基于特征的刀具选配系统的研究与开发

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1 引言

现代制造技术的发展及数控加工设备的广泛使用，极大地推动了切削技术的进步。随着生产加工过程数控化和自动化的需要，对金属切削刀具提出了高可靠度、高精度、快速转位更换等更高要求。自1980年首次推出模块式工具系统BTS以来，模块化刀具以其快速灵活的特点迅速被各企业广泛使用，在一定程度上解决了过去刀具组配单一、结构简单的问题。但模块化刀具结构设计复杂，切削部分的形状种类繁多，给机械加工和刀具设计人员合理选择刀具带来一定困难；同时，刀片型号的增加也给刀片采购和管理带来不便，为用户快速、高效及正确选择刀具增加了难度。为使企业对刀具需求迅速做出响应，在切削加工中快速高效选择刀具成为切削加工系统的客观需求。根据不同加工特征，自动选择所需刀具对实现自动化切削加工及智能化刀具管理具有十分重要的意义。

本文在工件特征分析的基础上，重点对刀具选配系统进行总体功能和结构的设计，并利用数据库理论进行系统框架模型的建立，最后给出加工实例。

2 工件特征分析

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特征是把零件按设计功能、几何形状和对应的制造过程分解后所得到的组成部分，它由一组几何实体、工艺属性及所需要的制造活动(工艺规划、数控编程等)所组成。PDES/STEP标准描述特征时分为3个大的层次：零件层(应用层)、特征层(形状层)和几何层(表达层)。如图1所示，零件层不仅包含形状信息，还包含了应用领域的相关内容，如功能说明和加工工艺说明等，主要描述零件的总体信息和技术要求；特征层只描述特征的形状信息，与应用领域无关，也不涉及形状的表达方法；几何层以各种形状表达方法(如B-rep，CSG等)对形状模型提供几何描述。
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图1 零件特征信息的层次模型

在零件特征模型中，特征层主要包括形状特征、精度特征、材料特征、管理特征和技术特征：

1. 形状特征 描述零件几何形状、尺寸相关的信息集合，包括加工工艺形状、装配辅助形状；
2. 精度特征 描述零件几何形状、尺寸的许可变动量的信息集合，包括公差(尺寸公差和形位公差)和表面粗糙度；
3. 材料特征 与零件材料和热处理有关的信息集合，如材料性能、热处理方式、硬度值等。 7 f7 l0 ~4 w* {2 f0 c% s! G9 N" S+ d
4. 管理特征 与零件管理有关的信息集合，包括零件材料，粗糙度等。
5. 技术特征 描述零件的性能和技术要求的信息集合。

本系统研究中，主要涉及零件的形状特征、材料特征和精度特征，对于零件的管理特征和技术特征不作过多的考虑。 / U$ f& s* E3 n" S

3 系统总体设计

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系统总体方案设计是软件系统设计的基础，是对整个系统的整体把握。通过总体方案设计，可以明确系统要实现的功能、系统开发中涉及到的数据与知识，进而对系统进行模块化设计，确定各程序模块的开发思路。 ( a# ?+ t2 Y5 y2 b$ \ F: W

1. 系统功能设计 ! L) o( a4 I/ q! T6 w3 v
   基于特征的刀具选配系统帮助企业在工件特征的基础上，快速选择刀具，并给出刀具的合理装配。本系统应该具备下列基本功能：一是查询工件材料及工件特征描述；二是根据工件特征给出合理的切削刀具及组件组配；三是查询刀具组件的详细信息。系统功能示意图见图2。
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   图2 系统功能示意图

   图3 系统总体结构框图

   刀具类型查询 根据工件材料与刀具材料的匹配关系，在系统中可以查询对应的切削刀具及其详细信息；
   刀具组件信息查询 根据得到的切削刀具，利用刀具组件匹配规则，合理组装相应的刀具组件，并查询组件的详细信息； r8 u/ U; i& Y& P) X
   工件与刀具材料匹配查询 根据系统提供的匹配关系，为工件材料加工选择最适用的刀具材料；加工方法查询根据工件材料和工件表面特征选择最优的加工方法；
   综合查询 根据输入的加工信息、工件表面特征、加工环境等选择刀具材料和刀具类型，并匹配最优的刀具组件； 6 S( [7 z+ y; |. n) k+ y
   其他功能 数据的查询、录入、删除与更新等。
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2. 系统结构设计 % m0 g% V! W3 P {" a7 Q9 _/ ^4 ^, _
   根据上节对系统功能的分析，结合目前切削数据库的发展应用情况，建立如图3所示基于特征的刀具选配系统总体结构。 3 T* u" K5 I* i. F) M$ m) w" T
   从图3可以看出，系统总体结构由切削数据库子系统、匹配模块、数据源及评价验证模块、应用程序、通讯接口等部分组成。 ; M: p7 ^- x2 ~1 g/ P

   1. 切削数据库子系统 6 i1 h9 K! m+ i$ |' d6 q2 v
      切削数据库子系统主要存储了切削刀具、工件材料、工件表面特征、图形等详细信息。以切削刀具为例，内容包括主柄模块、中间模块、工作模块等。本系统中以车削刀具和铣削刀具为主进行刀具的选择和匹配。
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   2. 匹配模块
      根据工件材料和刀具材料的力学性能、物理性能、化学性能的匹配规则，选择合适的刀具材料，根据工件表面加工特征确定刀具类型；根据刀具组件的组配规则进行刀具组件的合理装配，并给出组件的详细信息。
   3. 数据评价模块
      切削数据库所收集的数据，主要来自刀具厂商、试验数据、文献、加工手册，其中刀具数据来自刀具生产厂商和加工企业。通过对数据进行评价验证，然后存贮到数据库中，供用户查询使用。
   4. 应用程序模块
      应用程序模块是用户和数据库交互的接口。在系统中，应用程序主要为用户提供用户登录、刀具信息查询、工件材料查询、加工特征查询、匹配规则及图形信息查询等服务。

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   图4 刀具选配流程图

   图4以刀具选配为例，说明系统查询功能的实现过程：用户根据工件信息(工件材料、表面特征)及加工条件确定刀具系统，根据刀具选用规则选择合适的切削刀具，依照系统切削条件推理合适的刀具组件，通过组件装夹规则进行组件拼装，生成刀具拼装路线输出结果。

4 系统的建立

数据库的设计应尽量避免冗余和不一致性，在进行刀具选配系统结构设计时，两个过程非常关键：概念设计和逻辑设计。 3 B. k }5 Z7 B. O }2 N' E

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图5 系统E-R图

1. 概念设计 # }. T7 M4 b- K; G' N2 ~
   数据库概念设计的目标就是用与数据库管理系统DBMS无关的概念模型，来表达反映信息需求的概念结构。通常使用E-R模型作为数据库概念设计的数据模型。在刀具的选配过程中涉及到的实体有刀柄模块、中间模块、工作模块、工件特征、加工方法、工件等(见图5)。
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2. 逻辑设计 5 _6 k( w; S) [" @! B5 q
   逻辑设计阶段的主要目标是把概念模型转换为具体计算机上DBMS 所支持的结构数据模型。本系统中就是把设计好的系统E-R图转换成与MicrosoftSQL Sever 2000 数据库管理系统所支持的关系模型相符合的逻辑结构。

5 应用

以常用的孔加工特征为例，根据加工要求，系统推断出加工所需要的刀具，并给出刀具组件列表清单(如图6所示)。

在用户输入或选择工件材料、操作类型、加工条件、加工面特征及加工尺寸后，系统根据内部模块进行推理，推荐适合加工的切削刀具供用户选择，确定后打印出刀具列表清单。
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(a)	(b)
图6 工件特征描述及刀具信息列表

6 结语

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本文通过对工件特征进行分析，开发了基于特征的刀具选配系统。该系统可以快速实现刀具的选择及组配，对实现自动化切削加工及智能化刀具管理具有十分重要的意义。