基于DNC的高速切削刀具庫系統(tǒng)的研究*

劉麗娟 呂 明 武文革

（①太原理工大學機械工程學院，山西太原030024;②中北大學機械工程與自動化學院，山西太原030051）

1 問題的提出

高速切削技術(shù)不只是切削速度的提高，它的發(fā)展主要取決于刀具技術(shù)（包括刀具材料、涂層刀具結(jié)構(gòu)、刀柄和裝夾系統(tǒng)、刃磨與動平衡、檢測和監(jiān)控系統(tǒng)）和高速機床技術(shù)（包括電主軸、直線電動機進給系統(tǒng)、數(shù)控與伺服系統(tǒng)、軸承及潤滑、刀庫等）的進步，而刀具與機床的正確選用常起著決定性作用。在由機床、刀具和工件組成的切削加工的工藝系統(tǒng)中，刀具是最活躍的因素。我們知道，在生產(chǎn)過程中，缺乏刀具或刀具庫存不在控制之中，是當今刀具管理上的一個重大問題，操作人員需要花費很多時間在查找刀具上，因此刀具管理單獨作為一個重要管理模塊，逐漸浮出水面。尤其在高速切削迅速發(fā)展的今天，高速切削刀具庫管理系統(tǒng)并沒有得到相應的發(fā)展。一個良好刀具管理系統(tǒng)可以減少初期投資、工作人員、庫存資金以及采購管理成本。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

本系統(tǒng)以網(wǎng)絡為平臺，以數(shù)據(jù)庫為核心，在高速切削生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)下，集成了包括高速切削刀具規(guī)劃、采購、庫存、調(diào)整、刃磨、修理、刀具優(yōu)化和刀具成本控制以及故障診斷等多方面內(nèi)容，可對刀具在加工狀態(tài)中的具體信息加以跟蹤和采集，并對采集到的信息進行及時有效的處理。系統(tǒng)由8大部份組成結(jié)構(gòu)總體框圖如圖1所示。

（1）刀具計劃與準備模塊:包括刀具年/月/日計劃，刀具需求查詢，以及刀具采購管理，并提供報表。根據(jù)各加工部門生產(chǎn)計劃，制定刀具需求計劃和供應計劃，預估刀具使用種類和數(shù)量，進行刀具儲備，與標準刀套組裝并預調(diào)刀具。本模塊可對刀具的需求情況進行在線查詢，并根據(jù)日常刀具需求、以及對歷史清單進行查詢，制定生產(chǎn)計劃、刀具申請，對庫存的缺刀進行采購補充，保證企業(yè)、車間生產(chǎn)的連續(xù)性。

（2）刀具識別與調(diào)度模塊:為了控制刀具的流動，跟蹤每一把刀具的位置是非常重要的，即系統(tǒng)應隨時知道某把刀具是在中心刀具存貯室或正在運輸途中，還是在某臺機床的刀庫中，為此每把刀具上面應攜帶有自身的識別信息，這里選用條碼識別或無線射頻識別對刀具進行識別。刀具調(diào)度的核心目的在于在資金和環(huán)境容許的范圍內(nèi)配置所需刀具的類型及數(shù)量，并最大程度地滿足用戶的需求。這里建立了一個動態(tài)調(diào)度系統(tǒng)，使它既能滿足當機床需要刀具時能從待選刀具中選取合適的一把，也能滿足當一把刀具面臨多臺機床的需求時按照緊急程度的不同分配刀具，建立一個具有分布性、開放性、主動性、協(xié)作性等特點的刀具調(diào)度系統(tǒng)。

（3）刀具庫存管理模塊:包括刀具的入庫與出庫，并依此建立電子帳簿。出庫是在數(shù)據(jù)共享前提下，根據(jù)生產(chǎn)計劃，通過刀具的生產(chǎn)調(diào)度，完成刀具加工使用的出庫操作。出庫時系統(tǒng)記錄刀具的組成、適用機床、產(chǎn)品件號等信息。刀具使用后，及時送到質(zhì)量檢查部門，質(zhì)量檢查部門及時對送到的刀具進行質(zhì)檢，質(zhì)量不合格，及時報廢，將報廢信息及時提交到刀具成本核算部門，進行刀具的成本核算，同時分析原因，實現(xiàn)對供應商責任的追究，為采購部門以后的采購提供依據(jù)。入庫時包括新刀入庫及生成刀具信息，以及舊刀具使用完畢歸還的入庫操作，提供按型號入庫與按批號入庫兩種方式。

（4）刀具選擇模塊:本模塊為系統(tǒng)的核心模塊，完成了對高速切削刀具的選擇，包括高速切削條件下刀柄的選擇、夾頭的選擇、刀具材料的選擇等，并對刀具的切削用量給予自動選擇。高速切削條件下刀具與機床的聯(lián)接必須可靠，刀具系統(tǒng)應有足夠的整體剛性。常規(guī)的刀具刀柄系統(tǒng)難以滿足高速切削時的切削剛度和精度要求。高速銑削刀柄主要有整體式刀柄、熱脹式刀柄、液壓式刀柄、高精度彈簧夾頭刀柄等。本系統(tǒng)根據(jù)所用機床以及加工條件等，自動對刀柄進行選擇。在高速切削中，為提高刀具與夾頭之間的連接精度，增大夾緊力，以適應刀具高速回轉(zhuǎn)時的平衡要求，同時便于刀具加工深腔模具時接近工件，要求夾頭的輪廓尺寸較小，因此傳統(tǒng)的彈簧夾頭已不再適用。針對高速切削的新型夾頭有強力彈簧夾頭、熱裝式夾頭、TRIBOS夾頭、動平衡夾頭等，本系統(tǒng)對加工環(huán)境進行分析，選擇適用的夾頭。選擇刀具材料時針對高速切削過程中對刀具的特殊要求，粗加工時優(yōu)先考慮刀具材料的韌性，精加工時優(yōu)先考慮刀具材料的硬度。本專利匯總了常用的多種工件與刀具材料的牌號、成分、性能，針對加工工件和刀具的特點，以及高速切削的要求，選擇合適的刀具材料。此模塊還可提供切削用量的推薦值，通過對不同的加工材料、不同的進給量、不同的刀具進行選擇，自動給出高速切削優(yōu)化工藝和切削用量參數(shù)。用戶輸入工件加工類型、尺寸、材料、精度等參數(shù)后，對數(shù)據(jù)庫中的刀頭、接桿、刀柄、夾頭等進行選擇，并根據(jù)加工特征進行匹配，完成目標刀具的組裝，自動給出刀具型號、廠家、材料等具體信息，這些信息為刀具識別與調(diào)度模塊提供依據(jù)。

（5）刀具壽命管理模塊:刀具的狀態(tài)直接影響著產(chǎn)品的品質(zhì)和加工效率，因此對刀具狀況要進行實時檢測，預測刀具的壽命，計算被選擇刀具是否有足夠的壽命來完成零件的加工。如果刀具不足或壽命不夠，監(jiān)控程序?qū)⑾蛑骺爻绦虬l(fā)出換刀請求。

（6）高速切削刀具信息與圖紙庫:該模塊匯總了常用的50多種可用于高速切削的不同類型的刀具，包括刀具的材料、牌號、加工條件、可加工工件等信息，并可根據(jù)查詢條件，自動給出裝配圖以及組成刀具的各部分的標準件圖與部分非標準件圖，提供二維與三維圖紙信息。

（7）刀具成本核算模塊:根據(jù)對刀具庫存管理模塊以及刀具壽命管理模塊的匯總，與生產(chǎn)管理系統(tǒng)的集成，對刀具進行核算，完成刀具使用工時、成本等統(tǒng)計，并通過網(wǎng)絡直接把數(shù)據(jù)傳遞給財務部門進入PDM，對于提高工廠生產(chǎn)率起到很大的作用。

（8）故障診斷模塊:刀具在機床上的在線監(jiān)控可以對由于刀具的磨損、崩裂或其他異常情況而發(fā)生的換刀請求迅速做出反應，并可連接到故障診斷模塊中。該模塊匯總了十余臺常用的數(shù)控機床的數(shù)百種常見故障以及相應的排故方法，只要輸入故障的代碼或現(xiàn)象就可進行查詢，快速定位故障點并修復。該系統(tǒng)可實現(xiàn)與CAD/CAM的集成，與 DNC系統(tǒng)集成，完成加工程序的自動生成，刀補程序自動生成與傳送，減少人為因素造成的刀具參數(shù)輸入誤差。

3 關(guān)鍵技術(shù)

高速切削刀具管理系統(tǒng)將中央管理系統(tǒng)、生產(chǎn)車間DNC系統(tǒng)、庫房管理系統(tǒng)、財務部門成本核算部門集成為一體，通過網(wǎng)絡共享數(shù)據(jù)。

3.1 建立數(shù)據(jù)庫

該數(shù)據(jù)庫涉及到刀具全生命周期的所有數(shù)據(jù)，因此非常龐大，選用MySQL作為數(shù)據(jù)庫后臺，建立名為“HSCTMS”的數(shù)據(jù)庫，包括12個表:系統(tǒng)設(shè)置（by_config）;留言板（by_gb）;刀具成本核算數(shù)據(jù)表（by_cost accounting）;刀具選擇數(shù)據(jù)表（by_cuttingtool）;故障診斷表（by_Fault diagnosis）;刀具壽命表（by_tool life）;刀具庫存表（by_stockdata）;刀具圖紙表（by_drawings）;button編輯器表（ewebeditor_button）;style編輯器表（ewebeditor_style）;system編輯器表（ewebeditor_system）;toolbar編輯器表（ewebeditor_toolbar）。各數(shù)據(jù)表通過關(guān)鍵字相聯(lián)系。以刀具選擇數(shù)據(jù)表為例進行說明，該數(shù)據(jù)表包含有9個字段:每齒進給量、山高材料分組編號、銑槽mm/齒、螺旋/斜坡銑/銑平面mm/齒、側(cè)銑粗加工mm/齒、側(cè)銑精加工mm/齒、仿形銑削粗加工mm/齒、仿形銑削精加工mm/齒。建立動態(tài)網(wǎng)頁，連接數(shù)據(jù)庫。查詢網(wǎng)頁中的表單有一個變量名，查詢網(wǎng)頁和顯示網(wǎng)頁通過表單傳遞的變量名聯(lián)系起來，顯示網(wǎng)頁通過過濾條件——表單變量，顯示最后結(jié)果。

3.2 網(wǎng)絡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的建立

本網(wǎng)絡系統(tǒng)采用B/S網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)。該網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)屬于三層結(jié)構(gòu):客戶端通過瀏覽器將刀具信息（包括刀具全生命周期涉及到各部門刀具信息）上傳至服務器端并接收由高速切削刀具管理系統(tǒng)發(fā)送的各類數(shù)據(jù);前端（Browser）實現(xiàn)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的傳遞;服務器端（Server）實現(xiàn)高速切削刀具管理系統(tǒng)的主要工作，分析各客戶端（如財務部門、庫房、生產(chǎn)車間等）的數(shù)據(jù)，直接管理加工車間、調(diào)刀室、刀具庫房、維修等刀具流通部門的所有刀具的品種、規(guī)格、數(shù)量等詳細信息，實現(xiàn)在線刀具選擇，對刀具進行全壽命周期的追蹤和管理，生成刀具成本評估清單和刀具利用情況統(tǒng)計表，優(yōu)化刀具使用成本及使用頻率，降低制造成本。

3.2.1 硬件配置

服務器端:Pentium2G或XEON雙CPU，2G以上內(nèi)存;

客戶端:Pentium45OMHz以上 CPU，128MB以上內(nèi)存;

網(wǎng)絡配置:百兆模式或以上。

3.2.2 網(wǎng)頁設(shè)計

建立主頁。打開DW，在文件下菜單中選擇新建基本頁，命名“index”，在“index”中按照規(guī)劃好的布局進行設(shè)計，導航條中共有7個導航欄。分別為刀具計劃與準備、刀具庫存管理、刀具識別與調(diào)度、刀具選擇模塊、刀具壽命管理、刀具信息與圖紙庫、故障診斷模塊。主頁左側(cè)為相關(guān)網(wǎng)站鏈接的站名，中間主體部分準備放置相關(guān)導航的分類信息。建立分類查詢網(wǎng)頁:在DW中復制“index”框架，多次復制，確保風格一致。各分類查詢網(wǎng)頁有相同的導航欄，然后為各網(wǎng)頁的中間部分添加與導航符合的分類信息。利用DW完成其他準備鏈接的子網(wǎng)頁的制作，添加導航條中導航欄的鏈接;為分類信息添加子頁面鏈接;添加網(wǎng)站鏈接。

建立動態(tài)網(wǎng)頁，連接數(shù)據(jù)庫。查詢網(wǎng)頁中的表單有一個變量名，查詢網(wǎng)頁和顯示網(wǎng)頁通過表單傳遞的變量名聯(lián)系起來，顯示網(wǎng)頁通過過濾條件——表單變量，顯示最后結(jié)果。MYSQL可通過兩種方式通過PHP與WEB相連，一種通過PHP的MYSQL相關(guān)函數(shù)，另一種通過PHP的ODBC相關(guān)函數(shù)。PHP連接MYSQL需要4個參數(shù)，數(shù)據(jù)庫地址、數(shù)據(jù)庫名、數(shù)據(jù)庫用戶名和數(shù)據(jù)庫密碼。數(shù)據(jù)庫地址默認為localhost。

3.3 DNC 系統(tǒng)

高速切削生產(chǎn)車間包含一臺上位機，各高速切削機床通過RS232串口與上位機實現(xiàn)DNC，每臺高速切削機床工件臺上安裝AE傳感器，傳感器通過前置放大、主放大、高通濾波與檢波、A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字信號傳遞給上位機，檢測刀具工作過程中刀具的破損情況，并將此信息通過網(wǎng)絡傳遞給高速切削刀具管理計算機，作為刀具壽命與維修等數(shù)據(jù)的來源。采購部門在購置新刀具前先查詢數(shù)據(jù)庫中的刀具庫存信息，并根據(jù)刀具成本核算信息確定要采購新刀具的種類、數(shù)量、廠家等。新刀具入庫時根據(jù)自身的信息（型號、規(guī)格、材料、加工類型、購入時間等）連同相關(guān)數(shù)據(jù)（如刀夾、刀頭、刀桿、刀柄等信息）自制條碼，它是刀具自己的“身份證”，根據(jù)高速切削刀具庫系統(tǒng)自動選取刀具，使用條碼識別器對刀具進行識別，自動完成刀具的選擇，節(jié)省了大量的時間。出庫是在數(shù)據(jù)共享前提下，根據(jù)生產(chǎn)計劃，通過刀具的生產(chǎn)調(diào)度，完成刀具加工使用的出庫操作，并記錄刀具的組成、適用機床、產(chǎn)品件號等信息。刀具使用后，及時送到質(zhì)量檢查部門，質(zhì)量檢查部門及時對送到的刀具進行質(zhì)檢，質(zhì)量不合格，及時報廢，將報廢信息及時提交到刀具成本核算部門，進行刀具的成本核算，同時分析原因，實現(xiàn)對供應商的責任的追究，為采購部門以后的采購提供依據(jù)。

本系統(tǒng)的硬件架構(gòu)包括Web服務器、數(shù)據(jù)庫服務器、以分布式分布的多個客戶端計算機、以串行接口連接的DNC系統(tǒng)，如圖2所示。

整個系統(tǒng)是基于數(shù)據(jù)庫服務器的，數(shù)據(jù)庫服務器用于刀具庫存數(shù)據(jù)、刀具壽命數(shù)據(jù)、刀具選擇數(shù)據(jù)、刀具信息與圖紙、故障診斷等數(shù)據(jù)的處理、緩存、轉(zhuǎn)換等作用;Web服務器用于各客戶端網(wǎng)上信息的瀏覽服務。所述刀具庫存數(shù)據(jù)包括:刀具的出庫數(shù)據(jù)與入庫數(shù)據(jù)，其中出庫數(shù)據(jù)包括調(diào)度出庫與報廢出庫，入庫數(shù)據(jù)包括按型號入庫與按批號入庫;刀具壽命數(shù)據(jù)包括刀具修磨數(shù)據(jù)、刀具報廢數(shù)據(jù)、以及對刀具全生命周期刀具壽命的統(tǒng)計數(shù)據(jù);刀具選擇數(shù)據(jù)包括所有的刀頭數(shù)據(jù)、刀夾數(shù)據(jù)、刀桿數(shù)據(jù)、刀柄數(shù)據(jù)、各種材料數(shù)據(jù)等;刀具信息與圖紙數(shù)據(jù)包括刀具信息與刀體圖與裝配圖的二維與三維圖紙信息;故障診斷數(shù)據(jù)包括對在線反饋的各種故障現(xiàn)象進行統(tǒng)計的數(shù)據(jù)以及處理方法的信息。

各客戶端計算機包括采購部門、成本核算部門、庫房、質(zhì)檢部門、生產(chǎn)車間等多個部門，各客戶端通過網(wǎng)絡與數(shù)據(jù)庫交換信息，將現(xiàn)場信息反饋至數(shù)據(jù)庫，經(jīng)高速切削刀具庫系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)的分析與處理，智能選擇刀具，在線監(jiān)控生產(chǎn)過程，對刀具壽命統(tǒng)計并進行成本核算，指導生產(chǎn)的順利進行。

DNC系統(tǒng)中，上位機通過網(wǎng)絡獲取刀具選擇方案與切削用量選擇方案，通過RS232串口傳遞給各車間的高速切削機床，節(jié)省了大量方案選擇的時間并避免人為引起的各種錯誤，使高速切削機床真正實現(xiàn)高速。高速切削生產(chǎn)車間建立DNC系統(tǒng)，集成CAD/CAM，建立了一個動態(tài)調(diào)度系統(tǒng)，通過對生產(chǎn)車間上位機傳遞的數(shù)據(jù)，利用高速切削刀具管理知識庫，從待選刀具中選取合適的一把，并且滿足當一把刀具面臨多臺機床的需求時按照緊急程度的不同分配刀具，建立一個具有分布性、開放性、主動性、協(xié)作性等特點的刀具調(diào)度系統(tǒng)。每臺高速切削機床工件臺上安裝AE傳感器，傳感器通過前置放大、主放大、高通濾波與檢波、A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字信號傳遞給上位機，檢測刀具工作過程中刀具的破損情況，并將此信息通過網(wǎng)絡傳遞給高速切削刀具管理計算機，作為刀具壽命與維修等數(shù)據(jù)的來源。圖3為高速切削刀具庫系統(tǒng)流程圖。

4 高速切削刀具庫管理系統(tǒng)的實現(xiàn)

由于該系統(tǒng)內(nèi)容較多，不能一一介紹，這里僅對系統(tǒng)的核心模塊——高速切削刀具選擇模塊進行介紹。該模塊通過對工廠四十余個加工實例進行整理與分析，通過對各類數(shù)據(jù)的匯總與分類，實現(xiàn)了可根據(jù)用戶要求對刀柄、刀桿、刀頭、夾頭以及刀具材料等的選擇，并進行自動裝配;還可以實現(xiàn)根據(jù)不同材料、每齒進給量來確定高速切削的參數(shù)等功能。圖4所示為按照不同屬性以及不同查詢方式對高速切削刀具進行查詢的功能實現(xiàn);本系統(tǒng)可實現(xiàn)在線刀具的入庫與出庫管理，如圖5所示。

5 結(jié)語

本文應用網(wǎng)絡技術(shù)、多媒體數(shù)據(jù)庫技術(shù)、B/S架構(gòu)體系，以實現(xiàn)高速切削刀具信息的精確檢索和管理為目標，建立了高速切削刀具管理系統(tǒng)，為高速切削生產(chǎn)全生命周期中對于刀具的選擇、調(diào)度、管理以及故障診斷等方面提供有益的參考和指導作用。實現(xiàn)了基于DNC的高速切削刀具庫管理系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)，提出了PHP+Dreamweaver+MySQL的Web數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)方案，具有較強的現(xiàn)實可行性。

［1］張伯霖，范夢吾，李志英.模具制造中的高速加工技術(shù)［J］.制造技術(shù)與機床，2003（5）:8－11.

［2］Ribeiro M V，Coppini N L.An applied database system for the optimization of cutting conditions and tool selection［J］.Journal of Materials Processing Technology，2002，92/93:371 －374.

［3］王亮德，趙軍，郭勝光.耳機模具的高速數(shù)控加工［J］.現(xiàn)代制造工程，2004（9）:18 －19.