（机械电子工程专业论文）计算机辅助刀具管理系统的研究与开发.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 我国的刀具应用技术与美、德、日等制造强国相比，发展还较为滞后。并且在 制造业进入计算机化、信息化和智能化的今天，用计算机辅助技术实现工艺问题中 刀具的选用，以及在c i m s 中实现刀具的自动调配、修整、报废、订购和技术统计 等问题，已经成为企业降低刀具成本，提高生产效率的重要途径。所以近十年来， 计算机集成制造系统中刀具的管理问题成为众多学者研究的对象。 本文研究了实现计算机辅助刀具管理系统所涉及到的关键技术。主要有； ( 1 ) 用决策推理技术和模糊推理技术来管理刀具，作为软件编程中的算法；( 2 ) 研究了 刀具的成组编码技术、数据结构优化和相关数据库的技术；( 3 ) 研究了多个文献中 对刀具磨损寿命的研究成果，并运用到刀具管理软件中；( 4 ) 建立了收集、分析和 统计刀具使用数据的模型。 在研究关键技术的基础上，本文以学校实训基地先进制造技术中心为研究 对象，进行了详细的系统需求分析，创建了计算机辅助刀具管理系统软件的功能模 型，进行了软件开发。并搭建了相应数据库的结构，涵盖了系统的大量数据信息。 关键词：计算机辅助刀具管理计算机集成制造决策推理模糊推理数据库 i 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t o u rc o u n t r y st e c h n o l o g yo fc u t t i n g t o o l sa p p l i c a t i o ni sl o w e rt h a no t h e r s ，j u s tl i k e u n i t e ds t a t e s ，g e r m a n ya n dj a p a n t o d a y ，t h ep r o b l e mo fc u t t i n gt o o lm a n a g e m e n th a s b e e nb r o u g h tt ot h ef o r e f r o n tw i t ht h ee m e r g e n c eo fc o m p u t e r - i n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g ( c i m ) i np a r t i c u l a r ，i tb e c o m e st h ek e y m e t h o dt od e c r e a s et h es p e n d i n gi nt o o l sa n d e n h a n c et h ee f f i c i e n c yo fm a n u f a c t u r e s o ，m a n yr e s e a r c h e r sd i dc o n s i d e r a b l er e s e a r c h e s i nt h i sa r e ad u r i n gt h ep a s td e c a d e t h i st h e s i sp u ts p e c i a le m p h a s i su p o nt h el i n c h p i nt e c h n o l o g i e so fc o m p u t e ra i d e d c u r i n g t o o l sm a n a g e m e n ts y s t e m ( 1 ) i ti m p r o v e dt h em e t h o d sf o rm a n a g i n gc u t t i n g t o o l s t h i sn e w a p p r o a c hw a sb a s e do na p p l i c a t i o no ft h ed e c i s i o n - m a k i n gr e a s o n i n gt e c h n o l o g y a n dt h ef u z z yr e a s o n i n gt e c h n o l o g y ( 2 ) t h i st h e s i ss t u d i e da sw e l la st h eg r o u p i n g t e c h n o l o g yo ft o o l s c o d i n g ，d a t as t r u c t u r e sa n dd a t a b a s e s ( 3 ) i te x a m i n e da n dc a t e g o r i z e d w o r ki na c a d e m i ao nt o o lw e a rr a t e ，a n dt h er e s u l t sw e r ea p p l i e di nt h es o f t ( 4 ) t h et h e s i s p r o v i d e da f o r m e ro fn e a t e n i n gd a t aa b o u tc u r i n g - t o o l s t h i st h e s i sd e v e l o p e das o f to fc o m p u t e ra i d e dc u t t i n g t o o l sm a n a g e m e n ts y s t e m b a s e dal a b o r a t o r yi nac o l l e g e i ti n v e s t i g a t e dt h er e q u i r e m e n t so fs y s t e m ，a n df o u n d e da s e r i e so ff r a m e w o r k st oa c h i e v ei t t h ed a t a b a s ew e r ed e v e l o p e da l s o k e yw o r d s ：c o m p u t e ra i d e dc u t t i n g - t o o l sm a n a g e m e n t ( c a t m ) c i m d e c i s i o n - m a k i n gr e a s o n i n gf u z z yr e a s o n i n g d a t a b a s e 独创性声明 y1 0 1 7 0 0 9 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，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：- y 日期矾年f a 月巧日 i， 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 保密口，在 年解密后适用本授权书。 不保密讥 ( 请在以上方框内打“寸) 学位论文作者签名：了亨玲 日期：伽b 年f 。月蜘 指导教师签名：翔抑备 日期：伽年j 。月巧日 i 华中科技大学硕士学位论文 1 1 选题的目的和意义 1 绪论 1 1 1 计算机辅助刀具管理有利于刀具应用技术的提高 从2 0 世纪八十年代开始，在世界制造业的发展及制造技术进步的带动下，切削 技术和刀具逐渐进入了高速、高效、创新工艺的发展新阶段，切削加工的效率成倍 提高，为制造业的发展做出了重要贡献。创新、高效的切削工艺和刀具己成为制造 业中汽车、航空航天、模具、电站设备制造等主要工业部门和装备制造业的基础工 艺和关键技术。高速切削、干切削、硬切削等新的切削工艺正在改变一些行业的传 统加工工艺，显现出强大的生命力。至今，应用创新的切削工艺和先进刀具，提高 加工效率和加工质量、降低制造成本，从而提高企业的竞争实力，已成为工业发达 国家机械制造业的共识，也引起了我国机械制造业的关注。因此，从抓刀具应用技 术入手，提高切削刀具的应用水平，在我国具有重要的现实意义。 回顾美、德、日等制造强国发展的历程，它们无一例外都是切削技术和刀具的 强国，即使在这些国家进入了信息化时代的今天，它们仍然是切削技术和刀具的领 头羊。 今天，技术的差距和观念的落后不仅阻碍着我国制造业的发展，影响建设制造 强国这个宏伟目标的实现，而且制约着企业的技术进步和竞争实力的壮大。因此， 无论是为了实现建设制造强国的宏伟目标，还是为了企业自身的发展，都必须更新 观念，加快开发和应用先进的切削技术和刀具。为了提高刀具的使用技术和水平， 需要在生产实践中收集和积累大量的数据信息；想要发挥刀具的最大效益，就需要 引入现代化的管理方法。 1 1 2 计算机辅助刀具管理功能是c i m s 的要求 c i m s 是英语c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m 的缩写，意思是计算机 集成制造系统。它是随着计算机辅助设计与制造的发展而产生的。是在信息技术自 l 华中科技大学硕士学位论文 动化技术与制造的基础上，通过计算机技术把分散在产品设计和制造过程中各种孤 立的自动化子系统有机地集成起来，形成适用于多品种、小批量生产，实现整体效 益的集成化和智能化制造系统。集成化反映了自动化的广度，它把系统的范围扩展 到了市场预测、产品设计、加工制造、检验、销售及售后服务等环节的全过程。智 能化则体现了自动化的深度，不仅涉及物资流控制的传统体力劳动自动化，还包 括信息流控制的脑力劳动的自动化l ：- z 1 。 当前，我国的c i m s 已经改变为“现代集成制造系统( c o n t e m p o r a r yi n t e g r a t e d m a n u f a c t u r i n g s y s t e m ) 。它已在广度与深度上拓展了原c i m s 的内涵。其中，“现代” 的含义是计算机化、信息化、智能化。“集成”有更广泛的内容，它包括信息集成、 过程集成及企业间集成等三个阶段的集成优化；企业活动中三要素及三流的集成优 化：c i m s 有关技术的集成优化及各类人员的集成优化等。c i m s 不仅仅把技术系 统和经营生产系统集成在一起，而且把人( 人的思想、理念及智能) 也集成在一起， 使整个企业的工作流程、物流和信息流都保持通畅和相互有机联系，所以，c i m s 是 人、经营和技术三者集成的产物。 图1 1 是c i m s 系统的基本构成图，对于机械制造行业来说，一般可以认为c i m s 由四个应用分系统和两个支撑系统组成。四个应用分系统是管理信息系统( m i s ) 、 工程设计自动化系统( c a d c a p p c a m ) 、质量保障系统( o i s ) 以及制造自动化系 统( m a s ) 。两个支撑系统则是计算机网络和数据库。 图1 1c i m s 系统的基本构成 华中科技大学硕士学位论文 其中制造自动化系统是c i m s 中信息流和物质流的结合点，是c i m s 的物流执 行系统。通常，柔性制造系统是制造自动化系统的典型代表，是现代机器制造业中 新型的自动化生产线。它是有计算机控制，并能灵活加工多种工件的制造系统。 f m s 主要由数控加工设备( 一般是加工中心) 、物流系统( 工件和刀具的运输与 存储) 以及信息采集和控制系统( 中央计算机及其网络) 组成。物流系统是其中必 不可少的环节，中央计算机根据零件在数控机床上的加工情况和调度计划，能自动 指挥物流系统中的运输小车或换刀机器人，将工件或刀具输送到需要的位置。同样， 数控机床上已经用完或需要刃磨的刀具，也会在计算机调度下自动更换。 f m s 中刀具的库存管理、合理选用、优化分配、寿命管理甚至是刀具应用技术 的提高，都需要计算机辅助刀具管理系统来完成。 1 2 课题来源 本课题来源昆明大学校内青年教师科研课题，题目拟订为计算机辅助刀具管理 系统的研究和开发。目的是为了研究计算机辅助刀具管理系统的关键技术，完成一 套针对校内的“产学研”基地二一现代先进制造技术中心的计算机辅助刀具管理系统 软件开发，从而提高该中心的制造柔性，实现计算机辅助刀具管理。 1 3 国内外相关研究工作的现状 1 3 1 国外研究现状 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，已经出现 了不少的刀具管理商用软件，较具代表性的有【州： ( 1 ) 英国c t m s 公司的计算机刀具管理系统( 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、 3 华中科技大学硕士学位论文 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： 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， 直接用刀具预调数掘以调定刀具；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 软件包括：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 公司的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 3 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 4 华中科技大学硕士学位论文 c i m 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一机床厂联合开发 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 m 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“一对一的体制，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，一定程度上限制了刀具 系统的先进性。 1 4 本文的主要研究内容 ( 1 ) 研究c i m s 环境下，实现计算机辅助刀具管理的关键技术； ( 2 ) 提出计算机辅助刀具系统的功能模型，设计和开发计算机辅助刀具管理 系统的软件； ( 3 ) 建立刀具数据库； ( 4 ) 分析刀具应用数据信息，为提高刀具应用水平奠定基础。 5 华中科技大学硕士学位论文 2 计算机辅助刀具管理系统的支撑环境与需求分析 为了开发的软件能真正满足实际需求，保证软件的质量，节约开发成本以及使被 开发的软件具有良好的可维护性，在正式进行开发工作之前，先要研究软件工程学 的理论。 软件工程学是为了研究解决软件危机的方法而产生的一门新兴学科。它采用工程 的概念、原理、技术和方法，把经过时间考验而证明是正确的管理技术和当i i 能够 得到的最好的技术方法结合起来，用于开发与维护软件。 而软件危机指的是软件开发和维护过程中遇到的一系列严重问题。主要包含两方 面的问题：如何开发软件，怎样满足对软件的日益增长的需求；如何维护数量不断 膨胀的已有软件。 从内容上看，软件工程学可分为理论、结构、方法、工具、环境、管理、规范等。 理论与结构是软件开发的技术基础，包括程序正确性证明理论、软件可靠性理论、 软件成本估算模型、软件开发模型、模块划分原理等。软件开发技术包括软件开发 方法学、软件工具和软件开发环境。良好的软件工具可促进方法的研制，而先进的 软件开发方法能改进工具。软件工具的集成构成软件开发环境。管理技术是提高开 发质量的保证。软件工程学的最终目的，是以较少投资获得易维护、易理解、可靠、 高效率的软件产品。并且由于笔者所学并非计算机软件专业，在工作中难免会出现 一些非专业的疏漏，所以在这里研究软件工程学的目的也是为了在开发过程中，能 遵循一定的开发原则，使开发工作更具规范性【1 4 彤】。 2 1 1 支撑环境 支撑环境是指为了实现系统的基本功能，而对相关硬件和软件提出的要求。计 算机辅助刀具管理系统应由一系列必要的硬件和软件构成。 2 1 1 硬件环境 现代先进制造技术中心现设计算机控制房一间，在厂房内搭建了局域网，可以 实现远程数控加工以及管理信息传输：中心现有数控车床、铣床、加工中心数台： 6 华中科技大学硕士学位论文 数控线切割机一台；普通车床、铣床、钻床数台；以及其它辅助装备。 根据现有硬件条件和系统功能要求设计现代先进制造技术中心设备布局如图2 1 所示： 冀他扎农冀媲f l 瞎矗据擅切捌机 图2 1 计算机辅助制造系统的硬件环境 在原有基础上还需建立： ( 1 ) 物料输送系统，通过隐藏在沟槽内的拖拽传动链带动无轨输送车运动，以 及在相关位置配置机械手，实现刀具自动运送。 ( 2 ) 刀具破损监测系统，在加工过程中即使发现刀具的磨损和破损，避免致使 切削过程中断、产生废品、机床硬件损坏等情况发生。 2 1 2 软件环境 1 实现系统开发所用的编程语言选择 目前常用的程序语言是面向对象的可视化编程语言，如v b 、v c + + 、v f p 、d e l p h i 等；下面选几种代表性的语言加以比较，从而确定系统开发的语言【4 。 7 华中科技大学硕士学位论文 ( 1 ) v i s u a lb a s i c ( v b ) 语言v i s u a lb a s i c ( v b ) 是世界最流行的开发软件 之一，它即保留了描述性语言的简单易学、功能强大的特点，又兼备图象式编辑工 具形象直观的优势，并可以利用由其他软件公司开发的种类繁多、各式各样的控件。 它是一种典型的o o p ( 面向对象) 编程语言。 ( 2 ) v i s u a lc + + 语言与所有开发环境一样，v i s u a lb a s i c 也有一些不足之处， 如使用v b 开发的程序运行效率低，对系统资源的占用也大，另外，不能使用v b 本身来开发所使用的控件。为了克服这些不足，实际开发中经常用其他更高效的语 言系统( v c + + ) 来开发供v b 使用的底层库，如动态联接库、控件等，以提高效率、 降低系统开销。 ( 3 ) d e l p h i 语言集中了所有第三代语言的优点，以o b j e c tp a s a l 为基础，扩 充了面向对象的能力，并且完美地结合了可视化的开发手段。它使用了本地编译器 直接生成技术，使程序的执行性能远远高于其他产品生成的程序。还是真正的面向 对象的编程语言。d e l p h i 在编好程序后可自动转换成e x e 文件，运行速度比v b 快，而且编译后不需要其他的支持库就能运行。d e l p h i 的数据库功能也很强大，是 开发中型数据库软件理想的编程工具。 现在编程语言相当丰富，其他可用类型还很多。根据系统的特点本文采用d e l p h i 作为开发计算机辅助刀具管理系统软件的编程语言。 2 数据库的相关概念 在每个应用此系统的企业中，肯定都会有大量的信息和数据要存取和处理，所 以肯定需要建立一个数据库系统。在这里应包含所有系统中相关的数据，并能对之 实施有效的管理。 数据库具有复杂的数据模型，即在描述数据的同时，也描述数据之间的联系； 数据库以整体观点处理数据、面向系统，因而弹性大、易扩充、使用方式灵活，实 现了数据共享；数据可独立于程序存在，数据库具有很强的数据操作功能；数据库 中的数据具有安全性、完整性。 数据库的数据模型是指被描述的实体之问的联系模型，主要有三种类型：层次 模型、网状模型和关系模型。其中关系模型的数据结构简单，操作算法成熟、完善【8 - 9 1 。 常用数据库语言主要有d b a s e 数据库、f o x b a s e 数据库、f o x p r o ( 或v f p ) 、 a c c e s s 数据库、o r a c l e 数据库和s q ls e r v e r2 0 0 0 数据库等。s q ls e r v e r2 0 0 0 数据 - 一 r 华中科技大学硕士学位论文 库具有丰富的数据库编程能力，并且提供了基于w e b 标准以确保系统的协调工作和 灵活性。 2 2 系统需求分析 经过系统调研，在与中心相关人员的交流过程中，可以看到该中心c i m s 系统 应用的管理基础比较好，教师及实验人员对系统建设热情也较高，从总体来看基本 上可以确定整个系统建设的总体目标： 1 ) 根据作业计划，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 ) 对刀具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； l o ) 监控刀具的剩余寿命，必要时做出换刀处理。 1 1 ) 优化刀具在系统中的分配问题。 2 2 1 系统流程图 刀具管理系统的工作流程为： 9 华中科技大学硕士学位论文 刀具、辅具由供应部门提供后，分别按刀具辅具的品种规格由编码系统进行编 码，存放于预调室内的刀具库中，并将刀具、辅具的信息( 如规格、型号、尺寸、 名称、库存位号等) 输入微机数据库。条形码打印机对给定的编码打印条形码标签， 条形码标签粘贴在刀柄上不影响使用和装夹的部位，用在系统外标识刀具。新刀进 入系统前，通过条形码阅读机将条形码转化为计算机可识别的刀具编码。这样，计 算机便可通过追踪刀具编码来跟踪每把刀具的实际情况。 由刀具选用系统进行刀具的选配和分派后，将计算机打印的刀具组装卡交预调 室，由预调室将刀具和辅具组装。刀具预调仪用来对组装好的刀具精确预调( 对刀) ， 所获得的刀具补偿量通过通讯接口，在刀具数据库上进行存储，并把相应的补偿量 传至机床控制器适当的位置上去。 预调好的刀具由刀具进出站进入系统，然后由刀具输送装置按刀具分派表将刀 具送至每台机床的缓冲库内，再由操作者将缓冲库中的刀具按在线刀具使用单，装 入机床刀具库中。刀具输送装置负责刀具进出站中央刀具库、中央刀具库 机床刀具库或刀具室机床刀具库之间的刀具运送，有自动导向小车( 载有可存 放一组刀具的托架) 、刀具机器人、高架有轨式输送系统等形式。加工中心的机床刀 具库用来装载目前加工所需的刀具，它的配置是根据目前机床的加工零件、加工负 荷实现的。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 刀具库或其它加工中心的某机床刀具库调取所需要的刀具，并在自己的机床刀具库 形成一个刀具组。在实际加工过程中，机床可一边加工，一边往自己的刀具库调用 要求的刀具。中央刀具库用于贮存a m s 中加工工件所需的各种刀具及备用刀具， 目前机床不急需使用的刀具都可存放在里面。将中央刀具库通过刀具自动输送装置 与机床刀具库连接起来，就可形成自动刀具供给系统1 1 0 。引。 此外，在切削加工过程中，刀具监测系统还要负责监测刀具在运行过程中的实 际工况( 主要包括刀具的磨损、破损和位置情况) ，及时反馈信息更新数据。系统将 及时整理数据或打印相关数据的报表，为研究刀具的切削性能提供充足的数据。 加工完后，下线的刀具也由刀具运输装置送回预调室，经检查后，或拆卸、或 装入刀具库、或送磨、或报废，并打印相应的刀具返回单、刀具送磨单、刀具报废 单等。至此便完成刀具管理的全部过程。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 刀具管理包括刀具的信息流动管理和物理流动管理。对应的系统流程图 如图2 2 所示所示。 图2 2 刀具流动管理框图 2 2 2 刀具管理系统的信息需求 刀具管理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。 刀具管理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 1 1 华中科技大学硕士学位论文 寿命信息、刀具耐用度信息、耐用度修正系数信息等。 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 2 3 系统功能设计 刀具管理系统采用了面向功能的模块设计技术。根据管理系统主要业务需求分 析，所设计的系统功能模块可分为： 1 1 基础数据管理功能模块。实现刀具货位、货区、刀具等编码的定义；实现系 统多层区、多角色的权限管理；实现车间工作人员、设备信息的管理；实现数据多 种备份；实现对库存最低量、高量以及刀具定检相关信息设置；实现刀具管理系统 与其它集成系统的接口定义。 2 1 刀具计划调度功能模块。实现刀具订购计划、刀具配送计划、刀具使用过程 中的调度控制以及刀具调度信息的反馈。 3 ) 刀具库存管理功能模块。实现刀具库存台帐管理、刀具的库存控制、刀具的 定检控制以及刀套和刀具附件的管理。 舢刀具成本管理模块。实现刀具的刃磨、报废、刀具库存以及刀具维修、定检、 报废的成本预算和统计核算功能，从而实现对柔性生产车间生产零件刀具使用成本 的详实、准确统计。 在刀具管理系统功能模块中，基础数据管理功能模块是整个系统的基础，主要 为刀具计划管理功能模块和刀具库存管理功能模块定义刀具编码、库存控制参数设 置。在车间没有设备管理人员和管理系统时，为系统提供简单的人员、设备信息， 同时为系统操作人员定义角色和操作权限，从而保证系统安全运行。刀具库存管理 功能模块根据刀具计划管理功能模块的刀具调度指令进行刀具的出入库，刀具库存 管理模块为刀具计划管理功能模块提供刀具库存参考信息。刀具成本管理功能模块 根据刀具库存管理功能模块的库存台帐信息、出入库信息进行刀具成本资金的统计， 1 2 华中科技大学硕士学位论文 实现刀刀具成本的有效管理。系统涉及到的应用模块如图2 3 ： 2 2 4 设计要求 图2 3 主控模块 1 1 总体设计要求： 系统在总体上应具有安全可靠、技术先进、扩展性强、维护方便等特点。 信息要求： 整个系统所涉及的各部分业务处理在实现信息集成的基础上，能实现部分功能 集成。同时加强信息的标准化工作，控制数据源头是做好信息集成的关键。 3 、性能要求： 数据处理效率高。 系统故障频率低、维护容易。 能提供多种数据输出接口，方便用户进行其它数据处理。 们安全要求： 操作系统的安全控制。 数据库的安全控制。 应用软件的角色定义、分配和控制。 系统维护人员的高素质和有效的管理制度。 5 1 约束条件： 组织和制度的保障。 1 3 华中科技大学硕士学位论文 人员素质。 系统培训。 资金的投入及时、到位。 业务的规范、岗位职责的调整和人员的调整。 2 2 5 系统效益 1 ) 系统微观效益： ( 1 ) 无纸化的操作，减少纸张的开销； ( 2 ) 条码识别的正确性高，减少人为的错误输入； ( 3 ) 增加库存的准确率； ( 4 ) 快速、高效的物流环节； ( 5 ) 有效的库存空间利用，降低营运成本； ( 6 ) 各种当前和历史事务的统计报表为决策者提供准确、有用的信息； ( 7 ) 数据交换接口的连通，增强企业现有应用系统的管理； ( 8 ) 有效的库存管理和控f l j l j ( j u s t i n - t i m ej i t ) ，减少额外的采购，同时保证库存量 满足客户订货或生产计划的需要； ( 9 ) 记录工作人员完成工作所花费的时间，掌握员工的工作效率，增强对员工的 管理； ( 1 0 ) 建成后的刀具管理系统，将使得企业仓库的管理工作跨上一个新的台阶， 将为生产部门的指挥决策提供更有价值、更具时效性的分析数据； ( 1 1 ) 将单据所需的大量纸张文字信息转换成电子数据，简化同后的查询步骤， 工作人员不用再手工翻阅查找各种登记册和单据本，只需输入查询条件，计算机在 很短的时间内就会查到所需记录，并将内容显示在屏幕上，大大加快了查询速度； ( 1 2 ) 提高生产数据统计的速度和准确性，减轻汇总统计人员的工作难度。 2 ) 系统宏观效益： ( 1 ) 管理严格、调度科学、生产规范； ( 2 ) 准确、动态地了解现场生产情况； 1 4 华中科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 严格交接管理减少在制品储备和库存； ( 4 ) 随时反馈质检信息利于监控产品质量； ( 5 ) 实现全部的主关键件的跟踪记录； ( 6 ) 记录产品的制造档案，信息可以反复利用和查询。 3 ) 系统经济效益： ( 1 ) 库存储备可以减少2 0 3 0 。 ( 2 ) 均衡生产方面可以提高劳动生产率1 0 2 0 。 ( 3 ) 库存管理效率提高2 倍。 ( 4 ) 生产统计提高2 3 倍。 ( 5 ) 企业在系统方面的投资通常可以在1 个月到3 个月内收回。 2 3 本章小结 本章分析了实现计算机辅助刀具管理系统所必需的硬件环境和软件环境。通过现 代先进制造技术中心设备布局图来阐述现有条件和进一步的需求，并且详细分析比 较了几种编程语言和数据库的优势与不足，确定了系统实现的软、硬件环境。 对系统做了较为全面的需求分析，确立了总体目标，按模块化设计思想设计了系 统的四大主要功能模块，分析了系统将获得的微观效益、宏观效益以及经济效益。 1 5 华中科技大学硕士学位论文 3 1 刀具的编码技术 3 1 1 成组技术 3 系统关键技术的研究 成组技术( g r o u pt e c h n o l o g y ) 是机械制造过程中一种先进的科学的生产和组织 管理方法，它旨在识别和开发机械制造过程中各环节诸种信息问的相似性，采取适 当的组织形式和先进技术，实现其工作的合理化、科学化，使多品种、中小批和单 件生产的企业获得较好的经济和社会效益。 现代机械工业生产结构中，多品种、中小批量生产类型的企业占主导地位。然 而中小批量生产企业的劳动生产率却相当低，其成本往往要比大批生产的成本高十 倍以上。这是因为传统的生产组织模式是以孤立产品为基础。这些情况说明正是由 于“批量法则”的作用，妨碍了中小批量产品提高生产率和降低成本。 如何改变传统的中小批生产企业的落后面貌? 成组技术正是在这种背景下发展 起来的一门新技术，它突破了局限于单一产品的批量概念，以成组批量代替单独批 量。使中小批生产能够采用先进技术和自动化设备，提高生产效率，稳定质量，降 低成本。 在机械制造领域中，成组技术的应用主要表现为成组加工。机械产品的零件虽 然千变万化，但客观上存在着大量的相似性。有许多零件在形状、尺寸、精度和材 料等方面是相似的，从而在加工工序、定位安装、机床设备以及工艺路线等各个方 面都呈现出一定的相似性。成组技术就是对零件的相似性进行标识、归类和应用的 技术。其基本原理是根据零件的结构形状特征和加工工艺特征，对多种产品的各种 零件按规定的法则标识其相似性，按一定的相似程度将零件分类编组。再对成组的 零件制订统一的加工方案，实现生产过程的合理化1 1 6 - 1 8 l 。 本文将成组技术应用于刀具的分类与编码环节，使系统数据库中繁琐的刀具信 息得到简化，使数据信息更易于管理。 3 1 2 数控加工常用刀具的分类 数控加工刀具必须适应数控机床高速、高效和自动化程度高的特点，一般应包 1 6 华中科技大学硕士学位论文 括通用刀具、通用连接刀柄及少量专用刀柄。刀柄要联接刀具并装在机床动力头上， 因此已逐渐标准化和系列化。数控刀具的分类有多种方法。 1 ) 根据刀具结构可分为： ( 1 ) 整体式由整块材料磨制而成，使用时可根据不同用途将切削部分修磨成 所需要的形式； ( 2 ) 镶嵌式它分为焊接式和机夹式。机夹式又根据刀体结构的不同，可分为 可转位和不可转位两种； ( 3 ) 减振式当刀具的工作臂长度与直径比大于4 时，为了减少刀具的振动， 提高加工精度，所采用特殊结构的一种刀具，主要用于镗孔； ( 4 ) 内冷式刀具的切削冷却液通过机床主轴或刀盘传递到刀具内部由喷孔喷 射到切削刃部位。 ( 5 ) 特殊型式包括强力夹紧、可逆攻螺纹、复合刀具等。 2 ) 根据制造刀具所用的材料可分为： ( i ) 高速钢刀具( h i g hs p e e ds t e e l ) ； ( 2 ) 硬质合金刀具( c e m e n t e dc a r b i d e ) ； ( 3 ) 陶瓷刀具( c e r a m i c s ) ； ( 4 ) 聚晶金刚石刀具( p o l y m e r i z ec r y s t a ld i a m o n d p c d ) ； ( 5 ) 立方氮化硼刀具( c u b i cb o r o nn i t r i d e c b n ) 。 3 ) 从切削工艺上可分为： ( 1 ) 车削刀具有外圆车刀、端面车刀和成型车刀； ( 2 ) 钻削刀具有普通麻花钻、可转位浅孔钻、扩孔钻； ( 3 ) 镗削刀具单刃镗刀、双刃镗刀、多刃组合镗刀； ( 4 ) 铣削刀具等。 为了适应数控机床对刀具耐用、稳定、易调、可换等要求，近几年机夹式可转 位刀具得到广泛的应用，在数量上达到整个数控刀具的3 0 4 0 ，金属切除量占 总数的8 0 9 0 。 例：表3 1 某制造企业刀具的分类方法： 1 7 华中科技大学硕士学位论文 表3 1 某制造企业刀具分类 刀具分类 车刀外圆车刀、内孔车刀、切槽车刀、螺纹车刀 可转位面铣刀、可转位立铣刀、钨钢立铣刀、圆头立铣刀、焊刃铣刀、t 型槽铣 铣刀 刀、侧铣刀、锯片铣刀、斜度铣刀、刃鸠尾槽铣刀 镗刀 可调整叔刃粗镗刀、4 5 度粗镗刀、9 0 度粗镗刀、微调精镗刀、小径精镗刀 钻头 可转位高速钻头，整体硬质合金钻头、定点钻头、倒角钻头 刀片立方氮化硼、金刚石、陶瓷、涂层、不涂层 侧固式刀柄、套式铣刀柄，各扁尾莫氏刀柄、无扁尾莫氏刀柄、莫氏短劂锥钻， 刀柄加头刀柄、三面刃铣刀刀柄、e r 弹簧卡头刀柄、强力铣夹头刀柄，自动换刀工 具锥柄模块 数控刀具与普通机床上所用的刀具相比，有许多不同的要求，主要有以下特点： 1 ) 刚性好( 尤其是粗加工刀具) 、精度高、抗振及热变形小； 2 ) 互换性好，便于快速换刀； 3 ) 寿命高，切削性能稳定、可靠； 4 ) 刀具的尺寸便于调整，以减少换刀调整时间； 5 ) 刀具应能可靠地断屑或卷屑，以利于切屑的排除； 6 ) 系列化、标准化，以利于编程和刀具管理。 3 1 3 数控加工刀具的选择 系统中可以实现两种刀具选择模式，一是由c a p p 系统在制定工艺规程的时候 选择，二是数控编程人员编程时选择。刀具选择时应根据机床的加工能力、工件材 料的性能、加工工序、切削用量以及其它相关因素正确选用刀具及刀柄。刀具选择 总的原则是：安装调整方便、刚性好、耐用度和精度高。在满足加工要求的前提下， 尽量选择较短的刀柄，以提高刀具加工的刚性。 选取刀具时，要使刀具的尺寸与被加工工件的表面尺寸相适应。生产中，平面 零件周边轮廓的加工，常采用立铣刀；铣削平面时，应选硬质合金刀片铣刀；加工 凸台、凹槽时，选高速钢立铣刀；加工毛坯表面或粗加工孔时，可选取镶硬质合金 刀片的面铣刀；对一些立体型面和变斜角轮廓外形的加工，常采用球头铣刀、环形 1 8 华中科技大学硕士学位论文 铣刀、锥形铣刀和盘形铣刀。 在进行自由曲面( 模具) 加工时，由于球头刀具的端部切削速度为零，因此，为保 证加工精度，切削行距一般采用顶端密距，故球头常用于曲面的精加工。而平头刀 具在表面加工质量和切削效率方面都优于球头刀，因此，只要在保证不过切的前提 下，无论是曲面的粗加工还是精加工，都应优先选择平头刀。另外，刀具的耐用度 和精度与刀具价格关系极大，必须引起注意的是，在大多数情况下，选择好的刀具 虽然增加了刀具成本，但由此带来的加工质量和加工效率的提高，则可以使整个加 工成本大大降低。 在加工中心上，各种刀具分别装在刀库中，按程序规定随时进行选刀和换刀动 开作。因此必须采用标准刀柄，以便使钻、镗、扩、铣削等工序用的标准刀具迅速、 准确地装到机床主轴或刀库上去。编程人员应了解机床上所用刀柄的结构尺寸、调 整方法以及调整范围，以便在编程时确定刀具的径向和轴向尺寸。目前我国的加工 中心采用t s g 工具系统，其刀柄有直柄( 3 种规格) 和锥柄( 4 种规格) 2 种，共包 括1 6 种不同用途的刀柄。 在经济型数控机床的加工过程中，由于刀具的刃磨、测量和更换多为人工手动 进行，占用辅助时间较长，因此，必须合理安排刀具的排列顺序。一般应遵循以下 原则： 尽量减少刀具数量； 一把刀具装夹后，应完成其所能进行的所有加工步骤； 粗精加工的刀具应分开使用，即使是相同尺寸规格的刀具； 先铣后钻； 先进行曲面精加工，后进行二维轮廓精加工； 在可能的情况下，应尽可能利用数控机床的自动换刀功能，以提高生产效率 等。 3 1 4 刀具编码 刀具分类编码是开发刀具管理系统的关键技术之一，正确的刀具信息编码是计 1 9 华中科技大学硕士学位论文 算机辅助技术的基础，是实现刀具网络化管理的前提。刀具信息的编码应符合唯一 性、可扩性、适应性、稳定性、识别性和可操作性原则。为使刀具的标识和分类经 济而有效地适应自动化生产的需要，就必须建立一个科学的、完整的切削刀具分类 编码系统【”1 i ，以便： 1 ) 建立刀具准确可靠的规范和标准，提高刀具使用率； 2 ) 利于刀具的计划供应和储存保管，减少刀具库存和投资，提高经济效益； 3 ) 可以改善各个部门之间信息的交换和沟通，保证刀具信息流通顺畅和共享。 刀具编码系统发展至今己经有很多种，但它们大都是采用纯数字编码，这种编 码方式简洁，易于计算机存储，只是不够直观，对使用者来说，仅从代码本身看， 很难确定其含义，容易造成识别和使用上的差错。 因此从实际情况出发，鉴于刀具的计算机辅助管理属于人机交互系统，本文采 用数字和英文字母相混合的编码系统。具体编码规则如下： 我们采用4 段编码制编制刀具编号：类别码一组别码一主参数序列号，各段问用 减号“”隔开。 类别码是指被编码对象的种类，在f i v i s 中主要包括以下几种：刀头、刀片、刀 柄、组合刀具、人员、设备、工作地、供应商、材料等，长度为3 ，用其种类的小 写汉字拼音字头表示，即用“d t ”表示被编码对象为刀头。 组别码是指刀具的种类，长度5 ，用刀具种类的小写汉字拼音字头表示，如果 字头有重合，在最后加阿拉伯数字区分，例如，盘铣刀用 p x d l ”表示，片铣刀用 p x d 2 ” 表示。刀头分类详细见表3 2 表3 2 刀头分类 名称麻花钻中心钻立铣刀盘铣刀片铣刀球头刀 组别码 m a zl x d p x d lp x d 2q t d 名称车刀镗刀丝锥刨刀拉刀砂轮 组别码 c dt db dl ds l 刀片系统提供了用于镗削、钻削和铣削刀具的所需刀片。镗刀用刀片根据组别 码分为七类，分别c c 、t c 、s c 、c n 、t n 、s n 和k n 类型。 2 0 华中科技大学硕士学位论文 主参数码是指代表刀具的最主要的加工参数，长度6 ，用其小写汉字拼音字头 或数字表示。对于刀具、设备等用数字表示其主要参数，如：钻、铣、镗等刀具用 数字表示直径；车床、铣床用数字表示加工最大直径，铣、刨、磨床用数字表示工 作台最大尺寸。对于无法用数字表示的类别，可用小写汉字拼音字头表示主要关键 字，如：供应商