CN110687871A - 一种高效的智能刀具wms系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高效的智能刀具WMS系统，包括刀具现场使用实时采集单元、刀具存放实时采集单元、边缘计算单元、刀具实时数据收集单元、刀具实时数据分析单元和刀具监控看板单元，所述刀具现场使用实时采集单元用于采集刀具的运行状态和运行数据；所述刀具存放实时采集单元用于采集刀具的存放位置和存放环境的温湿度数据；所述刀具实时数据收集单元用于收集和存放边缘计算单元计算出来的数据，所述实刀具时数据分析单元用于实时提取刀具实时数据收集单元的数据进行分析，所述刀具监控看板单元用于呈现该系统中刀具的各项数据。本发明通用性强、能够真实反映刀具实际使用情况，且更加高效。

Description

一种高效的智能刀具WMS系统

技术领域

本发明涉及刀具正常使用中监视、追踪、管理等技术领域，特别涉及一种高效的智能刀具WMS系统。

背景技术

由于刀具一般都比较昂贵，且是消耗品，需要有一个系统进行管控，如果不掌握刀具的“借用存”三个重要节点信息数据进行分析，那会给刀具使用上带来很大的困难。

现在刀具管理中存在如下几个方面的不足：(1)经常会有些刀具找不到或找不到存放的地方，导致增加人工寻找时间，如果刀具遗失更会导致成本增加；(2)刀具存放的位置和环境不够理想导致刀具生锈和损坏，从而降低了刀具的使用寿命；(3)刀具正常使用寿命需要靠工作人员识别，但工作人员识别经常出错，如果刀具使用时间过长导致产品的良率过低，如果刀具使用时间过短又会导致产品的生产成本增加；(4)任何员工都可以借用刀具导致刀具损坏，遗失等现象。

由此可见，目前刀具管理无论在刀具的存放、借用、管理和使用上都存在着很多缺陷。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种高效的智能刀具WMS系统。本发明旨在解决目前刀具随意存放导致刀具生锈、损坏、实际使用次数过多等导致刀具寿命降低，从而导致生产的产品质量下降、成本提高的问题。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

一种高效的智能刀具WMS系统，包括刀具现场使用实时采集单元、刀具存放实时采集单元、边缘计算单元、刀具实时数据收集单元、刀具实时数据分析单元和刀具监控看板单元，所述刀具现场使用实时采集单元用于采集刀具的运行状态和运行数据，并将刀具的运行状态和运行数据发送给边缘计算单元；所述刀具存放实时采集单元用于采集刀具的存放位置和存放环境的温湿度数据，并将刀具的存放位置和存放环境的温湿度数据发送给边缘计算单元；所述刀具实时数据收集单元用于收集和存放边缘计算单元计算出来的数据，所述实刀具时数据分析单元用于实时提取刀具实时数据收集单元的数据进行分析，并将分析出的各项数据在所述刀具监控看板单元用上呈现展示。

优选地，所述刀具现场使用实时采集单元的实现方法是通过直流电的电流大小变化值来区分刀具的刀口磨损程度及状态；刀具的刀口磨损程度不同，会形成不同的切削阻力，通过检测在不同切削阻力下电流的变化值，全程监控刀具在切削过程中的状态，从而采取发送停机讯号、发送断刀信息、多色灯报警中任意一项或多项有效措施，在生产过程中获取相应数据进行预防性干预和控制。

优选地，所述刀具存放实时采集单元的实现方法是通过温度传感器、湿度传感器及槽位号GPIO和刀位号RFID来读出数据。

优选地，所述刀具存放实时采集单元包括MCU主控芯片和均与MCU主控芯片连接的湿度模块、温度模块、槽位号模块，所述湿度模块包括依次连接的湿度控制器、放大器和湿度传感器，所述温度采集模块包括依次连接的I2C切换模块、温度控制器和温度传感器，该单元还包括刀位号模块，所述刀位号模块直接通过RFID标签读取数据。

优选地，所述刀具监控看板单元元呈现展示的多项数据，包括刀具异常看板、刀具预测寿命看板、刀具利用率看板、停机换刀具看板、刀具环境温湿度看板、产品良率看板。

采用本发明的技术方案，具有以下有益效果：

本发明通过严格监控“借存用”三个重要节点，实时获取到相关的信息数据，并结合刀具行业的一些策略方案放在后台管理平台进行分析，提高刀具的寿命和利用率，减少因刀具导致的停机损失，避免因刀具导致的质量损失，降低刀具使用成本，同时耗费人力过多的缺陷的问题，取得了通用性强、能够真实反映刀具实际使用情况，且更加高效，产生实际的经济效果。

附图说明

图1为本发明功能模块框图；

图2为本发明刀具现场使用实时采集单元的基础电路图；

图3为本发明刀具存放实时采集单元的功能模块框图；

图4为本发明刀具存放实时采集单元MCU主控芯片电路图；

图5为本发明刀具存放实时采集单元I2C切换模块电路图；

图6为本发明刀具存放实时采集单元温度控制器和温度传感器电路图；

图7为本发明刀具存放实时采集单元湿度模块电路图；

图8为本发明刀具存放实时采集单元槽位号模块电路图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明进一步说明。

参照图1，本发明提供一种高效的智能刀具WMS系统，包括刀具现场使用实时采集单元、刀具存放实时采集单元、边缘计算单元、刀具实时数据收集单元、刀具实时数据分析单元和刀具监控看板单元，所述刀具现场使用实时采集单元用于采集刀具的运行状态和运行数据，并将刀具的运行状态和运行数据发送给边缘计算单元；所述刀具存放实时采集单元用于采集刀具的存放位置和存放环境的温湿度数据，并将刀具的存放位置和存放环境的温湿度数据发送给边缘计算单元；所述刀具实时数据收集单元用于收集和存放边缘计算单元计算出来的数据，所述实刀具时数据分析单元用于实时提取刀具实时数据收集单元的数据进行分析，并将分析出的各项数据在所述刀具监控看板单元用上呈现展示。

参照图2，所述刀具现场使用实时采集单元的实现方法是通过直流电的电流大小变化值来区分刀具的刀口磨损程度及状态；刀具的刀口磨损程度不同，会形成不同的切削阻力，通过检测在不同切削阻力下电流的变化值，全程监控刀具在切削过程中的状态，从而采取发送停机讯号、发送断刀信息、多色灯报警中任意一项或多项有效措施，在生产过程中获取相应数据进行预防性干预和控制。

参照图3至图8，所述刀具存放实时采集单元的实现方法是通过温度传感器、湿度传感器及槽位号GPIO和刀位号RFID来读出数据，包括MCU主控芯片和均与MCU主控芯片连接的湿度模块、温度模块、槽位号模块，所述湿度模块包括依次连接的湿度控制器、放大器和湿度传感器，所述温度采集模块包括依次连接的I2C切换模块、温度控制器和温度传感器，该单元还包括刀位号模块，所述刀位号模块直接通过RFID标签读取数据。

所述刀具监控看板单元元呈现展示的多项数据，包括刀具异常看板、刀具预测寿命看板、刀具利用率看板、停机换刀具看板、刀具环境温湿度看板、产品良率看板。

本发明的工作原理为：

该系统是针对工业制造型企业在刀具“借存用”三个关键节点进行科学的把控及数据分析。

借：通过刀具设备管理权限来严格管控刀具的借出；

存：通过槽位号和刀位号来定位刀具的具体位置，通过温湿度感应器来调节刀具箱的温度和湿度，从而防止刀具生锈及老化，提高刀具的使用寿命；

用：使用过程中的工作状态监测，通过采集使用状态的数据进行分析从而到达真正意义上做到预测刀具寿命、实时监控刀具，让生产过程中对停机换刀的处理更加游刃有余，避免因刀具断刀、崩刃、破损而导致的仪器损坏、模件损坏与产品质量损失，最大程度上提高刀具使用寿命和刀具的利用率。

参照图2、表1和表2，所述刀具现场使用实时采集单元的实现方法是通过直流电的电流大小变化值来区分刀具的刀口磨损程度及状态；刀具的刀口磨损程度不同，会形成不同的切削阻力，通过检测在不同切削阻力下电流的变化值，全程监控刀具在切削过程中的状态，从而采取发送停机讯号、发送断刀信息、多色灯报警中任意一项或多项有效措施，在生产过程中获取相应数据进行预防性干预和控制。

表1附图2所示电路图的电压、电阻和电流的关系

表2依据电流值判断刀具磨损程度的关系表

序号	侦测电流值	磨损范围等级	处理方式
				1	3.7～3.6	正常范围值	正常工作
2	3.5～3.2	磨损小	正常工作，但需要重点监控
				3	3.1～2.8	磨损中等	需要停机换刀
4	2.7～2.0	磨损大	需要停机换刀，同时维保机床
				5	＜2.0	磨损严重	需要停机换刀，同时维保机床

边缘计算(Edge computing)是在靠近物理设备或数据源头的网络边缘侧，融合网络、计算、存储、应用核心能力的开放平台，就近提供边缘智能服务，来满足快速连接、实时业务、数据优化、应用智能、安全与隐私保护等方面的关键需求技术。这是一种在物理上靠近数据生成的位置处理数据的方法，即接近于事物，数据和行动源头处的计算，也可以称为邻近计算或者接近计算(Proximity Computing)，在每个终端的地方就近原则进行数据处理，不需要远程或云平台来处理数据。这样边缘计算将原本完全由中心节点处理的大型服务加以分解，切割成更小与更容易管理的部分，分散到边缘节点去处理。边缘节点更接近于用户终端装置，可以加快资料的处理与传送速度，减少延迟。

例如：A方案是传统刀具数据流向：刀具-＞刀具现场使用实时采集单元-＞刀具实时数据收集单元-＞刀具实时数据分析单元-＞刀具监控看板单元-＞机床停机换刀处理；

刀具现场使用实时采集单元需要1.2秒，刀具实时数据收集中心需要1秒，刀具实时数据分析单元需要2.1秒，刀具监控看板单元需要1.3秒，机床停机等待换刀处理需要0.9秒，远程发送机床关机命令通过刚才的路线原路一级一级的返回直到机床关机，这中间大概需要4秒。

B方案是改进后增加了边缘计算刀具数据流向：刀具-＞刀具现场使用实时采集单元-＞边缘计算单元-＞刀具实时数据收集单元-＞刀具实时数据分析单元-＞刀具监控看板单元-＞机床停机换刀处理。

刀具现场使用实时采集单元需要1.2秒，边缘计算单元需要1.4秒，分析算出结果后分两个事件并行处理：1、在边缘计算的位置发关机床事件命令直接返回，2、继续往上报告数据。

总结：通过A方案和B方案的对比，如果检测刀具损坏到发命令到机床关机整个过程中，B方案比A方案快了3倍以上时间。B方案只要在A方案上加了边缘计算单元，在边缘节点更接近于用户终端装置分析和处理数据，可以加快资料的处理与传送速度，减少延迟，提高产品的良率。

所述边缘计算单元把刀具现场使用实时采集单元和刀具存放实时采集单元的数据在本地快速计算和分析。边缘计算单元具有如下三个特点：1、不敢转：涉及数据安全与保密；2、不需传：本地化、实时性；3、不能传：网络延迟、功耗、计算量协议适配。

所述刀具实时数据收集单元是收集边缘计算单元分析出来的数据，刀具现场使用实时采集单元中和刀具存放实时采集单元中不需要的边缘计算数据一起收集起来存放在刀具实时数据收集单元，等待刀具实时数据分析单元随时提取进行数据进行分析。

所述刀具实时数据分析单元是实时提取数据收集单元相关的数据进行分析，此外，该单元还包含刀具行业中常见的策略方案，例如把一些可以通过程序控制的测略方案通过参数写在系统中，将实时数据与行业经验融为一体，通过大数据分析技术与自学习更好的分析出刀具的寿命和使用率，从而用数据说话，避免人员误判断机会。

刀具行业经验如下：

一、判断刀具严重磨损的方法是：

1)听加工声音，出现刺耳的叫声；

2)听主轴声音，主轴出现明显的憋转现象；

3)感觉加工中震动增大，机床主轴出现明显的震动；

4)看加工效果，加工过的底面刀纹时好时坏(如果开始阶段就这样说明吃刀深度过深)。

二、应该在什么时候换刀：

一般在刀具寿命极限值2/3左右的时间进行换刀，比如刀具在60min出现严重磨损，下次加工时，应当在40min开始换刀，并养成定时换刀的习惯。

三、严重磨损的CNC加工中心刀具能否继续加工？

刀具严重磨损之后，切削力可以增大到正常的3倍，而切削力对主轴电极的使用寿命有很大的影响，主轴电机的寿命和受力是反比3次方的关系。例如，在切削力增大3倍的情况下，进行加工10min，就相当于主轴在正常情况下使用10*3^3＝270min。

四、怎样确定在粗加工时CNC加工中心刀具的伸出长度：

刀具的伸出长度越短越好，但是，在实际加工时，如果太短就要频繁调整刀具的长度，这样太影响加工效率，那么在实际加工中应怎样控制刀具的伸出长度呢？原则是这样的：φ3直径的刀杆伸出5mm可正常加工，φ4直径刀杆伸出7mm可正常加工，φ6直径刀杆伸出10mm可正常加工，在上刀时尽量上到这些数值以下，如果上刀的长度要大于上面的数值时，尽量控制在刀具磨损时加工的深度上，这个有点难把握，需要多锻炼。

五、在加工时，突然出现断刀怎样处理：

1)停止加工，查看加工的当前序号；

2)查看断刀处，是否有断刀的刀体，如果有将其取出；

3)分析断刀原因，一般断刀的原因就是刀具受力突然间加大了，或是路径问题，或是刀具抖动过大，或是材料有硬块，或是主轴电机转速不正确；

4)分析原因后更换刀具进行加工，如果没有更换路径，要在原有的序号上提前一个序号进行加工，这时要将进给速度将下来，一是因为断刀处硬化严重，二是要进行刀具磨合。

六、CNC加工中心新刀加工过程中出现憋转的现象，加工很费劲，这时需要调整哪些参数：

加工很费劲的原因是主轴的功率、扭矩承受不了当前的切削用量，合理的做法是：重新作路径，减少吃刀深度、开槽深度、修边量，如果整体加工时间低于30min，也可以通过调整走刀速度改善切削状态。

七、CNC加工中心刀具为什么要进行磨合，怎样进行磨合：

刀具在初期磨损阶段，很容易崩刀，为了避免出现崩刀现象，须对刀具进行磨合，使刀具的切削温度逐渐的升高到合理的温度。经实验验证，刀具磨合后，刀具寿命明显增加。磨合的方法就是在保持使用合理主轴转速的情况下，将进给速度降低一半，加工时间大约在5～10min，加工软材料时取小值，加工硬金属时取大值。

所述刀具监控看板单元是通过大数据分析技术与自学习更好的分析出刀具寿命、使用率、工作的数据、负载报警、崩刃、断刀报警、刀具加工过程异常、换刀提醒、刀具存放位置等数据呈现在监视看板单元上，为工作人员及决策人员提供数据进行处理。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种高效的智能刀具WMS系统，其特征在于，包括刀具现场使用实时采集单元、刀具存放实时采集单元、边缘计算单元、刀具实时数据收集单元、刀具实时数据分析单元和刀具监控看板单元，所述刀具现场使用实时采集单元用于采集刀具的运行状态和运行数据，并将刀具的运行状态和运行数据发送给边缘计算单元；所述刀具存放实时采集单元用于采集刀具的存放位置和存放环境的温湿度数据，并将刀具的存放位置和存放环境的温湿度数据发送给边缘计算单元；所述刀具实时数据收集单元用于收集和存放边缘计算单元计算出来的数据，所述实刀具时数据分析单元用于实时提取刀具实时数据收集单元的数据进行分析，并将分析出的各项数据在所述刀具监控看板单元用上呈现展示。

2.根据权利要求1所述的高效的智能刀具WMS系统，其特征在于，所述刀具现场使用实时采集单元的实现方法是通过直流电的电流大小变化值来区分刀具的刀口磨损程度及状态；刀具的刀口磨损程度不同，会形成不同的切削阻力，通过检测在不同切削阻力下电流的变化值，全程监控刀具在切削过程中的状态，从而采取发送停机讯号、发送断刀信息、多色灯报警中任意一项或多项有效措施，在生产过程中获取相应数据进行预防性干预和控制。

3.根据权利要求2所述的高效的智能刀具WMS系统，其特征在于，所述刀具存放实时采集单元的实现方法是通过温度传感器、湿度传感器及槽位号GPIO和刀位号RFID来读出数据。

4.根据权利要求3所述的高效的智能刀具WMS系统，其特征在于，所述刀具存放实时采集单元包括MCU主控芯片和均与MCU主控芯片连接的湿度模块、温度模块、槽位号模块，所述湿度模块包括依次连接的湿度控制器、放大器和湿度传感器，所述温度采集模块包括依次连接的I2C切换模块、温度控制器和温度传感器，该单元还包括刀位号模块，所述刀位号模块直接通过RFID标签读取数据。

5.根据权利要求4所述的高效的智能刀具WMS系统，其特征在于，所述刀具监控看板单元呈现展示的多项数据，包括刀具异常看板、刀具预测寿命看板、刀具利用率看板、停机换刀具看板、刀具环境温湿度看板、产品良率看板。

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