1 引言
在模具加工等切削加工中，加工效率、工件的尺寸精度和表面质量等都与刀具相关；刀具的性能、质量及其管理直接影响到企业的产品质量、生产成本和生产效率。据山特维克统计，16%的计划作业停止由于缺乏刀具造成、30%～60%的刀具库存不在控制之中、机床操作人员20%的时间花费在查找刀具上。因此在诸多模具加工行业中，刀具管理单独作为一个重要管理模块，逐渐浮出水面。本文系统的概括了刀具管理含义、国内外研究应用现状和关键技术。
2 刀具管理系统的含义
早在20世纪90年代，很多学者在对柔性制造系统(Flexible Manufacturing System，FMS)的研究过程中，提出了柔性系统中的刀具管理(Tool Management)，并对其建模与分析做了大量研究工作。随着计算机网络和数据库技术的发展，基于网络的刀具一体化管理系统，是在互联网逐渐成熟的近十年被提出，刀具管理系统被赋予了新的含义。
2.1 刀具管理系统的定义
理想的刀具管理模式应该涵盖刀具规划、采购、物流、调整、刃磨、修理、现场技术支持、加工问题分析和解决、刀具优化和刀具成本控制等多方面内容，有一套完善的体系来运作和控制，以期达到预定的目标，涉及到企业管理、质量管理、物流管理、刀具技术、制造工程、信息与数据库技术、财务与成本控制、人力资源管理等多个方面的工作，是一个系统性的问题。当前的刀具管理系统一般由刀具的加工和计划两大部分组成，包括刀具库存管理、刀具采购、NC编程参数查询等功能模块，功能结构示意图。
2.2刀具管理系统的意义
良好的刀具管理可以减少初期投资、工作人员、库存资金以及采购管理成本翻。据TDM刀具管理系统的用户的反馈，实施刀具管理系统后，在刀具计划环节上节约费用约25%；在制造环节因减少设置和停顿时间而节约费用约10%，因减少刀具调整节约费用约15%。
以刀具库存管理为例，通过刀具管理系统，用户可管理加工车间、调刀室、刀具库房、维修等刀具流通部门所放刀具的品种、规格、数量等详细信息。不但如此，还可生成刀具成本评估清单和刀具利用情况统计表，以优化刀具使用成本及使用频率。这些信息将有助于设备管理部门实现优化管理，降低制造成本的目标问。此外，通过条码识别或无线射频识等别技术，还可以方便快捷地监测刀具的入库和流出、精确地管理刀具及其参数，大大提高刀具的管理效率。
3 国内外刀具管理系统的研究与应用现状
由于刀具管理是一个系统性的问题，涉及研究内容较广，因此以往研究者一般只对其中某一方面的问题做出研究。如荷兰7rwente大学的R．M．Boogert等人对刀具描述数据结构做了比较详细的研究，提出刀具的描述需要是数字和图片相结合。世界范围来看，奥地利的刀具咨询管理公司(TCM International Tool Consulting & Management)最早在1996年开展了系统性较强的刀具管理外包服务，至今刀具管理服务已形成一定的规模。已经有一些发展比较成熟的刀具管理系统，比较典型的如TDMSystem (Tool Data Management System)、KATMS(Kennametal Automated Tool Management Solutions)、eTMS(Enterprise Tool Management Software)等。其软件实现、功能模块以及软件开发商见下表所示。在刀具管理系统应用方面，国内的李毅、杨晓等从加工费用角度，分析了刀具对生产效率的影响达20%～30%H；达世亮、张书桥等，从发动机制造业的角度，分析了刀具管理的模式、重要性以及复杂性等。在刀具管理系统平台方面，国内大部分研究也着眼于刀具管理系统的某一方面，如刀具参数数据库、刀具调度、刀具寿命等相关课题。较为系统地研究刀具管理系统的有西北工业大学，对刀具全寿命周期管理进行了研究；河北科技大学也对基于Web网络平台的刀具管理系统的模型做了一定的研究；上海交通大学提出了基于B/S结构的刀具管理，该系统以一家烟草企业现有刀具库为基础，通过企业内部局域网以及与ERP和PDM的数据接口实现了与ERP/PDM的信息集成与整合，从软件实现方面介绍了烟草刀具管理系统同。国内比较典型的刀具管理系统软件有Smart Crib，其功能模块见下表所示。
4 刀具管理系统的关键技术
刀具的管理实质是对刀具流的跟踪、管理与优化，因此刀具的数据描述及存储、定位识别、状态监控以及调度优化等，是必不可少的核心实现技术。
4.1 刀具管理系统中刀具数据关系模型的建模与存储
刀具管理系统的数据存储平台。刀具管理系统中，每一把刀具的各种原始参数和使用参数，都需要存储、查询、修改，因此数据存储是刀具管理系统必要基础。对于刀具量较大的生产厂家，刀具相关的信息量是很大的，因此传统的文件存储信息机制已经不能胜任大量数据操作以及与ERP等管理软件的整合，需要专业的数据库平台。当前应用比较广泛的商业数据库平台有甲骨文公司的Oracle、微软的SQLServer、IBM的DB2等。由于开源(Open Source)数据库的不断发展和完善，如PostgreSQL、MySQL等开放源代码的数据库平台也将是合适的选择。
刀具管理系统中刀具的数据描述。刀具自身参数以及加工环境繁多种类，决定了数据关系的复杂性，需要有一个较通用的刀具全寿命周期模型，同时具备一定的可扩展性。如Kennametal公司在其产品电子档案(EPP，Electronic Product Profile)管理过程中，按尺寸规范，对刀具及夹具做了规范性的数据描述罔。为了准确地描述刀具的状态，将刀具信息分为静态信息和动态参数来进行建模，可以更好地实现不同刀具厂商的刀具管理。
随着对刀具管理理论模型的深入研究，刀具管理被细分为刀具基础数据库管理、工艺数据库管理、库存数据库管理、采购数据库管理、现场数据库管理、刃磨数据库管理和系统数据库管理等功能模块，形成了基于全寿命周期的刀具管理信息系统概念。
此外，数据库相关的还有数据库平台的选择、安全性以及扩展性等问题，也是在部署刀具管理系统中不可忽略的因素。
4.2刀具管理系统中的刀具识别与定位
刀具管理过程中，刀具的识别与定位是一个不可回避的问题。传统刀具管理的识别主要靠条码、刻字或刀座上的码盘等来识别，人工录人信息，对刀具进行跟踪、测量、记录。随着加工效率和自动化程度的提高、换刀更加频繁，这种传统的人工跟踪刀具信息的方式已难以满足目前的加工对刀具信息的需求。因此刀具本身或者刀具用户，需要一个自动化的刀具识别系统——刀具的电子标签应运面生。其意义在于识别和监控刀具，确保加工过程中都有合适的刀具。根据对刀具数据的读取方式，刀具识别电子标签可分为接触式和非接触式。当前刀具识别的主要非接触式识别技术有：刀具管理系统中的条码识别技术。条形码(Bar Code)，是用一组黑白相间、粗细不同的条状符号来表示刀具的名称、产地、价格、种类等信息的工具。条形码是迄今为止最经济、实用的一种自动识别技术。在刀具管理系统应用中主要优点是成本低、应用灵活；缺点是易撕裂、污损或脱落、信息存储量有限、每次只能识别一个条码。
刀具管理系统中的RFID技术。RFID(Radio Frequency Identification，即射频识别技术)，俗称电子标签，是20世纪90年代开始兴起并逐渐走向成熟的一种自动识别技术，利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。目前RFID技术在工业自动化、物体跟踪、交通运输控制管理、防伪和军事用途方面已经有着广泛的应用。RFID技术在刀具管理系统应用中主要优点是耐污染、可读取距离大、可识别高速运动物体、可擦写信息、储存数据容量大、可同时识别多个标签等；其缺点是价格较高，当前单个RFID标签最低成本达7美分，远高于条码的成本——最低3分。Omron公司则采用了无线射频技术(RFID)。
刀具管理系统专用识别技术。从传感器的应用角度来看，传感器可分为专用传感器和通用传感器。针对刀具管理系统，一些公司专门开发了刀具识别传感器。如Pepperl+Fuchs公司采用自己开发的识别传感器；Bilz公司也专门开发了“刀具诊断系统”的产品，提供接触式和非接触式传感器。这种刀具专用识别技术在刀具管理系统中的优点在于针对性强；缺点在于缺乏通用性、成本较高。
基于上述对比，基于射频技术的无线识别将是刀具识别系统的发展趋势。
4.3 刀具的状态监控与寿命预测
刀具管理系统中刀具的磨损状态检测。刀具的状态直接影响着产品的品质、加工效率和刀具管理系统的选刀策略。刀具状态的监测方法按监测手段，可分为直接测量和间接测量。直接测量法包括测量刀刃位置、测量刀具耗损面等；间接测量包括测量切削力、测量主轴点击功率或扭矩、测量振动或切削噪声、测量声发射、测量工件尺寸、测量工件表面粗糙度、测量切削温度、测量工具与工具接触处电阻、测量刀刃上沉积的放射性元素等方法。为了保证加工的不间断性，间接测量比较受欢迎，而且技术逐渐成熟，如Renishaw公司推出的TRSl非接触式刀具破损检测系统。
刀具管理系统中刀具的寿命预测。刀具从开始切削到完全报废，实际切削时间的总和称为刀具寿命。作为衡量刀具状态的重要参数，刀具寿命预测也是刀具管理系统中必不可少的技术。统计表明，刀具失效引起机床故障的首要因素。由刀具失效引起的停机时间，占数控机床总停机时间的1/5～1/3。因此对刀具寿命的预测和状态监控，对于保障顺利生产，显得格外重要。

4.4 刀具的现场调度
在满足加工需求的前提下，如何有效地提高刀具使用效率、降低刀具投入成本、预测刀具需求量，是刀具管理的核心任务之一。刀具管理系统的有效实施，较大程度地提高机床工作时间，降低刀具库存。但目前多数刀具管理系统，从本质上来说仅仅是一个刀具参数管理数据库，缺乏一个动态的调度过程。因此，刀具调度模型的建立及求解是刀具管理的重要任务之一。刀具调度的核心目的在于在资金和环境容许的范围内配置所需刀具的类型及数量，并最大程度地满足用户的需求。因此刀具调度面l临的问题在于两方面：从机床角度来看，当机床需要刀具的时候，如何从多个待选刀具中选取合适的一把；从刀具角度来看，当一把刀具面临多台机床的需求时，该如何协调。影响刀具调度的因素诸多，包括刀具的运送能力、刀具自身参数、当前状态、加工工艺等，需要建立一个动态的调度规则。各种启发式及其组合方法通常用来解决刀具的调度问题，但由于影响刀具调度的动态因素较多，效果不够理想。李宏提出了一种基于多Agent的柔性制造系统刀具调度方法，探讨了基于多Agent的刀具调度系统结构、招标方式及工作流程，从理论上建立了具有分布性、开放性、主动性、协作性等特点的基于多Agent刀具调度系统。
5 结束语
刀具管理问题是一个系统性的问题，是先进技术和先进管理的结合，直接影响着生产成本和加工效率。在刀具管理系统的基础上，可进一步扩展到工具管理系统、可与PDM、ERP等结合，直至数字化制造。刀具管理技术的应用虽然先进，但要做好刀具管理并不容易，除了需要对上述关键技术有较好的把握之外，还要考虑企业自身的信息化程度、管理机制等多方面因素。