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数控铣削中刀具切削用量的选择及优化 学科：机械制造及其自动化 研究生签字：睬 指导教师签字：删歧 摘要 随着制造业数控制造技术的快速发展，生产自动化水平不断提高，面对数量庞大的生 产、配套和管理信息，如何有效管理品种多样、规格各异的刀具，已成为企业面临的新课 题，刀具管理水平成为衡量数控车间综合制造能力的重要标志之一。借助计算机辅助刀具 管理，对刀具的合理配置、有效使用、生产效率的提高及成本的降低都非常重要。机床切 削用量的合理选择影响到生产率、生产成本和加工质量，在机械工程领域是一个十分重要 的研究课题。建立切削用量数学模型，并采用一定的算法进行优化求解，是合理选择切削 用量的一种有效方法。 针对基于全寿命周期的刀具管理信息系统，研究刀具整个寿命周期内进行集成化管理 方法，包括刀具选用与组合、采购、入库、出库、加工使用、回收、刃磨、报废等。建立 刀具切削数据库管理系统使用户可快速查询刀具切削的各种加工信息，给现场人员提供必 要的咨询，有利于提高生产率，节约生产成本，也可使刀具切削信息管理更加科学。通过 查阅大量国内外有关切削技术方面的手册和相关资料，对刀具切削数据管理系统各部分组 成进行了全面分析研究，针对刀具切削数据管理中存在的需求和暴露的问题，建立了刀具 切削数据库模型和管理系统的结构。基于建立的数据库模型，使用p o w e r b u i l d e r 作为开 发平台，以s q ls e r v e r 为数据库服务器，开发了刀具切削数据库管理系统。 另外，根据数控铣床的特点，在充分考虑了诸如工件、刀具、机床、夹具等加工约束 条件的基础之上，建立了数控铣床的切削用量优化模型。该数学模型以最大生产率和最低 生产成本为优化目标，并采取遗传算法进行求解。 关键词：刀具管理；刀具寿命；切削用量优化；系统开发 s e l e c t i o na n do p t i m i z a t i o no f c u t t i n gp a r a m e t e r si nn c m i l l i n gp r o c e s s d i s c i p l i n e ：m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n s t u d e n ts i g n a t u r e ： 幻坳汐 s u p e r v i s o rs i g n a t u r e ：白廖 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fn c m a c h i n i n gt e c h n o l o g y , p r o d u c t i o na u t o m a t i o n h a sb e e ni m p r o v e dc o n t i n u o u s l y f a c e dw i t ha l a r g ea m o u n to fp r o d u c t i o n , s u p p o r t i n g f a c i l i t i e sa n dm a n a g e m e n ti n f o r m a t i o n , h o wt oe f f e c t i v e l ym a n a g ev a r i o u sk i n d so f c u t t e r sh a sb e c o m ean e wp r o b l e mf o re n t e r p r i s e s t h ec u r e rm a n a g e m e n tl e v e li so n e o ft h ei m p o r t a n ti n d i c e st oe v a l u a t et h ei n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gc a p a b i l i t yo fan c w o r k s h o p c o m p u t e r - a i d e dc u r e rm a n a g e m e n ti so fg r e a ti m p o r t a n c ef o rr a t i o n a l c u r e ra l l o c a t i o n , e f f e c t i v eu s e ，p r o d u c t i o ne f f i c i e n c yi m p r o v e m e n t , a n dc o s tr e d u c t i o n c u t t i n gp a r a m e t e rs e l e c t i o no fam a c h i n et o o la f f e c t si t sp r o d u c t i v i t y , p r o d u c t i o nc o s t , a n dq u a l i t yg r e a t l y , w h i c ha l s oi sav e r yi m p o r t a n tr e s e a r c hs u b j e c t t h ee s t a b l i s h m e n t o fam a t h e m a t i c a lm o d e lo fc u r i n gp a r a m e t e r sa n dt h eu s eo fc e r t a i no p t i m i z a t i o n a l g o r i t h ma r ea ne f f e c t i v em e t h o df o rr a t i o n a lc u r i n gp a r a m e t e rs e l e c t i o n a i m i n ga tc u t t e rl i f e c y c l em a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m , a ni n t e g r a t e d m a n a g e m e n tm e t h o di ss t u d i e dt h a ti n c l u d e st o o ls e l e c t i o na n dc o m b i n a t i o n , p u r c h a s e ， s t o r a g e ，d i s t r i b u t i o n , u s a g e ，r e c l a m a t i o n , c u r e rg r i n d i n g ，d i s p o s a l ，a n ds oo n a c u r i n gd a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e mc a l lf a c i l i t a t eu s e r st oq u i c k l yq u e r yav a r i e t yo f c u r i n gi n f o r m a t i o n , p r o v i d en e c e s s a r yc o n s u l t a t i o n , i n c r e a s ep r o d u c t i v i t y , r e d u c e p r o d u c t i o nc o s t ，a n dr a t i o n a l i z ec u r i n gd a t am a n a g e m e n t t h r o u g hr e f e r r i n gt oal a r g e n u m b e ro fd o m e s t i ca n df o r e i 萨t e c h n i c a lm a n u a l sa n dr e l a t e dm a t e r i a l s ，t h e c o n s t i t u t i o no fac u r i n gd a t am a n a g e m e n ts y s t e mi sa n a l y z e d a i m i n ga te x i s t i n g d e m a n da n dp r o b l e m s ，t h ec u t t i n gd a t a b a s em o d e la n da r c h i t e c t u r eo fi t sm a n a g e m e n t s y s t e ma r ec o n s t r u c t e d t h e n ，t h ec u r i n gd a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e mi sd e v e l o p e d u s i n gp o w e r b u i l d e ra n ds q ls e r v e ra st h ed e v e l o p i n gp l a t f o r ma n dd a t a b a s es e r v e r a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fn cm i l l i n gm a c h i n e s ，t a k i n gf u l la c c o u n to f w o r k p i e c e s ，c u t t e r s ，m a c h i n et o o l s ，f i x t u r e s ，a n do t h e rm a c h i n i n gc o n s t r a i n t s ，an c m i l l i n gp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o nm o d e li s b u i l t t h em a t h e m a t i c a lm o d e lt a k e st h e g r e a t e s tp r o d u c t i v i t ya n dt h el o w e s tp r o d u c t i o nc o s t sa st h eo p t i m i z a t i o no b j e c t i v e s g e n e t i ca l g o r i t h mi sa d o p t e dt os o l v et h em o d e l k e yw o r d s ：c u r e rm a n a g e m e n t ；t o o ll i f e ；c u r i n gp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n ；s y s t e m d e v e l o p m e n t 学位论文知识产权声明 学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工业大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 学位论文工作的知识产权属于西安工业大学。本人保证毕业离校后，使用学位论文工作成 果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工业大学。学校有权保留送( 提) 交的学位论文，并对学位论文进行二次文献加工供其他读者查阅和借阅；学校可以在网络 上公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 哮 缸残 需r ：卜v 卢 孙f 整 ： 者 名q 7 作 签 伊 姗獬叩 论 教 ： 位 导 期 学 指 日 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师 指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的成果，不包含本人已申请学位或他人 已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名： 指导教师签名： 醐：叩多t 轳 ，歹i 丫 鑫了啦锄歹 咿 l 绪论 l 绪论 1 1 问题的提出 我国目前的刀具管理大多数还停留在一般的刀具管理信息系统模式即刀具的静态管 理，关于刀具的实时调度和在线加工状态监控管理目前还基本上没有实现。刀具管理在传 统上已经有了许多理论和方法，并且已经有了不少成功的经验。国内外从事刀具管理系统 研究的专家，针对各种不同情况也已经开发出了很多刀具管理软件，这些系统大大超越了 过去简单的人工刀具管理模式，并且都采用了先进的数据库技术、网络技术、控制技术， 实现了刀具管理计算机化和集成化，实现了信息共享。但是，这些系统大都从生产制造的 角度来分析刀具管理的模式和特点，只是简单的要求刀具管理满足生产的需要。因此，传 统的刀具管理方法没有包含刀具管理的全部内容，还存在一定的局限性。这种局限性具体 体现在以下几个方面l i j ： 1 ) 传统刀具管理仅研究了刀具寿命中的一个或几个时期，缺少对整个刀具寿命周期的 分析，刀具管理的内容不够全面。 2 ) 传统刀具管理的模块划分相对分散、孤立，模块之间缺乏相应的信息交互，因而无 法实现刀具全寿命周期内的集成化管理。 3 ) 传统刀具管理是以满足生产制造中的刀具需求为目标没有考虑到刀具全寿命周期 内的成本问题，因而无法给企业生产经营提供决策支持。 为了克服这种局限性，本文对传统刀具管理理论进行丰富和完善，提出了刀具全寿命 周期管理的理论和方法。 切削加工是金属加工中最基本的手段，切削加工的工作量占机械制造工作量的3 0 4 0 ，约7 0 的零部件采用切削加工来进行。据专家估计，在2 1 世纪切削加工仍将占机 械加工量的9 0 以上，因此，提高切削加工的效率和质量仍是机械制造业的重要课题。 特别是在现代制造系统中，原来的大批量生产模式已被中小批量、多品种生产模式所取代。 原来加工多个产品也只要确定一次切削用量，但现在每加工一个产品，都可能需要确定不 同的切削用量。这样，切削用量优化的意义就变得愈发重要。随着数控加工技术的不断发 展，在不同的生产规模下，都表现出在诸如p m e 、u g 、m a s t e r c a m 等软件自动生成的 数控加工程序中设定合理的切削用量的要求。企业希望切削加工时有一个软件平台自动完 成切削用量的制定，而不是目前情况下的利用手工完成一些切削用量的设置。而且，随着 优化设计理论的逐步成熟和计算机技术的不断发展，利用现有的理论、数据和技术，完成 一个有实用价值的切削用量优化模型和切削用量优化程序已成为可能。出于以上这些考 虑，本课题将以通用经验公式系统为基础，加入加工经济因素的考虑，建立切削用量优化 模型并编写切削数据库软件。 西安工业大学硕士学位论文 1 2 论文研究的背景 刀具管理的概念从八十年代提出到现在，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。刀具管理模式主要通过建立刀具信息管理系统和刀具输送系统来满 足生产中对刀具的需要。其中刀具信息管理系统主要由刀具计划、刃具调度、库存管理、 立体库接口、对刀仪接口等五部分组成，并通过网络与外系统连接。刀具的输送系统刀具 的输送供给系统主要由刀具立体库、刀具装卸台、对刀仪、刀具进出站、刀具置架、机床 刀库、刀具缓存库、数控刃磨间、换刀机械手、手推小车( 自动引导小车) 等组成，整个过 程由刀具工作站进行控制。目前国外已经出现了不少刀具管理商用软件，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 t m s ) r 2 j 。 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。 一 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。 4 ) 瑞典的s a n d v i k 公司的成套商用刀具管理软件c o r a t a s 。 自第一个切削数据库诞生以来，世界各工业发达国家大都开发了各自的金属切削数据 库。据不完全统计，迄今已有德国、美国、瑞典、英国、日本、挪威、比利时和匈牙利等 1 2 个国家建立了3 0 多个金属切削数据库，提供各种形式的信息服务。对世界各国切削数 据库所作的调查情况表明，目前切削数据库中的数据来源于实验室、生产车间及文献，主 要应用于车削、铣削、钻削及磨削。在已建立的切削数据库中，当属c u t d a t a 与i n f o s 最为著名。1 9 6 4 年，美国金属切削联合研究公司和美国空军材料实验所联合建立了美国 空军加工性数据中，已, ( a f m d c ) 。该中心开发的c u t d a t a 切削数据库，是世界上第一个 金属切削数据库该数据库包含大量的切削试验数据，并且经过多次更新，比较全面、可靠， 可以为3 7 5 0 种以上的工件材料，2 2 种加工方式及1 2 种刀具材料提供切削参数。德国1 9 7 1 年建立了切削数据情报中一t , ( r n v o s ) 。该中心存储的材料可加工性信息达二百多万个单数 据，成为世界上存储信息最多、软件系统最完整和数据服务能力最强的切削数据库之一聊。 我国建立的切削数据库是从2 0 世纪8 0 年代开始的。目前，国内有成都工具研究所、 南京航空航天大学、北京理工大学、西北工业大学、上海工业大学、山东大学、哈尔滨理 工大学和天津大学等单位，在切削数据库方面开展了一些研究工作。成都工具研究所在 1 9 8 7 年建成了我国第一个试验性车削数据库t r n l 0 ，又于1 9 8 8 年从当时的联邦德国引进 了i n f o s 车削数据库软件( 在国内运行后，被称为a t r n 9 0 ) ，并加以改进，向国内推出其 修订版的a t r n 9 0 e 。随后又继续开发并推出了车削数据库软件c t r n 9 0 v 1 0 。c t r n 9 0 与原版i n f o s 比较，它改进、扩展了系统，增强了功能，增添了中国数据，应用了“可 加工性材料组一切削材料副 的概念，实现了软件的汉语化和英语化。它在汉化的 v a x c v m s 操作系统环境中运行，用户界面为人机对话方式，采用多层菜单驱动。 南京航空航天大学是研究金属切削数据库比早的高校，早在1 9 8 6 年，南航的张幼桢 教授就对金属切削数据库的若干问题进行了探讨，许洪昌等对金属切削数据库又进行了更 2 1 绪论 深一步的研究，近年来，着重研究切削数据的优化和专家系统技术在切削数据库中的应用。 1 9 8 8 年，开发了一个专用切削数据库软件系统n a i m d s ，1 9 9 1 年进一步开发了k b m d b s 切削数据库系统。北京理工大学建立了一个主要面向硬质合金刀具材料和涂层刀具生产厂 家的切削数据库根据切削数据的不同来源和特点，将其分为三大类：即浓缩型切削数据、 离散型切削数据和资料型切削数据。 国外刀具管理系统自动化水平较高，但投资也较高。在国内，由于刀具系统技术的发 展起步时间较晚，刀具管理系统的层次上还比较低，很多精密制造企业都尝试建立各自适 用的刀具管理系统。综合分析我国目前刀具管理方面的研究，主要存在以下问题巧3 ： 1 ) 一套完善的刀具管理系统，包括了软件系统及一系列自动化设备和监测装置，投资 巨大，实施时间长，这对于国内大多数机械制造企业来说，在相当长的一段时间内是不可 能实现的。因此要满足当前状态下企业对数控车间刀具的管理需求必须结合企业的技术水 平和生产组织形态，从刀具的离线管理入手，以最少的投资解决企业最紧迫的问题。 2 ) 现已开发的刀具管理系统，虽然在功能上提供了刀具在线管理和刀具离线管理，但 由于刀具离线管理与企业的业务流程联系紧密，因此，刀具管理系统在某一个特定企业应 用成功后，却不具备在其它企业应用的通用性，这也是目前还很少看到与刀具管理有关的 商品化软件的原因之一。 3 ) 查询困难，在大量刀具中仅依靠查找明细表，使用资料查询某种型号的刀具既费时 又容易出错。 4 ) 重复购买刀具或购买不及时。购买刀具时需要查询仓库库存和车间生产使用情况， 若查询不准确，会造成重复购买，积压资金：若查询不及时，则会延误刀具购买，影响正 常的生产需求。 5 ) 选刀困难。在为新生产线选配刀具时，传统的刀具管理方法对于如何将利用库存与 购置新刀有机结合起来，存在相当大的困难。 6 ) 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。 7 ) 正因为是“一对一一的结构，所以一般刀具调度功能均较单调，刀具调度缺乏灵活 性。 8 ) 过多地强调人的作用，刀具交换的自动化程度较低，一定程度上限制了刀具系统的 先进性。 1 3 选题的意义和目的 1 3 1 选题的意义 1 ) 刀具管理是制造执行系统所要研究的重要内容之一，特别是对于机械类生产车间， 刀具，夹具和量具的管理是否合理、科学在很大程度上决定了制造执行系统的可靠性与生 产效率的高低。企业引入刀具管理系统对使用的刀具进行优化管理，可节省刀具的仓储、 3 西安工业大学硕士学位论文 采购、管理等费用。随着刀具加工材料和加工工艺的进步，越来越多的新型数控刀具出现， 如何有效管理大量品种、规格各异的刀具，已成为制造企业面临的重要课题，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。 2 ) 切削数据是衡量切削技术水平高低的一个基本量值。采用合理的切削数据，可以充 分发挥切削机床和切削刀具的功能，尤其对于各种自动化加工机床、数控机床和加工中心 来说，自动化加工的辅助时间已大大缩短，这样，在有效的加工时间内充分利用合理的或 优化的切削数据，对提高整个加工系统的经济效益更为重要。 3 ) 为了保证加工质量，刀具寿命是一个非常关键的问题。一台加工中心往往有多种刀 具，若是靠人工管理将带来诸多不便，而且刀具发生模塑或者破损而不能及时的诊断出， 会导致工件或加工设备的损坏。因此，对刀具寿命进行监控在实际加工过程中不断记录刀 具的加工信息，跟踪刀具的使用状态，如果有刀具己达磨钝标准或破损则应提示换刀，管 理刀具换刀信息，统计刀具加工信息，对于保证加工质量具有重要意义。 4 ) 随着数控加工技术的不断发展，在不同的生产规模下，都表现出诸如p r o e ，u g ， m a s t e r c a m 等软件自动生成的数控加工程序中设定合理的切削用量的要求。随着优化设 计理论的逐步成熟和计算机技术的不断发展，利用现有的理论，数据和技术完成一个有实 用价值的切削用量优化模型和切削用量优化程序已经成为可能，所以建立一个软件平台自 动完成切削用量的选择及优化，而不是目前情况下的利用手工完成对切削用量的设置，对 于满足现在企业的需要具有重要的意义。 1 3 2 选题的目的 1 ) 建立刀具管理系统，解决了刀具管理中所出现的问题，利用计算机对刀具进行管理 的模式已经取代了传统的管理方式，采用计算机智能技术解决刀具管理中所遇到的多因素 影响的复杂问题，以实现提高生产率，降低加工成本，增加企业利润的目的。 2 ) 生产中往往有大量的加工信息，如何根据已有的刀具加工信息，对刀具寿命进行预 测具有非常重要的现实意义。对刀具寿命进行预测，从而为刀具需求计划制定，刀具成本 核算以及切削参数指定等提供理论的依据。 3 ) 目前切削数据库正朝着智能化方向发展，利用人工智能的方法来建立切削数据库， 使得加工过程中生产率最高，加工成本最低，加工工艺状态最好，经济效率最佳。 4 ) 使用优化的切削参数，可以提高切削效率，降低加工成本，提高机床使用效率，提 高生产率。 1 4 研究的主要内容 针对数控铣削刀具及切削用量的选择及优化进行了如下研究： 1 ) 结合车间实际运行状况，对刀具管理需求进行了分析，建立了刀具管理系统模型， 进行刀具数据库设计。 4 1 绪论 2 ) 研究了刀具管理系统中的刀具检索、存储、使用、刀具编码及刀具寿命管理等关键 技术。 3 ) 建立了刀具切削数据管理系统模型，进行刀具切削数据库设计。 4 ) 以最大生产率和最低生产成本为优化目标，建立数控铣床的切削用量优化模型， 采取遗传算法进行求解。 5 ) 以p o w e r b u i l d e r 作为开发平台，以s q ls e r v e r 为数据库服务器，开发了刀具管 理数据库系统和刀具切削数据库管理系统。 1 5 本文内容安排 本文的研究主要按以下的内容进行安排： 第一章绪论，介绍刀具和切削参数管理系统的发展趋势和研究背景，讨论刀具管理 和切削用量管理优化的重要性，提出研究任务。 第二章系统体系结构，对系统进行需求分析和功能分析，介绍论文的整体结构框架和 工作流程。 第三章刀具数据库的建立，针对系统中的大量数据，利用数据库技术进行管理，包括 对数据库的介绍，刀具数据库的建立过程及在本文中的应用。 第四章刀具管理系统的实现，介绍了刀具管理系统各功能模块的实现流程，各功能模 块窗口的设计及源代码的编写。 第五章刀具切削参数数据库的建立，介绍了切削参数数据库的整体结构及数据库的建 立过程。 第六章刀具切削管理系统的实现，以最高生产率和最低成本为目标建立切削用量优化 模型，建立各功能模块的实现窗口编写源代码。 第七章系统运行实例，以实例对系统功能进行演示。 第八章结论，对论文的研究情况做总结。 西安工业大学硕士学位论文 2 系统体系结构 2 1 系统需求分析 随着人们对机械加工精度、效率以及特殊工件加工要求的提高，数控加工已广泛应用 于现代化大中型企业中。如何组织刀具使刀具的存取更方便；如何调度刀具使刀具交换次 数最少；如何选配刀具使刀具准备时间最短、利用率最高。如何在确定切削数据时，从查 阅手册的繁琐工作中解放出来以及如何优化所选的切削参数已成为企业面临的新课题。目 前还没有利用计算机等先进手段，对工具进行现代化管理的成熟的商用软件，直接影响了 机械企业加工设备的高效利用。具体弊端表现如下： 1 ) 人工管理工具，劳动强度大，并且容易出现错误。 2 ) 工具准备计划和生产计划脱节，经常出现停机等待的现象。 3 ) 无法准确掌握工具的磨损情况，影响了加工精度。 4 ) 工具信息不畅通，制造资源计划( m r p h ) 、c a p p 子系统、n c 子系统、工况数据采集 系统等无法获得足够的加工信息。 5 ) 对于刀具的研究只是停留在某一阶段的研究，未能对整个生命周期进行研究。 6 ) 在生产实际中应用较好的是针对具体企业开发的专用数据库，真正实用的通用大型 数据库还不多。主要是建立大型通用的数据库需要投入大量的资金和人力、物力，需有专 门的机构去搜集数据，进行数据的分析处理和评估、更新数据库。 7 ) 缺乏在海量数据和信息中进行分析和决策的工具。 通过以上分析，并结合生产现场的调研，我们发现，刀具管理的关键主要集中于以下 两点：刀具管理的模式选择和刀具磨损程度。切削参数的管理关键问题是数据的结构问题。 2 2 系统功能框架 2 2 1 系统功能要求 本系统的目的是解决企业实际刀具管理问题，通过了解现在企业的现状，确定本课题 的总体实现目标： 1 ) 可实现刀具库存查询及控制。 2 ) 可具体查询每把刀具及附件的信息以及刀具所处不同的工作区域。 3 ) 可实现现场适时刀具剩余寿命查询，为改进提高提供数据参考。 4 ) 可适时的对刀具信息及切削参数进行添加，删除和修改。 5 ) 根据工件材料及选用的铣削类型，选择切削参数。 6 ) 将所选的切削用量进行优化。 6 2 系统体系结构 2 2 2 系统功能模块图 本文总体结构的制定是面向数控生产车间的，根据生产车间的信息流以及生产管理方 式来制定的，系统所需的刀具信息，切削用量的相关信息，都以数据的形式存贮在数据库 中，以p o w e r b u i l d e r 为开发平台，建立友好的人机界面。当制造过程中需要关于刀具的 相关信息时，我们可以直接在计算机终端上对其进行查询，相关的信息会自动显示出来。 刀具寿命管理模块可以对刀具剩余磨损寿命进行计算，并更新其在数据库中的存贮。切削 用量优化模块，将我们根据切削条件从数据库中选择的切削用量进行优化，并将结果显示 在计算机终端上。系统的总体框架见图2 1 所示： 用 户 管 理 刀具切削数据库管理系统 系统管理 li 刀具数据库 il 切削参数数据库 密 码 修 改 2 3 系统工作流程 权 限 管 理 刀 具 查 询 刀 具 借 还 数 据 维 护 信 息 浏 览 图2 1 系统总体模型图 寿 命 管 理 数 据 检 索 数 据 维 护 切 削 用 量 优 化 2 3 1 系统管理功能的实现 本模块包括三个子模块，用户管理，密码修改以及权限管理。通过设置权限管理，实 现对系统的分级管理，防止对系统资源的非法使用。在管理权限设置中，程序管理员权限 最高，可以浏览和维护所有的资源，而一般用户只能浏览，该模块的流程图如图2 2 所示： 7 西安工业大学硕士学位论文 图2 2 系统管理模块流程图 2 3 2 刀具数据库 刀具数据库的建立，实现了对刀具信息的查询，维护等功能。系统流程图见图2 3 所 不： 1 ) 刀具查询功能主要是查询刀具信息，用户可以快速掌握所需要的刀具信息。 2 ) 刀具借还功能主要是对刀具的借还信息进行记录，实时掌握刀具的参数信息，更新 刀具数据库中的信息。 3 ) 数据维护功能主要是对刀具信息进行添加，删除，修改等。 4 ) 信息浏览功能是指一般用户对数据库中的信息进行浏览。 5 ) 寿命管理功能是对刀具寿命进行预测。 8 2 系统体系结构 曰 图2 3 刀具数据库系统流程图 2 3 3 切削参数数据库 切削参数数据库的建立，实现对切削用量的查询以及相关切削用量的添加，删除修改 等的操作，根据优化模型，对切削用量进行优化，以达到最高生产率及最低成本的目标。 切削参数查询流程图见图2 4 所示： 9 西安工业大学硕士学位论文 2 4 系统开发环境 图2 4 切削数据库流程图 2 4 1 系统的运行环境 1 ) 硬件环境 服务器端：服务器端的最低配置是由建立站点所需要的软件来决定的，服务器的内存 应大于6 4 肥。 客户端：客户端是浏览和操作数据库，所以对客户端的硬件要求不高，主要由安装的 操作系统的要求决定。 2 ) 软件环境 服务器端，数据库采用数据库m i e r o s o f l s q l s e r v e r 2 0 0 0 ；浏览器端，操作系统 w 协d o w s 9 5 9 8 。 2 4 2 系统的开发工具 系统在开发时采用p o w e r b u i l d e r 9 0 作为开发平台，它提供了对目前流行的大多数关 系数据库管理系统的支持，在p o w e r b u i l d e r 的应用程序中对数据库访问的部分一般采用 国际化标准数据库查询语言s q l ，使得用p o w e r b u i l d e r 开发的应用程序可以不做修改或 者只做少量的修改就可以在不同的后台数据库管理系统上使用。也就是用p o w e r b u i l d e r 开发的应用程序是独立于服务器上的数据库管理系统的，具有以下的特点晒1 ： l o 2 系统体系结构 1 ) 他采用面向对象的开发方法和可视化的开发界面，能够开发出独立的应用程序。 2 ) 他可以通过o d b c 链接几乎所有的数据库。 3 ) p o w e r b u i l d e r 具有自己的编程语言p o w e r s c r i p t ，这个语言除了提供基本的流程 控制语句，还提供了几百个函数来操纵各种对象和提供诸如d d e ，o l e 等方面的支持。 4 ) p o w e r b u i l d e r 一个很大的特点就是提出了数据窗口对象的概念。在数据窗口对象中 提供了丰富的数据显示方式，可以满足各种不同的需要【刀。 2 5 关键技术 2 5 1 刀具数据库及切削用量数据库的建立 数据库位于系统框架的最低层，是数据管理和系统信息交互的基础，对于系统功能的 实现起着非常重要的作用。 1 ) 命名规范，数据库中表的命名力求清晰唯一，根据表名就能大致判断表的内容。 2 ) 刀具编码原则，力求可以利用计算机软件的优势可以详细记录每把刀具的信息。 3 ) 切削参数数据库的数据分析，影响切削用量的因素复杂多样，对各种因素进行分析， 建立切削参数数据库。 4 ) 刀具剩余磨损寿命的研究，通过对刀具寿命的研究，比较得出合理的且利于计算机 软件实现的刀具剩余寿命计算公式以及利用计算机语言的实现。 2 5 2 切削用量优化模型的建立及算法研究 1 ) 优化变量，目标函数及约束条件的确立。 2 ) 优化算法的选择。 3 ) 优化算法的研究。 2 6 小结 本章首先对系统需求进行了分析，了解系统的功能要求，根据系统的功能要求，建立 系统的整体结构框架和功能模块图。然后根据功能模块图分别介绍了各模块的功能及实现 的流程。其次，介绍了系统的运行环境和开发工具。最后，提出了本文的关键技术。 西安工业大学硕十学位论文 3 1 刀具库的整体功能 3 刀具管理系统数据库建立 3 1 1 系统要求 目前成熟的刀具切削的咨询管理系统大多价格昂贵，不适于中小型企业。因此开发一 个简单易用的刀具咨询管理系统，查询刀具的加工信息，如切削用量、刀具的几何参数， 能够为技术人员提供必要的咨询，有效提高生产率，合理利用刀具，节约生产成本，使刀 具的信息管理更加科学化。 刀具管理水平，切削用量的选择及优化是衡量数控车间综合集成制造能力的重要标志 之一。借助计算机辅助刀具管理，对刀具的合理配置、有效使用、生产效率的提高及成本 的降低都非常重要；建立切削数据库对于提高加工质量和加工效率，以及对刀具寿命都是 非常重要的；切削用量优化模型的建立，通过计算机辅助计算出合理的切削参数对于切削 加工的质量和效率也是极其重要的，是现代工业实现柔性化，自动化及数字化生产的基础 和关键。系统要求如下： 1 ) 刀具库应尽可能全面的包含刀具的基本信息，比如刀具的基本尺寸，几何参数等。 2 ) 可根据不同的刀具类型，刀具信息对数据库内的刀具信息进行查询。 3 ) 可以对刀具库存信息进行查询。 4 ) 对数据库中的信息可以添加，删除和修改。 5 ) 可对刀具剩余磨损寿命进行预测。 3 1 2 系统功能 刀具管理系统的建立是为了在制造执行单元实现刀具信息的共享，满足工作地人员， c a p p 工艺设计人员，计划调度人员，刀具供应人员等对刀具信息的需求，以完善刀具管 理，提高制造执行单元的劳动效率，优化刀具寿命，降低产品的成本，系统的主要功能有 刀具查询，借用管理，库存管理，数据维护以及刀具寿命预测等。为实现刀具信息的查询 及管理、给刀具开发与使用人员提供必要的咨询，需开发相应的系统功能。为了方便使用 者掌握，采用下拉式菜单，窗口提示等形式，实现友好的人机界面，并且具有良好的容错 性和安全性。系统功能模块图见图3 1 所示： 1 2 3 刀具管理系统数据库建立 立 铣 刀 毳i | | | 刀i l 凳 成ll 借 甏li 冕 7 ji 还 数据维护 图3 1 刀具管理系统功能模块图 粪ii 玉 萎l f 盒 1 ) 刀具查询 刀具查询功能是刀具管理系统的主要功能之一，它的实现是计算机管理刀具信息的重 要体现，用户能够快速而准确的掌握刀具的参数，使用情况以及所处的位置，为后续工作 节约时间，提高了工作效率。刀具的查询我们主要按刀具的类别进行查询，按刀具类别查 询，根据制造执行单元通常应用的刀具，又分为十类查询：铣刀，车刀，镗刀，钻头，丝 锥，拉刀，铰刀，镗刀头，镗刀柄和其他刀具。每一类刀具又根据刀具的加工类型进行细 分。以铣刀为例，可以分为面铣刀，立铣刀，槽铣刀，模具铣刀等，立铣刀又可分为套式 立铣刀，直柄立铣刀等，当用户根据刀具类别来查询刀具时，可以迅速查到每把刀具的准 确信息。 2 ) 借用管理 借用归还：刀具借还功能也是本软件的主要功能之一，制造执行单元内的加工人员 和辅助人员，在工件加工前和加工后，准备借用或归还刀具时，首先通过查询等手段获得 刀具信息，然后通过管理员录入相应的借还信息。刀具归还包括借用归还和修磨反库，其 中借用归还时，库存管理员可以根据工具磨损情况选择相应的报修，报废，归还等操作。 修磨报废管理：工具在生产部门经过使用并归还后，库存管理员根据刀具使用磨损 情况对工具进行检验和审核，并提交修磨和报废申请。 3 ) 数据维护 该模块包括三个子模块，数据添加，数据修改及数据删除。对数据库进行浏览、添加、 删除、编辑的各项操作，以实现对数据的采集、管理和优化。数据库在m i c r o s o f ts q ls e r v e r 2 0 0 0 下建立。 刀具数据添加：主要是通过该模块，将刀具的主要信息录入到数据库，实现刀具信 息的计算机存储，是实现刀具信息计算机管理的开始。 刀具数据修改：该模块可以更改数据库中任何一把刀具信息。由于各种原因，在录 入刀具数据信息时，出现错误在所难免，可以应用该模块实现刀具数据的更新。 可以实现刀具信息的删除，在刀具破损或由于其他原因永远退出制造执行单元时， 1 3 两安工业大学硕士学位论文 可以应用该模块来实现更新刀具数据库的目的。 4 ) 库存管理 库存管理主要实现工具入库管理，让刀具使用者可以得到最新的、最真实的库存信息。 库存管理主要包括： 工具分类。数控刀具种类繁多、结构复杂、数量庞大，对数控刀具进行合理的科学 的分类，是高效管理数控刀具的基础。本系统采用编码方案对数控刀具进行分类和编码。 工具入库。工具入库建立了工具的基本数据表，是整个系统运行的数据基础。根据 工具规格添加工具的详细信息，当工具入库后，也可以对相关工具信息进行修改和删除。 库存统计。库存统计是库存管理的核心，通过库存统计及时了解当前的工具库存信 息，为生产计划管理提供依据。可按工具类别统计工具数量、成本等信息，统计结果可打 印也可保存为e x c e l 文件。 。 5 ) 寿命管理 刀具寿命管理模块主要是对加工信息进行管理以及对刀具寿命进行预测。分述如下： 加工信息。主要是对机床的加工信息进行管理。可对相关刀具的加工信息进行统计， 跟踪其寿命状态。 寿命预测。我们将刀具磨损寿命计算的有关指数及修正系数建成数据表的形式，存 放于刀具库中，并采集刀具的切削用量数值，传递给数据库，经过软件处理得到刀具剩余 磨损寿命。 3 2 刀具编码 刀具种类繁多，刀具寿命管理需要对每一把刀具的寿命进行管理，因此，需要对刀具 进行编码。刀具编码要求每把刀具必须而且只能拥有唯一的一个代码，用于计算机的识别 和处理。由于刀具的种类很多，每一种刀具几何参数的个数和类型都相差较大，并且每一 把刀具在流动过程中还具有相关的动态信息，如借用次数、修磨次数以及刀具加工信息如 切削参数、剩余加工寿命等，由此可见刀具的信息量很大。因此刀具编码方法的优劣不仅 影响数据库的存储性能，而且对实际操作的效率也会产生很大的影响，从而影响到整个刀 具管理系统的好坏。 3 2 1 刀具编码原则 刀具编码设计首先应该遵循以下的基本原则噶1 ： 唯一性。要求代码与工具之间是一一对应的关系。如刀具代码必须明确对应一把刀 具，这样才能反映每把刀具的使用情况以及位置等信息。 合理性。代码结构与相应的分类体系相对应，因此首先应对刀具进行合理的分类并 形成相应的标准。 简洁性。要求代码结构尽可能简单但同时又能反映足够的信息。简洁的代码既节省 了计算机的处理时间，又减少了代码在传输过程中发生错误的几率，同时易于操作者辨识 1 4 3 刀具管理系统数据库建立 和记忆。代码不必反应所有信息，可通过代码查询数据库详细信息。 规范性。代码格式固定，长度统一，不能产生歧义。尽量使代码的每一位都具有特 定的意义，以提高码的利用率。 可扩充性。代码结构必须能适应新对象增加的需要，如对现有刀具编码的前提下， 还应为新设计的刀具或专用刀具留有足够的备用码。 因此，良好的刀具编码设计应尽量符合以上基本原则。 3 2 2 刀具编码方案 目前常用的编码方案为柔性分类编码，它是相对于传统的刚性分类编码概念提出来 的，其结构模型为：柔性编码= 固定码+ 柔性码，固定码反映对象的类别信息，柔性码反 映对象的详细信息。在这里，我们在对工具( 包括刀具、辅具) 合理分类的基础上采用数字 为主进行代码的设计，代码结构由分类码和特征码组成，分类码反映工具所属类别，特征 码反映工具的尺寸等特征信息，且特征码尽量做成系列码，其目的是有利于实现代码的自 动生成。整个工具代码的结构及含义如表3 1 所示，代码位数统一且格式固定，便于统一 管理。现说明如下咿。： 工具的分类码由字母和数字共五位组成。数控加工中的刀具主要包括通用刀具以及 专用刀具，考虑到工艺设计人员一般是按照加工工艺进行选刀，故刀具可按照其切削类型 先进行一级分类，再对每一类进行详细分类，一般分成三级即可，并分别赋予分类码，第 一位d 表示刀具，其余用数字表示相应的分类，如图3 2 列出了部分铣刀的分类码。锉铣 钻类数控工具系统主要分为整体式结构和模块式结构两大类，同刀具的分类码相似，第一 位f 表示辅具，最后一级分类主要是按照工具的不同用途而划分的。附件种类不多，若。、 位数不够5 位，可用0 填补。 工具的特征系列码由三位数字码组成，从0 0 0 9 9 9 共可表示1 0 0 0 种系列。 因为每一类刀具都有特定的规格参数，如直径、长度、材料等，因此，只要刀具规格 参数值不同，就属于不同的特征系列码。对于辅具其特征系列码可由厂家以及订货号决定。 因而，可以将工具的特征系列码所表示的规格代号保存在数据库当中，即代码规则库。虽 然特征系列码不能直观看出其含义，但都保存在数据库当中，目的是易于计算机的处理。 工具的姐妹码即流水号。考虑到每把工具的使用信息不同，应为每类工具设置流水 号，用于当同类工具特征系列码相同时区分每一把工具。其位数要充分考虑企业的发展， 通常三位比较合适，太短容易溢出，太长则码的利用率不高，但不管流水号用多长，都要 有回收功能，即当某把工具报废