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f m s 刀具准备系统研究与开发 摘 萼遭n 6 ； 9 瓤3 7 0 本文围绕刀具准备系统的研究与开发，结合作者参与研制的“长 春柔性制造实验系统刀具准备系统”的设计与实现，论述了刀具准备 系统的总体结构和刀具寿命管理、刀具贮备管理、g t 概念下刀具分配 策略三个功能模块，为系统的深入研究和软件开发提供了条件。本文 提出了一个对刀具寿命进行优化计算的新数学模型，采用相对磨损率 的概念来衡量刀具的磨损程度；对于刀具贮备管理模块，本文提出了 动态刀具需求计划模型( d n 啦) ，根据从m r p 和m p s 得到的信息以 及刀具的使用数据，利用d t r p 模型可以生成基于成本优化的刀具补 充策略；本文所研究的刀具分配策略综合了成组技术、遗传算法及虚 拟刀具库思想，能够较好地解决f m s 中刀具的优化分配问题。、 关键词：刀具准备系统 刀具寿命 刀具贮备 刀具分配 南京理工大学硕士学位论文 ! 竺! 翌墨竺兰耋篁塑窒兰堑丝 a b s t r a c t t h i sp a p e rd e a l sw i t ht h er e s e a r c ha n dd e v e l o p e do ft o o l p r e p a r i n g s y s t e mb a s e do nt h e “t o o lp r e p a r i n gs y s t e mo fc h a n g c h u nf m e s ”i nt h i s p a p e l a l la r c h i t e c t u r eo ft o o lp r e p a r i n gs y s t e mf o rf m si sp r o p o s e da tt h e s a m e t i m e ，t h ef u n c t i o na n a l y s i so f t h et o o lp r e p a r i n gs y s t e mi sd i s c u s s e di n d e t a i l i nt h i sp a p e r , an e wm e t h o da b o u tt h eo p t i o n a lt o o l l i f em a n a g e m e n t f o rf m si sp r e s e n t e d ，an e w c o n c e p t ，t o o lr e l a t i v ew e a rr a t i o ，i sp r o p o s e dt o m e a s u r e t o o l - w e a l a c c u r a t e l y t h i sp a p e r c o n s t m c t sa d y n a m i c t o o l r e q u i r e m e n tp l a n n i n g ( d r r p ) m o d e l f o ro p t i m i z i n go ff m st o o li n v e n t o r y b a s e do ni n f o r m a t i o nf r o mm r pa n dm p s an e wt o o la l l o c a t i o ns t r a t e g y i n t e g r a t i n gg r o u pt e c h n o l o g y , g e n e t i ca l g o r i t h m sa n dv i r t u a lt o o lm a t r i x s l r a t e g y , i t c a l ls o l v et h ep r o b l e ma b o u tt o o la l l o c a t i o no p t i m i z ew e l l k e v w o r d st o o lp r e p a r i n gs y s t e m t o o l1 i f e t o o li n v e n t o r y t 0 0 1a l l o c a t i o n 南京理工大学硕士学位论文 f m s 刀具准各系统研究与开发 1 绪论 1 1 概述 技术的发展总是为了适应市场的需要。当今，世界范围内的机械产品市场发生 了巨大的变化，制造企业之间的竞争曰趋激烈。决定制造企业竞争力的主要指标是 新产品的开发时间( t i m e ) 、质量( q u a l i t y ) 、成本( c o s t ) 以及相应的服务( s e r v i c e ) ， 即t q c s 。其中： t ：缩短开发周期，适时推出新产品，生产柔性化； q ：改进产品质量，保证可靠性，做到“零缺陷”； c ：降低成本，提高性能价格比； s ：方便用户，优质及时服务。 柔性制造系统( f l e x i b l em a n u f a c t u r es y s t e m , 简称f m s ) 就是顺应了市场需求 的变化发展起来的，由电子计算机控制的系统，可同时加工相近的一组或一类产品。 许多工业先进国家都在大力发展柔性制造系统。近年来随着c i m s 技术迅速向纵深 发展，柔性制造技术也有了新的发展，在c i m 环境下，f m s 已跳出了传统f m s ， 的概念局限性，被定义为在广义上的可编程的控制系统，它具有处理高层次分布数 据的能力，具有自动的物流，它使c i m 的概念可以在车间实施，从而实现小批量、 高效率的制造，以适应不同产品生命周期的动态变化。随着柔性制造技术的发展， 最近在全球范围内还展开了场轰轰烈烈的关于制造技术和生产管理方法的研究， 出现了准时制生产、以人为中心的c i m 、精良制造、敏捷制造、全能制造、虚拟 制造及并行工程等新概念。 刀具系统是先进制造系统获得高效益、高柔性的支柱和基石，而且己成为进一 步提高f m s 系统柔性的“瓶颈”。研究和开发配套的刀具管理和供应系统与之相 配套己成为必然。九十年代以来刀具管理系统技术得到长足发展，在国外已出现了 代表性的刀具管理商用软件。这些刀具管理软件的功能包括： 1 刀具寿命处理规划功能； 2 刀具信息处理功能； 3 刀具分配调度优化功能； 南京理工大学硕士学位论文 f m s 刀具准备系统研究与开芨 4 与f m s 数据库联网功能。 这些功能能确保刀具从有效地点进入刀具库，直至机加工车间机床上的全部运 行过程；保证在进入一批新工件的加工时，预先对刀具作合理的准备，并对刀具的 状态和工况进行监测：及时发现刀具的临界状态和确定刀具库的合理性，大大提高 了生产的柔性和可靠性以及设备的利用率。系统还可以在各加工阶段优化与刀具管 理组织有关的各种因素，进而缩短准备、结束时间，减少车间刀具的存放量，提高 刀具的使用寿命。 另外随着计算机技术的飞速发展和f m s 、c i m s 研究的不断深入，计算机辅助 工艺规程设计( c o p u t e r a i d e dp r o c e s sp l a n n i n g ，即c a p p ) 的重要性被越来越多的 专家和企业家所认同，c a p p 系统的研究已经成为机械领域高技术研究的热点，各 种c a p p 系统层出不穷。然而，传统c a p p 系统只注重于在统一信息模型和集成 数据交换平台的基础上与c a m 、c a d 的集成，没有考虑零件准备、刀具准备、夹 具准备、制造环境、作业调度、车间底层控制等对制造过程的影响，生成的工艺规 程缺乏柔性，因此开展f m s 零件、刀具及工装准备集成系统技术研究是非常必要 的，对f m s 、c n s 研究及其推广应用具有重要意义。 刀具准备系统作为刀具管理系统的一个子系统，主要完成f i v l s 运行中的刀具 事前准备与管理，其功能包括：刀具贮备管理、刀具寿命管理及刀具分配管理等。 1 2 研究背景 1 2 1 国外研究状况 近年来，人们不仅将正在建造的f m s 纳入c i m 的概念之下，即按c i m 概念 设计外，而且一般都配以功能完善的刀具管理与供应系统，同时也陆续为早期开 发的f m s 重新研制配套刀具系统，以弥补由于刀具管理方面的问题而引发的缺 陷，特别是进入九十年代以后，刀具管理系统技术得到了长足的发展，在国外， 已出现了不少的刀具管理商用软件，较具代表性的有： ( 1 ) 英国c t m s 公司的计算机用刀具管理系统( c y m s ) ； 它由一系列软件模块组成，可配置1 6 个终端，分别设置在刀具房、刀具预调 间、计量室和供应科室等处，各终端直接与中心数据库联网，整个系统的作用可 以概括为： 南京理工大学硕士学位论文 d e c1 9 9 9 f m s 刀具准各系统研究与开发 = 一= = _ = ! ：= ! = = = = = i = = = = = = = = ! = = = i _ ：= - 一 改善刀具的发放时间及控制发放在外的刀具数量；不断更新刀具房的库存信 息；直接用刀具预调数据以调定刀具：提供刀具购置信息；提供刀具用途分析报 告。 ( 2 ) 美国c i n c i n n a t im i l a c r o n 公司的刀具管理系统软件包括以下五个方面的职 能： 为刀具库准备刀具；给各机床分派刀具；刀具的调度与搬运( 轨道) ；刀具检 测；刀具的信息处理。 ( 3 ) 德国的d e l k e l 开发的t o o lm a n a g e r 计算机辅助刀具管理系统适合于加工单 元、柔性制造系统甚至整个部门的刀具监视、规划和跟踪管理。其软件功能包括： 刀具的储备；刀架配备的优化；刀具装配安排；各零件对刀具的需求；刀具 寿命规划。 ( 4 ) 瑞典的s a n d v i k 公司盼成套商用刀具管理软件c o r a t a s ，可使刀具管理实现自 动化。该系统能监控刀具从有效地点进入刀具库，直至机加工车间机床上的全部 运行过程。它能保证在进入一批新工件的加工时，预先对刀具作合理的准备，并 对刀具的状态和工况进行监测。此系统能发现刀具的临界状态和确定刀具库存量 的合理性，大大提高了生产的柔性和可靠性以及设备的利用率。该系统可在各加 工阶段优化与刀具管理组织有关的各种因素，进而缩短准备、结束时间，减少车 间刀具存放量，提高刀具的使用寿命。 此外，作为应用技术和机械制造自动化水平领先地位的日本，近期开发或展 出的f m s 均配有完善的刀具管理功能，并已有成功地纳入c i m s 环境下运行的例 子，如山崎铁工所、牧野铣床制作所、大隈铁工所和北越精机等开发的f m s 产品， 其刀具管理功能基本包括： 刀具的库存管理；刀具的优化调度；刀具的动态调度；刀具的寿命管理；刀 具的数据管理；刀具识别；刀具自动调定；刀具的自动轨道运输；刀具的监控检 测；与外围设备的通信。 1 2 2 国内研究状况 在国内，作为f m s 技术的研究弱点，刀具系统技术的研究起步时间较晚，基 本处于国外刀具管理技术的跟踪研究状态。具有代表性的有：清华大学建立的国 家c d d s 实验工程中心的刀具工作站；航天部6 2 5 所开发的b f m s 刀具工作站， 它均具有刀具管理功能。此外，如西安交大系统工程研究所与济南第机床厂联 南京理工大学硕士学位论文 f m s 刀具准备系统研究与开发 合开发的j p f m s ，上海第四机床厂的s j - f m s ，长春f m s 实验中心的f v i e s 等 都具有一定的刀具管理功能，但由于受到系统配置的限制，局限性大，专用性强。 所以总体上讲，国内在刀具系统研究的层次上还比较低： ( 1 ) 一般均是按照f m s 的具体配置进行开发，所以属“对一”的体制， 针对性强，适应性差； ( 2 ) 刀具配置方式均较简单，多采用批处理方式，这对于使用刀具种类较多 的加工系统来说，刀具交换对系统生产率影响较大； ( 3 ) 正因为是“一对一”的结构，所以一般刀具调度功能均较单调，刀具 调度缺乏灵活性； ( 4 ) 过多地强调人的作用，刀具交换的自动化程度较低，定程度上限制了 刀具系统的先进性。 1 3 课题来源 本课题来源于国防科工委“九五”预研项目，9 6 年初立项，由长春五五所( 零 件准备系统) 、北京理工大学( q - 装准备系统) 和我校( y j 具准备系统) 共同承担， 组长单位为长春五五所。课题研究目的是为长春柔性制造实验系统( f m e s ) 的实 际运行提供零件、刀具、与工装的事前准备与管理。我们承担的研究部分需要提供 一个完整的刀具准备系统原型，开发一套能在长春f m e s 中应用的刀具准备系统 应用软件。 1 4 研究目的 在分析国际先进的刀具管理系统的基础上，充分利用“八五”f m s 刀具管理 系统研究的有关成果，对刀具系统的关键技术进行全面系统的研究，并完成f m s 刀具准备系统的研究工作，开发套能在长春f m e s 中应用的刀具准备系统应用 软件。从而进一步解决先进制造系统柔性的“瓶颈”技术，为在国防工业企业进 行先进制造技术与系统的应用打下坚实的基础。 南京理工大学硕士学位论文 4 呈竺! ! 兰 = ：= = ：= ：= ： ! 竺! 望量兰兰至竺竺童量兰兰 2 刀具准备系统需求分析及功能分析 2 1 刀具管理系统( t m s ) 总体结构 刀具准备系统是刀具管理系统的个子系统，因此在对刀具准备系统进行详细 分析前，先谈一下刀具管理系统的总体结构。 2 1 1 刀具管理系统的硬件组成 一个典型的具有自动刀具供给系统的f m s 刀具系统硬设备组成示意图如图 2 1 所示。 图2 1 刀具管理系统设备构成 1 标准化刀具 系统内的所有刀具都是被管理的对象。一般说来，一把可直接用于切削加工 的刀具由多个刀具构件元素( 如刀柄、刀杆、刀片、夹紧元件等) 组成。 2 加工中心上的机床刀库 在一般情况下，加工中心上的机床刀库用来装载当前加工所需的刀具。它的 刀具配置是根据当前机床的加工零件、加工负荷等所确定的。机床按被加工工件 的要求，可以直接通过刀具输送装置从刀具室、中央刀库或其它加工中心的机床 刀库调取所需要的刀具。 3 中央刀库 中央刀库用于储存f m s 加工工件所需的各种刀具及备用刀具。将中央刀库通 南京理工大学硕士学位论文 圉一 亨誊基 f m s 刀具准备系统研究与开发 过刀具自动输送装置与机床刀库相连接，即构成自动刀具供给系统( 或称刀具流 系统) 。 4 条形码打印机和阅读机 进入系统的刀具应按一定的编码规则进行编码，并由条形码打印机打印出条 形码。条形码标签贴在刀柄上，其作用一是便于刀具在系统外的人工识别；二是 便于对进入f m s 的刀具进行动态跟踪管理。 5 刀具预调仪 刀具预调仪是对即将进入系统的刀具进行对刀预调，以确保进入f m s 的刀具 有准备的参数。 6 ，刀具进出站 刀具进出站是刀具进出f m s 的门户，是人与f m s 自动刀具输送系统之问的 界面，它应有足够的存放刀具的刀位，每个刀位设有监控装置，指示刀具的进出 状态，新刀由此进入系统；磨损、破损的刀具由此出系统。 7 刀具输送装置和刀具交换机构 为了合理地使用与周转刀具，常要在机床的局部刀具库与中央刀具库，机床 局部刀具库与其它机床的局部刀具库，中央刀具库和刀具进出站之间进行刀具交 换。因此，要实现刀具的交换就必须有相应的刀具输送装置和刀具交换机构。 8 刀具破损监测系统 在金属切削过程中，若刀具的磨损和破损未能及时地发现，将导致切削过程 的中断、引起工件的报废、机床损坏、甚至使整个f m s 停止运行，造成很大的经 济损失。因此，正确地监测刀具在机床中的实际运行状态，是使f m s 的生产率提 高及f m s 进行无人化运行的十分重要的技术之一。 在加工中心及柔性制造系统中常见的监测刀具破损的方法有：声发射法、切 削力变化法、激光法、电机功率法等等。 9 刀具管理计算机 刀具管理计算机是f m s 中刀具管理系统的核心，一个刀具系统要由计算机来 全面调度和控制。根据实际情况，可选择利用f m s 主控计算机、也可选择利用加 工工作站计算机，还可设立专门的刀具工作站。 1 0 刀具库房 刀具库房是基本刀具元件的存放地点，负责刀具的刃磨、刀具的装配、刀具 的接收与发放等工作。 南京理工大学硕士学位论文 6 f m s 刀具准备系统研究与开发 2 1 2 刀具管理系统的软件组成 刀具管理系统软件是刀具管理系统的核心部分。我们科研课题组在“八五”期 间研制的f m s 刀具管理系统主要由刀具管理决策支持系统( t m d s s ) 和六个具体 的执行模块构成。这六个模块是：系统运行模块，刀具离线管理，刀具在线管理， 系统状态监控，系统信息管理和用户功能扩充。 由图2 - 2 看出，加工中心、换刀机器人与t m s 计算机之间的信息联系是双向 的，即t m s 计算机可以对它们下达命令，它们的工作进行情况和工况信息也可以 反馈到t m s 计算机，以便t m s 计算机进行实时处理和决策。刀具预调仪、条形 码阅读器、刀具监测装置、刀具进出站等与t m s 计算机之间的信息联系是单向的， 也就是说，它们只需将数据情况向t m s 计算机报告，t m s 计算机根据获得的数据 或其它信息进行记录或决策。 一一 图2 - 2 刀具管理系统软件构成 2 2 刀具准备系统需求分析 2 2 1 刀具准备系统性能需求 1 实用性 系统要能达到既定的目标，满足既定的功能，同时避免一切不必要的复杂化， 南京理工大学硕士学位论文 7 f m s 刀具准备系统研究与开发 因为简单的结构可以缩短处理过程，提高系统的效益，同时也便于管理者掌握。 2 开放性 系统应对外界环境条件的变化有很强的适应力，以便在条件变化之后，仍能实 现所需的功能。一方面要使系统具有可扩展性和可裁剪性，很容易地增加、更新或 减少软硬件设备，增加或改变系统的功能，从而在运行中不断完善、提高；另一方 面应使系统的构造尽量做到模块化、规范化和标准化。 3 可靠性 系统必需是可靠的。系统只有是可靠的才能保证其高质量。系统应能长期地保 持低故障率，一旦发生故障应具有有效的应急措旅和快速恢复正常的功能。 4 良好的可操作性 为了便于用户使用，系统应有友好的人机界面，软件操作简单灵活，易于掌握。 5 与刀具管理系统已有的分系统接口的灵活性和通用性。 2 2 2 刀具准备系统软硬件需求 1 硬件需求 刀具准备系统是刀具管理系统中的一个子模块，因此其硬件的需求包含在刀具 管理系统的硬件需求中。考虑到系统在工业环境下运行，所以刀具管理计算机采用 工业用计算机。刀具准备分系统的计算机支撑系统采用c s 结构，所以与刀具管 理系统中其他的子系统共享服务器，刀具数据库及刀具的动、静态信息都在刀具管 理服务器上，通过网络与客户机及单元控制器相联，从而实现刀具信息的共享。客 户机建议采用p e n t u i m 以上的工业用p c 机。 2 软件需求 数据库：数据库服务器采用s y b a s e - - s q ls e r v e r 。数据库通过o d b c 形成与应 用之间的数据共享和转换。 开发工具：选用p o w e r b u i l d e r5 1 0 ，它是生成c s 应用的体现面向对象程序设计 思想的开发工具。其开发效率高，通过o d b c 和专用接口适应多种不同的关系数 据库，支持嵌入式s q l 和游标，基于c s 体系结构、具有可视化的开发环境。 支撑系统：采用中文w i n d o w s 9 5 作为客户机的操作环境，服务器上采用 w i n d o w s n t ，作为网络操作系统。 南京理工大学硕士学位论文 竺! 翌量竺兰孳垫竺塞兰茎垄 2 2 3 刀具准备系统功能需求分析 在对柔性制造系统的运行特点充分了解，并分析了国际先进的刀具管理系统的 基础上，对刀具管理系统的刀具准备子系统提出如下的功能要求： ( 1 ) 根据f m s 的作业计划，分析统计其刀具的需求，提交刀具需求计划； ( 2 ) 根据刀具的需求计划和刀具库存情况，产生刀具供应计划、采购计划： ( 3 ) 根据刀具供应计划和生产作业情况，生成刀具装配计划和刀具进线计划； ( 4 ) 对刀库的刀具进行有效的管理，能检查刀具资源的库存量，及时补充或 外购新刀具： ( 5 ) 对刀具的参数进行有效的管理，并在刀具数据库中对刀具参数进行动态 的维护、共享； ( 6 ) 完成对刀具刃磨、报废的严格管理，使刀具刃磨和报废有严格的参数要 求和标准，并有完善的审查制度； ( 7 ) 实现刀具装配和预调过程中的图形查询、参数查询和编码工作，并将有 关参数反馈到数据库中； ( 8 ) 对供应商的信息、供应商产品信息进行管理，以方便刀具外购时的决策， 并对各供应商的产品进行质量跟踪。 ( 9 ) 准确估计各刀具的使用寿命，并在整个使用过程中跟踪其寿命的变化， 对刀具的使用、分配进行调整，以优化使用刀具； ( 1 0 ) 监控刀具的剩余寿命，必要时作出换刀处理。 ( 1 1 ) 根据成组技术对刀具进行分组，实现启发式刀具分配。 2 2 4 刀具准备系统的信息需求 刀具准备系统要完成刀具寿命管理，刀具贮备管理和刀具成组分配的功能，必 须从刀具管理系统的数据库中获取有关加工及零件的各类信息。 刀具准备系统所需的信息可分为如下三类。 1 有关加工信息： 生产计划信息，加工工序信息，加工顺序信息，加工材料信息，切削速度信息， 切削用量信息，切削条件信息，切削方式信息等。 2 刀具信息 刀具型号信息，刀具号，刀具类型信息，刀具材料信息，刀具参数信息，刀具 寿命信息，刀具耐用度信息，耐用度修正系数信息等。 南京理工大学硕士学位论文 f m s 刀具准备系统研究与开发 3 刀具及元件贮存信息 刀具及元件库存量信息，刀具及元件贮存位置信息，刀具需求信息，刀具供应 信息，刀具采购信息，刀具刃磨信息，刀具破损信息，供应商信息，供应商产品信 息等 2 3 刀具准备系统总体模型 刀具的准备包括以下几个方面：首先，根据主生产计划得出刀具的中长期需求 计划，供应计划，采购计划。并根据班次作业计划得出刀具装配计划和刀具进线计 划。根据工序加工信息，计算工序加工所需的刀具相对磨损率，并记录在刀具的信 息表中供以后查询，同时利用g t 概念下的刀具分配策略的思想，采用启发式算法， 分群算法，将零件和刀具分块，构成零件族和刀具集。然后，根据刀具装配计划将 需装配的刀具的各个元件从库存中取出，进行组装，在刀具预调仪上进行尺寸预调 后放在相应的刀架中，按刀具进线计划送入f m s 线内，将刀具集分配到适当的机 + 剩余寿命 图2 - 3刀具流示意图 南京理工大学硕士学位论文 1 0 f v 5 刀具准备系统研究与开发 床上。另一方面，将从线内运出的刀具经过检查后进行拆卸，检查刀具各元件是否 可用，如可用，则通过修复后放入库存，如不可用，则报废。刀具在工作循环中的 各种静、动态信息都记录在刀具数据库中。刀具在f m s 线内外的流动如图2 - 3 所 示。 2 4 刀具准备系统功能分析 刀具准备系统主要包括刀具贮备管理、刀具寿命优化管理和刀具分配策略( 基 于g t 概念) 等三个模块。 2 4 1 刀具贮备管理模块 刀具贮备管理模块主要完成刀具线外管理和刀具元件的管理，包括刀具的装 配与预调、出入库管理、刃磨管理、刀具元件的库存管理、刀具参数管理等。通过 建立刀具数据库达到根据加工零件的种类、生产批量、作业计划等进行刀具需求分 析，提供中长期采购及供应计划，并实现刀具参数的动态管理。刀具贮备管理模块 包括刀具计划管理、刀具库存管理、装配与预调、刃磨与报废处理和供应商管理五 个模块。 ( 1 ) 刀具计划管理根据生产计划，确定刀具的中长期需求计划、供应计划 及采购计划。并根据班次作业计划制定刀具装配计划及刀具迸线计划； ( 2 ) 刀具库存管理：对刀具及元件进行线外管理，主要包括出入库管理、元 件库存管理、刀具参数登记及库存盘库管理； ( 3 ) 装配与预调：根据刀具班次作业计划确定需要装配的刀具，按照刀具装 配的要求列出所需元件及有关装配图、装配参数，并实施装配； ( 4 ) 刃磨与报废处理：对每一需刃磨的刀具给出具体的刃磨说明，对刃磨后 的刀具进行刃磨质量检查，对需要报废的刀具提出申请、进行审查并最后给出报废 处理的结果； ( 5 )供应商管理：记录供应商的般信息，对供应商的产品信息进行综合管 理，记录并评价供应商的信誉，对产品的报价进行统计和对比。 2 4 2 刀具寿命优化管理模块 在以往的f m s 刀具管理系统中的刀具寿命管理都是采用累计切削时间的方法 实现的。然而，刀具的磨损与很多因素有关，如刀具材料、刀具角度、工件材料及 南京理工大学硕士学位论文 竺! 窒墨兰兰耋篁塑茎兰堑兰 其状态、切削用量等。通过研究建立刀具磨损数学模型，引入相对磨损率，对刀具 寿命根据实际切削条件作出合理评价，以便刀具的优化使用，达到降低生产费用、 提高劳动生产率的目的。刀具寿命优化管理模块分为切削条件选择、刀具耐用度计 算、切削时间计算、相对磨损率计算及刀具可用性分析五个模块。 ( 1 ) 切削条件选择：输入刀具材料、工件材料、加工方式、加工条件、切削 用量等加工参数； ( 2 ) 刀具耐用度计算：输入切削条件参数、计算切削参数、计算耐用度修正 系数、计算在某道工序的加工情况下的刀具耐用度； ( 3 ) 切削时间计算：根据工序加工过程、切削用量，走刀长度，切入切出长 度等加工参数来确定工序的加工时间； ( 4 ) 刀具相对磨损率计算：有了前面模块得出的刀具耐用度和切削时间，可 以得出刀具加工某道工序时的相对磨损率； ( 5 ) 可用性分析：根据加工某工序所需的刀具相对磨损率及现有刀具的剩余 相对磨损率，可以判断出刀具是否可用。 2 4 3g t 概念下的刀具分配 基于成组技术( g t ) 概念下的刀具分配策略的指导思想是：首先利用数值分 析，根据零件加工所用刀具种类的相似性，以零件和刀具的相关性最大为目标构造 两者之间的关系；其次以机床刀库容量、机床可运转时间为约束条件同时考虑机 床之间的负荷平衡及工件在机床问的移动量最小，采用启发式算法、分群算法，将 零件和刀具分块，构成零件族和刀具集。然后将各刀具集适当地分派到某一机床上， 由该机床承担相应零件族的加工，以达到高效加工的目的。 刀具准备系统及各模块功能树参见图2 - 4 ，图2 - 5 ，图2 - 6 。 南京理工大学硕士学位论文 图2 4 刀具准备系统功能树 南京理工大学硕士学位论文 r 一1a 3 1 1 i刀具蒜求计划 】 。 j 】r 一一_一 卜 a 3 1 2刀具供应计划 l 。l 、 卜1a 3 1 3 f刀具采购计划 1l 1 一一 r _一a 3 1 4 刀具装配计划 fl r 一 l 1a 3 1 5 【刀具进线计划 “ 图2 - 5 刀具贮备管理系统功能树 南京理工大学硕士学位论文 1 4 引 一 i 图2 - 6 刀具寿命优化管理功能树 d e c l 9 9 9 f m s 刀具准备系统研究与开靛 3 刀具寿命优化管理 3 1 概述 在f m s 中，为实现自动化加工，必须对刀具寿命进行有效管理。当刀具达到 正常磨损后期时要及时换刀，以保证加工质量。由于f m s 加工对象的特点，刀具 是在一种不断变化的加工条件下工作的，因此其磨损情况是随着加工条件而变化。 在一般的f m s 刀具管理中，均采用累计切削时间来决定刀具的磨损，即当切削时 间达到刀具预期寿命( 凭经验确定的一个常数) 时实行强制性换刀处理。此种处理 方式较为简单，方便。但是，根据刀具切削理论，刀具的实际磨损是与具体的；9 h 3 2 状态如切削用量，刀具材料及几何参数，工件材料及状态等有关。因此，采用简单 的切削时间累加不足以全面衡量刀具的磨损，势必造成刀具的保守使用，进而增加 刀具成本；在f m s 的自动化加工中，将造成刀具不必要的进出系统，影响f m s 的加工效率。为此，我们提出刀具相对磨损率的概念，实现刀具寿命的优化管理， 达到既充分发挥刀具的使用性能，又保证产品质量的目的。 3 2 影响刀具耐用度的因素 刀具在切削金属时，一方面切下切屑，另一方面本身也要发生损坏。刀具损坏 到一定程度，就要换刀或更换新的刀刃，才能进行正常的切削。刀具损坏的形式主 要有磨损和破损两类。 刀具破损后就不能使用了。在f m s 的生产加工中，刀具的破损将直接导致切 削过程的中断、引起工件的报废、甚至机床损坏使整个f m s 停止运行，这是f m s 运行过程中应尽量避免的。因此，应在f m s 中使用刀具破损监测系统对刀具的实 际运行状态进行监测。 刀具磨损后，使工件加工精度降低，表面粗糙度增大，并导致切削力和切削 温度增加，甚至产生振动，不能继续正常切削。因此，刀具磨损直接影响加工效率、 质量和成本。刀具磨损主要决定于刀具材料、工件材料的物理机械性能和切削条件。 刀具耐用度是从指刃磨后开始切削，一直到磨损量达到刀具磨钝标准所经过 的切削时间。根据金属切自0 理论，车削和铣削的刀具耐用度公式分别为： 南京理工大学硕士学位论文 f m s 刀具准各系统研究与开发 瓦= t k t y l ，“n ；厂9 r 一研) d ： 一瓦丽 心 式中g 为耐用度系数，k ，为与工件材料，刀具材料和其它切削条件有关的 修正系数。v ，口。，口，口。，z ，d o 分别为切削速度，背吃刀量，进给量，每齿进 给量，铣削宽度，铣刀齿数及刀具直径，而m ，疗，p ，q ，r ，s 分别为对应参数的指数， 其大小反映每个参数对刀具耐用度的影响程度。从( 3 - 1 ) ，( 3 - 2 ) 式可知，影响刀 具耐用度的因素主要有： 切削速度v 切削速度是影响刀具耐用度的最主要因素。提高切削速度，耐用 度就降低。这是因为切削速度对切削温度影响最大，因而对刀具磨损影响最大。切 削速度和耐用度的关系可用公式v t “= c 。来表示( m 为表示v t 间影响程度的 指数，c 。为与刀具、工件材料和切削条件有关的系数) 。 进给量，切削时，增加进给量，将降低刀具的耐用度可以得到类似v t 的影响公式：，r = c 1 。 背吃刀量d 。切削加工时，随着背吃刀量的增加，刀具的耐用度会减小。同 样有与切削速度和进给量相似的公式：n 。t = c ：。而且，根据进给量所处的不 同范围，不仅会影响到，的指数，同时也影响到v ，a ，的指数和c ，的值。 工件材料机械加工的金属材料种类繁多，且每一类材料的机械性能不同， 其相应的刀具耐用度修正系数也不相同。 刀具材料对于不同的刀具材料，相应于不同的加工材料，有不同的刀具耐 用度修正系数。 毛坯表面状态随着毛坯表面状态的变化( 是棒料、锻件或铸件，有无外皮 等) ，其刀具耐用度修正系数也不同。 刀具的几何参数刀具的几何参数包括前角、主偏角、副偏角、刀尖圆弧半 径、刀杆尺寸，对于铣削还有铣刀齿数等。对于不同的刀具几何参数有不同的刀具 耐用度修正系数。 加工性质粗加工、精加工、半精加工时有不同的耐用度修正系数。 南京理工大学硕士学位论文 1 7 f m s 刀具准备系统研究与开发 工作条件 有无切削液x , 3 3 3 具的耐用度影响很大，相应的修正系数也不同。 车削方式 当进行外圆纵车，横车( 有不同的加工前后直径比) ，切断( 有不 同的大小径l l ) ，切槽时刀具耐用度有不同的修正系数。 对于铣削加工还有以下的几个影响刀具耐用度的因素： 铣削深度 相对于不同的铣刀类型、加工材料及实际铣削深度与标准铣削深 度之比，有不同的刀具耐用度修正系数。 铣刀相对位置 在铣削耐热钢时，与端铣刀和毛坯的相对位置有关，有不同 的修正系数。 此外，当加工难加工材料时，视不同的材料有不同的刀具耐用度计算的参数、 指数及修正系数。 3 3 刀具磨损率数学模型 3 3 1 刀具相对磨损率的定义 在f m s 中，大多使用车削类和镗铣类数控机床或加工中心，可采用如前所述 的( 3 1 ) ，( 3 - 2 ) 式计算刀具耐用度。 以上两式表示在具体的切削条件下；刀具耐用度的理论值。很显然，切削条件、 切削用量不同，则其理论的刀具耐用度值也不同，从而刀具磨损的快慢程度也不一 样。由此可见，在传统的f m s 刀具管理中，按切削累计计时确定刀具换刀点的方 法存在较大的偏差。 依照分析疲劳试验的积累损伤理论，我们提出相对磨损率的定义。 所谓刀具相对磨损率占，是指一把刀具在一个具体的切削条件下，其实际切削 时间t 与其相同条件下的理论刀具耐用度t 的比值，即： 占= 缗 ( 3 3 ) 6 值的大小，反映出刀具磨损程度的大小。很显然，占1 。当6 = 1 时，表明 刀具已经严重磨损，达到刀具使用极限，需要进行换刀处理。 实际上，在一个f m s 系统中，由于加工零件的变化，加工条件的改变，一把 刀具不可能只在一台固定的机床上加工一类固定的零件，它会在系统内正常流动， 参与不同类型零件的加工。因此，根据式( 3 1 ) 或式( 3 2 ) ，其理论刀具耐用度 不是一个定值。 南京理工大学硕士学位论文 f m s 刀具准备系统研究与开发 设在某一特定切削状态下刀具的理论耐用度值为z ，对应的刀具切削时间为， 则当： 三t 乞音= 1( 3 4 ) f _ lo t 时，刀具达到磨损极限，此时进行换刀处理。 由式( 3 4 ) 可知，问题的关键在于确定在特定切削状态下的耐用度t 值。由 前述分析得知，t 值与切削用量、刀具材料及其参数、工件材料、加工状态等因素 直接相关。如何确定t 值成为应用相对磨损率确定刀具更换的关键。采用数据库 技术，建立切削数据库，可以达到这一目标。 3 3 2 刀具相对磨损率的确定 事实上，在特定加工条件下，刀具的耐用度可以从切削试验中得到，其经验公 式可从有关手册中查找到。采用数据库技术，可以将刀具耐用度计算的有关指数及 修正系数建成数据表的形式，这样就可利用数据库的查询功能，编制相应的处理程 序来确定刀具耐用度，刀具切削使用时间，进而确定刀具相对磨损率。图3 1 为刀 具相对磨损率的处理模型。 加工直式选择 - i o 墟挞奉| j 缸l 一刀具耐用度 j 生挝糊越l 一计算数据库 期削用置选择 ，j处理系统 一加工条件选择- i 图3 1 刀具相对磨损率的处理模型 上图中，其输入内容如下： 1 加工方式选择：针对具体的f m s 加工设备，确定其加工类型( 车削或 镗铣削) ： 2 刀具材料选择：针对具体加工对象或n c 程序中确定的刀具，选择刀具 牌号及其几何参量； 3 工件材料选择：选择具体的加工材料牌号； 4 切削用量选择：从n c 程序中读入( 或人工输入) 具体的切削用量； 南京理工大学硕士学位论文 每 d e c19 9 9 f m 8 刀具准备系统砩究与抖技 5 加工条件选择： 确定加工表面类型，零件毛坯状态，工作条件，加工范 围等。 在刀具耐用度计算数据库处理系统中，建立了以下数据表格：影响刀具耐用 度参数的指数及系数表( 普通材料与难加工材料) ，加工材料性能表，加工材料性 能修正系数表，刀具材料修正系数表，刀具几何角度修正系数表，毛坯性质与表面 状态修正系数表，加工性质修正系数表，润滑修正系数表，加工方式修正系数表， 切入切出行程表，切削时间计算表等。 刀具相对磨损率确定的工作流程如下： 首先根据输入的加工方式，确定采用哪一类数据源( 车削或镗铣削) ，其次， 依据加工材料的类型( 普通材料或难加工材料) 、具体加工形式、刀具材料类型( 硬 质合金或高速钢) 、切削用量的取值范围，确定计算公式中的指数及刀具耐用度系 数。此外，还根据刀具材料的牌号，刀具几何角度，工件材料的牌号及机械性能， 毛坯性质与表面状态，切削方式与加工性等的不同，确定各有关的修正系数k ，总 的修正系数为 l 巧= l j 足， ( 3 5 ) j = l 当公式中的所有指数及修正系数确定后，便可按公式( 3 一1 ) 或公式( 3 2 ) 计 算刀具的理论耐用度值。 刀具切削时间的大小可根据工件材料的具体加工尺寸、加工形式、切削用量 等经过查表计算得到。 一旦计算得到刀具切削时间及其理论刀具耐用度值，即可计算在加工某一零 件时刀具的相对磨损率，此值与原有相对磨损率相加，可计算出新的刀具磨损率。 在f m s 刀具管理中，一把新刀具投入使用，则相对磨损率为o ，剩余相对磨 损率为1 ，使用一段时间之后，相对磨损率增大而剩余相对磨损率减小。在进行零 件加工前，对机床刀库中所有将要使用的刀具进行相对磨损率的计算，如果某把刀 具所需要的相对磨损率大于其剩余相对磨损率，则需要进行换刀处理。另外，当刀 具的相对磨损率达到9 8 以上或者剩余相对磨损率小于2 时( 即满足刀具耐用度 的高可靠性) ，此刀具不再继续使用，由刀具输送装置将它退出系统进行重磨或报 废处理。 采用刀具相对磨损率的方法评定刀具磨损状况，进而确定刀具的准确换刀时 间，已应用于开发的f m s 刀具准备系统中，并将在实际的f m s 系统中应用。 南京理工大学硕士学位论文 2 0 f m s 刀具准备系统研究与开发 3 3 3 实例验证 例：铣削3 0 件尺寸为6 0 0 m m x 7 0 m m 的平板，加工余量为4 m m ，工件材料 是h t l 5 0 铸件，硬度为1 8 0 i - 1 3 ，有外皮；采用直径瓯= 1 2 5 m m ，齿数z = 6 的y g 8 端铣刀加工，刀具的几何参数如下： yo = 5 0 ，口o = 1 2 。，k ，= 6 0 。，k ，= 5 。，a 。= 一1 2 。 为对照计算，采用两种不同的切削用量： 力= 1 5 0 r p m ，ar = 0 2 m m ，a 口= 4 m m ，a 。= 7 0 m m 玎= 1 2 0 r p m ，ar = 0 2 5 m m ，口。= 4 m m ，a 。= 7 0 m m 将所有己知条件输入计算机，由程序进行处理，可得到如下的参数： g 2 2 0 3k r 2 0 8 8m 2 31 3行= o 4 8 p = 0 9 1q = 0 6 3 ，2 0s = 0 6 3 将得到的参数及己知的两组切削用量代入式( 3 - 2 ) 计算得到： t 1 = 1 0 3 m i nt 2 = 1 6 9 m i n 由计算可知，在不同的切削条件下加工同一工件材料，刀具具有不同的耐用 度。其次，在两种加工条件下的进给速度相等： 4 ”，2 。，n z2 1 8 0 m m m i n 故其单件切削时间为： 铲半= 等矗。2 m i n 加工3 0 件的切削时间为： t = 3 0 + t 。= 3 0 + 34 2 2 1 0 2 6 r n i n 对第一种情况，其相对刀具磨损率为： 万= 纬= 1 0 2 6 1 0 3 = 1 对第二种情况，其相对刀具磨损率为：占= 络= 1 0 2 6 1 6 9 = - 06 1 由以上计算可知，对第一种情况，加工3 0 件后刀具相对磨损率为1 ，达到磨 损极限，须要进行换刀重磨；而对第二种情况，其相对磨损率仅为0 6 1 ，可以继续 使用。进一步可计算出第二种情况下达到刀具磨损极限时可继续加工的工件数量” 南京理工大学硕士学位论文 2 1 f m s 刀具准备系统研究与开发 为： 月：【生塑= ( 1 - - 0 6 1 ) * 1 6 9 3 a 2 = 1 9 件 t “ 3 3 4 结论 通过上述分析与实例证明，采用相对磨损率方法，可以准确的确定刀具的磨 损程度，这样既可充分发挥刀具的使用性能，又可保证加工质量，可克服单纯以切 削时间确定刀具剩余寿命的不足。将此种方法应用于f m s 刀具管理系统中，对于 合理使用刀具，保证f m s 的正常运行，具有非常重要的意义及实用价值。 3 , 4 刀具寿命的分布 上述的刀具耐用度与切削用量之间的关系是以刀具的平均耐用度为依据建立 的，实际上切肖加工过程是一个随机过程。由于刀具和工件材料性能的分散性，所 用机床及工艺系统的动、静态性能的差别、以及工件毛坯余量不均或工件的材质不 均等条件的变化，其刀具磨损耐用度是存在不同分散性的随机变量。通过刀具磨损 过程的分析和实验表明，刀具的磨损耐用度的变化规律一般符合威布尔分布、伽玛 4 分布及对数正态分布。因此，以刀具平均耐用度为依据建立的关系是不能完全符合 实际情况的，刀具耐用度实际上是刀具可靠度为5 0 的刀具耐用度( 有关刀具的 寿命分布的分析在第五章有详细阐述) 。随着切削加工系统自动化程度的提高，特 别是在f m s 这样的自动化生产线中对刀具可靠性的要求也越来越高，而刀具的平 均耐用度显然是不符合要求的。 我们能够根据切削加工过程中各随机因素对刀具磨损寿命的影响推导出刀具磨 损寿命分布函数的类型，并根据刀具的失效机理找出刀具的中位寿命或特征寿命的 切削用量之间的关系，就可按照刀具加速寿命试验的原理进行刀具可靠性的评价。 通常可要求刀具供应商提供刀具磨损寿命分布函数的参数，或通过刀具加速寿命试 验求出。在计算刀具在某一条件下的耐用度时，根据刀具磨损寿命分布的参数及事 先确定好的刀具需满足的可靠性要求，可以得出刀具在一定切削条件下和可靠性要 求下的高可靠性耐用度值。在刀具相对磨损率的计算中以高可靠性耐用度代替平均 耐用度，就可以在高可靠性要求下合理地使用刀具。例如，刀具在使用过程中不能 等到其相对磨损率为1 0 0 时再停止使用，而是当相对磨损率大于某一由高可靠性 南京理工大学硕士学位论文 m s 刀具准备系统研究与开发 要求决定的值时，就必须换刀。 总之，在f m s 中使用刀具，一定要考虑刀具的可靠性问题，并在平均刀具耐 用度计算的基础上考虑刀具耐用度随机性，得出高可靠性耐用度。在刀具使用过程 中用高可靠性耐用度来计算刀具的寿命。 3 5 刀具信息及有关参数数据库设计 1 工序信息数据结构 序号字段英文名字段中文名字段类型字段长度小数位 1 p r o c e s si d 工序号 i n t e g e r 2 p