智慧夹具运维平台设计与应用

胡永泉 何航 卢慧 高弘博

(1.成都纺织高等专科学校 四川成都 611731; 2.四川逸航星云科技有限公司 四川成都 610199)

随着信息化技术与工业技术的不断进步，精密设备与元器件的需求不断增大。夹具作为数控机床加工过程中的辅助稳定装置，是确保加工件精确度和效率的关键[1-2]。然而，由于夹具管理自动化、信息化水平不足导致夹具磨损严重、维护保养不及时，直接影响了夹具的使用周期。利用物联网、人工智能等前沿信息化手段提高夹具管理与维护的自动化、智能化水平，是推动现代化制造业发展的关键要素之一。

1 需求分析

在实际生产过程中，夹具的磨损程度会直接影响精密设备与元器件生产的质量，根据夹具损坏程度及时进行维护和保养是延长夹具使用周期和确保安全生产的关键[3-5]。然而，目前夹具磨损程度判断主要依靠车间工作人员经验，从而导致维护保养不及时，废品率增高等后果。鉴于此，如何提高夹具磨损程度监测的自动化和智能化水平，确保维修和保养的及时性，成为夹具管理的重点[6-7]。

智慧夹具管理平台采用物联网技术自动采集设备生产过程中夹具的关键参数与图像，并采用人工智能算法对数据和图像进行实时分析与处理，从而进行夹具工程状的判断和磨损程度的预测。对于异常情况，平台及时给出预警，提醒工作人员及时进行保养和维护。与此同时，平台通过互联网技术对夹具全生命周期（从入库到报废）数据进行集中管理，从而实现夹具运维的自动化与智能化水平。

2 平台设计

2.1 平台架构设计

智慧夹具管理平台采用MVC的设计思想，将业务逻辑、平台人机交互和底层数据访问相分离。平台各模块之间采用高内聚、低耦合的设计原则，确保各模块之间彼此独立、依赖性低。在最大程度上确保系统具有较好的鲁棒性[8-10]，可通过较少的修改来适应需求的不断变化，从而确保平台具有良好的扩展性与维护性。

平台采用分层设计，整体共分为4层，分别为感知层、网络层、应用层、展示层。其中感知层负责完成数据的采集；网络层负责完成数据的传输；应用层负责完成数据的提取、分析、挖掘和决策等；展示层负责完成数据的可视化展示、用户与平台的交互等。

2.2 平台技术路线

智慧夹具管理平台在研发过程中使用J2EE 技术体系[11-12]，后台采用SpringBoot + MyBatis 进行开发，前端使用渐进式JavaScript 框架Vue，UI 界面采用基于Vue的组件库Element UI，数据库采用MySql，平台以结构化的数据库为基础，通过JSON 统一数据交换格式、完成前端与后台的数据交互。

为方便现场工作人员操作，智慧夹具管理平台在提供PC端Web应用的同时，同步研发了移动端应用程序。使现场工作人员通过手机、平板等移动端设备就可进行入库、出库、报修、报废、状态信息查看等操作，极大提高了夹具运维管理的效率。

移动端App 应用采用uni-app 前端应用框架进行研发，UI界面采用Vant组件库，具有一次开发，普遍适配的特点。所以，开发代码可适配安卓、iOS，以及各种小程序（微信、支付宝、百度、头条、飞书、QQ、快手、钉钉、淘宝）。此外，移动端App应用与PC端Web应用共用后台数据库与访问接口，极大降低了不同平台开发的时间成本，节约了人力和物力投入。

2.3 平台功能组成

智慧夹具管理平台本着功能丰富、界面美观、操作简单的设计原则，在对市面使用的夹具管理平台充分调研基础上，确定了平台功能组成。平台功能模块包括：个人信息维护、夹具信息查询、夹具库存管理、夹具数据监测、报修报废管理、数据分析统计、数据可视化展示等。智慧夹具管理平台主要功能模块如图1所示。

图1 智慧夹具管理平台功能模块

2.4 数据库设计

数据库设计目标和原则主要体现在数据集中存储、数据的结构化、规范化和标准化、数据结构适应性、数据共享性、安全和访问控制等方面。在充分了解智慧夹具管理平台需求基础上，采用值约束、结构约束、动态约束等手段，确保表结构满足完整性、正确性和相容性原则。平台数据库表主要包括夹具表（fixture）、夹具数据表（fixture_data）、订单表（orders）、维修表（repairs）、报废表（scrap）、库存表（warehouse）、用户表（user）、员工表（user）、部门表（section）、角色表（role）、权限表（privilege）、数据字典（data_dict）等。

智慧夹具管理平台采用数据集中存储方式，然而不同夹具采集数据的频率差异较大。若采用常规的设计方式进行数据库设计，当数据量较大时数据查询效率会产生明显下降。鉴于此，智慧夹具管理平台引入分库分表中间件（Sharding Sphere），将采集频率较高的表进行分库分表设计，从而满足多用户开发以及数据快速查询的需求。在引入数据库中间件后，数据流流向变为：夹具→数据库中间件→数据库→数据应用（包括基础数据管理、大屏展示、数据可视化等）。

2.5 平台特点

2.5.1 结构性强

智慧夹具管理平台在设计上采用分层结构，总体由4 层结构组成，层次分明。平台通过统一调度模块进行集中控制，平台整体结构清晰，业务逻辑与功能模块一一对应。

2.5.2 扩展性好

智慧夹具管理平台在设计上考虑用户未来对业务发展的新需求，对于每个功能采用模块化设计，每个模块基于组件进行开发，便于平台统一控制和调度。与此同时，平台各个功能模块相对独立，彼此之间通过接口完成数据传输，平台具备良好的扩展性。用户可根据实际业务需求选择不同模块进行组合，从而满足不同场景下的业务需求。

2.5.3 实用性强

智慧夹具管理平台设计选用了目前较为先进且开放性好的Java框架，采用了模块化的组织方式，使系统具有良好的可扩展性，各个模块之间通过精心设计的接口进行通信，并充分考虑到了未来业务扩展的需要，预留了大量的接口。通过Web浏览器便可以进行任务调度配置、夹具位置调整、各种查询操作。此外，结果显示采用列表或图形的形式，让用户一目了然。

2.5.4 安全性高

智慧夹具管理平台采用双重安全机制确保访问与数据安全。从物理层面出发，平台将Web 服务程序和数据库分别部署在两台服务器上，即使Web 服务受到攻击，数据也不受影响，从源头确保数据安全；从平台访问认证出发，平台采用token认证+salt密码盐校验方式，严格的权限管理体系，使非法用户无法进入本系统，而且合法用户也只能进行其权限允许范围内的操作。此外，软件还增加系统日志记录功能，可将对关键数据的操作进行实时记录，以便实现回溯追责。

3 平台主要功能

3.1 用户管理模块

智慧夹具管理平台通过角色控制用户的访问权限。平台共分为3种角色，分别为车间员工、车间经理和系统管理员。用户管理模块主要功能包括用户注册、角色绑定、权限分配、密码重置等。普通员工和经理可通过平台查看和更新个人信息，管理员用户主要完成对平台所用用户的统一管理和访问监督。

3.2 数据采集模块

数据采集模块采用物联网技术自动化采集精密元器件加工过程中夹具的关键参数与图像信息，并通过数据传输模块将采集的数据自动上传至远程数据库进行持久化保存，为状态监控和报修报废业务开展提供数据源。与此同时，系统管理员可通过数据字典修改数据采集的频率，从而满足不同场景下的业务需求。

3.3 状态监控模块

智慧夹具管理平台基于数据采集模块上传的夹具状态参数与图形图像信息，采用人工智能算法对数据进行分析与处理，对夹具运维状况进行实时监控、对夹具的磨损情况进行趋势预测。当夹具运行异常时，平台通过声音报警和短信提示等方式及时提醒工作人员进行情况确认，从而确保夹具得到及时的保养或报废，确保生产的安全性与可靠性。

3.4 库存管理模块

库存管理模块主要实现对夹具入库、出库信息的智能化管理。与传统信息录入方式不同，智慧夹具管理平台基于夹具相关信息生成对应的条形码，通过射频扫描的方式完成夹具信息的读取，从而实现夹具库存信息的更新与维护。平台同时提供夹具库存统计信息的可视化界面，使用户直观了解夹具库存的变化情况，以便对库存过剩、库存短缺及时处理，从而达到节省库存费用、减少制造成本的目的。

3.5 报修报废管理模块

智慧夹具管理平台报修模块根据状态监控模块的预警信息及时安排现场工作人员进行夹具运行情况确认。若夹具存在异常情况，现场人员通过报修模块完成报修单提交，提醒维保人员及时对夹具进行维修，并将维修情况通过平台进行记录，形成信息闭环。报废模块根据夹具磨损预测结果提醒维保人员对夹具使用寿命进行确认，对于影响生产精度的夹具及时进行报废处理。

3.6 分析统计

智慧夹具管理平台分析统计模块根据用户输入的条件（时间、类别、状态）进行统计与汇总，并将结果以图形可视化的方式进行直观展示。用户通过统计图表可以直观了解夹具的库存、报修、报废等情况，有助于了解不同夹具性能指标与使用规律。

3.7 数据可视化

智慧夹具管理平台采用孪生大屏可视化方式将夹具运维的关键参数、实时图像、分析统计过程与结果数据、预警信息等与三维夹具模型进行绑定与展示。用户可通过大屏直观了解夹具的实时工作状态，改善由于人为因素造成的管理维护滞后现状，从而提高夹具管理的信息化与智能化水平。与此同时，用户可通过孪生大屏提供的交互功能动态了解夹具不同维度数据的变化情况，在较大程度上提高了用户的操作体验。

4 结语

智慧夹具管理平台采用物联网、人工智能等前沿的信息化手段提高了夹具管理的自动化与智能化水平，改善了人为经验造成的保养维护不及时、废品率偏高等现状。在较大程度上节约了人力成本，提高产品生产效率，具有较强的推广价值。