（机械工程专业论文）基于模型特征的加工工艺数据库的研究.pdf

中文摘要 机械制造加工工艺数据是零件加工过程中重要的技术性资料，是设计人员制 定工艺规程安排生产计划等各个阶段的重要依据，对生产具有指导作用。就实际 生产而言，能否提供一个与之相符的、功能较为完善的加工工艺数据管理系统就 显得尤为重要。在面向产品的工艺数据资源系统的研究与开发中，将不再仅仅停 留在传统的计算机辅助工艺设计这个层面上，而是要进一步从整个零件的角度考 虑其工艺设计以及工艺数据管理的方式，使加工工艺数据库能够实现协同、设计、 共享的基本功能，并且能够被科学、便捷地表述出来。在上述设计思想的指导下， 本论文对数据库系统的结构和应实现的功能进行了分析并相应地进行了数据库 系统的开发工作，主要取得了以下研究成果： 1 从数据库系统的发展，国内外工艺数据库的研究状况和未来的发展前景 阐述了本课题的现实研究意义和实用价值，根据可持续发展的现代制造的背景， 引出了本论文的研究方向以及研究内容。 2 在综合分析数据库技术的基础上，提出了基于模型特征加工工艺数据库 系统的设计思想，并据此划分了系统的功能模块。 3 在参考各类机械手册的基础上，总结了零件加工过程中对于机床和刀具 所需求的各类参数，研究并建立了机床信息和刀具信息的数据模型。研究并探讨 了加工工艺数据管理系统中对于零件信息科学直观的表述方法，据此提出了基于 模型特征的信息表达方法。利用特征的概念，对零件特征进行了层次上的分类， 建立了零件加工工艺信息的数据模型。 4 利用c s 数据库应用系统结构体系，选用s q ls e r v e r2 0 0 5 数据库管理系 统作为数据平台和v i s u a ls t u d i o2 0 0 5 作为开发工具，搭建了基于模型特征的加 工工艺数据库应用系统，对各类工艺信息进行了表现方式的实现。重点实现了查 询、检索、增删改等功能。 关键词：模型特征数据库设计工艺数据c s a b s t r a c t m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n gp r o c e s sd a t ai sa ni m p o r t a n tt e c h n i c a li n f o n n a t i o ni n t h ep r o c e s so f m a c h i n i n gp a r t s , a n di ti sa l s oa ni m p o r t a n tb a s i sf o rd e s i g n e r st od r a f t p r o c e s sp l a n n i n ga n da r r a n g ep r o d u c t i o np l a n i ti sp a r t i c u l a r l y i m p o r t a n tt h a tw h e t h e r a p r o c e s sd a t am a n a g e m e n ts y s t e mw h i c hh a sp e r f e c tf u n c t i o nc a nb ep r o v i d e di nt h e a c t u a lp r o d u c t i o n i nt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f p r o c e s sd a t ar e s o u r c es y s t e m w h i c hi sf a c et ot h ep r o d u c t i o n ，w ew i l ln ol o n g e rs t a yi nt h et r a d i t i o n a l c o i n p u t e r a i d e dp r o c e s sd e s i g n ，b u ta l s ot a k et h ep r o c e s sd e s i g na n dt h ew a yo f d r o c e s sd a t a m a n a g e m e n ti n t oc o n s i d e r a t i o n ，m a k es u r et h a tp r o c e s sd a t a b a s ec a l lh a v et l l eb a s i c f u n c t i o no fc o o r d i n a t i o n ，d e s i g na n ds h a r i n g ，a n dc a nb ee x p r e s s e ds c i e n t i f i c a l l va n d c o n v e n i e n t l y u n d e rt h eg u i d a n c eo ft h ed e s i g nc o n c e p t s ，t h i sp a p e ra n a l y z e dt h e s t r u c t u r ea n df u n c t i o no fd a t a b a s es y s t e m ，a n dd e v e l o p e dt h ed a t a b a s es y s t e m t h e f o l l o w i n gr e s e a r c hr e s u l t sa r ed r a w n ： 1 d e s c r i b e dt h er e a lr e s e a r c hm e a n i n ga n d p r a c t i c a lv a l u ei nt h ed e v e l o p m e n to f t h ed a t a b a s es y s t e m ，t h er e s e a r c hs t a t u so f p r o c e s sd a t a b a s ea th o m ea n da b r o a da n d i t sd e v e l o p m e n ti nt h ef u t u r e ，t h e nr a i s e dt h er e s e a r c hd i r e c t i o na n dc o n t e n ta c c o r d i n g t ot h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to f m o d e r nm a n u f a c t u r i n g 2 b a s e du p o nt h ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so ft h ed a t a b a s et e c h n o l o g y ，r a i s e dt h e d e s i g ni d e ao ft h ep r o c e s st e c h n o l o g yd a t a b a s es y s t e mw h i c hi sb a s e do nt h em o d e l c h a r a c t e r i s t i c s ，a n dd e v i d e dt h ef u n c t i o nm o d u l eo ft h es y s t e m 3 r e f e r r i n gs o m ea u t h o r i t a t i v em a n u a l si nm e c h a n i c ，a l lk i n d so fp a r a m e t e r sa r e s u m m e du pf o rm a c h i n et o o la n dc u t t i n gt o o l ，w h i c ha r ee s p e c i a l l yi m p o r t a n ti np a r t s p r o c e s s i n g d a t am o d e l so ft h em a c h i n et o o l sa n dc u t t i n gt o o l sa r ee s t a b l i s h e d w i t h t h ep u r p o s eo fe x p r e s s i n gi n f o r m a t i o no f p a r t ss c i e n t i f i c a l l ya n di n t u i t i v e l y ，am e t h o d o fd a t aa c c e s sb a s e do nm o d e lf e a t u r e sh a sb e e ni n t r o d u c e d t h ec o n c e p to ff e a t u r e w a sc o m b i n e dt ot h ed a t as y s t e mf o rs e t t i n g u pt h ed a t am o d e lo fp a r t sp r o c e s s p a r a m e t e r s 4 u s e dc sd a t a b a s ea p p l i c a t i o n s y s t e m ，c h o s es q ls e r v e r2 0 0 5d a t a b a s e m a n a g e m e n ts y s t e ma sd a t ap l a t f o r ma n dv i s u a ls t u d i o2 0 0 5a sad e v e l o pt o o l ，a n d b u i l t p r o c e s s m gt e c h n o l o g yd a t a b a s ea p p l i c a t i o ns y s t e mb a s e do nt h em o d e l c h a r a c t e r i s t i c i m p l e m e n t e dt h ef u c t i o no fr e f e r r i n g ，r e t r i e v a l ，a d d i n g ，d e l e t i n g ， m o d i f i c a t i o na n de t c k e yw o r d s ：m o d e lc h a r a c t e r i s t i c ，d e s i g nd a t a b a s e ，p r o c e s sd a t a ，c s i i l 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论帚一早瑁记 制造业，是将可用的资源( 包括物料、能源、设备、工具、资金、技术、信 息和人力等) ，按照市场要求，通过制造过程，转化为可以供人们使用和利用的 工业品和生活消费品的产业。作为我国国民经济和综合国力的重要支柱，制造业 涉及到了大量行业，如机械、电子、食品、化工、军工等等，其生产总值占到国 内生产总值的3 5 ，从业人员8 0 0 0 多万人 1 1 。随着市场需求的不断快速变化， 生产制造的深度和范围被极大地拓展了，因此制造业被推动着朝向自动化、集成 化、智能化、网络化和全球化的方向不断发展。同时，制造环境的变化导致了制 造价值的结构改变，产品成本当中的管理成本的持续上升，与此相反的是直接劳 动成本所占的比例逐渐下降。而且，产品的生产成本和响应速度主要受到制造信 息的制约。所以，在以制造信息协同共享为背景并且以消费需求为市场导向的今 天，根据企业对各种应用生产系统的信息集成的要求，降低产品开发成本，提高 产品质量并且快速响应市场需求是提高企业竞争力推动国民经济的重要途径【2 】。 在更深的层次上，市场竞争的实质表现为知识的竞争。美国下一代制造 ( n g m ) 项目指出：“在快速变化的环境中，需要越来越多的基础制造知识， 而这种制造知识仅依靠经验的积累和传递时不够的，未来的制造需要科学化的制 造知识”【3 j 。正因如此，一个新的交叉学科一一制造信息学初露端倪。作为制 造信息化和先进制造技术的科学基础之一，制造信息学所关注的问题在于如果合 理表述、优化配置和有效运作制造信息。基于制造信息基本涵盖产品信息、工艺 信息和管理信息的前提，制造信息学的主要研究内容包括制造经验、技能和知识 的信息化，特别是制造过程中人的经验和技巧以及知识的表达、获取、处理、存 储、变换、应用、保真传递和管理机制 4 。 面对制造知识逐渐成为主宰制造业的决定性因素的趋势和以全新的概念以 及表现形式方式对制造信息加以描述的需求，有必要对加工过程中所涉及的制造 资源、加工成形工艺等数据信息进行规范化、系统化的研究开发，利用现代数据 库技术紧密结合信息技术、管理技术和工艺技术对其进行科学地管理。同时，这 也顺应了我国数十年来机械制造技术从多种繁杂的工程手册和图纸资料走向无 纸化无污染化绿色制造技术的必然要求，体现了“制造以人为本”的时代动向。 第一章绪论 加工工艺数据库是缩短产品设计周期、提高产品质量以及降低生产成本的重 要应用手段，也是计算机辅助工艺设计技术( c o m p m e ra i d e dp r o c e s sp l a n n i n g ， c a p p ) 的一个重要的组成部分。产品的设计制造是复杂的多层次、多任务、多约 束的过程，其结果主要取决于制造资源信息( 包括设备、技术和人力资源) 以及 零件信息的协同与共享。因此，利用基于模型特征这一全新的概念和方式对制造 信息进行描述和表达，以进一步达到对产品的设计制造过程的控制和优化，从而 对以后的设计制造资源及成果实现最大限度的重用，这对企业参与市场竞争具有 重要现实意义。 1 2 国内外研究发展综述 1 2 1 数据库的发展概况及趋势 美国是最早提出发展数据库的国家，发展阶段大体分为：第一阶段( 6 0 年代) ， 以生产科技为主要方面的二次文献数据库，由政府资助数据库的开发生产及应 用；第二阶段( 7 0 年代) ，以d i a l o g 系统首创的联机检索为标识，开始了数据 库商品化的时代，并逐步实现以商业、金融和社会等事实型数据库为主要数据库 产品的转变：第三阶段( 8 0 至9 0 年代) ，经济商业类数据库成为了数据库产品 的主流，这标志着数据库产业发展成熟 5 。 7 0 年代初期，日本就建立了为d i a l o g 服务的商用联机系统，并结合本国开 发的j i c s t 数据库以及联机系统。到了8 0 年代，日本开发了大量本国事实型数 据库，完善了j o l s 系统，研发并建立了日本经济新闻报纸全文数据库，从而实 现了报纸页面图像检索功能。至1 9 9 1 年，日本拥有了2 1 3 个数据库服务机构8 0 0 个提供服务的数据库。 西欧的数据库产业发展十分迅猛。到1 9 9 0 年时，西欧生产了1 2 0 0 多个数据 库，总产值高达2 0 亿美元。与此同时，欧共体有1 0 0 余个联机系统通过分组交 换网络形成了e u r o n e t 信息网络，可以提供近千个数据库服务。 我国的数据库研发，从上世纪八十年代以来己经进行了全面且深入的理论研 究和实际的研制，积累了大量宝贵经验。经过“八五”和“九五”期间的不断努 力，我国数据库研发已经具有了一定规模的研究开发力量。目前已有多个原型系 统及产品，比如人大、北大、华中和中软联合研发的c o b a s e 数据库管理系统， 中国人民大学数据与知识工程研究所开发的p b a s e 并行数据库管理系统、人大金 仓信息技术有限公司研制的通用并行数据库管理系统k i n g b a s e e s 和小金灵嵌入 式数据库系统等等。尽管如此，由于国产数据库产品的成熟度和稳定性还存在不 第一章绪论 足，在支持互联网应用，系统扩展以及安全性方面仍比较薄弱，所以在应用方面 还没有形成规模，没能在国内市场真正的占有一定量的市场份额 6 】。 因此，针对目前数据库的研究生产情况，其发展趋势必然向着数据库产品多 样化、数据库技术集中化、数据库研究高端化以及数据库理论与其他多学科交叉 的方向，在高集中性、高性能、高可靠性、高伸缩性和高安全性方面不断提高。 1 2 2 工艺数据库研究的现状和发展趋势 随着8 0 年代数据库的不断发展和完善，不同的计算机应用领域对数据库提 出了更多不同于传统数据库的应用课题，例如c a d 、c a m 和c a p p 领域等等。这些 新的课题要求数据库系统能够存储并管理空间数据、工程参数、多媒体数据等。 7 当今工程工艺数据库系统主要有以下三种类型： 1 在传统的关系或者网状数据模型的基础上进行功能扩充的工程工艺数据 库，以满足其管理的部分要求； 2 支持s t e p ( s t a n d a r df o r t h ee x c h a n g eo fp r o d u c tm o d e ld a t a ) 产品 模型数据交换工程工艺数据库； 3 基于面向对象数据模型的工程工艺数据库。 目前，国外学者对制造资源作了很多研究，比较有代表性的包括：f e n g 等人 建立了制造资源的约束模型；t o r s t e n 等人研究了基于s t e p 的加工过程信息模 型；g a o 建立了产品和制造能力模型的框架：c a s e 研究了工艺能力模型等等。在 国内这方面的主要研究有：陈云等人研究了基于面向对象和s t e p 技术的制造环 境的建模，把制造模型分解为了三个子模型( 包括控制结构模型、制造能力模型 和资源模型) ；邵新宇等人针对设备环境进行建模。 对于当前作为研究热点的工艺数据库，一些学者认为，工艺资源模型应当涵 盖三个方面，分别是资源的架构与形式、制造资源的加工能力以及运行状态。架 构与形式主要描述了制造资源的所有物理元素，包括其物理性质和功能组成；制 造资源的加工能力是指在生产制造过程中可以完成的工艺环节：运行状态则是反 映工艺在进行过程中的实际情况。还有一些学者通过建立具备层次结构的二叉树 工艺资源模型，利用基于特征的方法对最底层的设备环境进行数据描述。通过对 产品功能、工艺以及状态的分析，对产品进行归纳分类，然后抽象出两大属性： 静态属性和动态属性。 未来的制造，是基于集成和智能的敏捷制造以及全球化制造。未来的产品， 是基于信息和知识的产品。故而工艺设计的自动化、集成化、智能化、网络化和 全球化是当今机械制造业发展的必然趋势。工艺设计的集成化的基础在于工艺加 工数据的信息集成，开放程度高且成熟全面的数据库技术是工艺设计集成化应用 第一章绪论 的支撑条件。采用基于数据定义的工艺存储水锦皮嗲吗，通过分布式网络和数据 库，全面实现企业产品工艺设计和管理的计算机化和信息化1 8 1 。 1 3 加工工艺数据库研究的必要性 通过上述分析我们可以看出，信，皂、，在制造生产过程中起着极其重要的作用， 它是连接各个系统的要素，也是组成一定生产组织架构的纽带。信息的形式可以 不同，但是它们都是可以被传递的，能被人们感觉器官所感知的，而且消息表述 的是客观物质和主观思维的运动状态或存在状态。可以说，信息是食物运动状态 或存在方式的不确定性的描述。如何把复杂的信息用简单的科学方法来表述，并 利用计算机技术进行存储和处理，将对制造加工技术进步产生不可估量的作用。 从另一方面来说，工艺设计其实就是对加工过程中的工艺数据进行合理的选 择排序的过程。工艺数据库系统对工艺数据进行存储和科学有效地展现，将系统 中产生并且经验积累的工艺数据提供给生产、设备、物资部门等等，从而利于各 部门共享加工工艺数据，协助安排组织制造d h - r _ 活动。其中机械制造工艺资源数 据涉及到的工艺设计需要支配工艺资源数据( 包括设备、工装、物料等等) 、需要 应用工艺技术支撑数据( 工艺过程规范、国家家属标准) 、需要参考工艺技术基础 数据( 工艺档案、工艺样板) ，在设计安排工艺流程的各环节里，工艺数据系统的 的合理性将直接影响着工艺设计人员对加工工艺路线的规划安排的正确性与高 效性【9 】。 由于工艺设计的过程中存在着数据信息量大，参与使用和修改完善的人员较 多，数据更新速度快，部分数据要求一定得保密性和删改权限，因此对工艺设计 过程进行共享与协同是非常必要和重要的。近年来工程工艺数据库的研发着重于 产品设计与工艺设计或者是工艺设计与生产计划的协调通讯配合，缺乏在工艺设 计全过程的管理与规划上的重视。这样将智能化与先进性作为首要目标的发展， 使得工艺数据库的研制难度更大，开放周期更长从而稍显灵活性不够。数据库系 统最重要的作用在于“协同”与“共享”。并且应该充分认识到工艺才是生产信 息的汇合地，如何能够运用数据库技术将工艺过程中的数据有效的管理与控制， 才是当前工艺数据库研发的迫切需求。 4 第一章绪论 1 4 课题的提出和研究内容 1 4 1 问题的提出 基于以上的对国内外研究现状的分析，我们可以看出目前工业制造产业正在 朝着开放化、智能化、模块化以及网络化的集成综合方向发展。当前的许多企业 对工程工艺数据管理仍是全部采用手工记录人工管理的方式，存在着种种标准 化、规范性差、管理效率不高、质量欠缺等弊端。这是因为设计以及生产制造过 程中所运用的工艺知识只不过是工艺人员自己的经验或存储于其头脑中，没有以 统一化规范性的形式呈现出来。所以这就要求工程工艺数据库系统支持工艺设计 过程中的信息存储和读取，并在生成各种工艺文件的同时处理新产生的数据以及 对已有的工艺资源数据进行更新。在数据能够灵活的读取删减的基础上，必须能 够实现对工艺数据的管理与维护。 本课题的提出主要是在可持续发展的现代制造背景下，针对目前加工工艺数 据库研究中如何使信息有效地“协同”设计过程、“共享”数据资源的难题，充 分考虑到基于模型特征的数据存储原理与图像处理显示技术，以关系模型和数据 库技术为基础，对新型的加工工艺数据库进行理论和实验研究，为基于特征的模 型与加工工艺数据存储相结合的数据库技术的推广与应用提供可靠的、科学的依 据和技术支撑。从而可以减轻设计生产人员重复性的劳动，缩短生产准备周期， 提高对市场变化的响应速度以及竞争力，并且有机地将产品的设计、制造、生产 与管理集成起来，将生产资源信息合理的分配、利用和管理，为能够进一步实现 计算机集成制造系统奠定良好基础。 1 4 2 课题的主要研究内容 1 根据目前数据库应用系统的开发技术特点，选择合适的数据库管理系统 软件以及界面开发工具； 2 针对零件加工过程中对加工数据的利用特点，分析传统的加工工艺数据 库的特点和不足，提出基于模型特征的加工工艺数据库的方案及架构形式； 3 结合提出的加工工艺数据库的结构，根据需要实现的功能类型进行模块 划分，界定各个模块内的参数内容、数据信息以及数据类型； 4 应用数据库管理系统软件和界面开发工具，设计和开发机床综合信息管 理模块、刀具综合信息管理模块、零件综合信息管理模块、系统管理模块、数据 维护模块以及帮助模块： 5 对系统试运行，并修改完善所搭建的数据库系统。 第一章绪论 1 5 论文的组织结构 本文研究基于模型特征的加工工艺数据库的理论和方法，并探讨该数据库系 统的开发。基于论文的主要研究任务，将论文结构划分为七章，其中各个章节的 研究内容及关系如图1 一l 所示，包括：第一章结合课题背景和工艺数据库的国内 外现状，分析了课题的提出角度以及研究内容；第二章进行基于模型特征的加工 工艺数据库管理方案的研究；第三章对机床综合信息库和刀具综合信息库的设计 分析：第四章探讨基于模型特征的信息表达；第五章通过基于模型特征的研究设 计零件综合信息库；第六章设计开发加工工艺数据库系统的理论方法与实际应 用：第七章对所做的工作进行总结以及后续工作的展望。 概述 工 库管理方案研究 i ： + 0 机床综合信息庠和7 且综合 一 ， 信息、厍的设计 i 夕 基千槿型牛戋杯基于模型特征自匀：零件 j ：| d 工工艺数据厍系统的设计开燮 结己与展望 图1 - 1 论文章节结构图 第二章基于模型特征的加工工艺数据库管理方案研究 第二章基于模型特征的加工工艺数据库管理方案研究 2 1 数据库系统的概述 2 1 1 数据库概念 数据库( d a t a b a s e ，d b ) 是计算机学科的一个主要的分支结构，是数据管 理的一项最新技术。数据库类似一个仓库用于存储数据，方便用户在需求的情况 下快速准确对数据进行读取，并满足某一部门中多个用户并行访问。数据库需要 在计算机中安装一个数据模型，用以组织、存储和访问具有相互联系的数据集合。 换言之，数据库系统就是管理大量的、持久的、可靠的和共享的数据的工具 1 o ，1 1 。 在计算机系统中，数据是指描述事物的符号记录；可以是各种字母、数字符 号的组合、图形、语音、图像等等表现形式，可以利用数字化技术对其处理后存 储于计算机当中。数据库存取的基本对象就是数据。人们根据需要收集大量数据 之后，可以将其进行处理并保存起来便于进一步数据加工处理，从而得到可以利 用的信息。 可以看出，数据库就是可以长期存储于计算机内的、有组织的、可共享的数 据集合，其主要目标就是要提供一个可以方便、高效地存取数据库信息的环境。 数据库系统的设计过程中应该本着管理大量信息的目的。这就要求数据库对数据 的管理既要考虑信息存储结构的定义，又要涉及信息操作机制。除此之外，数据 库系统还必须能够保证所存储信息的安全性，即在系统崩溃的情况或者被人企图 越权访问时仍能够保障信息安全性。 2 1 2 数据库管理系统 数据库管理系统( d a t a b a s e m a n a g e m e n ts y s t e m ，d b m s ) ，由一个互相关联 的数据的集合和一组用以访问这些数据的程序组成，位于用户与操作系统之间的 一层数据管理软件，用以操纵和管理数据库。基于数据库管理系统要实现的目标 是怎样科学地组织和存储数据以及怎样高效地获取和维护数据，其主要功能应该 包括如下几个方面 1 2 , 1 3 。 1 数据定义功能 d b m s 提供数据定义语言( d a t ad e f i n i t i o nl a n g u a g e d d l ) ，它可以被用户 方便有效地利用于定义数据库中的数据对象，包括建立、修改数据库的库结构， 第二章基于模型特征的加工工艺数据库管理方案研究 这里的库结构仅仅是数据库的框架。 2 数据操纵功能 d b m s 还提供了数据操纵语言( d a t am a n i p u l a t i o nl a n g u a g e ，d m l ) ，用户 可以利用它完成对数据的操纵，进而实现数据库中诸如追加、删除、更新、修改 和查询等等得基本管理功能。 3 数据库的建立和维护功能 这项功能包括了数据库当中的数据的载入、转换、转储功能、数据库的分析 重组功能、数据库的性能监控功能、数据库的备份和恢复功能等等。这些功能通 常是由各个使用程序完成的。 4 数据库的运行管理 包括数据录入到数据库中、记录工作日志、数据安全性检查和存取限制控制、 运行日志的组织管理等。数据库在建立、运行和维护的过程中由d b m s 统一管 理和控制，以保证数据的安全性、完整性、事务的原子性、多用户对数据的并发 访问以及发生故障后的数据恢复。 第二章基于模型特征的力o - f i 艺数据库管理方案研究 2 1 3 数据库系统组成 数据库管理系统k 一 数据库管理员 i r 一一 数据睦 图2 - 1 数据库系统示意图 数据库系统一般包括了如下组成部分：数据库、d b m s ( 及其开发工具) 、 应用系统。它是一个实际可运行的存储、维护和应用系统提供数据的软件系统， 是存储介质、处理对象和管理系统的结合体。值得指出的是，这个结合体的正常 运行仅仅依靠一个d b m s 是远远不够的，还需要有专门的技术人员来对数据和 程序进行集中管理控制，这些工作人员被称为数据管理员( d a t a b a s e a d m i n i s t r a t o r ，d b a ) 。数据库系统可以用图2 - 1 表示。 2 1 4 关系数据库 数据模型( d a t am o d e l ) ，是数据特征的抽象，建立在关系数据库模型基础 上的用以提供信息表示和操作手段的形式架构，是数据库系统的核心和基础。数 据库领域中常用的数据模型有四类：层次模型、网状模型、关系模型以及面向对 第二章基于模型特征的加工工艺数据库管理方案研究 象模型。 关系数据库是建立在关系模型基础上借助几何代数等数学概念并且利用一 系列表来表达数据以及数据之间关系的数据库系统，因其结构简单，格式唯一， 理论基础严谨并且数据表之间的关系相对独立的优点，故而成为目前各类数据库 中最主流的数据库之一。2 0 世纪7 0 年代后，数据库管理系统的产品几乎都是基 于关系模型的。 2 1 5 数据库设计过程 数据库设计主要是数据库建模时的设计，如何设计一个满足用户需求模型的 完整的数据库应用环境要考虑很多的问题。数据库设计过程中主要包括如下四个 阶段14 ： 1 需求分析：理清所有数据种类、范围、数量已经在活动中交流的情况， 全面收集并模拟数据库用户的信息内容和数据处理需求。需求分析是整个设计过 程中最复杂、最耗时的一步，也是最基础、最重要的一步。作为基础的需求分析 是否准确与充分，决定了在其之上所构建的数据库的质量。需求分析做得不好， 可能会导致整个数据库设计返工重做。 2 概念设计：根据用户对数据的描述与规约，建立抽象的概念数据模型。 这个阶段的重点是描述数据以及它们之间的关系，而不是指定物理的存储细节。 这一步得到的是满足需求的高级表示，即数据库的概念模型。 3 逻辑设计：将高层的概念模式映射到要是用的数据库实现数据模型上， 与此同时，可能还需要为各种数据处理应用领域产生相应的逻辑子模式。这一步 的基本目的是利用概念设计阶段的成果和处理要求作为输入，推导出一个d b m s 可以接受的模式并对之进行优化并输出。 4 物理设计：为逻辑阶段指定的数据模型指定数据库的物理特征，比如对 具体的应用任务选择最合适的物理存储结构( 包括文件类型、索引结构和数据的 存放次序以及位逻辑等) 、存取方法和存取路径等等。 2 2 基于模型特征的加工工艺数据库需求分析 需求分析，是指针对要解决的问题进行详细的分析，明确问题的要求，包括 需要输入什么样的数据，要得到什么样的结果，最后输出什么样的结论。它是整 个数据库设计中最重要的一部，是其它各步骤的基础。进行数据库设计，首先必 须了解与分析用户需求，明确用户对数据的要求、处理的要求以及安全性与完整 性的要求。 1 0 第二章基于模型特征的加工工艺数据库管理方案研究 基于模型特征的加工工艺数据库系统是以实现基于“权限”的加工工艺参数 信息资源的共享、协同和管理为目的，主要是为面向的用户提供准确( p r e c i s e ) 、 快速( r a p i d ) 、方便( c o n v e n i e n t ) 的加工工艺数据管理系统。 在加工工艺数据库中，不仅要存储大量的标准数据以及经验数据，从而全面 支持工艺设计规划过程，而且还需要实现在工艺过程中动态产生的数据的存储与 修改功能【l5 1 。要求数据库管理系统( d b m s ) 能够支持建立复杂数据模型、增强 数据库的程序独立性、完成并发控制和快速查询等灵活的操作。 数据库设计的基本目标是使用户能够在进行工艺设计的工作过程中能够快 速得到所需要的准确数据，并且使这些数据在相当时期内有划1 6 】。而在加工工艺 数据库系统中，应当能够快速的查询到加工过程中对于设备和工件的基本信息， 加工工艺参数以及数据信息，并能够根据实际需要以文字、数据、图表和模型等 多种组合方式进行显示和输出，从而在一定功能上取代传统的纸质手工加工工艺 卡，与此同时能够为工艺试验和工艺过程建立基础的信息平台。 系统的需求具体体现在对各种信息的查询、修改和保存等方面。因此一个满 足客户需求的数据库必须要全面照顾到对各种信息的存入与读取。通过对系统功 能的分析，该加工工艺数据库需要包含如下数据库信息和基本功能： 1 机床综合信息：包括工作台尺寸、加工方向能够运行的行程、主轴转速、 数控系统、进给速度、定位精度等机床基本的参数以及运行状况等实际信息。 2 刀具综合信息：包括刀具编号、刀具材质、存储数量等等信息项。 3 零件综合信息：包括零件的几何形状特征、材料特征、精度特征、装配 特征、性能分析等设计类信息和工艺加工信息。 4 系统管理：针对用户姓名，登录账号，身份授权，密码等几个方面进行 管理。 5 数据维护：在身份权限允许的情况下，可以完成系统数据的备份与恢复。 2 3 基于模型特征的加工工艺数据库的性能分析 基于模型特征的加工工艺数据库是一个具有实用性能的管理系统，为了保证 在实际应用中的科学性和易操作性，应该满足如下要求1 7 】： 1 安全性 通过系统的登录设置、身份授权、安全备份等机制，实现对数据信息和数据 库的安全管理。 2 可靠性 数据库系统在运行过程中必须可靠并且稳定，同时具有较大的操作容错能 第二章基于模型特征的加工工艺数据库管理方案研究 力。 3 先进性和实用性 在尽可能的采用先进的数据库设计理论的基础上，所研究开发的数据库系统 应该结合实际加工工艺过程的情况，能够切实的解决工艺参数数据存储与表达的 实际难点，利用基于模型特征的思想，避免不必要的重复性与复杂性，同时具有 良好的用户界面。 4 开放性 开发以及运行环境应该符合机械工业标准。各类信息应尽量符合国家以及行 业的标准，信息储存和传递的数据格式统一，使数据库系统具有良好的通用性、 可移植性和可扩充性，为后续的使用和再次开发留有余地，便于今后系统的维护 和拓展。 2 4 数据库结构分析 加工工艺数据库系统的首要任务，就是存储和管理大量的工艺数据，使用户 在进行工艺规划的过程中能够获取所需要的工艺信息。因此如何建立一个科学合 理有效并且响应迅速的数据结构和数据库，使整个系统可以准确地存取操纵工艺 数据，是评价数据库管理系统好坏的重要指标。【18 为了便于能够更有效更合理的 被存储和利用工艺数据，建立工艺数据的结构框架和数据逻辑模型，需要对工艺 资源数据进行切实有效的描述和分析。 因此基于上述分析，加工工艺数据库系统包括了5 个模块，分别为机床综合 信息模块、刀具综合信息模块、零件综合信息模块、系统管理模块和数据维护模 块，其整体结构如图2 - 2 所示。 第二章基于模型特征的加工工艺数据库管理方案研究 r 1 。1 。一r 。1 。一 爰丧等量笔譬一县篆奁善董 厂 厂 厂= l 霉注缘奢筐景； 系缝誊莲 l 裁翟墨，l i一 ，土一。 一。一 f 田 l 卜旧i 1 - - 一_ | 溪 刨刨 图2 - 2 数据库整体结构 在整体结构规划分解的基础上，对加工工艺数据库中的存储数据进行大体上 的分类。从数据性质上来看，工艺数据可以分为静态数据和动态数据。从数据应 用方向的角度来说，工艺数据又可以分为工艺资源数据和工艺规程数据。其中工 艺资源数据主要包括工艺的设计加工制造过程中所需要的各种工艺资源，诸如材 料信息、设备信息、运行状态等等；工艺规程数据时指工艺设计和加工过程中所 需要的原型数据和文件数据，比如典型工艺数据、实例工艺数据等等。 2 5 本章小结 本章介绍了关于数据库的一些基本概念、数据库的构成以及设计过程。以数 据库系统的总体要求和功能要求，对数据库进行了需求分析、性能分析和结构分 析，划分了系统的功能模块，系统的体系结构和设计流程。通过比较，确定了数 据库开发的软件工具。 数据库的设计思路和功能划分是数据库开发过程的总基调，可谓是重中之 重，它直接决定了数据库的研究价值。本章主要强调了在详尽且全面的需求分析 的基础上，对数据库整体进行模块化划分的思想，从而保证了数据库的科学性和 一川 i 一引剑 了一川剧 一7：川川刨 一；一引剧 l一 第二章基于模型特征的加工工艺数据库管理方案研究 实用性，为后续各模块的概念设计阶段、逻辑设计阶段以及最后的物理实现阶段 打下良好的基础。 1 4 第三章机床综合信息库和刀具综合信息库的设计 第三章机床综合信息库和刀具综合信息库的设计 机床数据库和刀具数据库数据的来源一般分为三种形式：一是通过参考文献 得来的：二是通过实验数据计算测试出来：三是经过生产和实践的数据总结而来 圳。这些数据来源的特点在于，文献数据比较系统而且丰富，收集方法较为容易， 但是是否符合实际的实验生产需要则须检验，对于不满足需要的数据要进行修 改；实验计算数据通过了实验以及数学处理，其理论性和系统性较为良好，但是 实验条件与实际的生产现场环境条件往往有出入；而实践数据虽然适用性强，但 是比较离散而且不容易搜索查找。由此可见，如果只是单独用其中的一种方法收 集全面的、系统的、恰当的数据，都是不理想的。 因此，建立机床综合信息库和刀具综合信息库的目的是当工件的材料、特征、 加工方法和要求等一系列条件确定之后，能够从本数据库中获得全面合理的机床 以及刀具信息，使用户从本系统中浏览和查找所需要的参数，并且能够实时的更 新、删改适当的数据。通过对数据进行分类，对数据结构进行分解和整合，根据 加工工艺过程和大部分数据库使用人员的习惯，利用恰当的数据来源以及存储方 式，建立科学的、系统的、便捷的机床综合信息库和刀具综合信息库【2 们。 机床信息以及刀具信息所涵盖的技术知识面是相当广泛的，包括了力学知 识、材料学知识、多样化的加工工艺技术知识、通用的和专用的设备技术知识、 标准的和非标准的工艺装备知识等等。这些信息不仅内容丰富，而且形式多样。 虽然他们都属于加工工艺参数，但是对于数据库系统的建立而言，繁杂的知识是 不可能全部入库的，这就需要对这些罗列出来的知识信息进行分类和筛选，在突 出系统数据库内容的丰富性以及实用性的基础上，尽可能多的收集知识信息，然 后分类归纳这些信息使其表达方式简单明了的同时易于数据库存储。 3 1 机床基本信息内容的界定 机床是对金属或其它材料的坯料或工件进行加工，使之获得所要求的集合形 状、精度和表面质量的机器 2 1 1 。机床是机械制造业的基本加工装备，它的品种、 性能、质量和技术水平直接影响着其它机电产品的性能、质量、生产技术水平和 企业的经济效益。机械工业为公民经济各部门提供技术装备的能力和水平，在很 大程度上取决于机床的水平，所以机床属于最基础的机械装备。 第三章机床综合信息库和刀具综合信息库的设计 机床包括了金属切削机床、特种d h - r _ 机床、锻压机械等等。狭义上来说，机 床则一般仅指金属切削机床。由于传统加工工艺的改造和革新，加工工艺复合化 和工序集中化，根据目前d 口- r 方法和实际需要，按加工方式可以对机床划分为： 数控机床、加工中心、车床、钻床、镗床、铣床、磨床等等。在这些基本分类的 基础上还可以进行细致到型号的具体划分。 机床的各项规格参数和性能参数，是机床对于零件成型加工能力和特性的具 体数值体现。知道了机床加工台的尺寸、加工范围以及运动、动力参数等等，就 可以比较方便地判断某一零件成形的可能性及其所采用的工艺成型方法。所以， 数据库中除了存储机床分类以及运行状况等信息外，还应当包括应用场所所具备 的各机床参数。机床的主要参数包括主参数和基本参数。其主参数是能够直接反 映机床的加工能力和特性，表示机床的规格，并且是确定其它参数、用户选择使 用机床的主要依据，主参数通常是以机床的最大加工尺寸表示。基本参数又分为 尺寸参数和运动动力参数。尺寸参数是表示机床工作范围的主要尺寸，也是与工、 夹、量具的标准化以及机床结构有关的主要尺寸。动力参数指主运动、进给运动 和辅助运动的动力消耗，主要是由机床的切削在和和驱动的工件质量等决定的； 运动参数包括了机床切削运动的速度范围和级数，进给范围和级数以及辅助运动 速度等等，这些参数主要是由表面形成运动的工艺要求决定的，所以在数据参数 的界定过程中，将运动参数与零件工艺参数相结合进行储存。 结合机械制造加工工艺的特点，对生产中常用的重要的机床参数进行总结， 以上述机床参数分类为基础，以全面且实用为前提，按照数据库数据存储原理在 加工工艺数据库的机床综合信息库中选择如下参数。 ( 1 ) 机床基本信息：机床代号、机床名称、运行状态； ( 2 ) 机床静态属性：工作台长度、工作台宽度、x u y z 轴行程、额定功率、 主轴转速、数控系统； ( 3 ) 机床动态属性：x t y i z 轴最大进给速度、机床刚度、定位精度、重复定 位精度。 3 2 刀具基本信息内容的界定 刀具是切削加工中最为主要的生产工具之一，在完成切削加工的过程当中， 刀具的性能对生产效率的高低和加工质量的好坏具有决定性的影响。“工欲善其 事，必先利其器”，这是古代劳动人民从事生产过程中总结出的宝贵经验。在机 械制造加工过程中，刀具费用虽然仅占生产成本的2 左右 2 2 埘 ，但对整个切削 第三章机床综合信息库和刀具综合信息库的设计 加工的效率以及费用产生重大的影响。可以说，没有优良品质的刀具，就不可能 保证机械制造加工过程能够高效、稳定、优质、经济地进行。 由于加工工件的尺寸、形状、材料以及技术要求都不尽相同，加工方法和所 使用的机床也不同，这就要求刀具的品种规格多种多样。目前市场上刀具的品种 规格多种多样，技术先进的品种不断上市，结构性能较为落后的产品不断被市 场淘汰。为了便于生产和数据库存储管理，按照用途和加工方法可将刀具分为： 单刃刀具、孔加工刀具、铣刀、螺纹刀具、拉刀、齿轮刀具、数控机床及自动线 生产用刀具和非金属材料加工刀具八大类。 刀具的选择和使用受加工过程中的多种因素影响，必须根据工件、机床、加 工性质等具体条件，灵活的选择恰当的刀具结构及其几何参数，还要合理地选择 切削用量和切削液，才能获得最佳效果。在种种影响因素里，刀具在切削过程中 药承受很大的切削力，剧烈的机械摩擦和很高的切削温度，故而刀具材