MDC
数据采集与监控技术
、
DNC
分
布式数控网络技术
，
从而实现刀具信息在各生产环节
之间的同步和共享以及物理刀具全生命周期管理
。
图
1
数字化机加生产线刀具管理系统整体结构图
2
刀具数据库
为了实现刀具全参数量化管理
，
将现场库房中所
有刀具的详细信息(刀具全部参数
、
二维图纸
、
三维模
型等)录入
TDM
刀具管理软件
，
形成与现场库房相对
应的虚拟刀具库房
，建立统一的刀具数据库
。
TDM
刀
具数据库主要包括刀具单项
、刀具装配体
、
刀具切削参
数和刀具库存管理
。
(1)
刀具单项数据库:刀具单项包括刀片
、
刀柄
、
刀杆
、
整体硬质合金刀
、
夹罐和拉钉等
，
将刀具几何结
构参数
、二维图纸和三维图纸等录入刀具单项数据库
(如图
2)
。
(2)
刀具组装体数据库:在刀具单项的基础上
，
通
过接口匹配可实现刀具虚拟装配
,
装配过程按照现场
实际装夹方式装配
,
且装配悬长可根据需求定义
(
如
图
3)
。
(3)
切削参数数据库:在刀具组装体模块中设有
月
§9*
刻出滋*乜和
%®
Management
and
Informatization
管理与信息
ft
切削参数数据库
,
建立切削参数数据库时
,
需要设置相
应的切削形式和切削材料等
。
(4)
刀具库存管理:
TDM
库存管理模块包含刀具
库存管理
、
刀具借入借出等功能,可管理刀具立体库
、
机床和刀具维护处的刀具信息
，
包括库存位置
、
存储数
量等
。
Y
图
3
刀具装配体三维模型
3
工艺设计流程
刀具管理系统建设过程中
，
通过
TDM
刀具管理软
件与数控编程软件
NX
、
数控加工仿真软件
Vericut
集
成
，
实现刀具信息数据共享与同步
。
工艺人员进行工
艺设计
、
数控编程和数控仿真时,刀具管理系统能够提
供全面真实的刀具信息
,
使设计的工艺规程更具有指
导性
,
制定的切削参数更加准确,数控程序仿真验证准
确度更高
。
3.1
数控编程软件集成
图
4
刀具搜索结果
通过
TDM
刀具管理软件与数控编程软件
NX
的
集成
，
把刀具数据和模型转换成
NX
可读取的文件
，
在
数控编程过程中,通过刀具库的调用实现刀具参数从
TDM
到
NX
的传递
，其传递信息包括刀具几何参数
、
切
削参数和三维模型
。
图
4
所示为
NX
软件刀具搜索界
・121・
管理与信息化
Management
and
Informatization
面
，
可根据刀具
ID
号
、
刀具直径
、
刀具
R
角
、
刀具总
长
、
刀具螺旋槽长等参数搜索
TDM
刀具管理系统中满
足要求的刀具
。
图
5
和图
6
所示为
TDM
软件导入
NX
软件中的刀具三维模型和几何信息
、
刀具切削信息
。
图
5
刀具三维模型及几何结构参数导入
图
6
切削参数导入
刀具装配体三维模型导入,用于初步判断刀具是
否干涉;刀具几何结构参数导入
，
如刀具直径
、
圆角半
径
,用于根据刀具结构生成相应数控程序;刀具切削参
数导入
，
能够生成具有相应切削参数的数控程序
：
%
（
XXXXXXXXX1000000039
）
%%
刀具
ID
号
G40
G17
G49
G80
G90
G54
T39
M6%%T
号码
S1592
M03%
主轴转速
GO
XO
Y0
G43
Z50
H00
G1
X0.102
Z48.577
F318.4
M08%
进给速度
X0.405
Z47.183
X0.904
Z45.846
生成的数控程序能够体现刀具号
、
切削参数等信
•
122
•
2024
年第
2
期
息
，
因此通过
TDM
刀具管理系统
，
实现数控程序与真
实物理世界刀具信息的同步
。
待工艺人员完成编程
后
，
通过数控编程软件后处理模块
,
将同一工步所采用
的刀具生成刀具列表
，
回传至刀具管理系统
，
如图
7
所
示
。
工具室操作人员可根据刀具列表进行刀具的装配
与输送
。
三丁蓬J乜亘®
V
-
E
==
::-
尹二
J
三三二二二
图
7
刀具列表
3.2
数控仿真软件集成
TDM
刀具管理系统与数控程序仿真软件
Vericut
之间为数据单向传输
，
刀具管理系统将刀具装配体转
换成符合
Vericut
数据结构的三维模型
，
待
Vericut
仿
真时
，
通过刀具列表导入仿真系统中
（
如图
8
）
，
进行刀
具干涉与碰撞的检查
（
如图
9
）
。
通过
Vericut
仿真
，
可
以检查数控程序的正确性以及刀具干涉情况,而且刀
具装配体三维模型与真实物理刀具的三维模型一致
，
图
8
Vericut
软件导入的刀具三维模型
图
9
Vericut
软件刀具轨迹仿真
用
§9
“
刻出滋**和雷
2021
年第
2
期
干涉仿真结果能直接应用于生产现场,实际加工过程
中避免重新对刀和试切
，减少了加工时间
，
提高了生产
效率
。
4
物理刀具管理
刀具管理系统能够实现物理刀具的入库
、
出库
、
组
装、
使用、
报废整个生命周期的管理
。
通过对刀仪
、
立
体刀库的硬件搭建和软件集成
，
实现
TDM
刀具管理软
件与对刀仪和立体刀库之间的数据传递
,
完成刀具自
动存储与预调。
通过
RFID
刀具射频识别系统建立,
实现刀具参数电子化传递
、
刀具位置追踪定位以及刀
具寿命检测和控制
。
4.1
刀具自动存储与预调
刀具立体库选用
Kardex
升降立体柜(如图
10),
刀具立体库与
TDM
刀具管理软件之间具备数据交互
能力
。
立体库中刀具状态可通过
TDM
刀具管理软件
进行查询
，
并且
TDM
软件具备立体刀库指令发送能力
(如图
11)
，
可在
TDM
中调用库中所有刀具
，
实现刀具
在立体库
、
对刀间
、
数控机床之间的领取
、
返还以及新
刀具的录入和废刀具的报废
。
图
10
kardex
立体库
图
11
TDK
傲件驱动
kardex
立体库
对刀仪选用德国
Zoller
公司的
venturion
450/6,
设
备控制系统为
Zoller
pilot
3.0,
如图
12
所示
，
其中的测
量程序能实现铳刀
、
钻头、
车刀多种类型刀具的自动测
量
。
通过
TDM
刀具管理软件与
Zoller
对刀仪软件接
口集成
，
实现刀具信息的传递
。
刀具操作人员通过
TDM
刀具管理软件发送刀具预调指令,刀具列表及其
月
§9*
刻出滋*乜和
%®
Management
and
Informatization
管理与信息
ft
所包含的刀具装配体信息通过远程传送至对刀仪
，
具
体包括刀具列表
ID
、
刀具组装体
ID
、
刀具组装体名称
1
、
刀具直径
、
刀长
。
操作人员根据接收到的刀具信息
进行刀具装配
，
装配完成后采用
Zoller
对刀仪进行刀
具测试预调
，
对刀完成后显示刀具组装体实测值
。
图
12
Zoller
对刀仪
物理刀具流转过程
：
(1)
MES
制造执行系统将任务指令下发到
TDM
刀具管理软件
。
TDM
根据任务指令将相应刀具列表
及具体刀具单项
、
刀具组装体信息下发到立体库和对
刀仪
。
(2)
刀具操作人员根据任务指令从
Kardex
立体库
提取相应刀具单项
。
(3
)
基于
Zoller
对刀仪接收到的刀具信息,刀具操
作人员到装刀台进行刀具组装
。
刀具组装完成后
，
采
用
Zoller
对刀仪进行刀具参数测量
,
如检测不合格
，
可
重新调整刀具装配体
。
(4)
装配完成后
，
将刀具实际测量数据回传到
TDM
刀具管理软件
。
将物理刀具配送到工位机床
，
用
于现场实际加工
。
(5)
刀具使用完成后将刀具返回刀具管理部门进
行回收拆解
，
并对
TDM
中刀具库存状态和参数进行相
应调整
。
4.2
刀具
RFID
射频识别
数字化生产线刀具
RFID
射频识别系统由
RFID
芯片和
RFID
读写器组成
，
其中读写器有手持式和固
定式
。
将可重复读写的
RFID
芯片嵌入刀柄中
，
在对
刀仪和立体库安装手持式
RFID
读写器
，
在数控机床
安装手持式和固定式
RFID
读写器
。
嵌有
RFID
芯片
的刀具在靠近
RFID
读写器时
，
读写器自动读取
RFID
芯片内信息
，
射频识别具有识别速度快
、
识别距离可控
的特点
，
并适应机加工使用环境
。
刀具
RFID
管理流
程如图
13
所示
，
具体流程如下
：
(1)
在对刀仪进行刀具预调时
，
通过手持
RFID
读
写器将装配体刀具信息(刀具
ID
号
、
刀具参数
、
刀具状
态等)写入
RFID
芯片中
，
并保存在刀具管理服务器中
。
(2)
刀具预调后
，由工具室操作人员将装配体刀
具存入立体刀库,立体刀库手持
RFID
读写器识别刀
•
123
•
管理与信息化
Management
and
Informatization
具芯片信息并记录刀具位置信息
O
<6>
刀具配送
<5>
<7>
<8>
2024
年第
2
期
(2)
通过
TDM
刀具管理软件与数控编程软件
NX
、
数控加工仿真软件
Vericut
集成
，
实现刀具信息数
据共享与同步
。
工艺人员进行数控编程和数控仿真
时
,
刀具管理系统能够提供全面真实的刀具信息
,
使设
中央刀库|
工位
要刀
|刀具立体库匕
RFID
读写器|
<4>
mt
<1>
刀具信总
<9>
n
计的工艺规程更具有指导性
，
制定的切削参数更加准
确
，
数控程序仿真验证准确度更高
。
校验
服务器
(3)
通过对刀仪
、
立体刀库的硬件搭建和软件集
禺
<2
卅
i
调
<3>
_
Illi
I
CNC
机床
成,实现了
TDM
刀具管理软件与对刀仪和立体刀库之
手持
RFIE
犊写器
间的数据传递，
完成了刀具自动存储与预调
。
刀具参数存
入服务器
<12>
CNC
数控系统
J
(4)
通过
RFID
刀具射频识别系统建立
，
实现刀具
参数电子化传递
、
刀具位置追踪定位以及刀具寿命检
测和控制
。
对刀仪
URFID
读写器
写入芯片
<11>
刀具信息回传
<10>
刀具信息写入机床
图
13
刀具
RFID
管理流程
参考文献
[1]
熊昕.数控刀具全生命周期智能管理系统研究
[D].
重庆:重庆大
(3)
工具室操作人员根据生产任务需求将装配体
刀具配送到中央刀库
，
刀库固定
RFID
读写器识别刀
具芯片信息并记录刀具位置信息
。
学
,2017.
[2]
姜峰.刀具管理网络信息化系统的研究与开发
[D].
长春:吉林大
学
,2016.
[3]
李伟.数字化车间基于
MES
的刀具管理模式研究与系统开发
[D].
(4)
加工开始前
，
机器人抓取中央刀库中的刀具
放入机床缓存刀库上。
并通过机床上固定
RFID
读写
重庆
：
重庆大学
,2016.
[4]
翟银星.数字化车间刀具全生命周期可视化管理系统研究与开发
[D].
南昌
：
南昌大学
,2012.
器
,识别刀具芯片信息
,
进行刀具信息校验
,
将刀具信
息写入机床寄存器中
。
[5]
薛宏.企业级刀具全生命周期管理系统研发
[D].
重庆
：
重庆大
(5)
加工过程中
，
通过数据采集系统采集刀具信
息
、切削参数和刀具加工时间等
。
学
,2015.
[6]
Svinjarevio
G
,
Stoio
A
,
Kopao
J.
Implementation
of
culling
tool
manage
ment
system
[
J
].
Journal
of
Achievements
in
Materials
and
(6)
加工完成后
，通过机内对刀仪重新对刀
,
并通
过手持
RFID
读写器将刀具信息写入刀具芯片中
。
若
Manufacturing
Engineering
,
2007,
23(1)
:
99-102.
加工完成后
，
刀具报废
，
则通过手持
RFID
读写器将芯
片中的刀具状态信息进行更改
。
[7]
Akturk
M
S
,
Onen
S.
Dynamic
lot
sizing
and
tool
management
in
auto
mated
manufacturing
systems
[
J
].
Computers
and
Operations
Research
,
2002,
29(8)
:
1059-1079.
5
结语
针对数字化机加生产线智能化刀具管理系统建设
[8]
刘丰文.刀具全生命周期信息管理技术研究
[D].
大连
：
大连理工大
学
,2015.
[9]
陈逸群.基于
RFID
的刀具自动识别及信息管理系统
[D].
武汉:华
需求
，
基于
TDM
刀具管理软件，
通过对刀仪
、
立体库
、
中科技大学
,2014.
[10]
海源
，
张松
，
李剑峰
，
等.基于射频识别技术的车间级刀具管理系统
[J].
计算机集成制造系统
,2016,22(8)
：
1907-1918.
RFID
射频识别等硬件搭建和软件集成,实现了工艺设
计阶段、生产准备阶段
、
生产加工阶段刀具信息的传递
与共享
，
最终实现了刀具的全生命周期管理
。
第一作者
：
张素燕
，
女
,1989
年生
，
博士
，
工程师
，
研究方向为智能制造
、
数字化生产线建设
。
(1)
基于
TDM
刀具管理软件
，
建立了完整的刀具
数据库,
包括刀具单项数据库
、
刀具装配体数据库
、
切
(编辑高扬)
(收稿日期:
2020-02-18)
削参数数据库和刀具库存数据库
，
形成了与现场库房
—
—
对应的虚拟刀具库房
。
文章编号
：
20210228
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•
知识窗
•
水玻璃模数
(
sodiun
silicate
module)
水玻璃(硅酸钠)中二氧化珪与氧化钠摩尔数的比值
。
铸纲
(
casr
steel)
铸件用钢
。
铸铁
(cast
iron)
主要由铁
、
碳和珪组成的合金的总称
，
在这些合金中
，
含碳量超过了在共晶温度时能保留在奥氏体固溶体中
的量
。
灰铸铁
(
gray
cast
iron)
又称灰口铸铁
。
碳分主要以片状石墨形式出现的铸铁,断口呈灰色
。
•
124
•
用
§9
“
刻出滋**和雷
2024年5月7日发(作者：高涵桃)
官理与
言息
4
Management
and
Informatization
______________________________________________________
2°
茁年第
2
期
*
航天智能制造生产线刀具管理系统研究
张素燕
张
泽何万林
吴雪松
刘
鑫
刘
争
赵洪杰
落海伟
(首都航天机械有限公司，
北京
100076)
摘
要:针对生产线智能化刀具管理系统建设需求
，
基于
TDM
刀具管理软件
，
通过对刀仪
、
立体库
、
RFID
射
频识别等硬件搭建和软件集成，
实现了工艺设计阶段
、
生产准备阶段
、
生产加工阶段刀具信息的传递
与共享
，
最终实现了刀具全生命周期管理
。
研究成果对提高生产线刀具管理信息化
、
智能化水平有
着非常重要的意义
。
关键词
：
智能制造生产线;刀具管理系统;
R
町
D
射频识别;全生命周期管理
中图分类号:
TG71
文献标识码:
A
DOI
：
10.
19287/j.
cnki.
1005-2402.2021.
02.
024
The
research
of
tool
management
system
for
aerospace
intelligent
production
line
ZHANG
Suyan,
ZHANG
Ze,
HE
Wanlin,
WU
Xuesong,
LIU
Xin,
LIU
Zheng,
ZHAO
Hongjie,
LUO
Haiwei
(
Capital
Aerospace
Machinery
Co.
,
Ltd.
,
Beijing
100076,
CHN)
Abstract
:
To
meet
the
construction
requirement
of
the
intelligent
tool
management
system
,
based
on
the
TDM
sys
tem
,
the
hardware
and
software
of
the
tool-measure
device
,
automated
warehouse
and
radio
frequency
i-
dentification
(
RFID
)
is
set
up
,
and
the
tool
information
can
transmit
and
share
between
the
process
de
sign,
arrangements
and
production.
At
last,
the
tool
life-cycle
management
is
implemented.
The
result
is
of
great
significance
to
improve
the
informatization
and
intelligence
of
tool
management
system.
Keywords
:
intelligent
production
Line
；
tool
management
system
；
radio
frequency
identification
(
RFID
)
；
tool
life-
cycle
management
数控刀具管理水平是航天智能制造生产线能够高
效
、
低成本运行的关键因素
，在很大程度上决定了生产
机电研究所的
AMS
-
TMS
和四川成飞科技的
FDNC
⑻等
。
国内外刀具管理软件大部分作为独立的系统使
用,部分能够实现与其他软件的集成
。但是与生产线
各业务部门之间的信息共享程度低
，
无法追踪物理刀
线的运行能力和经济效益
。
随着数字制造技术的快速
发展
，
数控刀具的种类和数量日益增多
,
相关的信息参
数也逐步增多
，
传统的人工纸质管理模式已经无法满
足生产线刀具管理需求口切
。
综合应用信息网络技
术、
计算机技术和数据库技术
,
建设智能化的刀具管理
系统
,
实现数控刀具全生命周期管理
,
有利于提升生产
具的位置
、
记录刀具切削时间和刀具使用寿命
。
近年来，
射频识别
(
radio
frequency
identification
,
RFID
)
技术快速发展
，
其可重复读写
、
信息存储量大,
为刀具管理提供了一种稳定有效的识别方法
。
目前德
线的生产水平
，
提高经济效益
。
随着刀具管理技术的不断发展
,
刀具管理软件日
国
、日本等国家已将其应用于刀具管理系统
，
如德国的
益成熟，
国外企业推出了一些成形的商业软件,如瑞典
Balhiff
公司将
RFID
技术应用到刀具管理系统
miLink
Sandvik
公司的
TDM
System
软件
、
美国
Kennametal
公
司的
KATMS
软件
、
英国
CTMS
公司的
CTMS
软件
、
德
国
Delkel
公司的
Tool
Manager
软件等①刀
。
国内高校
Tool
ID
中
，
可以获得加工时的刀具磨损补偿量
、刀具
几何偏置量等⑼
。
国内主要进行
RFID
刀具识别系统
的开发研究
，
与刀具管理系统相结合的较少
［
⑹
o
和企业对刀具管理理论模型和系统软件也进行了深入
研究,
开发出相应的刀具管理软件
，
如:北京兰光创新
因此亟需开展智能化刀具管理系统开发
，
以实现
数控刀具的全生命周期管理
。
基于
TDM
刀具管理软
件
，
通过对刀仪
、
立体库
、
RFID
射频识别等硬件搭建和
的
Smart
Crib
软件
、
上海诺升科技的
eTMS
软件
、
北京
*
“
国防基础科研计划仃
CKY2018601C002)
；
装备预先研究项目
(41423010301)
•
120
•
用
§9
“
刻出滋**和雷
2021
年第
2
期
软件集成
,
建立航天智能制造生产线刀具管理系统
,
实
现工艺设计阶段
、
生产准备阶段
、
生产加工阶段刀具信
息的传递与共享,最终实现刀具的全生命周期管理
。
1
刀具管理系统搭建
刀具管理系统需要面向刀具流转的各个部门与环
节,工艺设计阶段需要为工艺人员提供刀具基本信息
和切削参数
,
生产准备阶段需要为工具室人员提供库
存信息
、
预调信息,生产加工阶段需要采集记录刀具位
置
、
刀具寿命以及切削参数信息
。
数字化机加生产线
刀具管理系统整体结构如图
1
所示
，
通过搭建
TDM
刀
具管理软件与各软件系统之间的接口
，
基于
RFID
刀
具射频识别技术
、
MDC
数据采集与监控技术
、
DNC
分
布式数控网络技术
，
从而实现刀具信息在各生产环节
之间的同步和共享以及物理刀具全生命周期管理
。
图
1
数字化机加生产线刀具管理系统整体结构图
2
刀具数据库
为了实现刀具全参数量化管理
，
将现场库房中所
有刀具的详细信息(刀具全部参数
、
二维图纸
、
三维模
型等)录入
TDM
刀具管理软件
，
形成与现场库房相对
应的虚拟刀具库房
，建立统一的刀具数据库
。
TDM
刀
具数据库主要包括刀具单项
、刀具装配体
、
刀具切削参
数和刀具库存管理
。
(1)
刀具单项数据库:刀具单项包括刀片
、
刀柄
、
刀杆
、
整体硬质合金刀
、
夹罐和拉钉等
，
将刀具几何结
构参数
、二维图纸和三维图纸等录入刀具单项数据库
(如图
2)
。
(2)
刀具组装体数据库:在刀具单项的基础上
，
通
过接口匹配可实现刀具虚拟装配
,
装配过程按照现场
实际装夹方式装配
,
且装配悬长可根据需求定义
(
如
图
3)
。
(3)
切削参数数据库:在刀具组装体模块中设有
月
§9*
刻出滋*乜和
%®
Management
and
Informatization
管理与信息
ft
切削参数数据库
,
建立切削参数数据库时
,
需要设置相
应的切削形式和切削材料等
。
(4)
刀具库存管理:
TDM
库存管理模块包含刀具
库存管理
、
刀具借入借出等功能,可管理刀具立体库
、
机床和刀具维护处的刀具信息
，
包括库存位置
、
存储数
量等
。
Y
图
3
刀具装配体三维模型
3
工艺设计流程
刀具管理系统建设过程中
，
通过
TDM
刀具管理软
件与数控编程软件
NX
、
数控加工仿真软件
Vericut
集
成
，
实现刀具信息数据共享与同步
。
工艺人员进行工
艺设计
、
数控编程和数控仿真时,刀具管理系统能够提
供全面真实的刀具信息
,
使设计的工艺规程更具有指
导性
,
制定的切削参数更加准确,数控程序仿真验证准
确度更高
。
3.1
数控编程软件集成
图
4
刀具搜索结果
通过
TDM
刀具管理软件与数控编程软件
NX
的
集成
，
把刀具数据和模型转换成
NX
可读取的文件
，
在
数控编程过程中,通过刀具库的调用实现刀具参数从
TDM
到
NX
的传递
，其传递信息包括刀具几何参数
、
切
削参数和三维模型
。
图
4
所示为
NX
软件刀具搜索界
・121・
管理与信息化
Management
and
Informatization
面
，
可根据刀具
ID
号
、
刀具直径
、
刀具
R
角
、
刀具总
长
、
刀具螺旋槽长等参数搜索
TDM
刀具管理系统中满
足要求的刀具
。
图
5
和图
6
所示为
TDM
软件导入
NX
软件中的刀具三维模型和几何信息
、
刀具切削信息
。
图
5
刀具三维模型及几何结构参数导入
图
6
切削参数导入
刀具装配体三维模型导入,用于初步判断刀具是
否干涉;刀具几何结构参数导入
，
如刀具直径
、
圆角半
径
,用于根据刀具结构生成相应数控程序;刀具切削参
数导入
，
能够生成具有相应切削参数的数控程序
：
%
（
XXXXXXXXX1000000039
）
%%
刀具
ID
号
G40
G17
G49
G80
G90
G54
T39
M6%%T
号码
S1592
M03%
主轴转速
GO
XO
Y0
G43
Z50
H00
G1
X0.102
Z48.577
F318.4
M08%
进给速度
X0.405
Z47.183
X0.904
Z45.846
生成的数控程序能够体现刀具号
、
切削参数等信
•
122
•
2024
年第
2
期
息
，
因此通过
TDM
刀具管理系统
，
实现数控程序与真
实物理世界刀具信息的同步
。
待工艺人员完成编程
后
，
通过数控编程软件后处理模块
,
将同一工步所采用
的刀具生成刀具列表
，
回传至刀具管理系统
，
如图
7
所
示
。
工具室操作人员可根据刀具列表进行刀具的装配
与输送
。
三丁蓬J乜亘®
V
-
E
==
::-
尹二
J
三三二二二
图
7
刀具列表
3.2
数控仿真软件集成
TDM
刀具管理系统与数控程序仿真软件
Vericut
之间为数据单向传输
，
刀具管理系统将刀具装配体转
换成符合
Vericut
数据结构的三维模型
，
待
Vericut
仿
真时
，
通过刀具列表导入仿真系统中
（
如图
8
）
，
进行刀
具干涉与碰撞的检查
（
如图
9
）
。
通过
Vericut
仿真
，
可
以检查数控程序的正确性以及刀具干涉情况,而且刀
具装配体三维模型与真实物理刀具的三维模型一致
，
图
8
Vericut
软件导入的刀具三维模型
图
9
Vericut
软件刀具轨迹仿真
用
§9
“
刻出滋**和雷
2021
年第
2
期
干涉仿真结果能直接应用于生产现场,实际加工过程
中避免重新对刀和试切
，减少了加工时间
，
提高了生产
效率
。
4
物理刀具管理
刀具管理系统能够实现物理刀具的入库
、
出库
、
组
装、
使用、
报废整个生命周期的管理
。
通过对刀仪
、
立
体刀库的硬件搭建和软件集成
，
实现
TDM
刀具管理软
件与对刀仪和立体刀库之间的数据传递
,
完成刀具自
动存储与预调。
通过
RFID
刀具射频识别系统建立,
实现刀具参数电子化传递
、
刀具位置追踪定位以及刀
具寿命检测和控制
。
4.1
刀具自动存储与预调
刀具立体库选用
Kardex
升降立体柜(如图
10),
刀具立体库与
TDM
刀具管理软件之间具备数据交互
能力
。
立体库中刀具状态可通过
TDM
刀具管理软件
进行查询
，
并且
TDM
软件具备立体刀库指令发送能力
(如图
11)
，
可在
TDM
中调用库中所有刀具
，
实现刀具
在立体库
、
对刀间
、
数控机床之间的领取
、
返还以及新
刀具的录入和废刀具的报废
。
图
10
kardex
立体库
图
11
TDK
傲件驱动
kardex
立体库
对刀仪选用德国
Zoller
公司的
venturion
450/6,
设
备控制系统为
Zoller
pilot
3.0,
如图
12
所示
，
其中的测
量程序能实现铳刀
、
钻头、
车刀多种类型刀具的自动测
量
。
通过
TDM
刀具管理软件与
Zoller
对刀仪软件接
口集成
，
实现刀具信息的传递
。
刀具操作人员通过
TDM
刀具管理软件发送刀具预调指令,刀具列表及其
月
§9*
刻出滋*乜和
%®
Management
and
Informatization
管理与信息
ft
所包含的刀具装配体信息通过远程传送至对刀仪
，
具
体包括刀具列表
ID
、
刀具组装体
ID
、
刀具组装体名称
1
、
刀具直径
、
刀长
。
操作人员根据接收到的刀具信息
进行刀具装配
，
装配完成后采用
Zoller
对刀仪进行刀
具测试预调
，
对刀完成后显示刀具组装体实测值
。
图
12
Zoller
对刀仪
物理刀具流转过程
：
(1)
MES
制造执行系统将任务指令下发到
TDM
刀具管理软件
。
TDM
根据任务指令将相应刀具列表
及具体刀具单项
、
刀具组装体信息下发到立体库和对
刀仪
。
(2)
刀具操作人员根据任务指令从
Kardex
立体库
提取相应刀具单项
。
(3
)
基于
Zoller
对刀仪接收到的刀具信息,刀具操
作人员到装刀台进行刀具组装
。
刀具组装完成后
，
采
用
Zoller
对刀仪进行刀具参数测量
,
如检测不合格
，
可
重新调整刀具装配体
。
(4)
装配完成后
，
将刀具实际测量数据回传到
TDM
刀具管理软件
。
将物理刀具配送到工位机床
，
用
于现场实际加工
。
(5)
刀具使用完成后将刀具返回刀具管理部门进
行回收拆解
，
并对
TDM
中刀具库存状态和参数进行相
应调整
。
4.2
刀具
RFID
射频识别
数字化生产线刀具
RFID
射频识别系统由
RFID
芯片和
RFID
读写器组成
，
其中读写器有手持式和固
定式
。
将可重复读写的
RFID
芯片嵌入刀柄中
，
在对
刀仪和立体库安装手持式
RFID
读写器
，
在数控机床
安装手持式和固定式
RFID
读写器
。
嵌有
RFID
芯片
的刀具在靠近
RFID
读写器时
，
读写器自动读取
RFID
芯片内信息
，
射频识别具有识别速度快
、
识别距离可控
的特点
，
并适应机加工使用环境
。
刀具
RFID
管理流
程如图
13
所示
，
具体流程如下
：
(1)
在对刀仪进行刀具预调时
，
通过手持
RFID
读
写器将装配体刀具信息(刀具
ID
号
、
刀具参数
、
刀具状
态等)写入
RFID
芯片中
，
并保存在刀具管理服务器中
。
(2)
刀具预调后
，由工具室操作人员将装配体刀
具存入立体刀库,立体刀库手持
RFID
读写器识别刀
•
123
•
管理与信息化
Management
and
Informatization
具芯片信息并记录刀具位置信息
O
<6>
刀具配送
<5>
<7>
<8>
2024
年第
2
期
(2)
通过
TDM
刀具管理软件与数控编程软件
NX
、
数控加工仿真软件
Vericut
集成
，
实现刀具信息数
据共享与同步
。
工艺人员进行数控编程和数控仿真
时
,
刀具管理系统能够提供全面真实的刀具信息
,
使设
中央刀库|
工位
要刀
|刀具立体库匕
RFID
读写器|
<4>
mt
<1>
刀具信总
<9>
n
计的工艺规程更具有指导性
，
制定的切削参数更加准
确
，
数控程序仿真验证准确度更高
。
校验
服务器
(3)
通过对刀仪
、
立体刀库的硬件搭建和软件集
禺
<2
卅
i
调
<3>
_
Illi
I
CNC
机床
成,实现了
TDM
刀具管理软件与对刀仪和立体刀库之
手持
RFIE
犊写器
间的数据传递，
完成了刀具自动存储与预调
。
刀具参数存
入服务器
<12>
CNC
数控系统
J
(4)
通过
RFID
刀具射频识别系统建立
，
实现刀具
参数电子化传递
、
刀具位置追踪定位以及刀具寿命检
测和控制
。
对刀仪
URFID
读写器
写入芯片
<11>
刀具信息回传
<10>
刀具信息写入机床
图
13
刀具
RFID
管理流程
参考文献
[1]
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[D].
重庆:重庆大
(3)
工具室操作人员根据生产任务需求将装配体
刀具配送到中央刀库
，
刀库固定
RFID
读写器识别刀
具芯片信息并记录刀具位置信息
。
学
,2017.
[2]
姜峰.刀具管理网络信息化系统的研究与开发
[D].
长春:吉林大
学
,2016.
[3]
李伟.数字化车间基于
MES
的刀具管理模式研究与系统开发
[D].
(4)
加工开始前
，
机器人抓取中央刀库中的刀具
放入机床缓存刀库上。
并通过机床上固定
RFID
读写
重庆
：
重庆大学
,2016.
[4]
翟银星.数字化车间刀具全生命周期可视化管理系统研究与开发
[D].
南昌
：
南昌大学
,2012.
器
,识别刀具芯片信息
,
进行刀具信息校验
,
将刀具信
息写入机床寄存器中
。
[5]
薛宏.企业级刀具全生命周期管理系统研发
[D].
重庆
：
重庆大
(5)
加工过程中
，
通过数据采集系统采集刀具信
息
、切削参数和刀具加工时间等
。
学
,2015.
[6]
Svinjarevio
G
,
Stoio
A
,
Kopao
J.
Implementation
of
culling
tool
manage
ment
system
[
J
].
Journal
of
Achievements
in
Materials
and
(6)
加工完成后
，通过机内对刀仪重新对刀
,
并通
过手持
RFID
读写器将刀具信息写入刀具芯片中
。
若
Manufacturing
Engineering
,
2007,
23(1)
:
99-102.
加工完成后
，
刀具报废
，
则通过手持
RFID
读写器将芯
片中的刀具状态信息进行更改
。
[7]
Akturk
M
S
,
Onen
S.
Dynamic
lot
sizing
and
tool
management
in
auto
mated
manufacturing
systems
[
J
].
Computers
and
Operations
Research
,
2002,
29(8)
:
1059-1079.
5
结语
针对数字化机加生产线智能化刀具管理系统建设
[8]
刘丰文.刀具全生命周期信息管理技术研究
[D].
大连
：
大连理工大
学
,2015.
[9]
陈逸群.基于
RFID
的刀具自动识别及信息管理系统
[D].
武汉:华
需求
，
基于
TDM
刀具管理软件，
通过对刀仪
、
立体库
、
中科技大学
,2014.
[10]
海源
，
张松
，
李剑峰
，
等.基于射频识别技术的车间级刀具管理系统
[J].
计算机集成制造系统
,2016,22(8)
：
1907-1918.
RFID
射频识别等硬件搭建和软件集成,实现了工艺设
计阶段、生产准备阶段
、
生产加工阶段刀具信息的传递
与共享
，
最终实现了刀具的全生命周期管理
。
第一作者
：
张素燕
，
女
,1989
年生
，
博士
，
工程师
，
研究方向为智能制造
、
数字化生产线建设
。
(1)
基于
TDM
刀具管理软件
，
建立了完整的刀具
数据库,
包括刀具单项数据库
、
刀具装配体数据库
、
切
(编辑高扬)
(收稿日期:
2020-02-18)
削参数数据库和刀具库存数据库
，
形成了与现场库房
—
—
对应的虚拟刀具库房
。
文章编号
：
20210228
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•
知识窗
•
水玻璃模数
(
sodiun
silicate
module)
水玻璃(硅酸钠)中二氧化珪与氧化钠摩尔数的比值
。
铸纲
(
casr
steel)
铸件用钢
。
铸铁
(cast
iron)
主要由铁
、
碳和珪组成的合金的总称
，
在这些合金中
，
含碳量超过了在共晶温度时能保留在奥氏体固溶体中
的量
。
灰铸铁
(
gray
cast
iron)
又称灰口铸铁
。
碳分主要以片状石墨形式出现的铸铁,断口呈灰色
。
•
124
•
用
§9
“
刻出滋**和雷