基于知识的刀具数据库系统.doc

基于知识的刀具数据库系统
摘要：通过确定刀具结构关系和加工信息，建立刀具结构知识库和加工方案知识库，实现智能选刀和加工方案查询功能；开发软件接口和其余信息系统相连，达到资源共享的目的。
关键词：知识库 刀具结构知识 加工方案知识 系统扩展
1 名词及术语
刀片：安装在刀体上，直接作用于工件，是参与切削的主要部分。如图1a所示。
刀体：刀体主要功能是安装刀片，连接刀柄系统。刀片通过螺钉安装在刀体上，切削时，刀体为刀片提供支撑。如图1b所示。
刀柄系统：其主要作用是连接主轴与刀具，使刀具达到所要求的位置与精度，传递切削所需扭矩及保证刀具的快速更换，模块式结构的刀柄系统由多个部件组成。
基础柄：刀柄系统部件之一，直接连接机床主轴。如图1c所示。
接柄/夹头：刀柄系统部件之一，其下接口直接连接刀体，或者通过减径套与夹套与刀体相连。如图1d所示。
加长接杆：一般连接在基础柄和接柄之间，当基础柄和接柄相连长度不能满足加工要求时，可以通过加长接杆来增加刀具悬深。如图1e所示。
夹套：配合弹性夹头接柄使用，特点是其可以接某一系列直径的刀体。如图1f所示。
减径套：是接柄的可选配件，安装减径套后，接柄能连接直径小于其下接口尺寸的刀体，但一类减径套只能连接一种直径的刀体。如图1g所示
上接口：本文中，从主轴向下到刀体，每个部件连接时靠近主轴一端的接口。
下接口：本文中，从主轴向下到刀体，每个部件连接时靠近刀体一端的接口。

a刀片 b刀体 c基础柄 d接柄/夹头 e加长杆 f夹套 g减径套
图1 刀具系统
2 需求分析
随着技术的发展，刀具成为制约提高生产效率的最大瓶颈之一。在技术不断积累的过程中，数控人员逐渐发现，以往使用普通高速钢刀具，已经不能完全适应目前的生产需要，高速刀具的使用成为提高生产效率，改善工件表面质量的一条必经之路。在我厂高效加工的试点中，大量实例证明这一点。
然而在试点的过程中，也发现了一些问题：
1．新刀具和新工艺的采用积累了大量的数据和经验，但是这些数据往往保存在个人手中，缺少科学的储存、参考和检索。
2．由于条件限制，不能一次性购入所需刀具，只能分批购入。保证不同批次购入的不同厂商的刀具通用性就成了急需解决的新问题。
3．粗加工刀具模块化程度加大，刀柄系统众多，组合可能性多种多样，如何针对加工零件选择最优组合也是一个复杂的问题。
解决这些问题的一个主要途径是建立刀具数据库系统：将所有刀具录入到数据库中，通过给定刀具结构关系，辅助选刀；同时还可以显示每个刀具部件的状态、数量，采购人员了解到刀具的库存，确定；还应能查询该类刀具加工过的零件以及加工方案。
3 系统结构
3.1 系统功能
本文所研究的刀具数据库系统应该具有以下的功能:
a. 刀具参数收集；
b. 刀具按结构和类型分类，结合刀具内部结构关系，实现智能选刀，并查询刀具参数；
c. 典型零件加工工艺数据的储存和查询，利用已有的大量经验数据实现相似加工条件下的切削参数策略；
d. 实现通过机床、材料、刀具牌号查询相关工艺数据；
e. 系统具有良好扩展性，通过接口与相关的CAD/CAM单元相连，实现数据的共享。
3.2 系统设计
根据功能需求，将系统划分为以下五个模块：
a. 刀具数据库：刀具及其相关部件的几何参数及实体模型；
b. 用户模块：用户操作界面，能实现查询、录入、用户登录、权限设置等；
c. 刀具结构知识库：刀具部件的组合装配约束条件作为知识录入知识库；
d. 加工方案知识库：储存录入的加工方案，并定义查询关键值
e. 与其它系统接口：可以接收其他系统的参数并输出参数给其他系统。

图2 系统结构
3.2 系统结构
系统结构及各功能模块管理人员如图3所示：

图3 系统结构

4 刀具结构知识描述
在本文中所指的刀具若无特殊说明，都为铣刀。
4.1 刀具的分类
常用刀具可分为：整体硬质合金刀和可转位铣刀。整体硬质合金刀可细分为立铣刀、仿形铣刀和槽铣刀等。可转位铣刀可细分为面铣刀、方肩铣刀、仿形铣刀和槽铣刀等。按照刀具接口类型可分为圆柱直柄型、侧固型、CAPTO型、螺纹型等。
4.2 刀具结构关系
广义上一把完整的刀具是由许多部件组成，根据各自的功能不同，从主轴向下可以分为：刀柄（直接和主轴相连）、接柄（夹头）、刀体等。狭义上的刀具仅指刀体部分。本文中指的是广义上的刀具。文中将刀具分为两大部分，刀体和刀柄系统。在实际情况中，刀具的组合方式灵活多变，可以根据加工需要，通过加减部件来满足加工需求。
选择刀具时考虑的因素有直径、切削长度、最高转速等。满足加工的刀体和刀柄连接方式有很多种，例如刀柄直接和刀体相连；刀柄通过减径套连接一系列直径的刀体；刀柄连接加长杆再连接刀体等。
刀具部件之间组合灵活，本文中将刀具部件内部的关系分成三大块，分别是刀体和刀片、刀体和刀柄系统和刀柄系统之间的关系，以下将对这三种关系分别进行研究。
4.2.1 刀体和刀片
刀体主要功能是安装刀片，刀片通过螺钉安装在刀体上，切削时刀片作用在工件上，刀体为其提供支撑。
不同的厂商对于刀体分类方法有所不同，总的说来，刀体可分为：立铣刀、插铣刀、面铣刀和玉米粒铣刀等。在每一种刀体中，按照直径大小、切削载荷、功能、转速等不同需求，又有不同的结构参数。
刀片分类方法有很多，例如：
根据形状可分为方形、圆形、菱形、椭圆形等。
根据载荷可分为轻载、中载和重载等。
根据槽形可分为普通、锋利和锐利等。
刀具和刀体之间有很多种搭配，不同刀体的结构限制了其上能安装刀片的类型。一般说来，按照切削要求，一种刀体可以选择适合的不同刀片；适合某一型号刀体的刀片，不能安装在其他型号刀体上；不同厂商结构相似的刀体之间的刀片也不能互换。
4.2.2 刀体和刀柄系统
刀体通过刀柄系统连接到机床主轴上，不同种类刀体的连接方式也有所不同，一般说来可以分为柄部连接和内孔连接两种。
立铣刀、插铣刀、方肩铣刀大多使用刀体柄部和刀柄系统相连，根据连接类型，刀体可分为圆柱直柄式、侧固式、Capto式、螺纹式等。
大直径面铣刀和侧铣刀大多使用内孔和刀柄系统相连，根据连接方式，刀体可分为圆柱直柄式、侧固式、心轴式和Capto等。
适合柄部连接的刀体按照夹紧方式可分为热胀式、液压式、侧固式和弹簧夹头式。
不同类型的刀柄需要不同类型的刀杆，在选择刀具系统的时候一般说来需要注意以下几点：
热胀式刀柄只能使用圆柱直柄式刀体，对刀体柄部精度要求很高，通常在h6级以上。
侧固式刀柄可以使用侧固式和直柄式两种刀体。
液压式刀柄只能使用直柄式刀体。
Capto式刀柄使用的是瑞典Sandvik公司开发的Capto接口，接口类型有C3、C4、C5、C6等几种，每种刀柄要求对应的刀体柄部也是Capto式，并且接口类型相同。
4.2.3 刀柄系统
刀柄系统将刀具和主轴连接在一起，并能传递转速和扭矩。从机床主轴到刀具，刀柄系统可分为如下部分：基本刀柄、加长接杆、接柄/夹头、夹套，如图4所示：

图4 刀具的组合
由图上可以看出按照切削条件，刀柄系统和刀具的组合方式有很多种，目前各大刀具厂商都在大力发展模块化刀柄系统，目的在于让刀柄的使用更加灵活。
刀柄上接口直接和主轴相连，按照主轴类型，上接口类型可分为：HSK、ISO（BT）、Capto等类型，机床主轴决定了刀柄的上接口类型和尺寸。
如上图所示，刀柄下接口可以接刀柄系统，也可以直接接刀具，一般下接口类型可分为：Capto、圆柱式、螺纹式等，其后接的刀柄系统或刀具也必须是同样的接口。
其中夹套和减径套只能接圆柱直柄式刀刀具。

5 加工方案知识构成
由上可知，一份完整的加工方案应该包括：刀具使用信息、切削参数、说明和备注等。
5.1 刀具使用信息
刀具使用信息包括加工中刀体和连接系统的使用情况。刀具购买后，由专人负责刀具参数信息录入，所有信息来源于厂家样本，录入时以订货号为指针。实际加工中，由数控编程人员记录下使用刀具的订货号，根据订货号可以得知所用刀具参数，如直径、切深、切宽、上下接口尺寸等信息。
5.2 切削参数信息
切削参数是指加工中每一把刀具的使用情况。由数控编程人员在车间跟产时录入，切削信息应包括切削宽度、切削深度、实际转速、实际进给、主轴负载、刀具悬深等信息。
5.3 说明信息
说明信息应包括零件名称、零件代号、加工机床、加工、工艺、编程、设计、工序等信息，由数控编程人员在跟产中录入。
5.4 备注信息
备注信息应包括对该加工方案的辅助说明，例如加工中注意事项、下刀点、出现过的问题等。
6 基于知识的选刀功能
6.1 选刀功能的实现
以上选刀功能是根据上文所述的刀具结构关系实现的。例如：新购买一把SandVik公司直径为16mm的球头立铣刀，订货号为R216.10A16.050，圆柱直柄。同时购进配套刀片2种R216.16.03.E-M，适合加工铸铁；R216.16.03.M-M适合加工铝合金。将刀具和刀片分别录入到数据库中，并且使刀片做为刀体一个属性。只有建立过联系的刀片才会在选中该刀体时，出现在被选列表中。
在选择刀柄系统时，以刀体上接口类型（圆柱直柄D20）为查询关键值，系统自动在数据库中搜索以往录入的刀柄部件，搜到下接口为圆柱直柄D20的刀柄部件时，系统再读取该部件的类型值（基本刀柄、接柄、加长杆等）最后显示在对应的列表中。
当直接接基本刀柄长度不够时，可以先接一个接柄，这时系统根据接柄的上接口类型（例如C5），在数据库中搜索刀柄部件下接口，最后将搜索结果显示出来。这样通过关键值的判断实现了刀具的智能推断。基于知识的选刀流程如图5所示。

图5基于知识的选刀流程
7 加工方案知识查询功能
数控人员将加工方案录入到数据库中后，就能根据录入的关键字对方案进行查询。
信息查询功能主要有：
a. 根据刀具查询
b. 根据工件查询
c. 根据加工特征查询
d. 根据机床查询
7.1 根据刀具查询
根据刀具结构中的加工特征，例如直径、加工长度等，查询符合条件的刀具所加工过的所有零件，以及详细参数。即调出刀具加工参数信息表。
也可以直接根据刀体的订货号，可以查出所加工过的工件的详细参数信息。
7.2 根据工件查询
根据工件名称、图号、编制者等信息查询加工信息。
例如：查询“发动机舱体”，则列出加工“发动机舱体”相关信息，如刀具、机床等，通过再次点击，可以调出“刀具结构表”、“加工方案表”等，得到该工件的详细加工信息。
在加工方案表里，根据订货号，查询刀体、刀片、刀柄、接柄等详细信息。
7.3 根据加工特征查询
根据加工信息查询包括典型零件结构查询和走刀方式查询。
典型零件结构是指“刀具使用信息”表中的“加工类型”字段，例如：深腔、斜面、空间曲面、深孔等。典型零件信息事先由管理员输入，查询时通过下来菜单选择。
例如：查询“空间曲面”，则列出所有加工过“空间曲面”的相关信息，如刀具、机床等；通过再次点击，可以调出“刀具结构表”“加工方案表”等，得到详细加工信息。
走刀方式是指“刀具使用信息”表中的“走刀方式”字段，例如：坡走铣、方肩铣、面铣、插铣等。典型零件信息事先由管理员输入，查询时通过下来菜单选择。
例如：查询“插铣”，则列出所有加工过“插铣”相关信息，如刀具、机床等，通过再次点击，可以调出“刀具结构表”“加工方案表”等，得到详细加工信息。
7.4 根据机床查询
根据机床名称信息查询加工信息。
例如：查询“VC3500”，则记录中所有“VC3500”加工过的零件，通过再次点击，可以调出“刀具结构表”、“加工方案表”等，得到该工件的详细加工信息。
8 系统扩展与集成
是否具有扩展性，是否能通过接口和其他系统连接起来，是一个系统完善与否的标志。基于知识的刀具管理系统与其他系统的集成如图6所示。

图6 基于知识的刀具管理系统与其他系统集成
9 总结
在一个现代化的制造企业，尤其是机械制造加工企业，往往有上千种不同的刀具、夹具、工量具需要管理。刀具，作为参与制造活动的重要辅助工具，对制造系统的柔性、生产率起着举足轻重的作用；同时，刀具又是较昂贵的消耗性资源，并且数量巨大、信息繁多。由于加工的需要，大量刀具频繁地在生产过程中流动和交换，刀具配置和容量等信息也在不断的发生更改，这就迫切需要功能强大的基于知识的刀具管理系统对刀具进行调度、管理，以实现数控用刀具的管理和预调，从而缩短生产准备时间，降低刀具库存量，提高刀具利用率。
9