切削數據庫的提出

技術文章  |  創建時間:2010-04-27  |  瀏覽量:3462次
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  切削數據是衡量切削技術水平高低的一個基本量值。采用合理的切削數據,可以充分發揮切削機床和切削刀具的功能,尤其對于各種自動化加工機床、數控機床和加工中心來說,自動化加工的輔助時間已大大縮短,這樣,在有效的加工時間內充分利用合理的或優化的切削數據,對提高整個加工系統的經濟效益更為重要。切削數據傳統上通常依據切削手冊、生產實踐資料或切削試驗來確定。切削手冊上的數據來源最廣泛,條理性一般較強,但針對性和準確性較差,通過查閱切削手冊來獲得數據,在信息量和方法的先進性上都非常不足;生產實踐資料對具體應用   企業    企業 而言,針對性較強,但數據太分散,缺乏規律性;通過切削試驗獲得的數據,最有針對性,但受試驗條件等多方面的限制,數據量極為有限,而且試驗條件與生產現場條件往往差別較大。   隨著科學技術的發展,計算機在切削加工中的應用日益增多,國內外已利用計算機來籌建切削數據庫,將切削加工中需用的數據和信息,按一定規律儲存在計算機中,可以根據需要調用、打印,也可以隨時進行修改和增刪。切削數據庫的內容應包括切削用量推薦值,根據加工條件,在不同的切削深度-進給量組合下,推薦不同壽命刀具下的切削速度,并計算功率消耗。除此之外,還應列入工件與刀具材料的牌號、成分、性能與機床的型號、性能參數等。由于計算機儲存數據高度密集,占空間小,便于修改、增刪,所以,凡是切削加工所需的數據,甚至切削實驗的曲線圖形及回歸公式(如Taylor公式、切削力經驗公式等)、數學模型等均可儲存在數據庫中。   2 國內外切削數據庫的發展現狀   自第一個切削數據庫誕生以來,世界各工業發達國家大都開發了各自的金屬切削數據庫。據不完全   統計    統計 ,迄今已有德國、美國、瑞典、英國、日本、挪威、比利時和匈牙利等12個國家建立了30多個金屬切削數據庫,提供各種形式的信息服務。對世界各國切削數據庫所作的調查情況(見表1)表明,目前切削數據庫中的數據來源于實驗室、生產車間及文獻,主要應用于車削、銑削、鉆削及磨削。   在已建立的切削數據庫中,當屬CUTDATA與INFOS最為著名。1964年,美國金屬切削聯合研究公司和美國空軍材料實驗所聯合建立了美國空軍加工性數據中心(AFMDC)。該中心開發的CUTDATA切削數據庫,是世界上第一個金屬切削數據庫,該數據庫包含大量的切削試驗數據,并且經過多次更新,比較全面、可靠,可以為3750種以上的工件材料,22種加工方式及12種刀具材料提供切削參數。德國1971年建立了切削數據情報中心 (INFOS)。該中心存儲的材料可加工性信息達二百多萬個單數據,成為世界上存儲信息最多、軟件系統最完整和數據服務能力最強的切削數據庫之一。   我國建立的切削數據庫是從20世紀80年代開始的。目前,國內有   成都    成都 工具研究所、南京航空航天大學、北京理工大學、西北工業大學、   上海    上海 工業大學、山東大學、哈爾濱理工大學和天津大學等單位,在切削數據庫方面開展了一些研究工作。   成都工具研究所在1987年建成了我國第一個試驗性車削數據庫TRN10,又于1988年從當時的聯邦德國引進了INFOS車削數據庫軟件 (在國內運行后,被稱為ATRN90),并加以改進,向國內推出其修訂版的ATRN90E。隨后又繼續開發并推出了車削數據庫軟件CTRN90V1.0。 CTRN90與原版INFOS比較,它改進、擴展了系統,增強了功能,增添了中國數據,應用了“可加工性材料組??切削材料副”的概念,實現了軟件的漢語化和英語化。它在漢化的VAX/CVMS操作系統環境中運行,用戶界面為人機對話方式,采用多層菜單驅動。軟件本身規模約為8MB,帶有11個專用子程序庫。采用了國內的機床、刀具和試驗數據,同時也包含了部分國外數據。1991年推出了CTRN90V2.0,1992年又推出了CTRN90V3.0。在上述   基礎    基礎 上,1998年開發了在Windows環境下運行的數據庫軟件。   南京航空航天大學是研究金屬切削數據庫比較早的高校,早在1986年,南航的張幼楨教授就對建立金屬切削數據庫的若干問題進行了探討,許洪昌等對金屬切削數據庫又進行了更深一步的研究,近年來,著重研究切削數據的優化和專家系統技術在切削數據庫中的應用。1988年,開發了一個專用切削數據庫軟件系統NAIMDS,1991年進一步開發了KBMDBS切削數據庫系統。   北京理工大學建立了一個主要面向硬質合金刀具材料和涂層刀具生產廠家的切削數據庫系統。根據切削數據的不同來源和特點,將其分為三大類:即濃縮型切削數據、離散型切削數據和資料型切削數據。北京理工大學對切削試驗曲線在切削數據庫中的存儲與繪制進行了研究,并在此   基礎    基礎 上實現了刀具磨損、刀具壽命、斷屑和切削力等六種試驗曲線的存儲和繪制,使金屬切削數據庫在功能上不僅能夠存儲數據,而且也能處理曲線。這對于豐富切削數據庫的內容,擴大切削數據庫的范圍,以及   工程    工程 數據庫的建立都有積極的意義。   除了各國均建立自己的切削數據庫外,   國際    國際 學術機構也開展了切削數據庫的研究開發工作,如于1995年成立的   國際    國際 生產   工程    工程 學會(CIRP)切削加工模型研究小組,從事切削加工預報模型的研究,為機械制造業提供切削參數,自1998年開始邀請世界著名研究機構加盟其切削數據庫的研究與建立。切削數據庫的建立帶來的經濟效益是非??曬鄣?。在CUTDATA建庫的初期,就為工業部門節約了1.6億美元。INFOS可使單件生產時間下降10%,生產成本下降10%。SWS經300多家   企業    企業 應用,平均每年可節約工時15%~40%。據CIRP對切削數據庫經濟效益的調查表明,切削數據庫可使加工成本下降10%以上。   3 建立切削數據庫的核心技術   切削數據庫的建立包括結構設計和應用軟件設計。切削數據庫結構設計包括切削數據的采集、處理和評價,切削數據的建立,切削數據的優化,切削數據的輸出和信息服務等功能。根據評價后切削數據的特征,可建立離散型切削數據庫或濃縮型切削數據庫。   離散型切削數據庫的數據量十分龐大,涉及到切削方式、工件材料、刀具材料及其幾何參數與結構、切削參數、切削液和機床等許多因素,以存儲檢索的方式管理該類數據。在數據庫概念結構設計中,首先建立切削數據的(實體?關系)模型,然后進行邏輯結構設計和物理結構設計。離散型切削數據庫中與切削數據有關的影響因素一般用代碼表示,切削數據庫里的關鍵字由影響切削數據選擇的各代碼疊加而成。因此,各種切削方式的關鍵字是不相同的,必須分別建立其相應的子庫,這就是切削數據庫的分庫技術。各子庫既要考慮它能在總控程序下運行,又要保證它能獨立運行,它采用??槭澆峁菇?。數據庫內部各影響因素的表之間應建立參照完整性,父表與子表之間具有約束關系,對表進行修改(記錄的插入、更新或刪除)時,計算機自動對相應的表進行操作,免去重復操作和由此可能引起的錯誤。   濃縮型切削數據庫用于存儲和管理各種切削數學模型的算式及其系數和指數、產生這些數學模型的切削加工條件等。   切削數據庫的應用管理程序應能滿足切削數據的輸入、更新、刪除、檢索和輸出等基本要求。目前,多采用窗口菜單顯示技術,同時在程序編制中采用循環嵌套,使系統具有相當的容錯和改錯功能。為防止切削數據庫系統被其他人員隨便檢索和修改,保證數據庫的安全性,可對其訪問進行控制及用戶認證,只有輸入正確的用戶名及密碼才可擁有數據庫的使用權。   4 切削數據庫存在的問題及發展方向   建立切削數據庫的根本目的是為生產實際服務,但已建立的切削數據庫及工藝數據庫,付諸實用的還不多,   分析    分析 其原因是多方面的:①企業對切削數據庫的重視不夠;②數據的信息量還不夠多,且尚未解決與CAPP、CAM等系統的聯接問題;③關鍵的問題是現有切削數據庫本身還存在一些問題,首先是切削數據的可靠性,由于數據的來源較多,有來自工廠的數據、實驗室的數據,還有來自各種手冊上的數據,這些數據應經過嚴格的   分析    分析 、處理和評估,否則,其應用效果必然不佳。同時,還有計算機軟件的問題,軟件功能的強弱對數據庫中數據作用的發揮至關重要。為了進一步促進切削數據庫的應用,切削數據庫正在向集成化、智能化、實用化和網絡化方向發展。   集成化   企業為了方便和準確地查詢本企業的制造資源,需要建立制造資源數據庫,它一般包括工藝基本定義和分類、機床設備、刀具、工藝裝備、毛坯種類、材料牌號、材料規格、工藝規則庫、工藝簡圖庫、工藝參數庫(切削參數、設備參數、工時定額表)和典型工藝庫等。切削數據庫與CAPP、CAD/CAM和 CIMS等聯機,作為制造數據庫的一部分,為這些自動化制造系統提供合理的切削加工數據,由切削數據中心向加工信息中心乃至生產信息中心發展,對加工過程中的規律、規則、數據和技術進行采集、評價、存儲、處理及應用。因此,切削數據庫對NC機床、加工中心及CAD、CAM、CAPP、CIMS等而言,是基礎數據的提供者,是CAM、CAPP、GT等先進技術的基礎。沒有數據庫的支持,就沒有真正的計算機集成制造系統,所以集成化是切削數據庫發展的必然趨勢。   意大利比薩大學開發的用于選擇刀具的COATS系統,實現了與CAPP系統的聯結,其輸入數據來自CAPP的其他子系統。一些計算機輔助設計與制造軟件開發商開發了一些切削數據庫???,如UGCAM中包含了一個功能強大的切削數據庫,通過數據庫的查詢,可以定義工件材料、刀具材料、刀具尺寸參數以及切削方法等,并通過數據庫的運算,獲得主軸轉速和進給速度的數據。UG CAM數據庫由五個子庫組成:工件材料庫、刀具材料庫、刀具尺寸參數庫、切削方法庫和切削速度庫。UGCAM數據庫的結構如圖1所示。刀具材料分為五類:高速鋼、無涂層整體硬質合金、無涂層可轉位硬質合金、涂層可轉位硬質合金及涂層高速鋼。切削方法分為四類:立銑、開槽、面銑和側銑。刀具類型有:立銑刀、面銑刀、T形銑刀、鼓形銑刀、UG5參數銑刀、UG7參數銑刀和UG10參數銑刀。工件材料類型有:碳素鋼、合金鋼、高速鋼、不銹鋼、工具鋼、鋁合金和銅合金。其他CAD/CAM軟件,如Pro/E、MasterCAM、Cimatron等,也都開發了各自的切削數據庫???。   智能化   傳統開發的切削數據庫和刀具管理系統所提供的數據,大多只是“靜態”的原始數據,比較具體、確定,從根本上來說,只能算作電子手冊,對于生產現場出現的種類繁多的加工方式、性能千變萬化的工件材料和刀具材料,僅靠“靜態”數據庫往往難以解決。目前,切削數據庫正朝著智能化方向發展,利用人工智能的方法來建立切削數據庫,使其具有“動態”特性。由于數據庫管理系統不能從存儲的數據中進行邏輯推理或作啟發性判斷,因而存儲數據的價值得不到充分發揮,而人工智能的優勢卻可以解決這一難題。把人工智能與切削數據庫結合起來,可以解決切削數據庫中一些難以解決的問題。智能化是20世紀80年代以來切削數據庫研究的重點,也是切削數據庫今后的發展方向。   智能化就是將切削專家的經驗,切削加工的某些一般規則與特殊規律存儲在計算機中,實現運行與決策。很多切削技術及其專家的經驗很難用嚴格的數學模型表達,如果將數據庫與人工智能技術結合,則是解決這類問題的最好方法。   專家系統由知識庫、推理機和人機界面三部分組成,其中最關鍵的部分是知識庫和推理機。COATS系統的知識表示采用了產生式規則。為了避免推理過程中出現多條規則同時滿足的不確定情況,給每條規則賦予一定的權重。刀具參數的選擇主要依靠知識庫中的規則及其權重,通過一定的算法運算來得到。 COATS系統大約有300條規則,用PROLOG語言寫成。賓夕法尼亞州立大學開發的切削加工參數選擇專家系統ESMDS的推理方式為正向推理,系統的開發語言為FORTRAN77。加拿大溫莎大學開發了基于零件特征的機床和刀具選擇專家系統,該系統用專家系統開發工具EXSYS開發,知識表示采用產生式規則(共122條),推理方式為逆向推理。南斯拉夫開發了產生式規則和矩陣方法表示知識的刀具自動選擇專家系統。國家“863”計劃資助北京理工大學開發的CIMS 環境下的切削數據庫和專家系統(BYJC-CIMS-MDES),將切削數據庫和專家系統服務多種功能加以集成,把專家系統中知識庫的設計與數據庫相結合,取得了較好的效果。   專家系統采用規則匹配推理,適于容易找到因果關系的領域,切削加工中的有些現象卻很難用規律性的知識和因果關系來描述,規則匹配推理也需解決規則沖突問題。此外,還有利用人工神經網絡、模糊算法、基因遺傳算法等,用于切削數據的計算推理,英國開發了基于實例推理的智能磨削參數選擇系統,山東大學正在開發基于實例推理的刀具材料與切削參數選擇的高速切削數據庫。   根據人工智能學說,智能系統的智能越高,系統開發的成本就越大,所以,智能化切削數據庫的開發研究,應充分利用目前智能技術和信息科學等領域已有的科研成果,綜合人與計算機的各自特點,從而開發出新型的智能切削數據庫,以滿足企業對切削數據合理使用的要求。   實用化   通用切削數據庫提供針對不同機床、不同切削方法、不同刀具材料的切削工藝參數,能夠根據不同的加工條件,提供優化的刀具角度、切削速度、進給量等切削用量和切削液等一系列切削參數。但是,建立通用切削數據庫是一項巨大的工程,要耗費大量的人力、物力和資金。作為一個公司、一個行業范圍來說,它用到的刀具、工件材料是有限的,基本切削數據可以通過資料獲得并經實踐檢驗。因此,建立一個公司自己的數據庫是有必要的,并且不會太困難。   許多刀具生產商和研究機構開發了計算機刀具數據管理(Tool Data Management,TDM)系統,如德國Walter公司的TDMeasy軟件,向用戶推薦該公司的各類刀具加工不同工件材料時的切削參數。 Walter公司的TDM刀具管理軟件具有縮短計劃時間、使調整時間和工序間斷時間降至最低、減少刀具種類、促進刀具標準化、減少刀具庫存,以及對刀具訂貨進行控制的功能等。SandvikCoromant公司開發的AutoTAS刀具管理軟件,有11個集成???。軟件可為該公司提供3000多種刀具的 CAD模型(幾何尺寸、檢測、裝配),可自動選擇該公司樣本與電子樣本中的刀具使用,提供各種刀具的庫存位置、成本、   供應    供應 商、切削性能、刀具壽命及要加工工件的信息。AutoTAS刀具管理軟件還提供刀具庫存管理、購買、   統計    統計 分析,報表,刀具室計劃與質量控制等功能。   Kennametal公司也開發了自己的刀具管理軟件KATMS與ToolBoss。Datos計算機公司推出的刀具   供應    供應 軟件收錄有30多種刀具,并提供大量的信息,本身計算出的或獲取的切削數據可以集成在軟件內。Mapal公司推出的全球刀具管理系統可為用戶提供正確的刀具品種和數量,可為用戶建立服務部,負責刀具的重磨、調整、發放等業務,幫助用戶分析、評價加工過程等。Gunther公司和Seco公司的刀具電子樣本可幫助用戶正確選擇和使用切削刀具。EMUGE FRANKEN公司的刀具電子樣本可計算和分析加工成本,還可對多功能刀具(如鉆-銑螺紋刀具)提供編程指南和G代碼的運行程序。   德國CIM公司研制了金屬切削刀具的電子信息系統(在CDROM盤上,一般稱為CIMSOURCE),包括世界17個主要刀具公司生產的 115000種以上的刀具數據。CIMSOURCE系統對刀具用戶的服務,包括為刀具用戶提供標準化圖形、優化控制刀具業務和優化組織大批或成批的刀具供應。CIMSOURCE系統的電子目錄可幫助用戶了解世界刀具   市場    市場 推出的品種繁多的產品,并可獲得較深入的信息,以便進一步用來準備具體的加工工藝過程。刀具供應商采用CIMSOURCE系統,可保證做到:①精確、按時地將刀具提供給用戶;②因供應的刀具是以電子產品形式的,故價格最佳;③可擴大   市場    市場 和便于用戶進入全球性貿易網絡。   國內許多研究機構和企業對刀具管理系統進行了研究開發,如國家“863”計劃資助清華大學開發的面向CIMS的計算機輔助刀具管理系統,濟南輕騎發動機廠開發的適合自己企業的計算機刀具管理系統等。西北工業大學還開發了14種常用鈦合金的車削數據庫。   上海    上海 工業大學建立了一個適合石油行業的車削數據庫。航空工業部進行了航空金屬材料切削數據庫的籌建工作。哈爾濱理工大學開發了PCBN 刀具切削數據庫。山東大學正在籌建高速切削數據庫和陶瓷刀具切削數據庫及模具切削加工數據庫。天津大學與   汽車    汽車 廠家合作,建立了一個針對   汽車    汽車 廠家使用的金屬切削數據庫。上海交通大學建立了旋轉刀具/切削數據庫。   網絡化   迅速發展的Internet技術,給切削數據庫應用領域帶來了新的活力,網絡化強調數據交換和資源共享,將是未來切削數據庫技術發展的主要趨勢。   目前,世界著名刀具制造公司紛紛開設了自己的網站,通過訪問這些網站,用戶可以了解該公司的概貌、目前的生產科研情況、新產品目錄、特點、報價和出版物等,有的還可以提供切削參數,有的可以下載軟件,如下載刀具制造的標準程序和刀具選擇軟件,以及刀具CAD圖紙等。如Guhring公司在網上提供免費的刀具管理軟件。CIMSOURCE也已納入Internet,并以對話方式工作,將全世界的用戶聯系起來,不斷獲取關于切削刀具的信息。 CIMSOURCE可幫助解決下列刀具制造和使用問題:切削刀具的選擇、切削加工工藝、提供信息網絡內的訂單、刀具的圖形信息、刀具的生產和刀具的出口數據。   切削數據庫在向著集成化、智能化、實用化和網絡化方向發展的同時,一方面需要進行信息模型、數據模型、開發設計理論與模式等方面的基礎性研究;另一方面還應進行切削數據的標準化工作,切削數據的標準化是切削數據庫技術推廣應用和穩定發展的保障。   5 結論   結合國內外切削數據庫研究開發現狀,本文分析了切削數據庫研究及應用過程中存在的問題,著重探討了切削數據庫的發展趨勢,指出了切削數據庫的未來研究方向:切削數據庫應向集成化、智能化、實用化和網絡化方向發展;要開展切削數據庫信息模型、數據模型、開發設計理論與模式等方面的基礎性研究;同時,還應進行切削數據的標準化工作,切削數據的標準化是切削數據庫技術推廣應用和穩定發展的保障。

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