一种智能工具管理系统柜的结构设计及优化

张靖佳 居 敏 罗健伟 汤斌杰

（南京信息工程大学滨江学院 电子信息工程学院，江苏 南京211800）

当前的工具管理普遍手段不足，以人工为主，效率低下，管理成本高，“三清点”制度不能有效地落实。从而导致：工具使用频繁高、容易丢失；工具规格不一、数量繁多、领取不便、领用后难以监控去向[1]；工具借还耗时长、工具丢失、工具管理工作强度大；有的工具使用少，有些工具被过度使用导致报废等问题，特别是对于航空领域[2]。目前对飞机维修工具的管理方式大都还停留在人工管理阶段，虽然传统的“三清点”制度对工具管理起到了一定作用，但是纯人工管理工具的方式容易受人为因素影响，将维修工具落在飞机上的事故时有发生，造成不可挽回的严重后果。有部分航空公司将条码技术应用在了航空维修工具管理系统中，实现了工具信息化管理，但是由于机务维修工作的特殊性，条码技术仍存在许多不足之处，比如根据计量工具需定期校验的特点，条码标签定期更换[3]；工具多次使用后条码标签磨损严重，以至于无法起到对工具标识的目的。

本文采用先进的视频识别技术与二维码标签结合，并基于计算机信息管理软件，能赋予工具唯一ID，精准识别其外形特征，自主判断并清点、统计、记录，自动提示校验信息，动态监控工具去向。通过提供自动和智能化的管理手段，真正实现操作人员的傻瓜式操作，有效节约人力物力，大大简化人工管理存放工具的过程，提高了自动化程度，实现信息的共享、真正实现工具管理的可追溯、可量化的智能化管理。从而，大幅提高工具管理的准确性和高效性，实现工具管控数据实时更新和统计追溯，满足工具日常维系维护和正确使用，满足生产增效需要。同时，为了满足航空复杂环境[4,5]，对设计的新型智能工具管理系统柜进行参数化的ANSYS 仿真[6-10]，分别对每一层进行结构分析，再综合整体结构，对新型智能工具管理系统柜进行结构优化。

1 工作原理

本款智能工具管理系统柜，采用感应卡门禁开锁。系统通过门禁系统识别操作者合法性。

在开锁状态下，操作员打开抽屉直到关闭抽屉全过程会有工业相机对工具柜抽屉内进行录像扫描，通过图像识别技术识别抽屉的工具实时情况，系统根据前后抽屉关闭间的图像差异自动识别工具的借用归还及破损情况。自动记录借出、归还工具的种类、数量、人员、时间等信息，从而实现工具借用和归还的无人化管理。工具柜抽屉开关设计为互锁控制，使得用户每次只能打开一个抽屉。每个抽屉都有传感装置，系统能够自动识别哪个抽屉被打开，并开始自动扫描抽拉状态，在此期间，每次抽拉均会被扫描到，在抽屉关闭后，通过视频图像处理自动生成整幅抽屉内工具状态画面，并自动标识出工具变化情况。每个抽屉关闭后，系统列明并语音播报本次存取工具清单，及本次工具存取前后抽屉图片差异，并用特殊颜色框图标识出借/还工具位置。本智能工具管理系统柜同时采用了图像识别技术与二维码技术。通过二维码赋予每件工具唯一ID 号。

在归还时，通过二维码扫描器验证工具的合法性，通过工具图像验证工具的真实性。既实现了工具高效智能化管理，同时又保证了工具的合法性和真实性，从而彻底解决了工具破损和被替换的管理难题。

投入使用前，需要对有权使用智能工具管理系统柜的人员及其权限进行定义。智能工具管理系统柜采用感应卡读卡系统进行登录管理，管理员可在软件中设置所有使用者权限。已有授权的操作者使用感应卡登录开锁，系统将自动判断用户的合法性，身份合法则系统允许并自动登录。

图1 工具柜整体结构及部件

图2 激光雕刻二维码示例

图3 常见的单层抽屉布置

系统采用操作员、管理员、系统管理员三级管理权限管理：

a.操作员权限：只有借、还工具的权限。

b.管理员权限：可配置和定义使用权限，可更换工具柜内部工具，数据更新、设置软件的参数、出现故障异常时可手动开启系统等。

c.系统员权限：可进行软件升级和维护，根据使用需求修改系统所有参数。出现故障异常时可手动开启系统。

2 结构分析

项目产品的工具柜整体结构及部件如图1 所示。

根据用户现场工具的使用和管理需求，确定需要管理的工具清单。每个工具使用激光雕刻二维码，赋予每个工具唯一ID，就相当于给每一个工具赋予独一无二的标识。根据最终确定的工具进行可视化设计并刻模（图2）。

通过给工具雕刻二维码，赋予工具唯一标识ID。工具真实性鉴别原理是，以已经注册登记的二维码唯一标识ID 结合工具的识别图像，两者匹配性为唯一标识ID。即任何合法工具，必须同时具备两个条件：一是合法的二维码标识ID，二是合法的工具识别图像。只有上述两者同时具备，才认定为合法工具，这样有效避免了工具人为替换或破损追责等问题。

任何一次归还数据，必须先二维码扫描，然后放入柜体内，关闭柜体后，系统即自动进行工具真实性和破损程度鉴定，并给出鉴定记录，如发现非合法工具（无二维码标签，或二维码标签ID 与图像不一致），则给出警示信息，并绑定责任人，同时具备将此情况自动上报管理员功能。

3 结构分析

由于航空用工具器材种类十分繁多且大小重量差异较大，为了合理设计箱体内部的布置情况，本文使用ANSYS 对结构优化进行了尝试(图3)。

图4 设计仿真方案

图5 平板变形

安全系数是工程结构设计方法中用以反映结构安全程度的系数。为了保证结构受到的力在允许范围内，即理论上能承受的最大的力与许用应力之比。本研究使用商用有限元软件ANSYS workbench 对单层支架板进行了静力学分析并以安全系数与最大变形量为优化参数，应用响应曲面法进行优化设计。

仿真设计方案如下，将面板划分为9 个部分，如果有需要特别考虑的结构，可以额外划分出特殊受力点。由于平板在收纳状态时，两侧均匀的支撑力保证平板不会产生发生过大形变，但是当盛放有重量较大的航空修理工具时，平板处于抽出状态，会形成接近悬臂梁的结构，不受支撑力直接作用的平板部分变形就会相对较大，如图4，此时平板上的不同重量的工具的放置分布就需要进行进一步分析优化。响应曲面法，也称为回归设计，常用于设计相关的优化本文将9个位置的应力作为输入参数，安全系数与最大应变作为优化目标参数，进行了曲面响应优化。

本文假设每个区域的受力大小在10N～100N 之间，并设计了150 项的曲面响应优化表。图5 为A 点的最小安全系数随受力变化的情况，安全系数随受力大小变大而迅速变大。相应的最大变形量随安全系数的增加而增大，图6 为150 个计算项的仿真分布情况。

图7 为9 处位置的安全系数与最大位移灵敏度对比图，发现位置越靠内部，对安全系数与最大位移的影响越小，而水平位置的影响也有差异，越靠近中间位置，灵敏度越大，即E 的影响大于D 与F 位置。图8 最靠外的结构受力越大，安全系数与最大位移灵敏度变化越大。

4 结论

图6 A 点的最小安全系数

本文针对多层智能工具管理系统存在的不同重量工具布置分布问题进行了仿真分析与优化设计，得出结论，较重的工具应该集中放置在靠内侧位置，如果为方便拿取，可以安置在靠侧边支撑位置，重物放在靠近外侧的位置已造成抽屉变形，长期如此易损坏箱体。本优化方法具有普适性，对于复杂结构同样具有很好的优化效果。

图7 计算项的仿真分布

图8 灵敏度