（机械制造及其自动化专业论文）工艺信息管理系统与nc代码校验的研究.pdf

工艺信息管理系统与n c 代码校验的研究 摘要 机械制造随着数控加工技术的应用和发展已经进入到数字制造时代。在数控加工领 域自动化程度不断提高，技术含量也越来越重。建立工艺信息管理系统对机床、刀具进 行合理和有效的管理、对切削用量进行优化选择。这对一个机械加工企业为提高工作效 率、增强企业竞争力具有十分重要的现实意义。 以刀具直径、主轴转速、进给速度、铣削深度和铣削宽度为优化变量，以最低制造 成本和铣削时间为目标函数，根据机床功率、主轴扭矩、进给力、刀具寿命、工件表面 粗糙度等客观约束条件建立铣削用量的多目标优化模型。采用遗传算法对其进行求解， 重点研究了优化变量的编码方案以及选择、交叉、变异和结果筛选策略。针对多目标优 化各个目标权重难以确定问题，又进一步引入了适应性权重遗传算法，随着遗传代数的 进化，算法能自适应地给出各个目标权重。运用v c + + 编程软件结合具体实例进行仿真， 所得算例验证了该方法的合理性。 研究刀具的编码方案，对机床、刀具、切削用量进行信息分析，采用s q ls e r v e r 软件建立了工艺信息数据库。利用l a b v i e w 软件通过d a t a b a s ec o n n e c t i v i t yt o o l k i t 工 具包对数据库进行远程访问，开发出面向企业管理的工艺信息管理系统，该系统能够对 机床、刀具、切削用量的查询、修改、添加、删除等基本功能。并在此系统平台上，通 过调用v c + + 动态链接库d l l 的方法实现了对铣削参数的优化功能。 以数据库为基础信息，同样利用l a b v i e w 软件通过对数据库的访问和调用d l l 的 方法开发了n c 代码校验专家系统。系统能够对n c 代码进行译码和语法查错，能够对 加工过程中的主轴扭矩、转速、功率、进给速度、刀具寿命等参数进行工艺校验。通过 运用l a b v i e w 与s o l i d w o r k s 软件的联合仿真功能，系统能够对n c 代码的刀具路径进 行三维动态仿真与校验，以避免加工过程中的碰刀、超行程等不合理刀具轨迹。 关键词：工艺信息管理；切削用量优化；适应性权重遗传算法；系统开发；n c 代码校验 a b s t r a c t w i t ht h e a p p l i c a t i o n a n dd e v e l o p m e n to fc n cm a c h i n i n gt e c h n o l o g y ，m a c h i n e r y m a n u f a c t u r eh a v ee n t e r e dt h ed i g i t a le r a d e g r e eo fa u t o m a t i o nb e c o m e sh i g h e ra n dh i g h e r a n dt e c h n o l o g yh e a v i e ri n t h ef i e l do fc n cm a c h i n i n g t h ee s t a b l i s h m e n t o fp r o c e s s i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e mw h i c hc a nm a n a g e sm a c h i n et o o l s ，c u t t i n gt o o l sr a t i o n a l l y a n de f f e c t i v e l y ，a n do p t i m i z et h es e l e c t i o no fc u t t i n gi so fg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t oa m e c h a n i c a lp r o c e s s i n ge n t e r p r i s et oi m p r o v ee f f i c i e n c ya n de n h a n c e t h ec o m p e t i t i v e n e s s t a k et o o ld i a m e t e r ，s p i n d l es p e e d ，f e e dr a t e ，m i l l i n gd e p t ha n dm i l l i n gw i d t ha st h e o d t i m i z a t i o nv a r i a b l e s ，t h el o w e s tm a n u f a c t u r i n g c o s ta n dm i l l i n gt i m ea st h eo b j e c t i v e f u n c t i o n ，a c c o r d i n gt om a c h i n ep o w e r ，s p i n d l et o r q u e ，f e e df o r c e ，t o o ll i f e ，s u r f a c er o u g h n e s s a n do t h e ro b i e c t i v ec o n s t r a i n t st oe s t a b l i s ham u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o nm o d e l o fa m o u n to f m i l l i n g g e n e t i ca l g o r i t h m i sp r e s e n t e df o rf i n d i n gg l o b a lo p t i m a l s o l u t i o n t h ec o d i n go f c o n t r o lv a r i a b l e sa n ds t r a t e g i e sf o rt h es e l e c t i o n ，c r o s s ，m u t a t i o n a n dr e t e n t i o no p e 。a t l o na 。e m a i n l vs t u d i e d a i m i n g a t d e t e r m i n i n g e a c h o b j e c t i v e w e i g h t o t m u l t i 。o b j e c t l v e o d t i m i z a t i o n ，t h eg e n e t i ca l g o r i t h mw i t ha d a p t i v ew e i g h ti s i n t r o d u c e df u r t h e r ，w i t hg e n e t l c e v 0 1 u t i o ne a c ho b ie c t i v ew e i g h ti sg i v e na d a p t i v e l yb yt h ea l g o r i t h m t h e u s eo fv c + + p r o g r a m m i n gs o f t w a r e s i m u l a t i o nw i t hc o n c r e t ee x a m p l e s ，c a s e s t u d i e ss h o wt h a tt h e a l g o r i t h mf o rs o l v i n gm u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o na r er e a s o n a b l e t h ee n c o d es c h e m eo ft o o la n dt h ei n f o r m a t i o no fm a c h i n et o o l s ，c u m n gt o o l s ，c u t t i n g a r ea n a l y s i s e d ，u s i n gs o f t w a r es q ls e r v e re s t a b l i s h sap r o c e s si n f o r m a t i o nd a t a b a s e u s i n g l a b v i e wd a t a b a s ec o n n e c t i v i t yt o o l k i ta c c e s s e st o t h er e m o t ed a t a b a s e w ed e v e l o pa d r o c e s si n f o n n a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e mf o rt h eb u s i n e s sm a n a g e m e n t ，t h es y s t e m i sa b l et o q u e r y ，m o d i f y ，a d d ，d e l e t e p l a t f o r m c a l l i n g v c + + p a r a m e t e r s m a c h i n et o o l s ，c u t t i n gt o o l s ， d y n a m i c l i n kl i b r a r yd l l c u t t i n g si n f o r m a t i o n s a n do nt h i s a c h i e v e so p t i m i z a t i o no fm i l l i n g d a t a b a s e - b a s e di n f o m a t i o n ，u s i n gt h es a m em e t h o dt h a ta c c e s st h ed a t a b a s e a n dc a l l d l ld e v e l o p e sa ne x p e r ts y s t e mw h i c hv e r i f i e sn c c o d e t h es y s t e mc a nd e c o d e st h en c c o d ea n dc h e c k ss y n t a xe r r o r ，a n dv a l i d a t e st h es p i n d l et o r q u e ，s p e e d ，p o w e r ，f e e dr a t e ，t o o l l i f ea n do t h e rp a r a m e t e r si n w o r kp r o c e s s u s i n gl a b v i e wa n ds o l i d w o r k s s o f t w 2 l r e c o 。s i m u l a t i o nd y n a m i c l ys i m u l a t e sa n dc h e c k st h et o o l p a t h ，i tc a na v o i d sk n i f ec o l l i s i o n o v e r 。t r a v e la n do t h e ru n r e a s o n a b l et o o lp a t h g e n e t i c 殂 证mm 血 。 阻盱瓶 娥 代 n 分p 耐峪c血n 叫止黑 m 时 n 趼 。e 僦曲 姗玳m 代 s 阱篙 吣h淼 k 甜 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 机械制造业是国民经济的支柱产业。没有发达的制造业，就不可能有国家的真正繁 荣和富强。而制造业的发展规模和水平，则是国民经济实力和科学技术水平的重要标志 之一。加入w t o 以来，我国的制造业得到了迅猛发展，并将逐步成为世界的制造业中 心。2 l 世纪机械制造业的竞争，其实质是数控技术的竞争，这种竞争是全方位的。目前， 随着国内数控机床用量的剧增，特别是随着高刚度整体铸造床身、高速运算数控系统和 主轴动平衡等新技术的采用以及刀具材料的不断发展，现代切削加工朝着高速、高精度 和强力切削方向发展。数控机床刀具与工具系统的性能、质量和可靠性以及切削管理系 统的水平，直接影响到我国制造业数百万台昂贵的数控机床生产效率的高低和加工质量 的好坏，也直接影响到整个机械制造工艺的生产技术水平和经济效益。可以说工艺信息 管理系统水平的高低，正在成为制约我国制造业发挥数控机床加工效率的“瓶颈”l l j 。 数控机床刀具、工具系统和切削用量管理系统是发挥数控机床加工效率、保证加工 质量的基础。只有先进的数控机床，没有与之相配套的先进刀具、工具系统和切削用量 管理系统，或者没有掌握刀具的合力实用技术，数控机床的效能就得不到充分发挥【2 ，j j 。 本论文正是从数控加工生产实际的角度出发，以切削过程的基本理论为基础，以掌握数 控机床切削用量的合理选用，发挥数控机床效能为目标。在介绍数控加工的切削基础， 切削用量的选用原则等基础上，分析数控铣削刀具的种类、特点以及切削用量选用的依 据。同时，结合国内外数控工艺信息管理系统的最新发展成果，分析研究工艺信息管理 系统的组成及原理、数控铣削参数的优化以及数控铣削n c 代码的工艺检验。 1 2 工艺信息管理系统研究现状 1 2 。1 国外研究概况 瑞典的s a n d v i k 公司的成套商用工艺信息管理软件c o r a t a s ，该管理系统可使刀具管 理实现自动化。该系统能监控刀具从有效地点进入刀具库，直到机加工车间机床上的全 部去街过程。它能保证在开始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 哈尔滨工程大学硕士学位论文 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【4 】。s a n d v i k 管理系统界面如图1 1 所示。 图1 1s a n d v i k 管理系统 作为一种系统的工艺信息管理软件，从1 9 8 9 年瓦尔特t d m1 0 诞生起，现在已经 发展到t d m v 4 和m y t d m c o r n 。它可以从零件方面、从库存方面、从切削用量方面、 从刀具寿命等方面对刀具进行全方面的管理。它有广大的用户群。t d m 由基本模块、 系统管理模块、图形模块、与其他c a m 软件接口模块、仓管模块、条形码输入模块、 定货模块、车间控制模块、夹具及辅具模块等模块组成【5 l 。t d m 管理系统软件界面如图 1 2 所示。 | | 7 磊l 淄j 蔓? 蔓整i 翟享 一i _ a 曩斜翻b ；b - h i 巩is e a r c h - f n js i 辋p - * jp ，h t l 甜珥衄j t o o l 1 由l yf 0 9 1 5 1 0f o r i fl t i l t i n gc u t t e r桃 m c 。w 日n “d d e “棚 o e c e s b t i o n 2 ? | 鼍烂 一_ 1 口。一一一一j h 唧 墨逛 29 e i i o - s t i 一3 2 6 9 7 0 - 7 8 9期h dp o s i t i v】r i ) g g l 2 0 4 m 0 - a 57 v 33 6 6 3 s 6 - 8 5 2f a c i 二m i l i 如埘琢k i , ( 1 s s ho6 30 3 0 c 噼f 4 1 9 7 5 3 i 一8 s om a s t e r t o o lh o l d e r a 1 0 0 m2s 00 2 8e f k n h 519 8 2 0 3 - 7 9 0t e l 4 s 1 0 n i l gb o l tc 1 0 05 01 1 sf 5 d e l e i e c 培年5 s w h c h p 僻 鞲 o e 女 5f l| 广 1 - , 珏4 ：6 h 髓i l 1 1 _ z _ j3 _ f 7 c ” 一一 c f 9 6 a u s t r a l f 3 f f a r 脚“d 1 7 1 0 2 0 0 2_ _ 型 第l 苹绪论 户的具体需要相结合而研制开发的工艺信息管理平台。s m a r tc r i b 工艺信息管理系统具 有完善的数据库管理功能，能够非常灵活、高效地对不同生产厂家、不同类型的刀具进 行多库房管理，规范的出入库操作，智能的组合刀具拆装，丰富的库存统计等各种强大 的功能，s m a r tc r i b 工艺信息管理系统完全可以满足各类机械企业对刀具管理的各种需 求1 6 j 。s m a r tc r i b 刀具管理系统如图1 3 所示。 蠢，卿警螭鞠睁鬻囊- 一。+ - - “， 、。一 “、。蚺涧i - l = 攀 1 目e 。 ： 弼睁瞪， 、 图1 3s m a r tc r i b 刀具管理系统 e t m s 是一套将国外先进的刀具管理理念与国内用户的具体需要相结合的刀具管理 系统，如图1 4 所示。 i m i l ：n ；两f 刁 l i i辊瓣翅豳熊 篮鼬缀昌b 黜照玉盆毯翘：l 绷黼一：黼碥 疆蠢1 幽确f “ 一7 “”“ 图1 4e t m s 刀具管理系统 它具有完善的数据库管理功能，能够非常灵活的管理来自不同生产厂家的成千上万 的刀具产品，同时使得用户能够非常方便地按照自己的习惯来记录刀具信息。 它具有友好的人机对话晃面及强大的管理功能，能够利用最少资源，及时准确地提 哈尔滨： 程大学硕士学位论文 供刀具及其组件信息，在最短时问内完成刀具准备，给机床提供正确的刀具，极大地提 高车间的生产效率。它有以下主要功能：管理刀具数据库、实现刀具的快速查询、促进 刀具及组装刀具的库存合理化、管理刀具库房，跟踪有价值的刀具、自动产生订货需求、 支持条形码扫描设备、为降低刀具使用成本提供广泛的信息、也可以集成到企业管理系 统【7 1 。 1 3 课题的研究目的和意义 据山特维克官方数据统计，在众多的制造业企业的生产过程中，1 2 的计划作业停 止是由于机床调度不合理造成的。1 6 的计划作业停止是由于缺乏刀具造成的，3 0 6 0 的刀具库存不在控制之中。2 0 的机械师时间花在查找刀具上。4 0 8 0 的监督人 员时间花费在寻求刀具上。2 0 4 5 的加工人员时间花费切削用量不合理上。由此可以 看出，车间管理在现代加工企业中所占的比重非常大，车间管理要素包括车床管理、刀 具管理以及切削用量合理的选用。不合理的管理会造成机械加工中不必要的损失。甚至 成了企业的加工能力瓶颈，限制了企业的核心竞争力训。 在一个现代化的制造企业，尤其是大型的机械制造f 加工) 企业，有各式各样的机床、 上千种不同的零件、n c 程序、刀具、夹具、量具要管理；对机床来言，该机床能够加 工多大的零件，能加工什么样的零件，该机床现在是否空闲、是否出故障以及该机床的 生产厂商和联系电话。对刀具而言，使用的刀具可能多达几万种规格。每把刀具的图纸 和相互间的装配关系、适合用于哪些机床、适合加工的工件材质、加工不同零件的切削 速度和进给量、刀具的加工时间是多少、刀具的寿命是多少、刀具预调尺寸、刀具使用 频率、刀具现有的库存量、最低安全库存量、库存位置、供应商、是否需要定货、订货 后的交货周期、订货是否有其它条件等等，都要进行管理，可想而知那是多么繁琐的工 作【l1 - 1 3 】 r o 而切削用量的选择是否合理，对提高切削效率、保证刀具耐用度和工件的加工质量 有重要意义。例如，切削速度选得过高，将使刀具耐用度急剧下降，由于磨刀和调整时 间增多，最终反而降低了切削效率。 在数控加工过程中，不乏有初学者编写数控n c 代码，那么该数控代码正确和合理 性有待检验；有时，数控n c 代码在一个机床上运行良好，但到另一比较老的数控机床 上使用就有可能出现问题，原因是该机床功率或是进给率达不到代码要求。 鉴于以上多方面问题，这些问题是实际存在的并且制约着一个企业的生产效率，我 们有必要开发出能解决上述问题的一套工艺信息管理系统。该管理系统能对车间内的所 4 第1 章绪论 有机床、刀具进行管理，对指定机床和刀具选用合理的切削加工参数。n c 代码校验功 能能够校验外来代码是否能够在指定机床和选用刀具下进行机械加工。该管理系统将会 大大提高企业生产效率，提升市场竞争力。 1 4 本课题主要研究内容 针对工艺信息管理系统与n c 代码校验进行以下研究： 1 、分析数控铣削要素，以最低生产成本和最大生产率作为目标函数，分析模型中 的约束条件，建立数控端铣切削用量优化模型，最后采用基于适应性权重遗传算法对模 型进行优化求解。 2 、分析数控机床参数信息、刀具信息、切削用量选择依据，并对刀具进行分类和 编码，设计出一套编码方案，将各信息内容存储在s q ls e r v e r 数据库中，建立工艺信息 数据库。 3 、结合实际车间的运行情况和传统工艺信息管理系统的不足，对工艺信息管理系 统进行需求与功能分析，以l a b v i e w 为丌发平台，以s q ls e r v e r 为数据库服务器，开 发出工艺信息管理系统，并将切削用量优化选择的遗传算法嵌入到该系统中。 4 、以工艺信息数据库为依托，分析n c 代码的译码方式和校验方法。以l a b v i e w 和s o l i d w o r k s 为开发平台，开发出对n c 代码的校验和刀具轨迹的三维动态仿真系统。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 1 引言 第2 章系统总体方案设计 随着国内制造业的快速发展，数控机床已走进了现代化生产企业。企业的生产发展 要求科学技术的进步，而企业科学技术的进步又推动科学技术的发展。企业科学技术的 进步，首先反映在企业的生产部门一车问。车问的进步又主要由加工设备和管理方法来 体现。在车问管理中，切削用量管理是一项非常重要的任务，它不仅为智能制造技术系 统提供强有力的技术支持，而且可为制造业进行网络化的虚拟制造技术研究与开发奠定 技术基础，是关系到加工产品的技术先进性、质量可靠性、供货周期、制造成本的关键 环节。在数控车问，如何调度数控机床、如何有效地组织刀具和切削用量是影响加工中 心乃至生产制造系统效率的一个重要因素【14 1 。 2 2 系统需求分析 在生产车间，若一批新毛坯或铸件需要进行加工，那么需要对该零件进行工艺编排， 工艺编排中需要选择机床、选择夹具、选择刀具、制定切削用量、加工类型等。在一个 大型车间，如果不进行调度，将会造成资源或是时间的浪费，降低生产率。若不是一个 对本车间设备和工具非常熟悉的车间管理主任，他将不会非常快速高效的编排出加工工 步。若是临时一个零件需要加工修f ，需要某把刀具，如果没有工艺信息管理系统，那 么我们需要到该车间找这把刀具，找到该刀具，还需要找能加工该零件的机床，就查找 设备和工具时间就占加工时间的大部分，大大影响生产效率。找到该机床，采用这把刀 具，但是用怎样的切削用量合理呢，该机床的加工效率多大呢，主轴最大转速是多少昵， 进给速度多大好呢，如果不考虑这些因素，直接采用较小的进给速度，那么可能造成切 削表面层的冷作硬化，还会使切削阻力大大增加，使切削无法继续进行【1 5 - 1 7 】。最后，设 备工具都已具备，对加工零件进行加工编程，n c 代码是否有错误，加工过程是否碰刀 等问题不可避免。综上，现目前，我国仍有大部分的企业对机床、刀具的管理存在诸多 问题，具体内容如下： 1 、对整个车间的机床信息和刀具信息的管理没有或者不完善，或者只有纸质版文 件； 2 、对切削用量的查询任然查找古老的手册，繁琐而且效率低下； 6 第2 章系统总体方案设计 3 、对n c 代码的检验没有合适的方法。 2 3 系统功能框架 2 3 1 系统功能要求 本论文为结合实际加工过程所遇到的问题，建立一套工艺信息管理系统帮助企业提 高生产率，提高我国机械制造业经济发展速度。该管理系统具有以下功龇e m ： l 、能够管理一个企业的所有机床信息，能够查询每台机床的参数信息、机床刀具 数量、刀具名称、当前的任务、数控系统、该机床的生产厂家、联系电话等。 2 、能够管理一个企业的所有刀具信息，能够查询每把刀具的参数信息、该刀具目 前位置、刀具加工总时间、刀具生产厂家、联系电话等。 3 、能够提供切削用量选用原则，快速查询切削用量，对某些加工实例提供切削用 量优化功能与检验。 4 、能够远程连接中心数据库，即管理系统界面可以在多个终端，以便对每个车间 提供应用便利。 5 、具有统计功能，每个车间只能对属于本车问的设备和工具进行数据维护。 6 、能够对n c 代码进行校验，对刀轨进行三维动态仿真，检验刀轨的正确性和加 工过程中的碰刀等问题。 7 、具有用户信息管理功能，即对某些用户开启特殊的权限。 8 、界面友好，操作方便可靠。 2 3 2 系统功能模块 本系统的结构考虑到实际车间的分布情况，将整个企业的机床信息、刀具信息、切 削用量等参数做成一个中心数据库。而管理系统不仅可以存在一个终端，也可以有多个 终端，因为管理系统终端需要安装在每个车间，该终端设定该车间的管理员用户，该用 户只能查询和维护属于该车间设备和刀具的信息数据。在工艺信息管理系统终端上，其 功能有系统管理、机床信息管理、刀具信息管理、切削用量管理以及n c 校验模块。在 信息管理模块内，用户能够对数据库进行查询和信息维护。在切削用量管理模块内加入 了切削用量优化模块，该优化模块算法是以遗传算法作为工具。而代码校验模块包括 n c 语法查错、校验以及刀轨动态仿真功能，该模块对车间内所有人员开放，因为考虑 到每个车间的数控机床有多台，一个检验模块会影响检验效率。系统的总体框架结构如 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 1 所示。 2 3 3 系统车间布局 图2 1 系统总体框架结构 一个管理系统的实用性体现在它是否能够融入企业并被工作人员所接受。所以，我 们应该从企业的结构出发，来设计本管理系统。一个加工制造食业往往有多个机加工车 间和装配车间或者铸造焊接车间等，如果用一个工艺信息管理系统，那么对于信息的传 播与沟通会产生较大的困难。比如，某个车间需要查找该车间内一台机床生产厂家的联 系电话，该车间管理员便得联系主控室里工艺信息管理系统的管理员。这样，该管理系 统不具备智能性。因此，将管理系统做成不同的终端，在每个车间进行安装。但每个车 间管理员登入系统只能对属于本车问的设备进行管理和维护，如果该终端能查询和修改 所有信息，将可能带来错误。这种管理方法是利用系统用户权限决定的，如果你采用超 级用户在任意终端登录，那么你能够查询整个企业的管理信息。对于n c 代码校验系统， 如果该系统与工艺信息管理系统进行绑定，那么对于大量的n c 代码，代码就得拿到管 理系统终端进行检验，造成效率的降低。因此，本系统的布局结构采用一台服务器作为 一个企业的数据库服务器，每个车间内安装一个工艺信息管理系统终端和多个n c 代码 第2 章系统总体方案设计 检验终端，终端与服务器采用t c p i p 协议进行通信，这种分布式架构的中介则是采用 简单的路由或者交换机。其系统的车间布局如图2 2 所示。 2 4 系统开发环境 2 4 1 开发软件介绍 车问1 图2 2 系统的车间布局 车问2 1 、l a b v i e w 软件介绍 l a b v i e w 是l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h 的英文缩写，它是 美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ，简称n i ) 的创新软件产品，一种图形化的编 程环境，使用图形化的符号来创建程序( 通过连线把函数节点连接起来，数据就是在这 些连线上流动的) ；传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序执行顺序， 而l a b v i e w 则采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了程序的执 行顺序。它用图标表示函数，用连线表示数据流向。它内置信号采集、测量分析与数据 显示功能，摒弃了传统开发工具的复杂性，在提供强大功能的同时保证了系统灵活性， 哈尔滨：r 程大学硕士学位论文 是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件集成开发环境。利用l a b v i e w 开 发平台，可实现数据采集、仪器控制、过程监控和自动测试、运动控制等实验室研究和 工业自动化领域的测试与控制。 l a b v i e w 在国内流行的时间并不长，只有短短的几年时间，但它在国外被广泛用 于教学、科研、测试和工业自动化领域。l a b v i e w 的特点主要有：图形化编程、直观、 易学易用、通用编程系统、模块化等陋2 0 1 。 2 、s q ls e r v e r2 0 0 0 软件介绍 8 q l s e r v e r2 0 0 0 是m i c r o s o f t 公司推出的数据库管理系统，它的数据库引擎能够 胜任于当今复杂苛刻的数据环境。该版本继承了s q ls e r v e r7 0 版本的优点同时又比 它增加了许多更先进的功能，具有使用方便，可伸缩性好与相关软件集成程度高等优点， 可跨越从运行m i c r o s o f tw i n d o w s9 8 的膝上型电脑到运行m i c r o s o f tw i n d o w s2 0 0 0 的 大型多处理器的服务器等多种平台使用。 s q ls e r v e r2 0 0 0 的优点：高性能设计；系统管理先进；强壮的事务处理功能， 采用各种方法保证数据的完整性；支持对称多处理器结构、存储过程、o d b c ，并 具有自主的s q l 语言；与i n t e r n e t 的紧密集成和开放的系统结构为广大的用户、 开发人员和系统集成商提供了一个出众的数据库平台 2 1 - 2 3 】。 3 、m i c r o s o f tv i s u a lc + + 软件介绍 m i c r o s o f tv i s u a lc + + 是m i c r o s o f t 公司推出的开发w i n 3 2 环境程序，面向对象的可 视化集成编程系统。它不但具有程序框架自动生成、灵活方便的类管理、代码编写和界 面设计集成交互操作、可开发多种程序等优点，而且通过简单的设置就可使其生成的程 序框架支持数据库接口、o l e 2 ，w i n s o c k 网络、3 d 控制界面2 3 彩】。 4 、s o l i d w o r k s 软件介绍 s o l i d w o r k s 软件是世界上第一个基于w i n d o w s 开发的三维c a d 系统，由于技术创 新符合c a d 技术的发展潮流和趋势，s o l i d w o r k s 公司于两年间成为c a d c a m 产业中 获利最高的公司。良好的财务状况和用户支持使得s o l i d w o r k s 每年都有数十乃至数百项 的技术创新，公司也获得了很多荣誉。功能强大、易学易用和技术创新是s o l i d w o r k s 的 三大特点，也使得它成为领先的、主流的三维c a d 解决方案。它能够提供不同的设计 方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量【2 6 2 8 1 。 2 4 2 系统软件开发方案 系统主要由工艺信息管理系统和n c 代码校验系统组成，系统的开发主要以 第2 章系统总体方案设计 l a b v i e w 为基础。动态链接库d l l 主要完成切削参数优化与n c 代码译码等工作； s o l i d w o r k s 主要完成n c 代码的刀轨动态仿真；在线加工功能完成n c 代码的传输，该 功能模块在n c 代码校验系统内；s q ls e r v e r 则是数据存储库并作为远程服务器。开发 方案见图2 3 所示。 鍪笙垫堕卜 一 兰兰兰!盛 r s 2 3 2 c 在线加工 ! j 远程数据库s q ls e r v e r 】 2 5 本课题研究的重点内容 图2 3 系统开发方案 医而瓦习 j 动态链接库d l l l l z 一 本论文主要研究铣削用量优化模型的建立及算法、工艺信息管理系统以及n c 代码 的校验。其个内容的关键技术分别如下。 2 5 1 铣削用量优化模型的建立及算法研究 1 、优化目标函数、变量以及约束条件的建立； 2 、优化算法的选择与研究； 3 、对本模型的优化求解。 2 5 2 工艺信息管理系统的建立 工艺信息管理系统的主要关键技术如下： 1 、机床、刀具、切削信息数据库分析； 2 、刀具编码方案； 3 、管理系统与远程数据通信方法研究； 4 、管理系统功能分析； 5 、管理系统开发。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 5 3n c 代码的校验 该模块主要关键技术如下： 1 、n c 代码的译码与工艺参数提取； 2 、n c 代码语法查错； 3 、参数计算与校验方法； 4 、n c 代码刀轨动态仿真； 5 、校验系统开发。 2 6 本章小结 本章通过对生产车间设备信息管理存在的问题进行分析，以解决车间设备和技术管 理所存在的缺陷而确立了本系统的功能要求，建立了本系统的功能模块。工艺信息管理 系统主要由机床信息管理、刀具信息管理、切削用量管理以及系统管理四个模块组成。 并将系统在车间的布局进行了设计和情况说明，确定由多个工艺信息管理系统终端共同 管理整个企业的布局方式。介绍了丌发环境并确定了论文研究的重点内容。 第3 章切削参数的优化 第3 章切削参数的优化 3 1 引言 切削用量的选择是否合理，对提高切削效率、保证刀具耐用度和工件的加工质量有 重要意义。例如，走刀量选得太小，每个工件的加工时间就长，也会降低切削效率。另 外，对于高强化系数的工件材料如高锰钢、不锈钢等，若走刀量选得太小，由于切削表 面层的冷作硬化，还会使切削阻力大大增加，使切削无法进行。切削深度和走刀量选得 太大，切削力合切削功率会超出机床的允许值，造成闷车打刀或走刀机构失灵。因此， 确定刀具最佳切削用量是机械制造中一项重要的技术经济任务。由于机械制造生产广泛 实现了自动化，采用数控机床、联机自动线及多工位机床，以及应用切削加工性差的材 料，这项任务的意义就更大了 2 8 - 3 1 。切削过程最优化涉及生产率、经济型、加工精度、 表面质量、使用的可靠性，以及机器零件的寿命的问题。 3 2 铣削参数优化的研究 数控铣削是数控加工的主要方法之一，它除了能铣削普通铣床所能铣削的各种零件 表面外，还能铣削普通铣床不能铣削的需要2 5 坐标联动的各种平面轮廓和立体轮廓 3 2 1 。因此，我们对铣削参数进行优化研究。 3 2 1 铣削要素 铣削参数通常包括：铣削速度v c 、进给量或进给速度y ，、背吃刀量口，、切削宽 度a 。，如图3 1 所示。 图3 1 铣削要素 】3 哈尔滨j 1 ：程入学硕士学位论文 1 、铣削速度v 铣削速度指铣刀旋转时的线速度。其计算公式为： d d ” k2 卫1 0 0 0 ( 3 - 1 ) ， 式中：v ，、铣削速度，单位为m m i n ； 以铣刀直径，单位为1 1 1 1 1 1 ； 胛一铣刀转速，单位为r m i n 。 2 、进给量厂和进给速度v ， 每转进给量厂，是指工件或刀具旋转一周( 或每往复一次) 的时间间隔内，两者沿进 给方向上的相对距离。进给速度v ，是指每分钟工件相对于铣刀沿进给运动方向移动的相 对位移量，也是铣床工作台的进给速度。进给速度v ，与进给量厂之间有： v ，2 形。2 旺z ( 3 - 2 ) 式中：v ，一进给速度，单位为m m m i n ； z 一铣刀齿数； f 一铣刀每齿进给量，单位为m m z 。 3 、背吃刀量( 也称作铣削深度) a 。 背吃刀量a 。是指平行于铣刀轴线方向度量的切削层尺寸。 4 、铣削宽度以。， 它是指垂直于铣刀轴线方向和进给运动方向度量的切削层尺寸【3 3 3 5 】。 3 2 2 优化目标及其函数 合理的切削用量是指充分利用刀具的切削性能和机床性能，在保证加工质量的前提 下，获得高的生产率和低的加工成本的切削用量。机械生产实践中，常用的优化目标函 数有以下两种： 1 、生产效率优化函数 生产效率高是指3 j h q - 某批量零件所用的时间最短，直接表现为加工单个零件所用的 时间最短。加工单个零件所用的时间，根据经验公式有3 6 】： f ( t ) 2e ，+ t + 乃( 3 3 ) 式中：五，一加工时间，单位m i n ： r 换刀时间常量，单位m i n ； 疋一装夹时间常量，单位m i n ； 1 4 第3 章切削参数的优化 加工时间瓦，为： r 瓦，= 三 ( 3 4 ) v ， 式中：l 总加工长度，单位m m 。 2 、生产成本目标优化函数p 生产成本是指加工某批量零件所花费的费用，具体主要有刀具磨损费用以及加工人 员的工时费，追求生产成本最低就是花费的费用最少，加工单价零件时的费用公式为： 7 1 厂( c ) 2 e ，厂( f ) + c 等 ( 3 5 ) 式中：c ，一刀具费用常量，单位元把； e ，一工时费用常量，单位元r a i n ： 7 1 一刀具耐用度也即刀具寿命，单位r a i n 。 铣削时，刀具耐用度丁为： 丁- 赫f -乜卜(黔xv缸厂v c q ，y 、a o n 1 3 兀npf j ? n ；? z ? 一。? 1 ) 式中c 、x 、，、y 一“rp l 、q k 一聊为常值系数，可以从从表查出。 3 2 3 优化变量 ( 3 - 6 ) 当我们确定一块毛坯的加工部分后，我们需要对它进行工艺编排，或是n c 代码编 写。那么选用多大直径的刀具，主轴转速定为多少，进给速度多少，铣削深度多少，铣 削宽度多少，这些都是具有模糊性的参数。或者从需要加工部分粗略定下铣削深度和铣 削宽度，然后从切削用量手册查找该用多大直径刀具、进给速度、主轴转速等等【3 8 】。虽 然这些参数能够完成任务，但是这些参数不一定是最优参数。比如，我们可以增加切削 宽度降低进速度或者减小刀具直径增加进给速度，这都有可能缩短加工时间或降低生产 成本。因此我们的优化变量主要有五个，它们是铣刀直径以、主轴转速 、进给速度v ，、 铣削深度a 。、铣削宽度a ，。 3 2 4 约束条件及其函数 在实际的参数选取过程中，需要考虑毛坯加工部分的形状、机床参数、刀具材料、 哈尔滨工程大学硕士学位论文 刀具直径、刀具耐用度、夹具、加工质量等因素的。因此，在建立数学模型的时候必须 考虑到这些因素，这些限制因素便构成了优化模型中的约束条件【3 9 】。 1 、对毛坯形状的分析 在本文中，以硬质合金端铣刀加工为例，铣削分析示意图如图3 2 所示，假设铣削 部分为模型中彩色区域。 l 2 妒 罄 l 3 j 絮 图3 2 铣削分析不意图 铣削一层的面积为a ，a = 厶厶，所需走刀长度为l ，每次铣削宽度一致( 不考虑 入切量及超切量) ，则三，吼：彳，三，：一a 。走刀的总长度为： m 7 争a 吼 口，- 1 ( 3 - 7 ) n p a e n p 式中： 鱼】表示向上取整。 因此，我们可以将铣削模型转换为任意模型，所需知道的就是铣削部分的面积彳、 铣削层厚度厶以及铣削宽度方向上的最大尺寸厶。对于圆盘类零件，铣削分析示意图 如图3 3 所示。 图3 3 圆盘类零件铣削分析示意图 1 6 第3 章切削参数的优化 参数a = p d ，厶= d 。对于非规则类零件，铣削分析示意图如图3 4 所示。 图3 4 非规则类零件铣削分析示意图 若铣削为横向铣削，l 2 = d ；若铣削为纵向铣削，l 2 = d + ，； 2 、铣削宽度与铣削深度约束：毛坯对铣削宽度及铣削深度的约束条件为： 0 以l ，( 3 - 8 ) 0 _ x 2 ，z ( x 1 ) = z ( x 2 ) 当且仅当x 1 - ) = x ix 2 ) s xsz ( x 1 ) z ( x 2 ) ( 3 2 7 ) - k = xx 2 ) s x sz ( x 1 ) = z ( x 2 ) ( 3 2 8 ) ? _ o ( 3 2 9 ) 由于权重和方法采用的数值次序，不存在偏好比较中的不明确情况。对于任意两点 来说，要么一点好于另一点，要么一点差于另一点，要么二者相当。三种情况必须满足 一种。偏好结构中不存在未定义集。 而适应性权重方法利用当前种群中一些有用的信息来重新调整权重，从而获得朝向 正理想点的搜索压力【3 2 】。 3 4 2 变量的编码