（机械制造及其自动化专业论文）大型容器切削加工工艺数据库及工艺参数优化专家系统.pdf

堕查鎏矍三奎兰三耋堡圭耋堡篁兰 一。：； 大型容器切削加工工艺数据库及工艺 参数优化专家系统 摘要 随着计算机技术的普遍应用和人工智能的高速发展，如何利用这些技术使 切削加工更加规范化，并使之能科学的选择刀具、切削用量等工艺参数，成为 众多企业急需解决的一个重要课题。 在大型容器加工中，切削加工占有极其重要的地位，如何经济、高效地实现 切削加工，一直是大型容器加工制造行业的重要研究领域。 本文针对大型容器切削加工，建立专门用于大型容器的切削工艺数据库， 并根据切削加工的具体特点，将系统分为功能不同的子数据库。利用v i s u a l c + + 6 0 和s q ls e r v e r2 0 0 0 的结合，实现系统的管理功能和查询功能，对工 件材料、加工机床、切削刀具和切削液等工艺参数信息进行统一管理和实时查 询。 对于大型容器加工来说，仅仅建立工艺数据库仍然是不够的。本文针对大 型容器切削加工工艺参数难以确定的问题，依据金属切削加工理论，采用计算 机技术与专家经验相结合的方法，提出基于v c + + 6 0 和s q ls e r v e r 建立大型 容器切削加工工艺参数优化专家系统。 本文重点介绍了专家系统的系统结构、知识获取与表示、推理机制及各功 能模块的具体实现。在工艺参数选择原则和切削用量优化目标模型的基础上， 利用产生式和框架式相结合的知识表示方法，结合s q ls e r v e r2 0 0 0 建立专家 系统的知识库，利用v c + + 6 0 编程来实现系统各个模块的推理机制，实现对 刀具、刀片、切削液和切削用量等工艺参数的优选。系统采用面向对象编程技 术和关系数据库系统，提供友好的人机交互界面，使其在实际生产中易于扩充 和完善。 关键词大型容器；数据库；专家系统；切削加工：参数优化 哈尔滨理工太学工学硕士学位论文 c u t t i n g p r o c e s sd a t a b a s ea n dt e c h n i c a lp a r a m e t e r o p t i m i z i n ge x p e r ts y s t e mf o rl a r g e c o n t a i n e r a b s t r a c t w i t ht h ea p p l i c a t i o no fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dh i g h s p e e dd e v e l o p m e n t o fa r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，i th a sb e c o m eas u b j e c tn e e dt os o l u t eb a d l yf o rm a n y e n t e r p r i s e st h a th o w t om a k em a c h i n i n gs t a n d a r d i z ea n de n a b l ei tc h o o s et h ec r a f t p a r a m e t e r ss c i e n t i f i c a l l ys u c ha st o o l ，c u t t i n ge s s e n t i a l s ，e t c i nt h em a c h i n i n go fl a r g ec o n t a i n e r ，c u t t i n go c c u p i e sa ne x t r e m e l yi m p o r t a n t p o s i t i o n i ti sa ni m p o r t a n tr e s e a r c hf i e l df o rt h em a n u f a c t u r i n go fl a r g ec o n t a i n e r t h a th o wt om a k ec u t t i n ge c o n o m i c a l l ya n dh i g h e f f i c i e n t l y t ot h em a c h i n i n go fl a r g ec o n t a i n e r ，t h es p e c i a lc u t t i n gc r a f td a t a b a s eu s e d i nt h el a r g ec o n t a i n e ri ss e tu pi nt h ep a p e r ，a n dt h es y s t e mw a sd i v i d e di n t o m a n y s u b d a t a b a s e sw i t l ld i f f e r e n tf u n c t i o n a c c o r d i n g t ot h e i d i o g r a p h i c c h a r a c t e r i s t i co fc u t t i n g i n t e g r a t e dv i s u a lc + + 6 0a n ds q ls e r v e r2 0 0 0 m a n a g e m e n ta n di n q u i r yo fs y s t e mi sr e a l i z e d ，a n dm a n yc r a f tp a r a m e t e r s m e s s a g e ，f o re x a m p l e ，w o r k p i e c em a t e r i a l ，l a t h e ，c u t t i n gt o o l sa n dl i q u i dc a r r yo n u n i f i e dm a n a g e m e n ta n dr e a l - t i m ei n q u i r y i ti sn o te n o u g hf o rt h em a c h i n i n go fl a r g ec o n t a i n e rt h a to n l ys e tu pc u t t i n g p r o c e s sd a t a b a s e a i m i n g a tt h eq u e s t i o nt h a t c u t t i n g c r a f t p a r a m e t e r sa r e d i f f i c u l tt od e t e r m i n a t e ，a c c o r d i n gt ot h em e m lc u t t i n gt h e o r i e sa n da d o p t i n gt h e m e t h o do fc o m b i n i n gc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n d e x p e r t se x p e r i e n c e ，e x p e r t s y s t e mf o ro p t i m i z i n gt h ec u t t i n gp r o c e s sp a r a m e t e r sf o rl a r g ec o n t a i n e ri s e s t a b l i s h e db a s e do nt h ev i s u a lc + + 6 0a n ds q ls e r v e r2 0 0 0 。 t h ep a p e ri n t r o d u c e st h es t r u c t u r e ，k n o w l e d g e a c q u i s i t i o n & d e n o t a t i o n ， r e a s o n i n gm e c h a n i s ma n de v e r yf u n c t i o nm o d u l eo ft h ee x p e r ts y s t e mc o n c r e t e l y b yu s i n gt h ei n f o r m a t i o ne x p r e s sm e t h o dw h i c hc o m b i n e sp r o d u c i n gt y p ea n d f i a m et y p ea n dc o m b i n i n gs q ls e r v e r2 0 0 0 t h ee x p e r ts y s t e mr e p o s i t o r yw a s i i 堕堑堡矍三查兰三兰堡圭耋堡篁兰 f o u n d e do nt h et h e o r e t i c a lb a s eo fp r o c e s sp a r a m e t e r ss e l e c t i n gp r i n c i p l ea n d c u t t i n g e s s e n t i a l so p t i m i z i n go b j e c tm o d e l r e a s o n i n gm e c h a n i s mo fe v e r y f u n c t i o n a lm o d u l ei sr e a l i z e db yv i s u a lc 十+ 6 0p r o g r a m m i n ga n dt h e o p t i m i z a t i o na n ds e l e c t i o no fc u t t e r ，i n s e r t ，c u t t i n gl i q u i da n de s s e n t i a l sc o m e t r u e t h es y s t e ma d o p t so b j e c to r i e n t e dp r o g r a m i n i n gt e c h n o l o g ya n dr e l a t e d d a t a b a s es y s t e m ，o f f e raf r i e n d l yh u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o ni n t e r f a c ea n dm a k e i te a s yt oe x p a n da n dc o n s u m m a t ei na c t u a lp r o d u c t i o n k e y w o r d sl a r g ec o n t a i n e r ；d a t a b a s e ；e x p e r ts y s t e m ；c u t t i n g ；p a r a m e t e r s o p t i m i z i n g n l - 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 工艺数据库国内外研究现状 数据库( d a t a b a s e ，简称d b ) 是长期保存在计算机的存储设备上、并按 照某种模型组织起来的、可以被各种用户应用共享的数据的集合。数据库管理 系统( d a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e m s ，简称d b m s ) 是提供各种数据管理服务 的计算机软件系统”1 ，这种服务包括数据对象定义、数据存储与备份、数据访 问与更新、数据统计与分析、数据安全保护、数据库运行管理以及数据库建立 和维护等。 数据库技术产生于2 0 世纪6 0 年代中期，1 9 6 3 年，美国h o n e y w e l l 公司的 i d s ( i n t e g r a t e dd a t as t o r e ) 系统投入运行后，揭开了数据库技术的序幕口1 。 1 9 6 8 年，美国i b m 公司推出层次模型的i m s 数据库系统；1 9 6 9 年美国 c o d a s y l ( c o n f e r e n c eo nd a t as y s t e ml a n g u a g e ，数据库系统语言协会) 组 织的数据库任务组( d b t g ) 发表关于网状模型的d b t g 报告；1 9 7 0 年，i b m 公司的e e c o d d 发表论文提出关系模型。这三个事件奠定了现代数据库技术 的基础。 2 0 世纪7 0 年代，层次、网状和关系等三大数据库系统奠定了数据库技术 的概念、原理和方法。从8 0 年代起，数据库技术不断与其它计算机分支结 合，向高一级的数据库技术发展。高级数据库技术主要以分布式数据库和面向 对象数据库为标志【2 1 。分布式数据库的数据物理上分布在各个场地，但逻辑上 是一个整体，每个场地既可以执行局部应用，也可以执行全局应用，各地的计 算机由数据通信网络相联系。面向对象数据库能完整地描述现实世界的数据结 构，能表达数据间嵌套、递归的联系，并且具有面向对象技术的封装性和继承 性。 数据库技术的广泛使用为企业和组织收集并积累了大量的数据。数据丰富 知识贫乏的现实直接导致了联机分析处理( o l a po n - l i n e a n a l y t i c a l p r o c e s s i n g ) 、数据仓库( d a t aw a r e h o u s i n g ) 和数据挖掘( d a t am i n i n g ) 等技术 的出现口j ，促使数据库向智能化方向发展。同时企业应用越来越复杂，会涉及 到应用服务器、w e b 服务器、其它数据库、旧系统中的应用以及第三方软件 等，数据库产品与这些软件是否具有良好集成性往往关系到整个系统的性能。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 目前，市场上具有代表性的数据库产品包括o r a c l e 公司的o r a c l e 、i b m 公司 的d b 2 阻及微软的s q ls e r v e r 等州。 由于企业信息化的目的就是要以现代信息技术为手段，对伴随着企业生产 和经营过程而产生的数据进行收集、加工、管理和利用，以改善企业生产经营 的整体效率，增强企业的竞争力。所以，数据库是企业信息化不可缺少的工 具，是绝大部分企业信息系统的核心。 切削加工是机械制造行业中最主要的加工方法，而如何提高金属切除率、 降低成本、提高经济效益则是当今世界切削行业不断探索和致力研究的课题 5 】。切削工艺数据库是计算机技术与机械加工技术相结合的高技术产物，计算 机化的切削工艺数据库可以从大量存贮的数据中迅速地检索出需要的切削参 数；可以根据实际生产情况和最新的试验结果对切削数据随时进行更新( 修 改、添加和删除等) ；可以通过插值计算获得与任意输入数据相应的输出数 据。为适应用户的不同要求，还可以方便地以不同数据报表结构形式输出切削 数据；在建立切削数学模型的基础上，可以按确定的经济目标获得优化的切削 数据。切削工艺数据库还是一个完善的c a m 、c a p p 和f m s 系统的重要组成 部分 6 1 。 切削工艺数据库的总体结构大致由两部分构成m ：离散型数据库及其管理程 序和浓缩型数据库及其优化程序。离散型数据库主要用于存贮通过各种途径采 集来的优秀切削参数( 切削参数主要来源于实验室、工厂、文献资料) ，浓缩型 数据库则主要用于存贮优化计算所需的各种切削数字模型、修正系数和指数。 国际生产工程研究学会( c i r p ) 对1 2 个国家的切削数据的需求情况进行了 抽样调查f b 】。调查表明，随着数控机床、加工中心、柔性制造单元( f m c ) 及柔 性制造系统( f m s ) 的应用，绝大多数国家对切削数据的要求都越来越高。世界 上第一个切削数据库是在1 9 6 4 年由美国金属切削联合研究公司和美国空军材 料实验所联合建立的，当初全称为美国空军可加工性数据中心( a f m d c ) ，现称 可加工性数据中，o ( m d c ) 。2 0 多年来，世界各国相继发展了各种金属切削数据 库【9 】，其中美国的m d c 、德国的i n f o s 和s w s 、瑞典的c r v f tc o r o c v t 以及英国的p e r am a cb a n k 等5 个切削数据库较成熟，都已能开展数据服 务。当前，各国切削数据库的进步发展方向是与n c ，c a d c a m ，c a p p 和f m s 联机运行。 切自数据库的经济效益是相当可观的呻j 。美国m d c 声称，在建库初期， 至少为工业部门节约了1 6 亿美元；德国i n f o s 按最高生产率和最低成本制定 的车削数据。可使单件生产时间下降1 0 ，生产成本亦下降1 0 ；丽s w s 已 向3 0 0 多家工厂提供切削数据服务，每年平均节约工时1 5 4 0 。美国采用切 削数据库的数据后，车削效率可提高5 0 ，铣削效率可提高一倍以上。国际生 产工程研究会( c i r p ) 哥j - 半数以上的切削数据库的经济效益进行调查，结果表明 它们可使工时成本节约1 0 以上。 我国至今仍没有一个适合各行业的、通用的切削数据库。一些部门已经或 开始组织力量针对本行业特点进行研究开发p 1 。1 9 8 2 年我国第一个金属切削数 据库在成都工具研究所开始筹建，其目的是建立一个大规模的面向整个机械行 业沟通用切削数据库。1 9 8 5 年此库的研制工作正式开始，1 9 8 7 年推出试验性 车削数据库t r n i o 。1 9 8 8 年又从西德引进了d 心o s 车削数据库软件。1 9 8 9 年 推出了a t r n - 9 0 通用车削数据库软件和它的修订版a t r n 9 0 e 。目前他们正致 力于对t r n i o 和a - t r n 9 0 进一步开发，使其更适合国情。 航空航天部自1 9 8 4 年组织了北京6 2 5 研究所、西北工业大学和南京航空 学院等单位着手进行切削数据库的筹建工作，现已推出了一个适合航空行业的 专用切削数据库n a i m d s 。 另外，东南大学、北京理工大学等单位对切削数据库中运用切削力数字模 型、切削试验数据采集、切削优化和涂层刀具切削数据库等内容也进行了研 究。 中国石油天然气总公司于1 9 8 5 年开始组织了由石油勘探科学研究院机械 所、上海工业大学机械自动化学院和清华大学精仪系等单位共同进行“石油机 械金属切削数据库系统”的研究开发工作，收集了数万条数据并建立了部分切 削参数模型，现正在进行各种应用开发。 1 2 工艺参数优化专家系统国内外研究现状 一般的说，专家系统是个具有大量专门知识与经验的程序系统j 。专家 系统存储有某个专门领域中经过事先总结、分析并按某种模式表示的专家知识 ( 组成知识库) ，以及拥有类似与领域专家解决实际问题的推理机制( 构成推 理机) 。系统能对输入信息进行处理，并运用知识进行推理，做出决策和判 断，其解决问题的水平达到或接近专家的水平，因此能起到专家或专家助手的 作用。专家系统的开发和研究是人工智能中最活跃的一个应用研究领域，涉及 到社会各个方面，可以说，需要有专家工作的场所，就可以开发专家系统。 无论专家系统完成什么类型的任务，就领域问题的基本操作来说，专家系 统可分为分析型专家系统和设计型专家系统两类。至今为止，大部分专家系统 都是分析型专家系统眦】。它的主要推理方法是启发式推理分类方法，首先把原 始数据或证据经过数据抽象变成形式化的抽象数据，然后经过对抽象数据与抽 象解之间的启发式匹配找出可匹配的抽象解集，最后经过解的求精从解集中识 别出具体解。如m y c i n ( 医学诊断专家系统) 和p r o s p e c t o r ( 地质勘探专 家系统) 都是典型的分析型专家系统。 在总体上，专家系统具有以下一些共同的特点。 1 具有专家水平的专业知识。专家系统具有的知识越丰富，质量越高， 解决问题的能力就越强。 2 启发性推理。专家系统运用专家的经验和知识进行启发式推理，对问 题作出判断和决策。 3 灵活性。知识库和推理机既相互联系，又相互独立。当知识库作适当 的修改和更新后，只要推理策略没有变，推理机部分就可以不变，使系统易于 扩充。 4 透明性。专家系统的解释机制可以回答用户关于“系统是怎样得出这 结论”和“为什么会提出这样的问题”的询问。 5 知识更新。专家系统应具有较好的人机界面，以此获得同用户的交 流，并能够通过机器学习不断地增加知识m 】。 专家系统的一般结构如图1 1 所示。 图1 - 1 专家系统的般结构 f i g - 1 - 1g e n e r a ls t r u c t u r eo f t h ee x p e r ts y s t e m 1 - 人机接1 3 。这是专家系统与领域专家或知识工程师及一 面，由一组程序及相应的硬件组成，用于完成输入输出工作。 2 知识获取机构。其基本任务是把知识输入到知识库中， 般用户间的界 并负责维持知 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 识的一致性及完整性，建立起性能良好的知识库。 3 知识库及其管理机构。这是知识的存储机构，用于存储领域内的原理 性知识、专家的经验性知识以及有关的事实等。它的管理系统负责对知识库中 的知识进行组织、检索、维护等。 4 推理机。推理机是专家系统的“思维”机构，是构成专家系统的核心 部分。其任务是模拟领域专家的思维过程，根据当前已知的事实，利用知识库 中的知识，按一定的推理方法和控制策略进行推理，求得问题的答案或证明假 设的正确性。 5 数据库及其管理系统。又称为“综合数据库”，它是用于存放用户提供 的初始事实、问题描述以及系统运行过程中得到的中间结果、最终结果、运行 信息等的工作存储器。 6 解释机制。由一组程序组成，它能跟踪并记录推理过程，当用户提出 询问时，作相应的处理并用约定的形式输出。 开发专家系统的关键是表示和运用专家知识，即来自领域专家的己被证明 对解决有关领域内的典型问题有用的事实和过程。目前，专家系统主要采用基 于规则的知识表示和推理技术【l ”。由于领域的知识更多是不精确或不确定的， 因此，不确定的知识表示与知识推理是专家系统开发与研究的重要课题。此 外，专家系统开发工具的研制发展也很迅速，这对扩大专家系统的应用范围， 加快专家系统的开发过程，将起到积极的促进作用。随着计算机科学技术整体 水平的提高，分布式专家系统、协同式专家系统等新一代专家系统的研究也发 展很快。在新一代专家系统中，不但采用基于规则的推理方法，而且采用诸如 人工神经网络的方法。 随着信息化社会的到来，机械制造业已从单纯依靠提高设备的自动化程度 和加工精度占有市场，转向必信息为基础，从产品整个生命周期的大系统的角 度来适应市场，满足社会各方面需求，增强企业的竞争能力。发达国家纷纷投 入巨资研究制造业面临的挑战和相应的对策，从而提出了计算机集成制造、精 良生产、敏捷制造、并行工程、智能制造等概念。这些概念从不同角度和层 次展示了未来制造业应具有的特征，为企业的发展指明了方向。 专家系统作为符号逻辑人工智能中一个最重要、最活跃的分支，其应用已 渗透到机械制造业的各个领域，并己发挥了巨大的作用m 】。园为专家系统是利 用某一问题领域中专家所掌握的知识来解决该领域的问题，这恰好使它成为今 后各个领域实现智能化的首选。在金属切削领域中，还有许多问题尚需进一步 研究完善，如刀具及刀片槽型的选择、切削用量的优选、切屑形成机理、刀具 塑玺鎏堡三奎兰三耋堡圭兰堡丝兰 磨损和破损机理、切屑卷曲及折断机理等，这些机理的完善就需要专家的经验 和知识的积累，这就为专家系统在这领域中的应用提供了广阔的天地。 随着人工智能技术的发展，国外有少数的数控系统厂家开发出一些具有智 能化的刀具和切削参数优选的软件，如日本的m a z a t r o l3 2 ，德国的 t r a u b e 等。k o e d a l e w ，h s a b d a l l a ，r j n a s h 在ac o m p u t e r - b a s e d i n t e l l i g e n ts y s t e mf o ra u t o m a t i ct o o ls e l e c t i o n 一文中讲述了一个适用于当今工程 环境，能自动选择加工过程以及所需加工刀具的计算机智能系统【1 6 1 。它可以利 用数学模型和某些数据来决定、计算刀具的参数和所有部件的花销。这能够帮 助设计人员选择出最优化的刀具及加工条件，还为他们提供减少加工时间和成 本的建议。这个系统还可根据被加工材料的成分及要求的表面质量、尺寸精度 的表面特征计算加工参数、估计加工时间和成本。 近年来，数控机床、加工中心等先进设备在我国包括核工业系统增加较 快，柔性制造单元或系统也在不少单位开始投入使用或筹建。c a d c a m 、 c a p p 等新技术曰益发展普及。各行业工件材料种类繁多且还在不断发展。核 工业系统的难加工材料、不锈钢材料较多。另外，各行业生产厂家布局大多比 较分散，生产批量小，品种多，发展趋势大都要求加工周期短，生产工艺变化 快。在这种情况下，各个部门和行业都相应的开发了针对于具体用途的小型专 用专家系统。如西北工业大学的宇航难加工材料切削加工专家系统【1 7 】，北京理 工大学的硬质合金刀具专家系统1 ，华南理工大学的铣削加工过程多目标优化 专家系统【1 8 】，以及哈尔滨理工大学的刀片槽型c a d 专家系统- ”和数控切削加 工工艺参数优化专家系统等。 但是上述专家系统都不是针对于大型容器加工，目前大型容器加工基本上 处于传统的经验及参考手册阶段，因此开发针对于大型容器加工用的专家系统 很有必要。 1 3 课题的来源及研究的目的和意义 本课题来源于黑龙江省重大科技攻关项目“大型、复杂零部件用现代刀具 系列产品化与开发研究”( g a 0 2 a 4 0 1 6 ) ，针对大型容器切削加工开发研制实用 的工艺数据库和工艺参数优化专家系统。 随着我国石油工业、煤液化工业、核工业和核电站设备的发展，对大型、 复杂零部件的需求量不断增大，而且逐步向大型化发展1 。中国第一重型机械 集团公司( 以下简称“重”) 承担现代化炼油设备、核电站设备、核潜艇中 6 窒查堡堡三查茎三兰矍圭耋堡丝兰 的大型高压、高温容器制造任务，这些大型容器的制造工艺复杂，技术难度 大。世界上只有少数工业先进国家能够生产，而国内只有“一重”公司生产。 自8 0 年代初着手开发热壁加氢反应技术并获得成功后，炼油加氢工艺得到 很大的发展，兴建了不少各类加氢装置【2 2 1 。热壁加氢反应器是加氢装置的核心设 备，属于大型容器。特种耐热不起皮材质的加氢反应器制造工艺复杂，技术难 度大，其材质是2 2 5 c r - l m o 。随着市场的激烈竞争，“一重”根据国内外新钢 种的物理、机械性能，又研制了3 c r 1 m o 0 2 5 v 钢和2 2 5 c r - l m o 0 2 5 v 钢两 个新品种，使切削加工性难上加难，加工一个主体件( 筒节) 换刀4 0 余次， 使生产率很低，严重地影响了经济效益和社会效益；其次，加氢反应器的吨位 已有4 0 0 吨级增加到千吨级，一个筒节重1 6 0 吨，这种特大型零件的切削加工 难度很大：其三，在产品品种上也在不断扩大。 在大型容器加工中，切削加工占有极其重要的地位，如何经济、高效地实现 切削加工，一直是大型容器加工制造领域的重要研究课题之一。自动化的加工手 段( 如n c , m c , f m c ，f m s 等) 已经使加工的辅助时间大大缩短了，要想进一步提高 生产效益、缩短生产周期，提高生产质量，必须针对工艺参数优化的问题寻求对 策，随着计算机技术的飞速发展，人们将计算机技术与制造技术相结合开发了工 艺数据库系统。 应用切削工艺数据库可以快速获得切削加工所需的各项参数及其优化数据， 提高机械产品的加工质量和生产效率，增强企业的竞争能力”1 。由于建造大型通 用的切削工艺数据库存在工作量大、数据采集困难等问题，而目前国内真正实用 的大型通用切削工艺数据库也不多见，大多处于实验试用阶段，鉴于此可以在建 造大型数据库的同时，建立一些真正面向国内企业的小型切削工艺数据库，从而 切实帮助企业提高生产和管理的水平。本课题针对一重公司加氢反应器的切削 加工，建立了专门用于大型容器的切削工艺数据库，实现对工件材料、加工机 床、切削刀具和切削液等工艺参数信息的统一管理和实时查询。 但对于大型容器加工来说，仅仅建立工艺数据库仍然是不够的。在机械加 工过程中，产品质量和成本直接与加工的各项工艺参数有关，故而工艺参数的 优化选择至关重要。大型容器加工成本高，加工周期长，尤其加工质量一旦出 现问题，将会有很大的损失。目前国内的切削参数的选定方法多为凭经验或利 用现有手册查取。凭经验确定的切削参数离散性很大，距离经济合理水平较 远，无法满足现代化大生产及技术发展的需要。现有手册大部是前苏联和美国 的数据。分析和比较可知，前苏联的数据普遍偏高，与我国国情相差较大；美 国的数据较笼统，不够具体，也不太适合我国应用删。如果不搞工艺参数优 堕尘堡塞三奎兰三兰堡圭兰堡篁兰 化，不从“经验判断”转向“科学定量分析”，则加工工艺水平的提高便难于 实现，生产效率的提高便受到影响，从而使企业缺乏市场竞争力。针对这种情 况，一个专用于大型容器加工行业的工艺参数优化专家系统是解决此问题的最 佳途径。因为专家系统是利用某一问题领域中专家所掌握的知识来解决该领域 的问题，将专家知识和经验直接应用于生产实践，并指导具体的加工过程，这 恰好使它成为今后各个领域实现智能化的首选，并且能够在一定程度上提高企 业的规范生产管理水平。 工艺参数优化专家系统采用基于数据库技术的面向对象知识表示，知识库 与数据库相结合的新策略用于知识获取和数据获取，使数据库技术的存取灵活 性融入知识获取之中。通过与用户的交流，能够实现加工工艺参数，如刀具类 型、刀片品种及槽型、切削用量以及切削液的优选。系统的实现采用面向对象 的v i s u a lc + + 编程语言，利用s o ls e r v e r 关系型数据库技术建立核心知识库部 分。同时对实际的工况数据进行推理优化，得出合理的结果，能够真正地与实 际加工状况紧密地联系起来。在保证加工质量的同时，达到了生产率和成本的 最佳平衡。 1 4 本文主要研究内容 1 建立大型容器切削加工用工艺数据库，包括：工件材料库、机床库、 刀具库和切削液库。针对大型容器加工，录入相应的工艺数据。每个数据库都 具有编辑和查询功能，即用户可以根据实际情况添加、修改和删除数据，也可 以输入已知条件对数据库中的数据进行查询。 2 建立大型容器切削加工用工艺参数优化专家系统，包括：车加工专家 系统、铣加工专家系统。其中，每个子系统各包括五个模块：刀具优选模块、 切自0 液优选模块、切削用量初选模块、切削用量优选模块和结果输出模块。 堕尘堡矍三奎耋三耋堡圭耋堡竺圣： 第2 章工艺数据库的设计与实现 2 1 系统的需求分析及模块设计 。需求分析简单的说就是分析用户的需要与要求。需求分析的任务是通过详 细调查现实生产要处理的对象，充分了解原系统( 手工系统或计算机系统) 工 作状况，明确用户的各种需求，然后在此基础上确定新系统的功能”“。新系统 必须充分考虑今后可能的扩充和改变，不能仅仅按当前应用需求来设计数据 库。需求分析的重点是调查、收集与分析用户在数据管理中的信息要求、处理 要求、安全性与完整性要求。 软件需求包括三个不同的层次：业务需求、用户需求和功能需求( 也包括 非功能需求) 。 1 业务需求( b u s i n e s sr e q u i r e m e n t ) 反映了组织机构或客户对系统、产品 高层次的目标要求，它们在项目视图与范围文档中予以说明。 2 用户需求( u s e rr e q t t i r e m e n t ) 文档描述了用户使用产品必须要完成的任 务，这在使用实例( u s ec a s e ) 文档或方案脚本说明中予以说明。 3 功能需求( f u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t ) 定义了开发人员必须实现的软件功 能，使得用户能完成他们的任务，从而满足了业务需求。 本文所研究的切削加工用工艺数据库系统是针对大型容器的车削加工和铣 削加工而建立的，开发的总体任务就是实现工艺信息的系统化、规范化和自动 化。系统的主要功能如下： 1 用户登录管理。用户登陆时执行，以确定用户的级别和所能对应用程 序和数据库进行的操作。 2 工件材料信息的管理和查询。大型容器常用材料基本信息的添加、修 改和删除，并可以根据关键字段对相应材料进行信息查询。 3 机床信息的管理和查询。大型容器常用机床基本信息的添加：修改和 删除，包括车床库和铣床库两个子系统，每个子系统下面根据需求又分为相应 的子系统，每个子系统都可以根据关键字段对相应机床进行信息查询。 4 刀具及刀片信息的管理和查询。大型容器切削加工用车刀刀具及刀片 和铣刀刀具及刀片基本信息的添加、修改和删除，并可以根据关键字段对相应 刀具及刀片进行信息查询。 型鎏璧塑兰型型墼圣一 ! ! ! ! = 自_ 目目e = # g i 5 一一 5 切削液信息的管理和查询。根据我国切削加工用切削液的使用情况， 分为国内切削液子系统和国外切削液子系统两个部分。 对上述的功能进行集中、分块和分析，按照结构化程序设计的要求，得到 如图2 - 1 所示的系统功能模块图。 大型容器加工用工艺数据库 王再葫再耳犀 广面砑器再i 西 l _ 瓣。菠堂据库ii 刀具数据鱼l 墨笙笪望 普 通 生 床 军碌獗i i i 事 厂1 矗i 萄孺库1ii 车刀刀具库li 铣刀卫垦廛 重 型 生 床 立 式 生 床 龙 门 铣 床 国 内 切 削 液 国 外 切 削 液 生 刀 刀 具 主 刀 刀 片 铣 刀 刀 具 图2 1 工艺数据库系统功能模块图 f i g 2 - ls y s t e mf u n c t i o n a lm o d u l ee f t h ec r a f t 出曲b a s e 2 2 系统开发工具的选择 铣 刀 刀 片 本文选择v i s u a lc + + 和s q ls e r v e r2 0 0 0 作为系统开发工具。v i s u a lc + + 是 现在最为通用的开发工具之一，它提供了相当齐备的类库和友好的编程界面。 从4 0 版本开始对数据库开发提供了较好的开发环境，随着版本的提高， v i s u a lc + + 对数据库的访问技术更加成熟，功能也更加强大。借助于v i s u a l c + + 可以轻松地开发出功能强、速度快、应用广，且占用资源少的应用程序。 v i s u a lc 十+ 提供了多种多样的数据库访问技术o d b ca p i 、m f co d b c 、 d a o 、o l ed b 、a d o 等。”。这些技术各有自己的特点，它们提供了简单、灵 活、访问速度快、可扩展性强的开发技术，而这些正是v i s u a lc + + 开发和其他 开发工具相比的优势所在。归纳起来可以概括为以下几个方面： 1 简单性。首先，v i s u a lc + + 提供的m f c 类具有强大的功能，如果能够 掌握会达到事半功倍的效果：一些开发向导会简化应用程序的开发；另外 堕查篓堡三查耋三耋璧圭耋堡篓圣 m f co d b c 和a d o 数据库接口已经将一些低层的操作都封装在类中，用户可 以方便地使用这些接口，而无需编写操作数据库底层代码。 2 可扩展性。v i s u a lc 抖提供的o l e 技术和a c t i v e x 技术可以让开发者 利用v i s u a lc + + 中提供的各种组件、控件以及第三方开发者提供的组件来创建 自己的程序，从而实现应用程序的组件化，而组件化的应用程序则会具有良好 的可扩展性。 3 访问速度快。v i s u a lc + + 为了解决利用o d b c 开发的数据库应用程序 访问数据库速度慢的问题，提供了新的访问技术，即o l ed b 和它的高层接口 a d o ，它们是基于c o m 接口的技术，因此使用这种技术可以直接对数据库的 驱动程序进行访问，从而提高访问速度。 4 数据源友好。传统的o d b c 技术只能访问关系型数据库，而在v i s u a l c + + 中，通过o l eo d 访问技术不仅可以访问关系型数据库，还可以访问非关 系型数据库汹“2 ”“”。 m i c r o s o f ts q ls e r v e r2 0 0 0 中文版是基于客户端服务器模式( c s 模式) 的新一代大型关系型数据库管理系统( d b m s ) 。它在电子商务、数据仓库 和数据库解决方案等应用中起着重要的核心作用，为企业的数据管理提供强大 的支持，对数据库中的数据提供有效的管理，并采用有效的措施实现数据的完 整性及数据的安全性。 s q ls e r v e r 采用c s 体系鲒构把所有的工作负荷分解为服务器任务和客户 端任务。其工作模式见图2 2 。客户端应用程序负责商业逻辑和向用户提供数 据，服务器负责对数据库的数据进行操作和管理。 客户端( 又称为前台) 应用程序包含显示与用户交互的界面，而对数据库 中数据进行的处理描述成t - s q l 语句，并将t - s q l 语句送至服务器端( 又称 为后台) ，后台的s q ls e r v e r 执行该t - s q l 语句后，产生查询结果，并将结果 返回给客户端的应用程序。s q ls e r v e r 除包含标准的s q l 语句外，还增加了 一些非标准的s q l 语句，使其功能更强大。 s q ls e r v e r2 0 0 0 在s q ls e r v e r7 0 的基础上，增加了以下新特性： 1 数据转换服务。在不同的数据源之间自动提取、转化和加载数据。 2 索引化视图。通过把查询结果存储在数据库中，以减少查询响应时 间，大大改善了系统的性能。 3 w e b 数据访问。通过使用w e b ，而不需要额外的编程工作就可以建立 s q ls e r v e r 数据库和o l a p 立方体的连接。 堕查堡矍三查兰三兰堡圭兰堡竺三 ，。 图2 - 2s q ls e r v e r2 0 0 0c s 模式结构不蒽图 f i g 2 2s t r u c t u r a ls k e t c hm a po f s q ls e r v e r2 0 0 0c s 4 简化数据库管理。s q ls e r v e r2 0 0 0 提供了大量的监控和管理工具，从 而大大减少了管理员的工作量。 5 更好的安全性和可伸缩性。 2 3 系统数据库部分的设计与实现 2 3 1 数据库概念结构设计 通过2 1 节的需求分析和图2 1 的系统功能模块图，我们可以得到系统的 数据流程图，见图2 - 3 。但这些应用需求还是现实世界的具体需求，应该通过 概念结构设计把它们抽象为信息世界的结构。概念结构设计最经常采用的策略 是自底向上方法，即自顶向下地进行需求分析，然后再自底向上地设计概念结 构一般以e r 模型( 实体一联系模型) 为工具来描述概念结构。下面以刀具 数据库子系统为例，说明其概念结构设计的实现。 由图2 1 可知，刀具数据库子系统包括车刀刀具基本信息、车刀刀片基本 信息、铣刀刀具基本信息和铣刀刀片基本信息四个实体。根据切削加工理论和 切削刀具的基本知识”1 ，查阅相关的手册。2 ”1 ，我们可以得到每个实体对应 的e r 图，如图2 - 4 、图2 - 5 、图2 - 6 和图2 ，7 所示。由于每个子系统之间没有 联系，所以实体联系e r 图不必列出。 堕查堡塞三查兰三耋堡圭耋堡鎏塞 一，。一 用 户 查询条件 输出结果 工艺基本信息 查询条件 数 据 管 理 数据查询 添加 修改 删除 输出结果 添加数据 修改数据 删除数据 逢堕堕，皇厂磕据i 询l 垦垩塞堕堡皇 s q l 语 女 石 图2 3 工艺数据库系统数据流程图 f i g 2 - 3s y s t e md a t af l o wc h a r t o f c r a t td a t a b a s e 执行 输出 图2 4 车刀刀具基本信息实体e r 图 f i g 2 - 4b a s i ci n f o r m a t i o ne m 时e - r c h a r to f t u r n i n gt o o l s 2 3 2 数据库逻辑结构设计 数 据 库 为了能够用某一d b m s 实现用户需求，还必须将概念结构进一步转化为 相应的数据模型，这就是数据库的逻辑结构设计。某些早期设计的应用系统中 还在使用网状或层次数据模型，而新设计的数据库应用系统都普遍采用支持关 系数据模型的d b m s 。关系模型的逻辑结构是一组关系模式的集台，而e - r 图 则是由实体、实体的属性和实体之间的联系三个要素组成的。所以将e - r 图转 化为关系模型实际上就是要将实体、实体的属性和实体之间的联系转化为关系 模型。一个实体型转换为一个关系模型，实体的属性就是关系的属性，实体的 码就是关系模型的码。限于篇幅，以下仅列出将车刀刀具基本信息实体e r 模 型转变为逻辑结构后得到的数据表，共1 9 个字段，用于存放车刀刀具的基本 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 图2 - 5 车刀刀片基本信息实体e r 图 f i g 2 - 5b a s i ci n f o r m a t i o ne n t i t ye - r c h a r to f t u r n i n gi n s e r t s 图2 - 6 铣刀刀具基本信息实体e - r 图 f i g 2 - 6b a s i ci n f o r m a t i o ne n t i t ye - rc h a r to f m i l l i n gt o o l s 图2 - 7