基于网络制造环境的机床刀具动态选择模型的研究

    1 引言
   
    工艺设计的目的是针对产品的明细表和可获得的制造资源来定义工艺细则，因此工艺设计在连接设计和制造的环节上扮演着非常重要的角色。工艺设计包括以下过程:设计数据的解释、加工机床和切削刀具的选择、切削参数的决定、夹具的选择、制造工时和费用的计算等等。
    机床和刀具的选择作为工艺设计过程的重要环节之一，常常被用来评估工艺的经济性和可行性。机床和刀具的选择几乎影响到工艺设计的所有方面，鉴于机床和刀具选择的重要性，旨在降低设计错误和偏差的计算机辅助机床刀具选择方法就成了计算机辅助工艺设计系统(CAPP) 的关键要素之一。
    然而，选择刀具和机床是工序计划和调度中一种动态的活动，不仅要求具备相应的知识，还要求能够与制造资源和环境的动态变化保持联系。大多数现行CAPP 系统的重点是通过对生产知识进行总结，设计出静态的工艺规划，因此不能与现有的生产资源柔性地联系。目前，这种静态的CAPP 系统难以对实时的车间状况和动态的生产环境做出及时响应和反馈。
    除了辅助工艺设计外，对CATS 还不断提出新的要求:即在网络制造环境下进行产品的可制造性评估时能与产品的设计问题进行良好的交流。选择刀具和机床能帮助设计者进行可制造性评估，同时也在早期决定了生产成本的绝大部分。如果在现有的制造资源中没有设计所需的刀具或机床，那么从可制造性的角度上讲就需要对生产进行调整，因此要求CATS 系统能与设计有效地进行交流，而且它们各自有独立的平台，并且能够容易让所有设计者理解。
    本文讨论的是在基于网络的制造环境下进行刀具和机床的选择。介绍了基于网络生产环境下的方法论，这种方法能够经济地对刀具和机床进行选择。本文构建的系统满足了以下的要求:刀具和机床的动态选择，设计时高效的信息共享和交流以及与其它系统的协同。此外，该系统与虚拟现实(VR) 技术相结合实现了可视化。通过这项功能帮助技术人员检查选择的刀具和机床是否合理，并且推断是否存在机械加工问题。
   
    2 网络化制造环境的方法论
   
    近年来网络技术的发展日新月异，给传统制造业带来了新的发展契机，网络化制造就是在这种背景下提出来的。其内涵是:在一定的区域范围内，采用政府调控、产学研相结合的组织模式，在计算机网络(包括因特网和区域网)和数据库的支撑下，动态地集成区域内的企业、高校、研究院所及其制造资源和科技资源，开展产品设计、制造、销售、采购和管理等一系列活动o 在制造企业中，车间作为物化中心，车间制造资源的状态最终决定了一个企业的实际生产能力。因此，对车间的制造资源及制造过程的优化管理，是提高企业核心竞争力的的关键问题之一。机床和刀具是车间中很重要的资源，网络化制造环境和现代信息技术为机床和刀具这样的制造资源的管理提供了优化和提升空间，并支持机床和刀具与其它的制造资源进行集成和共享。
   
    3 机床刀具动态选择模型的描述
   
    基于网络制造环境的机床刀具动态选择模型采用基于网络的、开放的和模块化的体系结构(WTMSS ，见图1)，它能够通过因特网有效地与设计和工艺规划进行协作。为了实现刀具和机床的选择，系统要求从工艺规划的工序和设计的零件信息中获得相应的数据。

    WTMSS 主要由数据库， java 小程序以及一个虚拟现实建模语言(VRML) 的浏览器组成。Java 数据库连通性(JDBC) 和EAI 是用来通过因特网将系统与数据库连结，并且能与Java 和VRML 两个不同的独立平台进行有效地信息交流。在WTMSS 系统中，通过建立组织化和结构化的数据库使系统能够在基于网络的生产环境下集成共享所有的资源。为了满足数据的完整性和提高查找速度，通过因特网在服务器和客户终端之间采用关系型数据库(RDB) 和结构化查询语言(SQL) 定义和管理数据。
    作为VRML 的延伸接口， EAI 允许Java 程序与嵌入相同网页的VRML 浏览器进行信息交流。因此，使用EAI 就可以在网络环境下对刀具和机床的动态选择进行模拟，从而对选择的合理性做出评估。在客户端，面向对象的数据库(OODB) 由属性和方法组成，它们用来处理从特征管理模块、外形管理模块、刀具和机床选择模块等生成的工序信息。
    WTMSS 系统采用SQL server2000来有效地定义和管理数据库(如机床数据库、刀具数据库、知识数据库、材料数据库、几何数据库等)。在本文建立的动态选择模型中用了47 个表格来定义数据库的关系，包括一对一、一对多、多对多、一对一的递归、以及一对多的递归的关系。
   
    4 构建模型的关键技术和算法的实现
   
    4.1 提取零件信息算法
   
    从DXF 文件中识别特征能够增进设计与WTMSS 系统之间的信息交流。根据特征决定加工的类型(如车削，钻孔以及螺纹加工)，被决定的加工类型将影响机床和刀具的选择。DXF 文件是商业CAD 软件中广泛采用的文件格式，是一种标准化的CAD 文件格式，可以描述计算机图形实体，如直线、曲线、表面。该方法在生产用工程图绘制中占有主导地位。
    为了从DXF 文件得到几何信息，系统通过流程图引人二维的DXF 文件，并在动态模型中建立了一种算法。如果要从DXF 文件中获得一条直线就要包括数字42 ，它需要眼下一条直线进行圆弧插补，因为DXF 不包括两条直线间的圆弧信息。图2 以及下面的等式(1)、(2) 、(3) 被用来描述在DXF 文件的两条直线之间插入圆弧的情形.

    几何实体一旦被存储到OODB 中就被称为DXF实体数据，那么下一个步骤就是应用预先定义的算法将实体信息变为特征信息，为机床和刀具的动态选择提供决策依据。

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    4.2 机械加工工艺决策算法
   
    对于一个待加工的零件，在进行机械加工工序决策时，对刀具和机床的选择是基本的活动，并且需同时进行加工参数的选择。在本文建立的动态选择模型中，根据不同机械加工要求的不同粗糙度限制来决定加工工序的选择。图3 表示一个车削加工工序的决策图。
    WTMSS 向用户提供了图形化的用户界面(GUI)定义零件的公差(包括表面粗糙度、零件尺寸以及尺寸公差)。一般说来，由于公差是在面t分配而不是在特征上分配，而且系统提供了将特征转变成面的功能，因此用户可以方便地在面与面之间分配公差。如图3 所示，这些工序仅仅是依靠分配在面上的粗糙度而确定的，因此还需要处理尺寸以及尺寸公差。现行的CAPP 系统研究几乎都没有涉及到工序的公差和尺寸链方面的问题，在本文建立的模型中，根据同步测量原则(CMM) 定义了若干处理尺寸公差和尺寸链的规则。
   

    4.3 机床和刀具动态选择
   
    从刀具数据库中动态地选择出可用的刀具并用选定的刀具来切削待加工零件是很重要的。但是，由于可供选择的刀具太多，在数据库设计时可以考虑从两个方面来减少检索刀具的数目:一方面可以通过因特网在服务器端减少查询的数目，另一方面是减少与用户请求相对应的被检索数据的量。为了满足以上的要求在建立机床刀具动态选择模型时采用动态的SQL 语言和查询标准。采用这种查询标准能够从刀具数据库中为零件的各个表面有效地检索出合理的刀具。同时，这种查询标准对重复的刀具创建了一种包括要求的刀具材料类型、加工面的方向和刀具可用性在内的动态SQL 语言。刀具材料的类型是由零件材料类型决定的，硬度和加工工序是在机床刀具动态选择模型建立的知识库中得到的。
    刀具相对于机床的自由度表示了刀具各刀面方向。当一个刀具的刀面方向类型满足所定义的方向类型和其它标准的时候，那么它就被推荐为有加工能力的刀具。基于这种思想，本文构建的系统减少了查询的次数和可能从数据库检索出的刀具的数量，并且还防止了在相似的特征之间可能出现的刀具查询路径干扰(这种干扰主要发生在当特征与刀具对应时)。
    一旦由机械加工参数选择出刀具，那么下一步就是根据生产时间和成本排列刀具。在本文建立的机床刀具动态选择模型中采用了Usher 和Fernandes建立的在动态环境下刀具选择的优化方程。选择机床与选择刀具是类似的。通过查找算法检索机床数据库中满足刀具要求的机床，那些合适的机床就会被推荐。其中约束条件包括最大切削直径和长度、主轴转速、电机功率、尾架的支撑。通过动态选择使机械加工工序的机床成本得到最优化处理。
   
    4.4 动态选择实例的描述
   
    所有刀具数据和机械加工的参数(如切削探度、进给量、切削速度、刀具耐用度以及需求切削功率)都是从刀具制造商的目录中收集的，井且存储在动态选择模型的数据库里。例如在刀具数据库里有4200把车削刀具，包括车外圆的、车内圆的、孔型加工的、车螺纹的等等。而机床数据库里存储了5 台CNC 机床的数据。
    此次研究开发的WTMSS系统包括java 小程序、VRML 浏览器以及选择刀具和机床时用户输入参数的交互式窗口。使用这个系统，用户能够交互地选择刀具和机床，比如可以转换或更改DXF 文件中的特征信息，把公差分配到表面等等。图4 展示的就是WTMSS 系统中的刀具选择界面。
   

    4.5 根据选择的刀具和机床对机械加工过程的模拟
   
    WTMSS 系统还具有根据选择的刀具和工序模拟加工过程的功能，以便帮助技术人员检验所选刀具的合理性，及时发现机械加工中的问题并且快速地执行重新设计的程序。
    图5 为根据选择的刀具和工序对机械加工过程的模拟。在图5 中这个系统提供先进的图像监视和控制功能来代替那些昂贵的虚拟现实(VR) 设备。用户可以使用Cosmo 播放器(一种浏览器插件)在虚拟的3D 世界里应用虚拟模型。除此之外，系统还提供一个信息窗口动态地显示零件和机械加工信息，例如刀具当前的位置、切削深度、切削速度、进给量以及生产时间。
   
    5 结语
   
    本文讨论了基于网络的生产环境下刀具和机床的选择问题。通以系统测试和评估，本文构建的模型能够帮助技术人员在基于网络的生产环境中实现刀具和机床的动态选择，这样做可以帮助现有的CAPP 系统生成具体的经济的工艺规划，还能帮助设计者有效地进行可制造性评估。总之，本文提出的机床刀具动态选择模型突破了常规的静态选择的思维模式，从动态选择的新视角，井融合协同和网络化的思想，为刀具和机床的正确选择提供了一个较完善的解决方案。