面向智能制造的數(shù)控切削工藝數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建

張 傲，范彩霞，張 磊，陳 寧

（黃河科技學(xué)院，鄭州 450063）

0 引言

中國機(jī)械工程學(xué)會李培根院士曾說“智能制造何以智？知識工程”，麥肯錫在《展望2025：決定未來經(jīng)濟(jì)的12大顛覆技術(shù)》排名第二“知識工作者自動化（Knowledge worker Automation，KA），通過將工程知識體系轉(zhuǎn)換為“工程智能”，并驅(qū)動工業(yè)軟件和工業(yè)基礎(chǔ)實(shí)施，實(shí)現(xiàn)人和機(jī)器的重新分工，有助于把知識技術(shù)人員從重復(fù)性勞動中解放出來。

數(shù)控切削工藝數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建屬于工業(yè)信息化軟件技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及到制造數(shù)據(jù)的搜集、整理、分析、反饋和優(yōu)化，是智能制造進(jìn)程的中堅(jiān)環(huán)節(jié)。工藝工程師在數(shù)控切削工藝數(shù)據(jù)庫的知識下，其工作的形式和內(nèi)容都會有很大程度的改變。

文獻(xiàn)[1]公開了美國進(jìn)行機(jī)床加工數(shù)據(jù)管理的一個專利，其目的也是改進(jìn)工藝，提高工效。瑞典科研人員在文獻(xiàn)[2]提出基于材料去除率和刀具使用壽命綜合最優(yōu)前提下的切削參數(shù)，是當(dāng)前切削參數(shù)優(yōu)化的主要技術(shù)。文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]基于機(jī)床加工能量消耗最少進(jìn)行機(jī)床加工參數(shù)優(yōu)化，是該領(lǐng)域前沿研究的主要方向之一。

2011年成都工具研究所的胡賢金等在題為“切削數(shù)據(jù)庫的最新研究進(jìn)展”提出“建立數(shù)字化設(shè)計(jì)/制造資源數(shù)據(jù)，它一般包括基本知識數(shù)據(jù)、被加工材料及刀具材料數(shù)據(jù)、機(jī)床設(shè)備數(shù)據(jù)、刀具數(shù)據(jù)、切削參數(shù)、設(shè)備參數(shù)、工時定額及圖形數(shù)據(jù)、典型工藝等，”較為詳細(xì)闡述了切削數(shù)據(jù)的集成技術(shù)、智能技術(shù)、優(yōu)化技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)支持技術(shù)，并在原有切削工藝數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，該所開發(fā)了基于Internet會員制的切削工藝數(shù)據(jù)庫網(wǎng)上查詢系統(tǒng)[5]。

2013年北航提出了一種基于切削參數(shù)對接平臺的切削數(shù)據(jù)庫與數(shù)控編程系統(tǒng)的融合方法。構(gòu)建了兩者之間的整體融合對接框架，建立了對接平臺與數(shù)控編程系統(tǒng)及切削數(shù)據(jù)庫的參數(shù)映射模型。使用戶能借助外部切削數(shù)據(jù)庫強(qiáng)大的功能快速獲取最優(yōu)化的參數(shù)，并應(yīng)用到UG數(shù)控編程過程中，較之前的切削參數(shù)數(shù)據(jù)庫，其與CAM軟件的集成性有了進(jìn)一步提高[6]；2015年北航提出工程應(yīng)用的通用型切削工藝數(shù)據(jù)庫研究與開發(fā)[7]，較少考慮與CAM的集成，可見，通用和專用切削參數(shù)數(shù)據(jù)庫的研究并存，是兩種完全不同的開發(fā)理念。

北京理工大學(xué)在2015年提出“建立基于加工特征的工藝路線知識庫系統(tǒng)的方法，根據(jù)零件的加工特征并引入布爾差運(yùn)算獲得合適的工序模型組合，達(dá)到工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)的目的[8]”，一方面布爾運(yùn)算有一定復(fù)雜性；另一方面加工特征的遴選工作量非常大，實(shí)際生產(chǎn)中的零件與加工特征千差萬別。

另有一些針對典型零部件所開發(fā)的切削數(shù)據(jù)庫，如基于工藝特征的航空發(fā)動機(jī)零件切削數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)開發(fā)[9]；基于混合推理的大型機(jī)床零件切削數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)[10]；航空航天典型材料切削數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的研究[11]；汽車覆蓋件淬硬鋼模具高速切削數(shù)據(jù)庫的研究[12]；不僅企業(yè)層面的專用，更多是產(chǎn)品零組件層面的專用定制。

1 數(shù)控工藝切削數(shù)據(jù)庫的體系結(jié)構(gòu)

面向智能制造數(shù)控工藝切削數(shù)據(jù)資源體系將數(shù)控工藝切削數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建融入數(shù)控工藝師的工作流程中，如圖1所示。

其主要工作流程為：數(shù)控工藝師應(yīng)針對本工廠的產(chǎn)品零件加工特征制定特征加工模板；在具體工序設(shè)計(jì)時能夠?qū)崿F(xiàn)與切削數(shù)據(jù)庫雙向通訊；數(shù)控工藝師完成完整工藝設(shè)計(jì)后，將工具清單自動反饋給制造資源生產(chǎn)準(zhǔn)備工程師，以便按優(yōu)化后的切削參數(shù)供應(yīng)相應(yīng)的刀具。

圖1 切削數(shù)據(jù)庫體系結(jié)構(gòu)圖

面向智能制造的數(shù)控工藝切削數(shù)據(jù)庫所帶來的直接有益效果是：一方面數(shù)據(jù)的收集組織融入數(shù)控工藝工程師的日常工作流程中，數(shù)據(jù)的可靠性高，重復(fù)利用潛能大；另一方面實(shí)現(xiàn)數(shù)控工藝師和生產(chǎn)準(zhǔn)備工程師能夠共享生產(chǎn)現(xiàn)場工具資源數(shù)據(jù)，徹底改變了傳統(tǒng)的線性工作方式為并行工作方式，實(shí)現(xiàn)加工資源的高效流通和利用，切實(shí)給生產(chǎn)帶來效益。

2 數(shù)據(jù)庫在智能工藝規(guī)劃中的實(shí)現(xiàn)過程

數(shù)控切削工藝數(shù)據(jù)庫主要包括基礎(chǔ)技術(shù)單元及其與計(jì)算機(jī)輔助制造軟件平臺的切削參數(shù)集成通訊，其中基礎(chǔ)技術(shù)單元構(gòu)成切削數(shù)據(jù)庫的技術(shù)核心，切削參數(shù)集成通訊單元構(gòu)成切削數(shù)據(jù)庫的效率核心。

2.1 基礎(chǔ)技術(shù)單元

切削用量數(shù)據(jù)庫是基礎(chǔ)技術(shù)單元的核心，用于存儲和管理各種切削數(shù)學(xué)模型的算式及其系數(shù)和指數(shù)、產(chǎn)生這些數(shù)學(xué)模型的切削加工條件是切削速度和進(jìn)給量等加工用量的計(jì)算、存儲和優(yōu)化區(qū)域。

工件材料數(shù)據(jù)主要包括材料名稱牌號、機(jī)械性能、切削性能及熱處理狀態(tài)。

切削機(jī)床數(shù)據(jù)主要是機(jī)床產(chǎn)品名稱型號、尺寸參數(shù)、電機(jī)參數(shù)、主運(yùn)動和進(jìn)給運(yùn)動極限參數(shù)和精度指標(biāo)。

切削刀具數(shù)據(jù)庫主要包括各種刀具基體材料得牌號、物理化學(xué)性質(zhì)、刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)。刀具基體材料包括高速鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷等；刀具結(jié)構(gòu)包括車刀、麻花鉆和銑刀等的幾何參數(shù)。

切削液數(shù)據(jù)包括切削介質(zhì)型號，成分及應(yīng)用范圍，并給出切削介質(zhì)的供給方式。

切削輔助工具數(shù)據(jù)庫包括卡盤、回轉(zhuǎn)工作、虎鉗等參數(shù)數(shù)據(jù)。

2.2 切削參數(shù)集成通訊

常用的CAD/CAM軟件，如MasterCAM、UG等，都開發(fā)了各自的切削數(shù)據(jù)庫模塊，但數(shù)據(jù)量很少，并且其主要功能是存儲和查詢，沒有切削參數(shù)計(jì)算常用優(yōu)化模型，無法滿足工藝設(shè)計(jì)的需要。

本切削數(shù)據(jù)庫的通訊模塊分為兩個部分，一個是專用切削用量查詢，數(shù)控工藝師只需要輸入少量的參數(shù)，就可直接調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)獲得需要的具體的切削參數(shù)數(shù)據(jù)，工作效率高，其開發(fā)的主要途徑是獲取CAD/CAM二次開發(fā)的權(quán)限，將參數(shù)查詢和優(yōu)化計(jì)算的數(shù)學(xué)模型用二次開發(fā)語言寫入CAD/CAM軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫的通訊；另一個是全數(shù)據(jù)庫查詢接口，可采用各種程序設(shè)計(jì)語言，如Visual C++、C#和Java等，實(shí)現(xiàn)切削數(shù)據(jù)輸入、更新、刪除、統(tǒng)計(jì)等基本維護(hù)要求。

3 結(jié)束語

面向智能制造數(shù)控工藝切削數(shù)據(jù)資源體系將數(shù)控工藝切削數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建融入數(shù)控工藝師的工作流程中，以具有查詢和優(yōu)化兩重功能的切削用量數(shù)據(jù)庫為專業(yè)技術(shù)核心，以切削參數(shù)集成通訊為軟件開發(fā)核心，實(shí)現(xiàn)切削參數(shù)及硬件加工資源的優(yōu)化、共享，優(yōu)化整個生產(chǎn)車間的業(yè)務(wù)流程。