離散型制造企業(yè)刀具信息提取及固化方法研究

丁東旭， 南博儒， 張永紅

(航空工業(yè)慶安集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710077)

在制造企業(yè)中，首件(批)零件檢驗(yàn)[1]合格后，工藝人員需收集首件(批)生產(chǎn)過程中的工藝要素(機(jī)床、刀具、夾具、數(shù)控程序等)和工藝過程并將其固化，以保證后續(xù)生產(chǎn)過程的質(zhì)量穩(wěn)定性。對(duì)于離散型制造企業(yè)[2]，每年首件(批)零件種類多，新研產(chǎn)品迭代頻繁，工藝要素固化工作煩瑣。其中刀具固化的工作量相較于其他要素固化的工作量更是呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。刀具固化過程是指試切人員在首件(批)檢驗(yàn)合格后，在工藝人員提供的原有刀具清單的基礎(chǔ)上，將試切過程中調(diào)整的刀具信息反饋給工藝人員。工藝人員依據(jù)反饋信息將原有刀具清單完善后固化。由于刀具固化工作煩瑣、固化工作量大，如何高效準(zhǔn)確地回歸固化刀具信息成為離散型制造企業(yè)亟待解決的問題。

刀具信息傳遞是刀具固化的關(guān)鍵技術(shù)，目前常用的刀具信息傳遞的方法有射頻識(shí)別技術(shù)(Radio Frequency Identification，RFID)和條碼識(shí)別技術(shù)，這些識(shí)別技術(shù)針對(duì)刀具信息的識(shí)別、傳遞、跟蹤給出了很好的解決方案[3]，但是在刀具固化場(chǎng)景的應(yīng)用中有一定的局限性。首先，刀具固化過程是在原有刀具清單的基礎(chǔ)上修改后完成的，所以應(yīng)用識(shí)別技術(shù)進(jìn)行刀具固化無法重用原有刀具清單中的信息。其次，上述識(shí)別過程需識(shí)別每個(gè)元件的信息，刀具由多個(gè)元件組成，因此通過識(shí)別技術(shù)記錄刀具信息在刀具固化場(chǎng)景中的應(yīng)用的效率并不高。通過分析其他需固化的工藝要素可知，數(shù)控程序通過DNC(Distributed Numerical Control)系統(tǒng)回傳固化的固化效率很高，并且數(shù)控程序依賴于刀具并與刀具一一映射，數(shù)控程序中包含了刀具信息，因此本文提出了一種以數(shù)控程序?yàn)檩d體實(shí)現(xiàn)刀具快速固化的方法。具體過程如下：首先規(guī)范數(shù)控程序中的刀具注釋信息，通過信息抽取技術(shù)從數(shù)控程序的注釋信息中提取刀具的關(guān)鍵信息；然后將刀具關(guān)鍵信息經(jīng)刀具選配模型轉(zhuǎn)換，獲得完整的刀具信息；最后工藝人員只需通過對(duì)比前后刀具清單變化，完善刀具清單，即可實(shí)現(xiàn)刀具的快速固化。

信息抽取技術(shù)和刀具選配技術(shù)是本方法實(shí)現(xiàn)刀具快速固化的主要技術(shù)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于信息抽取和刀具選配技術(shù)方面均有研究，其中針對(duì)數(shù)控程序的信息抽取方法多采用正則表達(dá)式完成，文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]通過正則表達(dá)式實(shí)現(xiàn)數(shù)控程序解析和編譯；文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7] 通過正則表達(dá)式實(shí)現(xiàn)數(shù)控程序的仿真和檢錯(cuò)等。另外，在工程化應(yīng)用方面，美國(guó)CIMCO公司開發(fā)的CIMCOEdit軟件也具有從數(shù)控程序中提取刀具信息的功能，但其功能簡(jiǎn)單且準(zhǔn)確率不夠高。因此本文基于正則表達(dá)式配合注釋信息的編碼規(guī)則設(shè)計(jì)了刀具信息提取的算法。在刀具選配技術(shù)方面，文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[9]利用層次分析法建立了刀具選配的層次分析模型，通過系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)推送刀具方案；文獻(xiàn)[10]通過建立刀具選配的適應(yīng)度函數(shù)，提出利用遺傳算法求解刀具選配模型的刀具方案；文獻(xiàn)[11]和文獻(xiàn)[12]采用實(shí)例推理的方式，通過計(jì)算目標(biāo)實(shí)例與庫(kù)實(shí)例的相似度實(shí)現(xiàn)刀具方案的推送。上述研究多是通過評(píng)價(jià)算法或優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)刀具方案推送，適用于輸入條件不清晰的工藝規(guī)劃階段的刀具方案推送，并且上述研究并未給出模塊式刀具的組裝與選配的解決方案，而模塊式刀具在制造企業(yè)有著廣泛應(yīng)用。因此，本文根據(jù)刀具固化的應(yīng)用場(chǎng)景，模擬刀具應(yīng)用人員的刀具選型過程，建立基于加工規(guī)則和模塊式刀具關(guān)聯(lián)規(guī)則的刀具選配模型。

1 刀具注釋信息的編碼規(guī)則

數(shù)控程序中刀具信息一般為注釋信息，其不控制刀具動(dòng)作，只是對(duì)使用的刀具進(jìn)行描述，一般注釋在換刀指令附近，以便于在安裝刀具時(shí)獲取刀具信息以及刀具與數(shù)控程序的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而保證注釋信息的完整性和傳遞性，規(guī)范刀具注釋信息。定義數(shù)控程序中刀具注釋信息由3個(gè)部分組成，分別為實(shí)際加工的刀具信息，即試切時(shí)實(shí)際使用的刀具編碼；優(yōu)選刀具規(guī)格，即滿足數(shù)控加工的優(yōu)選刀具規(guī)格信息(優(yōu)選刀具是指編程人員在數(shù)控編程時(shí)從企業(yè)優(yōu)選刀具目錄中選取的刀具)，由于生產(chǎn)準(zhǔn)備過程復(fù)雜，在試切時(shí)有可能無法借用到優(yōu)選刀具，所以實(shí)際使用的刀具并非最理想的刀具，因此備注刀具優(yōu)選刀具的規(guī)格信息(一般在數(shù)控編程時(shí)編程人員已經(jīng)給出)；刀具安裝信息即刀具懸伸量。刀具信息的集合化描述為

ET=(Tc,To,e)

(1)

式中，ET為刀具注釋信息；Tc為優(yōu)選刀具規(guī)格信息；To為實(shí)際加工刀具信息；e為安裝信息。

以注釋信息“XD D20×45×R2 T2040005678 XS50”為例，其中，“XD D20×45×R2”為優(yōu)選刀具規(guī)格Tc，即直徑20 mm、最大加工深度45 mm、刀尖圓角2 mm的立銑刀；“T2040005678”為實(shí)際加工刀具To，用實(shí)際加工刀具的企業(yè)編碼表示；“XS50”為安裝信息，即刀具懸伸量50 mm。

2 刀具信息的抽取過程

正則表達(dá)式在數(shù)控程序的編譯、仿真檢查中均有應(yīng)用，本文主要通過正則表達(dá)式提取數(shù)控程序中的刀具信息，正則表達(dá)式提取刀具信息過程如下。

① 獲取換刀位置：根據(jù)不同數(shù)控系統(tǒng)中換刀指令的編碼格式(見表1)制訂匹配規(guī)則，定位數(shù)控程序的換刀位置。通過遍歷數(shù)控程序，匹配換刀規(guī)則，獲取換刀位置節(jié)點(diǎn)。例如Fanuc系統(tǒng)匹配換刀位置的正則表達(dá)式為^[^\().*[^A-Z]T\d{1,4}((\b)|M|(\()).*$。

表1 不同數(shù)控系統(tǒng)換刀和注釋方式

② 遍歷換刀位置附近的數(shù)控程序代碼，找出注釋刀具信息語(yǔ)句，將刀具號(hào)與刀具注釋信息保存。并將相同刀具號(hào)的刀具信息進(jìn)行去重，獲得刀具號(hào)與刀具注釋信息一一對(duì)應(yīng)的刀具集合B。其集合化描述為

B=(i,Itool)

(2)

③ 將刀具注釋信息Itool通過正則表達(dá)式分解成(Tc,To,e)。

④ 優(yōu)選信息Tc按不同刀具的參數(shù)化規(guī)則，將其分解成對(duì)應(yīng)的刀具規(guī)格參數(shù)。

假設(shè)刀具號(hào)為1的刀具注釋信息為XD D20*45*R2 T2040005678 XS50，基于正則表達(dá)式逐層分解，將刀具信息分解為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。

B=(i,Itool)=(i,(Tc,To,e))=(i,((type,dc,ap,r),toolcode,e))

B=(i,Itool)=(1,((′millingtoool′,20,45,2),′T2040005678′,50))

將刀具信息轉(zhuǎn)換成結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)后，以Tc作為刀具選配工具的輸入即可選取合適的模塊式刀具或優(yōu)選刀具。

3 刀具選配工具的設(shè)計(jì)

3.1 刀具組成

刀具是機(jī)械加工行業(yè)的重要組成部分，刀具種類繁多，隨著刀具技術(shù)的發(fā)展，刀具結(jié)構(gòu)也愈加復(fù)雜，不同類型的刀具組成方式也不相同。一般完整的刀具系統(tǒng)由刀柄模塊、中間模塊、切削模塊組成[13-14]。刀具的表示形式為

(3)

式中,ET為刀具集;TH為刀柄模塊;TM為中間模塊;TB為切削模塊

刀具組成如圖1所示，刀柄模塊后端與機(jī)床相連，其后端類型由機(jī)床主軸決定；切削模塊是參與切削的部分，主要由工件材料及工件尺寸特征決定；中間模塊主要用于變換尺寸及連接切削模塊和刀柄模塊。刀具各元件之間相互關(guān)聯(lián)。其關(guān)聯(lián)關(guān)系由各刀具之間的裝配關(guān)系確定，因此確定了刀具各類刀具組成和裝配關(guān)系即可創(chuàng)建該類刀具的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)。

圖1 刀具組成

3.2 刀具分類及數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)控刀具按其組成分為整體式刀具和模塊式刀具，整體式刀具顧名思義即一體式刀具，模塊式刀具則由兩個(gè)或兩個(gè)以上的刀具元部件組成，例如可轉(zhuǎn)位銑刀由可轉(zhuǎn)位刀桿和可轉(zhuǎn)位刀片這2個(gè)部分組成；U鉆由U鉆刀桿、中心刀片和外緣刀片這3個(gè)部分組成；模塊式鏜刀由多個(gè)部件組成，其不同的組合方式形成不同種類的模塊式鏜刀。加工中心常用刀具組成如圖2所示。

圖2 加工中心常用刀具組成

一般整體式刀具由刀具編碼、規(guī)格信息和被加工材料信息等組成。模塊式刀具根據(jù)其組成建立刀具選配工具的E-R(實(shí)體-關(guān)系)模型，確定組成模塊式刀具各元件的模型這些模型之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

以U鉆為例，如圖3所示，完整的U鉆刀具系統(tǒng)由刀柄、變徑套、刀桿、中心刀片和外緣刀片組成，刀柄與機(jī)床主軸相連，其刀柄類型由機(jī)床主軸決定，刀桿和刀片的選型則由工件的材料和孔特征確定。

圖3 U鉆的一種連接關(guān)系

如圖4所示，根據(jù)U鉆的連接關(guān)系，建立U鉆的E-R模型，確定組成U鉆各元件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和關(guān)聯(lián)關(guān)系。

圖4 U鉆E-R圖

3.3 確定刀具選配模型

刀具選配建模是在零件加工特征和刀具屬性數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行條件匹配，找到一種可行的方案集，以便能夠針對(duì)特定加工特征選出適合的刀具[10]，根據(jù)工藝進(jìn)行刀具選配的一般過程，建立式(4)所示的通用刀具選配模型，以工件所在材料組、刀具關(guān)鍵參數(shù)、刀具類型作為輸入，得到滿足加工要求的刀具集，即

ET=F(mP,KT,tT,mach)

(4)

式中，ET為可用刀具集；mP為被加工工件所在的材料組；KT為刀具關(guān)鍵參數(shù)；tT為刀具類型；mach為機(jī)床型號(hào)。

其中，刀具關(guān)鍵參數(shù)即在刀具選型過程中，對(duì)于不同刀具，選型過程中除工件材料組、機(jī)床型號(hào)等公共屬性外，還須重點(diǎn)考慮的刀具關(guān)鍵規(guī)格參數(shù)，表2給出常用刀具的刀具關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行定義。

表2 常用刀具的刀具關(guān)鍵參數(shù)定義

表2中，dc為刀具直徑；ap為最大加工深度；r為刀尖圓角；p為螺距。

通過對(duì)常用刀具的刀具關(guān)鍵參數(shù)定義，即可確定不同類型刀具在選配過程中的完整輸入，刀具類型作為條件的規(guī)則推理過程如下：

IF (tT=″銑刀″∨tT=″鏜刀″)

THENET=F(mP,dc,ap,r,tT,mach)

IF (tT=″鉆頭″ ∨tT=″U鉆″)

THENET=F(mP,dc,ap,tT,mach)

IF (tT=″絲錐″∨tT=″螺紋銑刀″)

THENET=F(mP,dc,ap,p,tT,mach)

因此，以U鉆為例，按照輸入規(guī)則，U鉆以被加工工件所在材料組(mP)、刀具直徑(dc0)、最大加工深度(ap0)和機(jī)床型號(hào)(mach)作為刀具選配模型輸入，按照U鉆的實(shí)體及關(guān)聯(lián)關(guān)系(E-R)(如式(5)所示)，即可確定U鉆選配數(shù)據(jù)庫(kù)模型。式(5)中各數(shù)據(jù)表屬性及其含義如表3所示。

ΠH.c,RS.c,A.c,PB.c,CB.c(σM.model=mach∧M.type=H.type(σH.d=RS.db(σA.db=RS.da((σA.pbtype=PB.type∧A.cbtype=CB.type(σpmat=mp(PB)×σcmat=mp(CB)×σdc=dc0∧ap≥ap0(A)))×RS)×H)×M))

(5)

表3 U鉆選配數(shù)據(jù)庫(kù)模型各數(shù)據(jù)表屬性及其含義

在根據(jù)刀具選配模型得到刀具的可行方案集之后，將可行方案集按照加工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行排序，如按照加工經(jīng)驗(yàn)，在滿足特征加工深度的前提下，在選取刀具時(shí)盡可能選取刃長(zhǎng)短的刀具，依此經(jīng)驗(yàn)將方案集按照刃長(zhǎng)的升序排列，使更合理的刀具優(yōu)先被選取。

4 刀具固化系統(tǒng)詳細(xì)過程設(shè)計(jì)

4.1 刀具要素固化的運(yùn)行場(chǎng)景

刀具固化運(yùn)行場(chǎng)景如圖5所示。首先工藝人員編制數(shù)控程序時(shí)，從刀具庫(kù)中選取刀具(刀具庫(kù)刀具編碼格式與數(shù)控程序注釋信息一致)，編制完成后將數(shù)控程序經(jīng)DNC下傳至機(jī)床，操作者在試切過程中根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)刀具的實(shí)際使用情況，按需修改數(shù)控程序中的刀具注釋信息，試切完成后將經(jīng)過試切的數(shù)控程序經(jīng)DNC回傳，工藝人員通過刀具要素固化系統(tǒng)讀取數(shù)控程序，提取并結(jié)構(gòu)化數(shù)控程序中的刀具注釋信息，并經(jīng)刀具選配工具獲取完整刀具信息，試切前后的刀具進(jìn)行對(duì)比并綜合評(píng)價(jià)后，將固化的刀具清單填寫至CAPP中，CAPP與ERP數(shù)據(jù)互通，自動(dòng)生成刀具固化包。該零件在下次加工時(shí)，數(shù)控程序和刀具清單均已固化并且數(shù)控程序與刀具清單一一對(duì)應(yīng)，直接按固化包準(zhǔn)備即可。

圖5 刀具要素固化的運(yùn)行場(chǎng)景

4.2 刀具固化系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)過程

刀具固化系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)選用MySQL, 根據(jù)刀具選配知識(shí)建立各類刀具的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，通過瀏覽器訪問服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互[15-18]。系統(tǒng)開發(fā)語(yǔ)言為Java，基于SSM(Spring+SpringMVC+MyBatis)框架，采用模型層、視圖層、控制層三層架構(gòu)，用戶登錄系統(tǒng)后，可在刀具要素回歸模塊上傳固化的數(shù)控程序，控制層解析數(shù)控程序、結(jié)構(gòu)化刀具信息并調(diào)用各刀具查詢模塊，將查詢結(jié)果與注釋信息以對(duì)象集合保存，轉(zhuǎn)發(fā)至視圖層展示?；谡齽t表達(dá)式解析數(shù)控程序結(jié)構(gòu)化刀具信息的詳細(xì)過程如圖6所示。首先通過遍歷數(shù)控程序基于正則表達(dá)式驗(yàn)證獲得其換刀語(yǔ)句，然后遍歷其換刀指令附近的語(yǔ)句根據(jù)系統(tǒng)注釋提取該刀具的注釋信息，通過比較、去重等操作后，得到每把刀具的刀具號(hào)及其注釋信息,將結(jié)構(gòu)化的刀具注釋信息作為刀具選配系統(tǒng)的輸入，最后通過人機(jī)交互的方式得到各刀具的完整信息。

圖6 刀具要素固化的詳細(xì)設(shè)計(jì)過程

如圖7所示，工藝人員上傳數(shù)控程序后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)解析數(shù)控程序，跳轉(zhuǎn)至刀具信息提取界面，界面顯示當(dāng)前數(shù)控程序所使用的刀具信息，具體信息如下：刀具號(hào)和刀具注釋信息、優(yōu)選刀具的刀具類型和刀具規(guī)格、實(shí)際加工使用刀具的企業(yè)編碼和刀具規(guī)格，有優(yōu)選目錄的刀具還會(huì)顯示實(shí)際使用的刀具是否為優(yōu)選刀具。

工藝人員單擊每條刀具數(shù)據(jù)后跳轉(zhuǎn)至刀具選配界面，如圖8所示，系統(tǒng)自動(dòng)推送滿足要求的可行方案集。每條數(shù)據(jù)為一套刀具方案，方案包含了刀具組件的完整物料清單。圖9為圖8中第一條數(shù)據(jù)的完整物料清單，清單包含了每個(gè)刀具元件的刀具型號(hào)和企業(yè)編碼，當(dāng)前數(shù)據(jù)為在設(shè)備DMC60U加工直徑28 mm、深度40 mm、刀尖圓角R0.2、工件材料為N類材料的鏜刀刀具方案。將推送的方案與刀具樣本推薦對(duì)比，推送的刀具方案均可滿足加工要求，并且按照優(yōu)先級(jí)進(jìn)行排序。經(jīng)實(shí)際加工驗(yàn)證，推薦的優(yōu)選方案均能很好地滿足加工要求。

圖8 刀具選配界面

圖9 可行方案的完整物料清單

4.3 刀具固化系統(tǒng)與仿真軟件VERICUT的集成

在實(shí)際生產(chǎn)中，有時(shí)還需對(duì)固化的數(shù)控程序進(jìn)行仿真，檢查數(shù)控程序，用于問題復(fù)現(xiàn)等，對(duì)于一些前置丟失的數(shù)控程序還可通過刀具固化系統(tǒng)將數(shù)控程序逆向，自動(dòng)生成仿真軟件VERICUT的刀具文件。VERICUT刀具模型由XML文件驅(qū)動(dòng)，其數(shù)據(jù)由Holder(刀柄)、Cutter(刀具)、GagePoint(裝夾點(diǎn))3個(gè)部分組成(如圖10所示)。

圖10 Vericut刀具的表達(dá)形式

根據(jù)VERICUT刀具文件的數(shù)據(jù)組成，建立VERICUT刀具模型的類圖，確定其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及關(guān)聯(lián)關(guān)系(如圖11所示)。

圖11 VERICUT刀具模型的類圖

根據(jù)VERICUT刀具模型的類圖，將結(jié)構(gòu)化的刀具注釋信息作為系統(tǒng)輸入，利用Dom4j逆向生成與數(shù)控程序刀具對(duì)應(yīng)的刀具文件(如圖12所示)。通過逆向生成VERICUT刀具文件實(shí)現(xiàn)仿真環(huán)境的快速搭建，并檢查數(shù)控程序。

圖12 逆向生成的VERICUT刀具文件

5 刀具固化方案對(duì)比

本方法經(jīng)數(shù)輪迭代后，實(shí)現(xiàn)了不同數(shù)控系統(tǒng)的刀具固化，圖13所示為同一數(shù)控程序通過本方法和CIMCOEdit軟件的刀具信息提取的結(jié)果對(duì)比。通過對(duì)提取結(jié)果進(jìn)行分析(如表5所示)，本方法有以下優(yōu)勢(shì)。

圖13 不同方案的刀具信息提取結(jié)果

表5 同一程序不同工具下的刀具信息提取結(jié)果

① 當(dāng)數(shù)控程序中未備注刀具注釋信息時(shí)，系統(tǒng)不會(huì)提取錯(cuò)誤的刀具信息，誤導(dǎo)工藝人員。

② 當(dāng)一把刀具被多次調(diào)用時(shí)，在任意換刀指令后備注刀具信息，均能提取到該刀具的注釋信息。

③ 當(dāng)一把刀具被多次調(diào)用時(shí)，換刀指令后多次注釋且注釋內(nèi)容不一致時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)比對(duì)注釋信息，識(shí)別哪條信息為完整的刀具注釋信息。

6 結(jié)束語(yǔ)

刀具要素固化由之前紙質(zhì)傳遞刀具信息變?yōu)橛蓴?shù)控程序傳遞。與數(shù)控程序固化一起，通過DNC系統(tǒng)將數(shù)控程序上傳，工藝人員通過刀具信息提取系統(tǒng)從數(shù)控程序中提取數(shù)據(jù)，經(jīng)刀具選配工具翻譯，識(shí)別刀具并優(yōu)選，完善刀具要素，簡(jiǎn)化工藝固化工作。在此基礎(chǔ)上還完善了數(shù)控編程軟件刀具庫(kù)，使刀具庫(kù)中注釋信息的編碼規(guī)則與刀具要素固化系統(tǒng)的編碼規(guī)則保持一致。形成數(shù)控程序編制、試切、固化過程中的刀具信息的唯一數(shù)據(jù)元傳遞，操作者在試切過程中變更刀具時(shí)只需修改需要變更數(shù)控刀具的注釋信息。目前刀具要素固化系統(tǒng)已應(yīng)用在生產(chǎn)實(shí)際中，完成了千余道工序刀具固化工作，固化效率較之前有很大的提高。