基于Web和加工特征的車削刀具選擇系統(tǒng)開發(fā)

夏 鵬，趙 武，胡炳星

（四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610065）

0 引言

在整個(gè)生產(chǎn)制造系統(tǒng)中，刀具占有獨(dú)特的地位，關(guān)系著企業(yè)整個(gè)生產(chǎn)鏈的競爭力。隨著制造業(yè)的快速發(fā)展，用戶對產(chǎn)品加工多樣性、尺寸精度的要求越來越高，同時(shí)切削刀具新型材料的種類越來越多，致使工藝人員在編制工藝和進(jìn)行刀具選擇時(shí)遇到了很多困難，從而造成工件報(bào)廢或刀具資源的浪費(fèi)[1,2]。

為了提高刀具利用率、降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，國內(nèi)許多研究工作者對刀具的選擇進(jìn)行了大量研究并開發(fā)了一系列刀具選擇系統(tǒng)[3～5]。但是這些刀具選擇系統(tǒng)主要采用C/S結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)交互性差、使用范圍很小、開發(fā)及系統(tǒng)維護(hù)成本高，而采用B/S結(jié)構(gòu)能很好地解決這些問題。

隨著某汽輪機(jī)企業(yè)的產(chǎn)品逐漸豐富，近年材料種類增多，與之對應(yīng)的各種先進(jìn)切削加工技術(shù)和新型刀具得到了較為廣泛的應(yīng)用，切削加工時(shí)間和生產(chǎn)輔助時(shí)間都在不斷縮短。特別是隨著具有挑戰(zhàn)性的工件材料、日益復(fù)雜的工件幾何形狀、大型尺寸工件、日益特殊的質(zhì)量和性能要求等問題的產(chǎn)生，刀具選擇成為一個(gè)突出、具有挑戰(zhàn)性的問題?；谶@一現(xiàn)狀，特建立基于Web技術(shù)、B/S結(jié)構(gòu)的開發(fā)方式，以工件材料為主線、以加工方法為查詢?nèi)肟诘能囅鞯毒哌x擇系統(tǒng)。

1 基于加工特征的車削刀具選擇方法

車削刀具選擇的效率不僅取決于系統(tǒng)的開發(fā)工具和體系結(jié)構(gòu)，同時(shí)與刀具的選擇流程和良好的數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)相關(guān)。合理選擇刀具的前提條件是確定刀具選擇的原則和方法。由于整體式刀具價(jià)格昂貴、柔性不夠，本系統(tǒng)采用模塊式的刀具選擇方式，將刀具的選擇分化為對刀片和刀體的選擇。

1.1 車削刀具選擇原則

通過分析加工特征及工序?qū)Φ镀偷扼w的影響后，確定了刀具選擇原則，主要包含以下九個(gè)方面：

1) 刀片材質(zhì)選擇：依據(jù)工件材料牌號、類型、熱處理狀態(tài)和硬度等；

2) 刀片形狀選擇：依據(jù)工件表面形狀、主偏角、加工方法等；

3) 刀片槽型選擇：依據(jù)工件材料類型、精度特征等；

4) 刀尖圓弧半徑選擇：依據(jù)精度特征、表面粗糙度、切削類型等；

5) 刀片尺寸選擇：依據(jù)有效切削刃長度、主偏角等；

6) 刀片后角選擇：依據(jù)工件材料類型、精度特征等；

7) 刀片精度選擇：依據(jù)精度特征等；

8) 刀體頭部形式選擇：依據(jù)主偏角、精度特征等；

9) 刀體接口規(guī)格選擇：依據(jù)機(jī)床等。

1.2 車削刀具選擇方法

根據(jù)企業(yè)多年收集的數(shù)據(jù)及刀具選擇的原則，建立加工特征-刀片規(guī)則庫、加工特征-刀體規(guī)則庫、刀片-刀體規(guī)則庫、機(jī)床-刀體規(guī)則庫。根據(jù)待加工工件的加工特征等信息，通過正向推理的方式，查詢出與加工特征相關(guān)的刀片和刀體，再通過刀片-刀體規(guī)則庫中的刀片特征碼匹配，特征碼符合要求，就可將刀片和刀體組裝成刀具，如果刀片特征碼不符合刀體的要求，則重新選擇刀片。需要說明的是，由于不同的加工方法選擇刀具的具體方法不同，因此在進(jìn)入系統(tǒng)刀具選擇界面前，需要先選擇加工方法（由工件材料確定），以普通車削為例，圖1所示為車削刀具選擇系統(tǒng)中普通車削的具體選擇方法。

圖1 車削刀具選擇方法

2 基于Web的車削刀具選擇系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)B/S結(jié)構(gòu)

采用B/S結(jié)構(gòu)的方式來開發(fā)車削刀具選擇系統(tǒng)，用戶在任何地方只需根據(jù)管理員分配的用戶名和密碼在客戶端瀏覽器上輸入系統(tǒng)首頁的網(wǎng)址即可完成與服務(wù)器的數(shù)據(jù)通信，從而使用刀具選擇系統(tǒng)進(jìn)行刀具選擇。同時(shí)為了給用戶提供跨平臺服務(wù)、友好易用的人機(jī)界面和快速的系統(tǒng)響應(yīng)，本系統(tǒng)采用Java技術(shù)中最常用的SSH2框架和采用B/S的四層模型開發(fā)。

1）表示層：由Struts2實(shí)現(xiàn)、ExtJS腳本語言開發(fā)。表示層負(fù)責(zé)客戶端對應(yīng)用程序的訪問，接收用戶的表單數(shù)據(jù),管理用戶對系統(tǒng)操作的請求和響應(yīng)，接收業(yè)務(wù)邏輯層處理后的結(jié)果，進(jìn)行布局整理后展示給客戶端用戶。

2）業(yè)務(wù)邏輯層：采用Spring架構(gòu)開發(fā)，降低了組件間的依賴性，提高了系統(tǒng)開發(fā)效率。Web服務(wù)器接收用戶在瀏覽器上提交的請求后,調(diào)用相應(yīng)的業(yè)務(wù)處理邏輯進(jìn)行處理，與持久層進(jìn)行數(shù)據(jù)通信后，再將處理后的結(jié)果提交給用戶。

3）持久層：采用Hibernate開發(fā)。負(fù)責(zé)應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)交換，對刀具選擇系統(tǒng)的基本信息進(jìn)行增刪改查，同時(shí)采用緩存機(jī)制，使刀具查詢效率更高。

4）數(shù)據(jù)庫層：采用體積小、速度快、維護(hù)簡單的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)MySQL開發(fā)。存儲系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)，負(fù)責(zé)給持久層提供數(shù)據(jù)。

2.2 系統(tǒng)功能模塊

車削刀具選擇系統(tǒng)的主要功能模塊如圖2所示。

1）基本信息管理模塊：管理人員通過對刀具、品牌、工件材料、機(jī)床等信息進(jìn)行批量管理和維護(hù)，及時(shí)更新系統(tǒng)數(shù)據(jù)；進(jìn)入刀具信息等子模塊，根據(jù)用戶輸入的關(guān)鍵詞，可查詢到相應(yīng)信息。

2）車削刀具選擇模塊：以加工方法為入口，根據(jù)加工工序、加工精度等加工特征和工件材料特征進(jìn)行刀片選擇，根據(jù)加工特征、機(jī)床接口類型進(jìn)行刀體選擇。

3）規(guī)則管理模塊：對加工特征-刀片、加工特征-刀體、刀片-刀體和機(jī)床-刀體規(guī)則進(jìn)行及時(shí)更新，保證推薦的刀具是最合理的；其模塊是通過基本信息管理模塊建立起來的。

4）角色權(quán)限管理模塊：系統(tǒng)基于B/S結(jié)構(gòu)開發(fā)，為了保證系統(tǒng)的安全性，提供組織機(jī)構(gòu)、人員和角色的管理及授權(quán)功能，保證不同用戶對信息查詢和維護(hù)具有不同的權(quán)限。

3 系統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

在整個(gè)車削刀具選擇系統(tǒng)的開發(fā)中，數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)處于核心部分，數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的合理性不僅影響刀具查詢和管理的效率，而且關(guān)系著刀具選擇系統(tǒng)的后期維護(hù)。在整個(gè)車削刀具選擇系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的概念設(shè)計(jì)、邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段非常重要。

圖2 系統(tǒng)功能模塊圖

3.1 概念設(shè)計(jì)

概念設(shè)計(jì)是將車削刀具選擇系統(tǒng)中的刀具選擇方法所涉及的數(shù)據(jù)表示成一個(gè)直觀的、能反映出各實(shí)體間關(guān)系的視圖，為了便于用戶理解，建立視圖采用E-R模型的方式。由于刀具的選擇主要涉及工件材料、加工特征、刀片、刀體、機(jī)床等實(shí)體，根據(jù)各實(shí)體之間相互影響的關(guān)系，用圖3表示車削加工過程中的E-R模型，并作如下說明：1）數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計(jì)以工件材料為主線；2）由于車削刀具、工件、機(jī)床的信息非常復(fù)雜，為簡潔清楚，圖3中未全部畫出它們的實(shí)體及屬性。

3.2 邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在建立數(shù)據(jù)庫時(shí)，根據(jù)不同的加工方法設(shè)計(jì)不同的數(shù)據(jù)關(guān)系表，可以保證當(dāng)?shù)毒卟牧匣蛘叻N類很多時(shí)，進(jìn)入刀具選擇過程后系統(tǒng)能自動(dòng)篩選出與加工方法有關(guān)的刀具，極大地減少了數(shù)據(jù)檢索消耗的時(shí)間，提高了刀具查詢的效率。限于篇幅，本文以車削中的普通車削為例，用Navicat Premium數(shù)據(jù)庫管理工具創(chuàng)建的普通車削關(guān)系表如圖4所示。

普通車削數(shù)據(jù)關(guān)系表主要包含工件材料表、刀片表、刀體表、加工精度表等與刀具選擇相關(guān)的表。首先通過加工精度ID查詢到刀片槽型ID、工件材料ID查詢到刀片材質(zhì)ID、品牌ID查詢到刀片品牌ID，通過加工特征-刀片、刀片-刀體規(guī)則庫的匹配，查詢出刀片表中的刀片ID，再通過機(jī)床-刀體規(guī)則庫的匹配查詢到刀體接口規(guī)格、品牌ID查詢到刀體品牌ID，通過加工特征-刀體、刀片-刀體規(guī)則庫的匹配以及已查詢到的刀片ID，進(jìn)而查詢出刀體表中的刀體ID。

圖3 車削E-R模型

圖4 普通車削數(shù)據(jù)關(guān)系表

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)例

在確定了系統(tǒng)的體系框架、刀具選擇方法以及數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)思路后，采用Java開發(fā)工具M(jìn)yEclipse和Web技術(shù)來開發(fā)車削刀具選擇系統(tǒng)，如圖5所示。圖5的左邊欄即是系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊，右邊欄是刀具選擇的具體實(shí)現(xiàn)。

圖5 刀具選擇界面

根據(jù)待加工工件的加工特征確定加工方法后，用戶即可點(diǎn)擊車削系統(tǒng)管理中相應(yīng)的加工方法來選擇刀具，默認(rèn)為界面【刀片選擇】。以普通車削為例，選擇工件材料牌號、加工精度、刀片形狀、刀片后角等，通過Web與數(shù)據(jù)庫交互生成與待加工工件加工特征相關(guān)的刀片列表，當(dāng)打開刀片選擇界面下方的【通過選擇條目過濾刀片】后，能通過刀體表中的刀片特征碼自動(dòng)篩選出匹配該刀片的刀體，極大地提高了刀具選擇的效率。同時(shí)也可點(diǎn)擊【刀體選擇】，通過選擇普通車削中的加工方法小類（如圖中所選的外圓車削、刀頭形式（即主偏角）、刀具方向、接口規(guī)格、夾緊形式等，與選定的刀片互相約束生成刀體列表。根據(jù)選定的刀片、刀體與刀具數(shù)據(jù)庫進(jìn)行匹配后，完成刀具的組裝。

5 結(jié)論

本文通過確定車削刀具選擇方法和采用基于規(guī)則推理的方式來選車削刀具。系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)的四層模型，使車削刀具選擇系統(tǒng)具有開發(fā)簡單、維護(hù)簡單、跨平臺性好的特點(diǎn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對刀具的快速查詢和管理。

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