机加工刀具的管理流程和系统设计

在机加工制造过程中，刀具是影响产品最终质量的重要因素，本文就谈谈刀具相关的管理流程和系统设计。

一个典型的制造企业是由研发和销售驱动的，研发定义了一款产品，来自销售部门的订单转化成生产工单，触发了将产品变成最终实体的制造过程。

工单包含了产品的物料BOM信息，即需要投入哪些物料。

在制造过程中，我们需要将物料BOM细化到工序、工位。如某产品物料BOM包含4颗螺栓A，在工位1由工人放置，在工位2预拧紧，在工位3终拧紧。我们可以看到多出了额外的信息，从BOM的角度来看，工位1：数量4，工位2：数量0，工位3：数量0。此类BOM属于工艺BOM的范围，在这里我们称之为1类工艺BOM，它的特点是各物料的总数和MBOM是一致的。

而在制造的过程中，还需要配合一些MBOM之外的设备及材料，如刀具、夹具、量具、试验台等。这些设备的物料或准备参数也是与产品相关的，但是不作为最终产品的一部分销售，因此不在MBOM中体现，在这里我们把相关的BOM称为2类工艺BOM。

产品的刀具BOM就是一个典型的2类工艺BOM。当机床需要更换加工产品时，往往我们需要更换及准备相应的刀具。

在管理刀具时，我们可以在2个层面进行管理：刀具组件和刀具零件。

刀具以组件的形式进行加工作业，但在采购和存储时也可以以零件的形式进行管理，因为共用件非常多，以零件形式运营可以减少库存和运营费用。

本文先以组件的形式进行介绍，之后再补充零件相关信息。

一个刀具的生命周期包括：买入、测量、使用、维修、报废等状态。

测量：由于刀具在使用后，刀头和加工件接触后会消耗一小部分，在物理形态上会有细微的变化，因而我们需要使用专用设备进行测量，具体数据会作为补偿值录入机床，以便在下次加工时得到所需的精度。

维修：刀头在使用一定的时间后，其锐度会降低，因此需要修刀，以恢复其锐度，以满足加工要求。

报废：刀具或刀头有一定的使用寿命，达到一定的加工时间后，刀具的强度降低，不能满足加工要求，否则会造成断刀，甚至进而造成加工件报废。

那么针对这些流程，假如我们需要设计一个刀具管理运营系统，需要考虑哪些因素呢？

首先看测量。测量设备(对刀仪)是精密仪器，对稳定性要求高，一般和机床不在同一个物理位置。测量设备输出的数据，需要录入机床HMI。因此有一个数据传输的需求。这个过程如果手工做的话，效率很低，也容易出错。

一些测量设备如Zoller支持通过网络传输数据，但是由于机床支持的传输协议、数据格式有一定的限制，且不同厂家的机床之间没有统一的标准，因此此项方法有一定的局域性，但是如果一个机加车间有大量的同型号机床、对刀仪，则可以联合供应商一起开发，这样做的效率是最高的。

还有一种方式是通过条码(一维码或二维码)来传输数据。我们可以在对刀仪输出测量报告时生成相关的条码，然后在机床HMI上扫描条码以录入数据，这样也可以减小数据输入错误的概率。

另有一种方式是通过RFID标签，详见下文。

维修可通过经验或测量进行判定。

报废或者说刀具使用寿命的判定非常重要，也有不同的管理方法。

一般来说，供应商在刀具出厂时，会说明其使用寿命。在加工时，我们需要对刀具的实际使用时间进行累加，当累加值大于使用寿命时，则需将刀具报废。

在设计系统时，我们尤其要考虑：实际使用时间的数据存储方式、累加的方法。

如果刀具固定安装在某机床上就比较简单了，我们可以定义一个规则，为每把刀具建立编号，并在机床系统里定义对应的系统变量。我们可以在程序中编写指令，当对应的加工程序完成时，自动将刀具变量累加。

如果刀具没有固定安装在某机床上，将必须能够让机床识别刀具的编号，此外需有一种可靠的方式存储其实际使用时间并且能够被机床识别。考虑到机床的工作环境，使用RFID标签是一种不错的选择。如巴鲁夫Balluff提供螺钉形式的RFID标签，安装在刀柄的一侧，我们可以在对刀仪电脑、机床电脑上安装RFID读写器，从而实现机床与对刀仪之间的数据传输，并且持续记录刀具的设定使用寿命和实际使用时间。

接下来我们再看一个更加精益的流程：综合刀具组件和刀具零件的方式进行刀具管理，即以刀具组件的形式进行测量和加工，但是以刀具零件的形式进行采购、存储、修理、报废。

从下图我们可以看到，一个刀具组件由以下零件组成：刀柄(Holder/Arm)、刀面(Face)、刀头(Insert/Cutter)。刀头起到实际上的加工作用，需要固定安装到刀面上，然后结合刀柄安装到机床上。这其中，刀面和刀柄都是非消耗件，只有刀头是消耗件。而且相同的零件可以被用到不同的刀具组件上。采用零件的形式进行管理，可以增加刀具的利用率，减少刀具的采购成本。

当刀具库房接到一个新工单时，需要根据工单展开得到刀具组件清单，并且进一步得到刀具零件清单，这里需要做2次BOM展开。此次，还需要将刀具零件组装成组件，然后将库房位置转移到机床。这里的操作与物流配送系统的Kitting及移库操作非常相似。