面向智能制造的數控切削工藝數據庫的構建

張 傲，范彩霞，張 磊，陳 寧

（黃河科技學院，鄭州 450063）

0 引言

中國機械工程學會李培根院士曾說“智能制造何以智？知識工程”，麥肯錫在《展望2025：決定未來經濟的12大顛覆技術》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換為“工程智能”，并驅動工業軟件和工業基礎實施，實現人和機器的重新分工，有助于把知識技術人員從重復性勞動中解放出來。

數控切削工藝數據庫的構建屬于工業信息化軟件技術領域，主要涉及到制造數據的搜集、整理、分析、反饋和優化，是智能制造進程的中堅環節。工藝工程師在數控切削工藝數據庫的知識下，其工作的形式和內容都會有很大程度的改變。

文獻[1]公開了美國進行機床加工數據管理的一個專利，其目的也是改進工藝，提高工效。瑞典科研人員在文獻[2]提出基于材料去除率和刀具使用壽命綜合最優前提下的切削參數，是當前切削參數優化的主要技術。文獻[3]和文獻[4]基于機床加工能量消耗最少進行機床加工參數優化，是該領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“切削數據庫的最新研究進展”提出“建立數字化設計/制造資源數據，它一般包括基本知識數據、被加工材料及刀具材料數據、機床設備數據、刀具數據、切削參數、設備參數、工時定額及圖形數據、典型工藝等，”較為詳細闡述了切削數據的集成技術、智能技術、優化技術和網絡支持技術，并在原有切削工藝數據庫的基礎上，該所開發了基于Internet會員制的切削工藝數據庫網上查詢系統[5]。

2013年北航提出了一種基于切削參數對接平臺的切削數據庫與數控編程系統的融合方法。構建了兩者之間的整體融合對接框架，建立了對接平臺與數控編程系統及切削數據庫的參數映射模型。使用戶能借助外部切削數據庫強大的功能快速獲取最優化的參數，并應用到UG數控編程過程中，較之前的切削參數數據庫，其與CAM軟件的集成性有了進一步提高[6]；2015年北航提出工程應用的通用型切削工藝數據庫研究與開發[7]，較少考慮與CAM的集成，可見，通用和專用切削參數數據庫的研究并存，是兩種完全不同的開發理念。

北京理工大學在2015年提出“建立基于加工特征的工藝路線知識庫系統的方法，根據零件的加工特征并引入布爾差運算獲得合適的工序模型組合，達到工藝規劃設計的目的[8]”，一方面布爾運算有一定復雜性；另一方面加工特征的遴選工作量非常大，實際生產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的切削數據庫，如基于工藝特征的航空發動機零件切削數據庫系統開發[9]；基于混合推理的大型機床零件切削數據庫系統[10]；航空航天典型材料切削數據庫系統的研究[11]；汽車覆蓋件淬硬鋼模具高速切削數據庫的研究[12]；不僅企業層面的專用，更多是產品零組件層面的專用定制。

1 數控工藝切削數據庫的體系結構

面向智能制造數控工藝切削數據資源體系將數控工藝切削數據庫的構建融入數控工藝師的工作流程中，如圖1所示。

其主要工作流程為：數控工藝師應針對本工廠的產品零件加工特征制定特征加工模板；在具體工序設計時能夠實現與切削數據庫雙向通訊；數控工藝師完成完整工藝設計后，將工具清單自動反饋給制造資源生產準備工程師，以便按優化后的切削參數供應相應的刀具。

圖1 切削數據庫體系結構圖

面向智能制造的數控工藝切削數據庫所帶來的直接有益效果是：一方面數據的收集組織融入數控工藝工程師的日常工作流程中，數據的可靠性高，重復利用潛能大；另一方面實現數控工藝師和生產準備工程師能夠共享生產現場工具資源數據，徹底改變了傳統的線性工作方式為并行工作方式，實現加工資源的高效流通和利用，切實給生產帶來效益。

2 數據庫在智能工藝規劃中的實現過程

數控切削工藝數據庫主要包括基礎技術單元及其與計算機輔助制造軟件平臺的切削參數集成通訊，其中基礎技術單元構成切削數據庫的技術核心，切削參數集成通訊單元構成切削數據庫的效率核心。

2.1 基礎技術單元

切削用量數據庫是基礎技術單元的核心，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是切削速度和進給量等加工用量的計算、存儲和優化區域。

工件材料數據主要包括材料名稱牌號、機械性能、切削性能及熱處理狀態。

切削機床數據主要是機床產品名稱型號、尺寸參數、電機參數、主運動和進給運動極限參數和精度指標。

切削刀具數據庫主要包括各種刀具基體材料得牌號、物理化學性質、刀具結構參數。刀具基體材料包括高速鋼、硬質合金、陶瓷等；刀具結構包括車刀、麻花鉆和銑刀等的幾何參數。

切削液數據包括切削介質型號，成分及應用范圍，并給出切削介質的供給方式。

切削輔助工具數據庫包括卡盤、回轉工作、虎鉗等參數數據。

2.2 切削參數集成通訊

常用的CAD/CAM軟件，如MasterCAM、UG等，都開發了各自的切削數據庫模塊，但數據量很少，并且其主要功能是存儲和查詢，沒有切削參數計算常用優化模型，無法滿足工藝設計的需要。

本切削數據庫的通訊模塊分為兩個部分，一個是專用切削用量查詢，數控工藝師只需要輸入少量的參數，就可直接調用相應的函數獲得需要的具體的切削參數數據，工作效率高，其開發的主要途徑是獲取CAD/CAM二次開發的權限，將參數查詢和優化計算的數學模型用二次開發語言寫入CAD/CAM軟件系統，實現與數據庫的通訊；另一個是全數據庫查詢接口，可采用各種程序設計語言，如Visual C++、C#和Java等，實現切削數據輸入、更新、刪除、統計等基本維護要求。

3 結束語

面向智能制造數控工藝切削數據資源體系將數控工藝切削數據庫的構建融入數控工藝師的工作流程中，以具有查詢和優化兩重功能的切削用量數據庫為專業技術核心，以切削參數集成通訊為軟件開發核心，實現切削參數及硬件加工資源的優化、共享，優化整個生產車間的業務流程。