（机械电子工程专业论文）虚拟数控铣削仿真数据库系统的研究.pdf

哈尔滨理t 人学t 学硕l ：学位论文 虚拟数控铣削仿真数据库系统的研究 摘要 虚拟数控铣削技术是传统制造与信息技术结合的产物，针对这一技术建立 相应的虚拟数控铣削仿真数据库系统，为数控加工企业提供迫切需要的虚拟数 控铣削加工参数信息，对在虚拟制造中推广虚拟数控铣削加工技术具有非常重 要的意义。 本文针对数控铣削数据库系统的建立以及接口技术进行研究，在传统的关 系型数据库设计思想上结合先进的面向对象系统设计方法，得到针对虚拟数控 铣削仿真数据库特有的系统模型，同时通过对e - r 实体模型的转换得到数据库 系统的逻辑模型。选择大型关系型数据库管理系统m i c r o s o f ts q l s e v e r2 0 0 0 来 建立虚拟数控铣削仿真数据库，采用面向对象程序设计语言v i s u a lb a s i c 6 0 开 发友好的人机交互界面，并实现在数据库应用窗口中调用机床、铣刀的三维模 型。系统还可对u g 环境中仿真加工程序的调用，实现在数据库系统中显示虚 拟仿真加工过程。设计数据库与v b 6 0 、u gn x 6 0 以及m a t l a b 软件的通信 接口。数据库系统通过a d o ( a c t i v e xd a t ao b j e c t s ) 的存取数据源的c o m 组件 来实现与v b 6 0 的接口设计；通过u g o p e r t a p i 应用程序的d b l i b r a r y 模块来 实现与u gn x 6 0 的接口，利用c + + 语言类的概念对d b l i b r a r y 模块进行封装， 使得程序大大的简化并利于系统维护；通过o d b c j d b c 数据源链桥来实现与 m a t l a b 的接口设计。使得虚拟数控铣削仿真数据库成为一个真正的开放型数 据库，共享型数据库。 在实际加工过程中，虚拟数控铣削数据库的应用使得加工效率、加工精度 以及表面加工质量在很大程度上都得到了提高。 关键词虚拟数控；铣削；仿真数据库；接口 | 哈尔滨理t 人学工学硕上学位论文 s t u d yo nd a t a b a s es y s t e m f o rv i r t u a ln c m i l l i n g s i m u l a t i o n a bs t r a c t v i r t u a ln c m i l l i n gt e c h n o l o g yi sa c o m b i n a t i o no ft r a d i t i o n a lm a n u f a c t u r i n ga n dt h e i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y a i m i n ga tt h i st e c h n o l o g yv i r t u a ln cm i l l i n gs i m u l a t i o n d a t a b a s es y s t e mi se s t a b l i s h e d t h es y s t e mp r o v i d ev i r t u a ln cm i l l i n gm a c h i n i n g p a r a m e t e r s i n f o r m a t i o nf o rn cm a c h i n i n ge n t e r p r i s ew h i c hu r g e n tn e e dt h e i n f o r m a t i o n ，i th a st h ee x t r e m e l yv i t a ls i g n i f i c a n c et op r o m o t et h et e c h n o l o g yo f v i r t u a lm a n u f a c t u r i n gv i r t u a ln c m i l l i n g t 1 1 i sa r t i c l es t u d i e so nt h ee s t a b l i s h m e n to fn cm i l l i n gd a t a b a s es y s t e ma n d i n t e r f a c et e c h n o l o g y a d v a n c e do b j e c t - o r i e n t e ds y s t e md e s i g nm e t h o di sa d d e dt ot h e d e s i g nt h o u g h to ft r a d i t i o n a lr e l a t i o n a ld a t a b a s e t h es p e c i a ls y s t e mm o d e lo fn c m i l l i n gs i m u l a t i o ni sd e s i g n e db yu s i n gt h em e t h o da n dt h el o g i c a lm o d e l i so b t a i n e d b yc o n v e r t i n gt h ee re n t i t ym o d e lo ft h ed a t a b a s es y s t e m t h el a r g er e l a t i o n a l d a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e mm i c r o s o f ts q ls e v e r 2 0 0 0i sc h o s e nt ob u i l dv i r t u a l n cm i l l i n gs i m u l a t i o nd a t a b a s es y s t e m t h eo b j e c t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n gl a n g u a g e v i s u a lb a s i c6 0i su s e dt od e v e l o pf r i e n d l ym a n - m a c h i n ei n t e r f a c e m a c h i n et o o l s a n d3 dm o d e lo fm i l l i n gc u t t e rc a nb ec a l l e db yt h ea p p l i c a t i o nw i n d o wi nt h e d a t a b a s es y s t e m 1 1 1 es i m u l a t i o np r o c e s s i n gp r o c e d u r ei nu ge n v i r o n m e n tc a nb e c a l l e di nt h es y s t e m t h ev i r t u a ls i m u l a t i o np r o c e s sc a na l s os h o w e di nd a t a b a s e s y s t e m c o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c eo f d a t a b a s es y s t e mi sd e s i g n e dt oc o n n e c tv b 6 0 ， m a t l a ba n du gn x 6 0 t h ei n t e r f a e eb e t w e e nd a t a b a s es y s t e ma n dv b 6 0i s r e a l i z e db ya d o ( a c t i v e xd a t ao b j e c t s ) c o mc o m p o n e n t s t h ei n t e r f a c eb e t w e e n d a t a b a s ea n du gn x 6 0s y s t e mi sr e a l i z e db yu g o p e na p ia p p l i c a t i o nd b l i b r a r y d b l i b r a r ym o d e li se n c a p s u l a t e db yu s i n gt h ec o n c e p to fc l a s si nc + + l a n g u a g e i t m a k e st h ep r o g r a mg r e a t l ys i m p l i f i e da n di sb e n e f i tt os y s t e mm a i n t e n a n c e t h e i n t e r f a c eb e t w e e nd a t a b a s ea n dm a t l a bi sd e s i g n e db yd a t as o u r c ec h a i nb r i d g e o d b c j d b c t h ed e s i g n sm a d ev i r t u a ln cm i l l i n gs i m u l a t i o nd a t a b a s eb e c o m ea i i 哈尔滨理t 大学t 学硕i j 学位论文 t r u l yo p e nd a t a b a s e ，s h a r i n gd a t a b a s e i nt h ea c t u a lm a c h i n i n gp r o c e s s ，a p p l i c a t i o no fv i r t u a ln cm i l l i n gd a t a b a s em a k e s p r o c e s s i n ge f f i c i e n c ya n dm a c h i n i n gp r e c i s i o na n ds u r f a c ep r o c e s s i n gh a v eag r e a t e x t e n ti m p r o v e m e n t k e y w o r d sv i r t u a ln c ，m i l l i n g ，s i m u l a t i o nd a t a b a s e ，i n t e r f a c e i i i 哈尔滨理i t 人学t 学硕j 二学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 虚拟数控技术是用计算机模仿真实数控设备工作环境的一门技术f l 】。它以 计算机仿真和数控加工技术为基础，集人工智能学、计算机图形学、多媒体技 术、虚拟现实技术、并行工程技术、网络技术等为一体f 2 j ，把数控设备的工作 过程和环境在虚拟的条件下进行全面的仿真3 1 。图1 1 为虚拟数控加工基本环 境的结构图，包括硬件和软件两部分。 图1 - 1 虚拟j n _ l 基本环境结构 f i g 1 - 1s t r u c t u r eo f v i r t u a lm a c h i n i n g b a s i ce n v i r o n m e n t 虚拟数控技术利用n c 代码来描述实际数控加工过程，因此，实际数控加 工中常遇到错误不容易被发现1 4 1 。刀具轨迹显示法和机床试切法是目前常用的 对数控程序进行校验的方法，但是这两种方法都有不足之处【5 】。在刀具轨迹显 示法中，难以发现刀具与工件的干涉过程和过切现象；而试切法的对刀过程复 杂一般需要在程序中设置起刀点，因此加工周期较长。虚拟数控技术把实际数 控机床加工的过程在虚拟的环境下进行模拟，它融合了制造技术、机床数控理 论、c a d 、c a m 和建模与仿真技术于一体，在计算机中生成机床、刀具、工 件的实体模型以及它们的虚拟工作环境1 6 l 。虚拟数控技术能够在真实制造之前 哈尔滨理t 大学工学硕1 j 学位论文 对零件进行虚拟加工并且对机床以及工艺参数进行虚拟设计；数控加工程序代 码在虚拟加工的过程中可以得到检验，同时还能分析零件的可加工性和工序的 合理性川。因此，采用虚拟数控技术能够使产品的开发周期缩短、生产成本降 低、使产品质量和生产效率都得到提耐8 1 。 随着虚拟数控技术的发展，切削数据库应运而生。切削数据库技术把计算 机技术和切削加工技术的优势结合起来。最初，切削数据库只是管理机床加工 中出现的大量切削数据并且减少对机床操作人员的依赖性。那时的切削数据库 功能较为单一，其存储的数据与人为的工作经验相比并不占优势1 9 】。经过多年 发展，系统的功能已经从最初的管理切削数据发展到切削数据的智能化、优化、 评价以及专家系统、人工神经网络等多样化的功能i l o l 。切削数据库系统的快速 发展已受到各相关行业的高度重视。 随着数控机床种类的不断增多和切削刀具技术的快速发展，虚拟数控技术 在各行各业如航天、航空、机床、模具、汽车等领域迅速发展并且得到越来越 广泛的应用【l 。虚拟数控技术是具有共性的先进制造技术之一，能够大幅度提 高生产效率和加工质量，是切削加工技术未来的发展方向。切削刀具的合理选 择和切削参数的不断改进能在很大程度上降低生产成本、使得铣削机床以及加 工中心的功能得到更充分的利用【1 2 】。因此，建立虚拟数控铣削数据库，把实践 中的加工经验和不断改进的工艺参数的数据积累起来，把更加科学更加合理的 虚拟数控铣削数据提供给机械加工制造行业，能够使机械加工行业经济效益和 加工效率得到大幅度的提高【1 3 】，同时也是推动数控铣削技术的广泛应用和快速 发展的重要保障【1 4 1 ；此外，虚拟数控铣削数据库还为f m s 、c a p p 、c m s 、 c a d c a m 、c n c 等各种现代制造技术提供了发展基础，它是这些公共制造系 统中不可或缺的组成部分。所以，虚拟数控铣削技术和数据库技术的有效结合 不仅可以使数控铣削技术得到快速推广还为数据库技术的多样化发展奠定了 基础。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 虚拟切削数据库在国外的发展现状 美国空军加工性数据中，已, ( a f m c d ) 是世界上第一个虚拟切削数据库。1 9 6 4 年由美国空军材料实验所和美国技术切削联合研究公司联合建立的【”1 。此后， 哈尔滨理t 大学t 学硕r j ：学位论文 虚拟切削数据库在工业发达的几个国家陆续得到发展，出现了大批不同种类， 不同功能的切削数据库。据统计，至今己有3 0 多个虚拟切削数据库分别在中 国、美国、瑞典、德国、英国、日本、挪威、匈牙利、比利时等1 2 个国家建 立【1 6 】，为各行各业提供各种形式的信息服务。美国的m d c ( 力i i 性数据中心) 和德国的i n f o s 数据库是这其中最有名的数据库彻。应用切削数据库所带来 的经济效益是相当可观的。据报道，美国的m d c 数据库在建库初期即为企业 节约了1 6 亿美元，使生产部门车削效率提高了5 0 ，而铣削效率甚至提高了 一倍以上f 1 8 1 。c i r p ( 国际生产工程学会) 对世界上半数以上的切削数据库的经济 效益进行了统计，结果表明，采用切削数据库的企业能够使单位加工成本降低 1 0 以上【1 9 1 。许多刀具生产厂商逐渐推出属于自己的切削数据库系统，并不断 地把本公司的产品和切削数据推荐给用户 2 0 l 。数据库的智能化是国际上最近对 切削数据库研究的方向，智能化主要体现在智能选择刀具系统方面。 r g m a o r p u o l o s 等公司针对主要功能是根据加工要求选择刀具的智能刀具选择 系统中的知识模型进行了研究【2 1 1 。其智能化表现在能够对新的加工条件进行预 测，根据虚拟切削的基本原理和已有被验证过的数据来判断新的! j n - r 条件是否 具有可行性。这样的系统中数据库可以被分成几个子数据库( 模块) ，己被验证 的子数据库被视为动态的，随时可以更新加入新的数据，所有的子数据库都是 相对静态的。 1 2 2 虚拟切削数据库在国内的发展现状 在我国，第一个试验性车削数据库t r n l 0 是1 9 8 7 年在成都工具研究所建 成的。二十世纪九十年代程度工具研究所又从德国引进了车削数据库i n f o s 系统，在国内加以推广后被称为a t r n 9 0 ，i n f o s 系统的修订版a t r n 9 0 e 随 后由该所在国内推出。随后的几年罩成都工具研究所结合i n f o s 系统推出了 自己的车削数据库软件c t r n 9 0 v 1 0 t 2 2 1 。 c t r n 9 0v 1 0 在原版i n f o s 基础上，改进并扩展了系统、强化了系统功 能、添加了中国数据即把“可加工性材料组即切削材料副 的概念结合到数据 库系统中。另外还实现了系统的英化和汉化。成都工具研究所又在1 9 9 1 年和 1 9 9 2 年分别推出了c t r n 9 0 v 2 0 系统和c t r n 9 0 v 3 0 系统。二十世纪九十年 代末期，又开发出了能够在w i n d o w s 环境下运行的数据库软件，使数据库得 到了更广泛的应用和快速的发展【2 3 】。 哈尔滨理工人学工学硕i ：学位论文 南京航空航天大学对虚拟切削数据库进行的研究也比较早【2 4 1 。在二十世纪 九十年代中期，南京航空航天大学就对如何建立虚拟切削数据库等问题进行了 深入的探讨【2 引，之后，又对虚拟切削数据库的结构和功能等方面进行了研究【2 6 1 。 近年来南京航空航天大学着重研究了切削用量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n a i m d s 系统，1 9 9 1 年又进步开发了 k b m d b s 系统1 2 7 。n a i m d s 和k b m d b s 系统是专用切削数据库软件。 一个大型通用的虚拟切削数据库的建立需要耗费大量的人力、物力和财 力，是一项巨大的工程。北京理工大学建立了一个切削数据库系统 b i t n c d b s ，它主要面向硬质合金刀具材料生产厂家，根据切削数据的不同 来源和特点，将b i t n c d b s 系统中的数据分为三类- 资料切削数据、浓缩切 削数据以及离散切削数据。在切削数据库切削试验曲线的绘制与存储方面，北 京理工大学展开了研究，实现了切削力、刀具寿命、刀具磨损等几种试验曲线 的绘制和存储，使虚拟切削数据库不仅能够存储数据，也能绘制曲线【2 3 1 。不仅 使切削数据库的范围扩大了，还使切削数据库的内容更加丰富了。 1 2 3 目前研究中存在的问题 切削数据库的根本目的就是为生产实际服务，可是已经建立的切削数据库 和工艺数据库，多数都没能付诸实用，其主要原因有以下几方面： 1 数据库提供的服务项目不多，且尚未解决与c a p p 、c a m 等系统的联 接问题；许多软件都有功能强大的三维建模以及数据分析和计算功能，因此如 何与这些软件进行接口设计，通过数据库的查询，选取刀具材料、工件材料、 刀具尺寸参数以及切削用量并能显示工件、刀具和机床的三维模型；通过数据 库的运算，获得进给速度以及主轴转速等数据是数据库系统未来的发展方向。 2 动态特性不好。传统开发的切削数据库系统所提供的数据，大多数都 是“静态 的原始数据，比较确定、具体。这样的数据库系统从基本的功能来 说，只能算作电子手册。然而，生产现场的工件以及刀具材料等数据种类繁多 加工方式和性能又千变万化，仅靠“静态的数据库系统提供的数据是难以解 决的。因此，将人工智能技术应用到切削数据库，使其具有“动态”特性是切 削数据库发展的又一方向。 3 实用性不强。通用切削数据库能提供针对不同机床、不同刀具材料、不 同切削方法的各种各样的切削工艺参数。但是，建立能包括各种各样的切削工 4 哈尔滨理t 大学t 学顾l ：学位论文 艺参数的通用切削数据库要耗费大量的人力、物力和财力，是一项巨大的工程。 而工件材料、刀具种类在具体某个的公司和一定的行业范围是有限的，所用到 的数据基本上可以通过实践经验和资料来获得。因此，建立针对某个企业的专 用数据库时很有必要的。 4 网络化不充分。近些年来，网络技术的迅速发展，给切削数据库系统带 来了新的活力，也使得切削数据库系统有了更广泛的应用。网络化注重资源共 享和数据交换，这将是切削数据库技术未来发展的主要趋势。 1 3 课题来源和研究内容 本课题来源于黑龙江省自然科学基金项目“虚拟数控铣削物理仿真系统的 研究与开发。 针对虚拟数控铣削仿真系统的国内外研究现状，本文提出了以数据库系统。 为桥梁，实现几何仿真与物理仿真的无缝集成，为实现切削参数实时优化提供 研究基础。该系统几何仿真、铣削力预测、加工误差建模与分析、加工精度预 测等模块均由该课题组其他成员完成，本文主要开展了如下几个方面的研究： 1 虚拟数控铣削数据库系统的结构数据的多少对数据库中数据信息的丰 富程度起到决定作用，并对数据库的应用起着至关重要的作用。数据库系统需 要存储虚拟数控铣削加工过程中涉及的数据信息，如工件材料、铣削刀具参数、 铣削用量、切削液等。因此明确虚拟数控铣削数据库要处理哪些信息以及如何 表示这些信息很重要。此外，还需要确定虚拟数控铣削数据库的特点及功能要 求，才能系统的提出虚拟数控铣削数据库的系统结构。 2 虚拟铣削数据库系统建模建立铣削温度模型为例，分析了铣削温度与 铣削速度、每齿进给量、径向切深和轴向切深的关系公式，建立了数据库系统 局部e r 实体关系模型。将局部e r 模型集成得到虚拟数控铣削数据库整体 e r 关系模型。 3 虚拟数控铣削数据库系统的设计与实现虚拟数控铣削数据库中需要处 理的数据种类较多但是彼此间存在各种复杂的联系，所以规律基本是固定不变 的。在对需求进行分析的基础上，提出了虚拟数控铣削数据库的概念数据模型， 在大型关系型数据库管理系统s q ls e r v e r2 0 0 0 的结构设计的基础上，采用面 向对象的程序设计语言v b6 0 对虚拟数控铣削数据库系统的应用程序进行设 哈尔滨理t 大学t 学硕：l ：学位论文 计与开发，实现了用户对数据库系统的工艺参数的查询、铣削用量的插值运算 以及仿真等功能的应用。 4 虚拟数控铣削数据库接口程序的设计要介绍了数据库与v b 6 0 、u g n x 6 0 以及m a t l a b 软件的通信接口的设计。数据库系统通过a d o ( a c t i v e x d a t ao b j e c t s ) 的存取数据源的c o m 组件来实现与v b 6 0 的接口设计；通过 u g o p e n a p i 应用程序的d b l i b r a r y 模块来实现与u gn x 6 0 的接口，通过 o d b c j d b c 数据源链桥来实现与m a t l a b 的接口设计。 哈尔滨理t 大学t 学硕卜学位论文 第2 章虚拟数控铣削仿真数据库的整体规划 本章主要描述了建立虚拟数控铣削数据库的基本设计思想，以及虚拟数控 铣削数据库系统的结构和功能。在本课题所研究的虚拟铣削数据库中，虽然处 理需求种类较多，系统所处理的数据复杂且彼此间存在各种复杂的联系，但基 本原理是固定不变的1 2 9 】。数据库的结构和功能设计既要符合开发工具的特点和 要求还要满足用户日益增长的使用需求。 图2 - 1 数据库系统结构 f i g 2 - 1s t r u c t u r eo fd a t a b a s es y s t e m 2 1 铣削数据库系统的结构设计 在虚拟数控铣削仿真数据库系统中，用户在应用程序中根据自己的需要选 择输入项，如工件的材料牌号、生产商信息、工件的几何参数、进给量等要求 【3 0 1 。数据库除了满足查询要求还需要满足优化求、验证、预测、仿真加工等要 求。输出项是虚拟铣削数据库对用户要求进行处理后的输出结果，如机床、切 削液、铣削用量、预测结果、切削方式、优化结果、接口等。结合现有虚拟数 哈尔滨理工人学t 学硕 ：学位论文 控铣削数据库的结构及数据库技术和计算机技术发展现状，本文中的虚拟数控 铣削仿真数据库采用了c s 结构。c s 结构能够快速处理数据并且分布式存储 数据，具有良好的动态性，能够进行扩充【3 l l 。同时，虚拟数控铣削仿真数据库 结合了人工智能技术的成果，具备实用、良好的预测功能和推理功能，并且为 虚拟数控铣削技术的推广、应用起到很好的辅助作用1 3 2 1 。虚拟数控铣削仿真数 据库主要由离散数据库、浓缩数据库、三维图形信息库、数据评价验证系统、 数据来源及数据的管理和优化、应用开发系统、网络与通信接口、输出及用户 等部分组成【3 3 】。如图2 1 所示。 1 离散数据库 离散数据库由切削参数库、切削液库、工件材料库、刀具材料库等多个子 数据库组成。其中：切削参数库主要存储轴向切削深度、径轴向切削深度、切 削速度、切削性质、进给量等数据；切削液库主要存储切削液的类型、切削液 的性能、切削液的冷却方式以及切削液的润滑效果；工件材料库主要存储工件 材料、型面、牌号、加工类型、加工要求等数据；刀具材料库主要存储刀具材 料类型、刀具参数、刀具型号、刀具形状、加工用途以及生产商等数据。 2 浓缩数据库 浓缩数据库主要由切削力数学模型库、修正系数库、优化模型库等多个分 库组成【，引。其中：切削力数学模型库主要存储切削参数模型、切削力模型、系 数模型、刀具耐用度模型等数据；修正系数库主要存储修正系数类型、修j 下系 数应用条件以及修正系数值等数据：优化模型库主要存储目标函数约束模型和 约束条件数学模型。目标函数模型主要有单位平均生产时间模型、单位平均加 工成本模型、单位时间利润率模型。约束条件数学模型主要包括切削速度计算、 每齿进给量计算、最大切削力计算、机床切削功率计算、切削温度计算以及表 面粗糙度计算【3 4 1 。 3 三维图形信息库 三维图形信息库主要包括机床库、卡具库、工件库及刀具库。通过前台 v b 应用程序调用数据库中机床、工件等的三维图形，同时显示相关的几何信 息。在显示窗口中能实现三维图形的旋转，用户可以从多个角度观察立体图， 同时修改相关的几何参数。 4 数据评价及验证系统 一8 哈尔滨理工人学工学硕卜学位论文 数据评价及验证系统主要包括铣削温度试验、精度预测试验、优化系统验。 其中铣削温度试验包括球头铣刀数控铣削温度模型的建立、铣削过程中工件表 面温度场模型的建立、铣削工件温度场的有限元模拟以及铣削加工中刀具及工 件热变形分析【3 5 1 。 5 数据来源及数据的管理和优化 切削数据主要来源于文献资料上推荐的数据、工厂的现场生产数据和实验 室采集的数据【3 6 1 。但是，这些数据基本上都是生产者的经验数据，不仅相当分 散而且可取性、可比性以及可靠性都相对较差。因此对于分析此单位的切削水 平尚且可用，而铣削数据库应该提供更有实际应用价值的工厂切削数据，这就 需要做大量的采集数据，检查数据和评价数据的工作 3 7 1 。文献资料包含的数据 主要是从切削试验研究的相关资料和加工试验数据手册得到的。数据库的数据 优化功能和数据管理功能主要是针对切削数据库中离散型数据的进行管理，包 括对数据的存储、修改、查询和报表输出等功能。切削数据库中的浓缩型数据 主要是指数据库中存贮的切削数学模型以及优化数学模型，按照约束条件求解 目标函数从而得到优化的切削数据【3 8 】。从根本上说，优化切削参数正是切削数 据库为企业服务的主要宗旨。 6 应用开发模块 应用开发模块是用户与数据库交互的接口，普通的用户只有通过应用程序 才能对数据库中的数据进行操作，而系统管理员既可以进行数据添加、修改、 删除等操作又可以对普通用户信息进行添加、更改、删除的操作。在虚拟铣削 数据库系统中，应用程序主要为用户提供登录、工件信息查询、机床信息查询、 刀具信息查询以及根据各数据匹配关系得到的切削用量信息查询、修正系数查 询和数据录入、更新等。 2 2 铣削数据库系统的基本功能 虚拟数控铣削数据库不仅能为用户提供基本加工参数的查询、录入、更新、 优化及输出，还应该具备预测、推理功能并且具有良好的通信接口，如图2 - 2 所示： 1 数据库与数控系统及u g 等软件良好的通信与接口 良好的通信接口是虚拟数控铣削仿真数据库与外部软件以及数控系统交 哈尔滨理t 人学丁学硕 ：学位论文 换数据的重要通道，是使数控铣削数据库充分的发挥优势的重要手段【3 9 】。数控 系统在近些年得到了非常迅速的发展，单纯的运动控制功能已经不能满足日益 增长的需求，能够处理图形图像、传输网络数据、与外部进行通信等多种复杂 功能的开放式计算机数字控制系统是未来的发展方向 4 0 l 。计算机接口技术与通 信原理的应用可使数控系统直接或间接通过软件在虚拟数控铣削仿真数据库 通信与接口 u g m a t l a b 数控系统 网络功能 数学模型 程序段表 仿真加工 铣削速度 铣削深度 切削力 表面粗糙度 刀具磨损 应力、应变 铣削温度参量 程序段号 刀具号 工步号 铣削用量 工艺系统号 图2 - 2 数据厍系统功能 f i g 2 - 2f u n c t i o no fd a t a b a s es y s t e m 与数控机床和加工中心的数控系统之间实现数据传输和数据共享【4 1 1 。 2 数据库的推理功能 数控铣削技术在我国起步较晚，目前还没有通用的虚拟数控铣削数据手册 能够直接用于生产，可用的数据只有小部分常用材料。虚拟数控铣削仿真数据 库的推理功能是靠人工智能技术来实现的，基于规则或实例的推理和模糊控制 技术是人工智能技术的关键，利用人工智能等技术，根据已有的实例能够产生 新的切削数据，可以直接加入数据库中或者经试验验证后再作为可用数据，丰 i 一库，o。ll土序 过c码用关数一： 通n代调有参一 虚 拟 铣 削 数 据 库 系 统 哈尔滨理- t 人学工学硕i ：学位论文 富数据库中的数据量【4 2 1 。 3 异构数据库之间的信息交换 切削数据库中存储的数据结构格式众多，容易引起歧义、模糊、甚至混淆， 如何建立起具有代表性的统一的数据结构，并建立起优化型、可进化式的切削 参数数据库，对于针对具体的切削条件如何快速地实现切削参数的合理选择具 有重要的作用。 4 数据库的分布式结构 大型的制造企业在不同的地理位置都设有生产以及销售部门，因此为企业 服务的数据库系统应具有分布式结构，以便实时的为企业提供更优质的服务。 目前，数据库技术是应用最广泛、发展最快的计算机技术之一。目前，关系数 据库理论和技术已经发展成为一种较为完善的模式，在全球范围内得到了迅速 的发展和有效的应用。先后出现了一批基于关系数据模型、分布式结构的商品 化的关系数据库管理系统如o r a c l e 公司o r a c l e 8 的以及m i c r o s o f t 公司的s q l 2 0 0 0 等，这些管理系统为建立虚拟数控铣削数据库的建立提供了重要的技术支 持1 4 3 1 。 5 数据库的网络功能 网络功能是虚拟数控铣削仿真数据库与外部进行数据交换的主要手段。通 过网络连接用户便能查询到切削数据中的相关数据，同时数据库系统也可以通 过网络吸收发展前沿的制造技术的基础数据。随着i n t r a n e t i n t e m e t 技术和制造 技术的快速发展，未来数据库的要向着协同制造、远程制造、敏捷制造、网络 制造等先进技术的方向发展。数据库的网络功能是数据库技术与w e b 技术结 合而产生的。其实现的基本思想是服务器和数据库在后台运行，负责数据的快 速检索和集中存储；w e b 服务器介于客户端浏览器( 前台) 和数据库服务器( 后台) 之间，负责接收来自客户端的查询请求，运行包含在w e b 页面中的脚本或应 用程序，并在数据库中查询数据或者将数据传送到数据库中，最后将结果传回 客户端，由客户端的浏览器显示给用户。 6 数据库中铣削参数、切削力、表面粗糙度的建模、优化及仿真 用多目标优化遗传算法求解铣削参数优化模型，对铣削速度v 、切削力、 每齿进给量厶、径向切宽和轴向切深口p 等参数进行优化。根据金属切削学 和传热学理论，利用移动热源理论建立了球头铣刀铣削过程中工件的温度场的 哈尔滨理丁大学t 学硕。 ：学位论文 数学模型；采用a l g o r 和p r o e 软件联合建模方法，选用适合铣削加工断 续切削的移动面热源有限元模型，利用a l g o r 软件对铣削过程中的工件温度 场进行了有限元分析及动态仿真。 2 3 本章小节 本章对虚拟数控铣削仿真数据库系统进行了整体规划，对数据库系统进行 了分析和设计，得出了数据库系统的基本结构及功能。数据库系统的功能设计 对后面数据库管理系统和应用程序的设计起到了一定的辅助作用。 哈尔滨理工人学r 丁学硕i ：学位论文 第3 章数据库系统建模及应用程序的开发 建立了铣削温度的数学模型，利用数学模型建立了全局e r 模型并将其转 换成数据库产品的逻辑模型。利用m i c r o s o f ts q ls e v e r 2 0 0 0 建立了铣削数据库 以及各个子系统库。采用面向对象程序设计语言v i s u a lb a s i c 6 0 对用户界面进 行了开发。 3 1 铣削温度数学模型及e r 模型的建立 本节主要以建立铣削温度模型为例，分析铣削温度与切削速度、每齿进给 量、径向切深和轴向切深的关系，分别列出了上述切削参数与切削温度的关系 式。 一j 1 铣削温度与铣削速度的关系： 对铣削温度产生影响的因素很多，因此在研究铣削温度与其中一个因素关 系之前，要将其他因素设定：轴向切深口口= l m m ，每齿进给量厶= 0 1 m m z ，主 轴转速s = 1 0 0 0 r m i n 2 4 4 0 r m i n ，径向切深吼= 1 r a m 。铣刀切削速度1 ，可由铣刀 直径和转速咒计算得到，即 砖d v = 1 0 0 0 ( 3 1 )j 工， 根据本组成员试验测得的数据对铣削温度随铣削速度的变化关系进行了 指数拟合，铣削温度随铣削速度的指数拟合公式如下： 0 = 4 3 2 9 v o 肋7 ( 3 2 ) 2 铣削温度与径向切深的关系 铣削参数：转速s = 1 5 0 0 r m i n ，轴向切深a p = l m m ，每齿进给量厶= o 1 m m z ， 径向切深a 。分别取o 5 m m ，0 8 r a m ，1 4 m m ，1 7 m m ，2 r a m 。根据试验测得的数 据对铣削温度随径向切深的变化关系进行了指数拟合，铣削温度随径向切深的 指数拟合公式如下： 0 = 3 1 9 2 a ，o 卸5( 3 3 ) 3 铣削温度与每齿进给量的关系 铣削参数：每齿进给量厶= o 0 8 m m z - v o 16 m m z 、，转速s = 15 0 0 r m i n ，轴向 哈尔滨理下大学t 学硕1 ：学位论义 切深a1 m 掰，径向切深口。 ，根据试验测得的数据对铣削温度随每齿进给o = = l m r a 量的变化关系进行了指数拟合，铣削温度随每齿进给量的指数拟合公式如下： 秒：5 7 6 3 产2 3 5 6 ( 3 _ 4 ) 4 铣削温度与轴向切深的关系 铣削参数：主轴转速s = 15 0 0 r m i n ，径向切深a e = l m m ，轴向切深 a p = o 5 m m 1 3 m m ，每齿进给量五= o 1 m m z 。根据试验测得的数据对铣削温度 随轴向切深的变化关系进行了指数拟合，铣削温度随轴向切深的指数拟合公式 如下： 秒= 3 1 5 1 a 。0 4 3 7 3 ( 3 5 ) 将上述拟合公式带入铣削温度经验公式得到铣削温度数学模型如下【“】： f 秒= q v n 4 7 2 7 r 。2 4 0 5 z 眈3 5 6 a p 3 7 3 ( 3 - 6 ) 由铣削温度的数学模型得到虚拟数控铣削数据库铣削温度类的局部e - r 图，如图3 1 所示： 图3 1 铣削温度e r 模型 f i g 3 - 1e - r m o d e lo f m i l l i n g 3 2 数据库系统e r 模型的建立 虚拟铣削数据库系统的e - r 模型，实质就是将整个系统分解为逻辑功能比 较独立的一些局部问题，其思想是先对每个局部模型进行设计，建立局部的 e - r 模型，然后将局部e - r 模型集成为整个系统的e - r 模型。如图3 - 2 所示： 哈尔滨理t 大学工学硕i j 学位论文 图3 2 虚拟数控铣削数据库系统全局e - r 模型 f i g 3 - 2g l o b a le rm o d e lo f v i