杜洪勛

(同濟(jì)大學(xué) 中德學(xué)院，上海 200092)

刀具管理模塊在工程數(shù)據(jù)庫(kù)中的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

杜洪勛

(同濟(jì)大學(xué) 中德學(xué)院，上海 200092)

以立銑刀為例，從數(shù)據(jù)建模、數(shù)據(jù)依賴性分析以及約束條件的實(shí)現(xiàn)、用戶界面編制等方面論述了刀具管理模塊在工程數(shù)據(jù)庫(kù)中的具體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。分析問(wèn)題的思路以及采用的方法對(duì)于工程數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)具有參考意義。

工程數(shù)據(jù)庫(kù)；刀具管理；數(shù)據(jù)依賴性；約束條件

工程數(shù)據(jù)庫(kù)是一種特殊類型的數(shù)據(jù)庫(kù)，其主要功能是對(duì)工程實(shí)際中大量、無(wú)序的工程數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一存儲(chǔ)與管理。憑借現(xiàn)有成熟的數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)可以建立功能十分豐富的工程數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)[1]。本文論述的工程數(shù)據(jù)庫(kù)主要指面向多軸銑削加工的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，其管理的主要對(duì)象包括刀具、銑削工藝以及工件與材料等。其中，刀具管理模塊是該系統(tǒng)的核心組成部分之一，其性能直接影響工程數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的質(zhì)量[2]。本文將以常見(jiàn)的立銑刀為例，從刀具的建模、數(shù)據(jù)依賴性分析以及軟件實(shí)現(xiàn)等幾個(gè)層面，具體論述刀具管理模塊在工程數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1 立銑刀的數(shù)據(jù)建模

建立刀具模塊的首要任務(wù)就是對(duì)銑刀進(jìn)行數(shù)據(jù)建模。這一過(guò)程的核心問(wèn)題是挑選合適的參數(shù)來(lái)代表銑刀。參照刀具供應(yīng)商提供的參數(shù)列表以及銑刀在選用時(shí)所涉及到的重要參數(shù)，本文抽取如下信息對(duì)銑刀進(jìn)行建模。

a.幾何信息：幾何信息是代表銑刀的最基本的信息，這些信息包括刀具的基本尺寸、幾何角度等參數(shù)。比較典型的幾何信息來(lái)源于刀具供應(yīng)商所提供的參數(shù)。圖1展示的是一種常見(jiàn)的立銑刀(LMT Fette刀具技術(shù)公司生產(chǎn))，其中d1，d2，l1，l2，l3，z等參數(shù)概括了銑刀(刀具本體)的基本幾何信息，所以命名為“刀具宏觀幾何信息”。而諸如前角、后角等參數(shù)描述了跟切削刃有關(guān)的幾何特征，相比于“刀具宏觀幾何信息”而言，它們?cè)跀?shù)值上較小，因此被稱為“刀具微觀幾何信息”。

b.刀柄信息：由于本文主要研究應(yīng)用于銑削加工的工程數(shù)據(jù)庫(kù)，因此跟刀柄有關(guān)的一些幾何信息如莫氏錐度等不在考慮范圍之內(nèi)，只選取最基本的長(zhǎng)度與寬度等基本信息。

圖1 DHC PREMIUM系列雙螺旋角圓柱立銑刀

c.附加信息：跟刀具有關(guān)的附加信息有刀具編號(hào)、固定類型、旋轉(zhuǎn)方向、裝配形式以及磨損形式等。

至此，銑刀的實(shí)體關(guān)系模型已基本建立，刀具模塊的實(shí)體關(guān)系模型如圖2所示。但是，從管理復(fù)雜的銑刀工程數(shù)據(jù)這一角度來(lái)考慮，僅僅有實(shí)體以及相關(guān)屬性是不夠的，還需要引入主鍵用來(lái)唯一標(biāo)識(shí)一條工程數(shù)據(jù)?；谶@些考慮，本文引入刀具編號(hào)這一屬性來(lái)充當(dāng)?shù)毒哌@一元組的主鍵。值得注意的是，這里的“刀具編號(hào)”與機(jī)床中刀具的編號(hào)不是一個(gè)概念，該編號(hào)的主要作用是區(qū)分不同的刀具。

在實(shí)際加工開(kāi)始之前，刀具及其附件都完成了組裝,并且已經(jīng)裝入刀庫(kù)進(jìn)行統(tǒng)一編碼。在加工過(guò)程中這一裝配體也是作為一個(gè)整體投入使用，加工完成后又由機(jī)械手等換刀裝置放入刀庫(kù)備用。由此可以看出，在整個(gè)加工前后，刀具及其附件都作為一個(gè)整體使用，因而一把刀具只對(duì)應(yīng)一根刀柄(刀桿)，相應(yīng)地刀具這一實(shí)體與刀桿的關(guān)系也就變成了1∶1。同理可知，一把刀具所對(duì)應(yīng)的宏觀、微觀幾何參數(shù)也是唯一的。所以刀具這一實(shí)體與宏觀、微觀幾何參數(shù)的關(guān)系都是1∶1。

在以上工作完成后，運(yùn)用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的相關(guān)知識(shí),可以將圖2所示的實(shí)體關(guān)系模型轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的SQL語(yǔ)句，依托數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)軟件MySQL,可以利用這些SQL語(yǔ)句將實(shí)體關(guān)系模型轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)據(jù)表。與模型相關(guān)的各種參數(shù)以及圖片、CAD模型信息就存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)表內(nèi)。各實(shí)體之間按照1∶1，1∶n，m∶n的對(duì)應(yīng)關(guān)系在各個(gè)數(shù)據(jù)表內(nèi)設(shè)置相應(yīng)的主鍵與外鍵，從而在數(shù)據(jù)庫(kù)層面實(shí)現(xiàn)這些關(guān)聯(lián)[3]。

圖2 刀具模塊的實(shí)體關(guān)系模型

2 立銑刀各參數(shù)間依賴性分析

現(xiàn)實(shí)世界中的事物之間存在著普遍的聯(lián)系，這種聯(lián)系反映在數(shù)據(jù)庫(kù)中就表現(xiàn)為數(shù)據(jù)之間的依賴性，并且這種依賴性普遍存在[4]。對(duì)于刀具而言，這種依賴性主要表現(xiàn)在各幾何參數(shù)之間的相互聯(lián)系、相互制約的關(guān)系。立銑刀常用于加工槽與直線輪廓、型腔、型芯、曲面外形/輪廓，其結(jié)構(gòu)及相關(guān)參數(shù)如圖3所示。這些重要參數(shù)分別是：刀具直徑Do、螺旋股數(shù)Nf、前角a、螺旋角c、后角b、倒角r1、公稱長(zhǎng)度GL、刀具長(zhǎng)度TL、螺旋長(zhǎng)度FL以及中心直徑Dc。

按照刀具幾何學(xué)中的相關(guān)規(guī)定[5]，前角a、后角b以及楔角β之間存在以下數(shù)值關(guān)系：

(1)

圖3 立銑刀結(jié)構(gòu)示意圖

由于楔角β不等于0°，因而前角、后角必須滿足下面的數(shù)學(xué)關(guān)系：

(2)

考慮到刀具強(qiáng)度以及銑削加工的實(shí)際情況，立銑刀的前角、后角以及螺旋角還需滿足如下關(guān)系：

(3)

(4)

(5)

由于刀具幾何結(jié)構(gòu)本身存在的特點(diǎn)，刀具的直徑以及長(zhǎng)度參數(shù)還需滿足以下關(guān)系：

(6)

(7)

(8)

對(duì)于立銑刀而言,每個(gè)切削刃都對(duì)應(yīng)一股螺旋，所以螺旋股數(shù)與刀具齒數(shù)相等。而刀具齒數(shù)是按照被加工平面的面積以及機(jī)床的功率來(lái)選擇的。在粗銑過(guò)程中最好使用低齒數(shù)的銑刀,而精銑過(guò)程中最好采用高齒數(shù)的銑刀。通用的刀具齒數(shù)在1～5之間，多于5齒的刀具也被廣泛使用[6]。因此刀具齒數(shù)不應(yīng)被限定在某一確定數(shù)值范圍內(nèi)，而只需滿足最基本的條件即可：

(9)

式中：N為整數(shù)。

本文用戶界面采用具有C++代碼編譯、實(shí)現(xiàn)功能的軟件Qt實(shí)現(xiàn)，并且利用C++代碼實(shí)現(xiàn)約束條件。接下來(lái)要解決的是代碼如何發(fā)揮作用的問(wèn)題。按照前面的分析可知，當(dāng)用戶通過(guò)界面進(jìn)行一項(xiàng)或幾項(xiàng)操作時(shí)，該代碼就應(yīng)該被激活，并且對(duì)所有操作進(jìn)行判斷與過(guò)濾，從而對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行操作。這種運(yùn)作機(jī)制十分類似于Qt中自帶的信號(hào)-槽(Signal-Slot)機(jī)制。所謂的信號(hào)(Signal)指的是一種操作，如雙擊鼠標(biāo)、輸入字符等。而槽(Slot)指的是一種或幾種特定的功能，如打開(kāi)對(duì)話框、關(guān)閉頁(yè)面等。信號(hào)通過(guò)界面的元素(如按鈕、文本框等)把槽激活，從而進(jìn)行一系列動(dòng)作。這種機(jī)制完全滿足約束條件的實(shí)現(xiàn)要求[7]。根據(jù)式(2)～(9)的數(shù)學(xué)關(guān)系式可以總結(jié)出針對(duì)立銑刀的約束條件。這些條件在轉(zhuǎn)化成代碼以前需要確定程序流程圖(如圖4所示)，以確保代碼在邏輯上的正確性。

3 立銑刀約束條件測(cè)試實(shí)例

在實(shí)現(xiàn)了約束條件以后還需要輸入一些具有代表性的測(cè)試數(shù)據(jù)(即不符合約束條件的數(shù)據(jù))以檢測(cè)該約束的正確性。測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。在輸入了這些測(cè)試數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)彈出提示信息，如圖5所示(由于提示信息內(nèi)容類似，本文僅展示其中的兩種提示信息)。由圖可見(jiàn),這些提示信息與期望的反饋完全一致，從而驗(yàn)證了約束條件實(shí)現(xiàn)代碼的正確性。

圖4 立銑刀約束條件程序流程圖

表1測(cè)試數(shù)據(jù)以及期望反饋的信息

測(cè)試數(shù)據(jù)待檢測(cè)參數(shù)期望反饋-10DoError001：Do>0mm！3．5NfError002：NumberofFluteisInteger！-100aError003：-90°0！FL=15，GL=10GLError009：GL>FL！GL=40，TL=30TLError010：TL>GL！Do=20，Dc=30DcError011：0

4 結(jié)束語(yǔ)

面向切削加工的工程數(shù)據(jù)庫(kù)能夠高效管理復(fù)雜的切削加工數(shù)據(jù)，比如刀具、工藝參數(shù)、材料參數(shù)等等。如果依托成熟的數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù),并且與數(shù)據(jù)挖掘、人工智能等先進(jìn)技術(shù)有機(jī)結(jié)合,可以實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的功能。刀具管理模塊既可以作為工程數(shù)據(jù)庫(kù)的有機(jī)組成部分，也可以獨(dú)立成為專門的刀具管理數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)對(duì)刀具的分類與分析，該模塊可以有效地管理工廠中千頭萬(wàn)緒的刀具信息，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

圖5 錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的反饋結(jié)果

[1] 董金祥, 孫建伶. 工程數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)[M]. 杭州:浙江大學(xué)出版社,2000.

[2] 李旭宇，楊玨．?dāng)?shù)控銑床切削數(shù)據(jù)庫(kù)的建立及應(yīng)用[J]．機(jī)床與液壓，2002(4)：58-59．

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TheDesignandImplementationofToolsManagementModuleinEngineeringDdatabase

DU Hongxun

(Tongji University, Shanghai, 200092, China)

Taking the mills as an example, it introduces the process of data modeling, analyzes the data dependence, presents the implementation of data constraints and programming of the user interface. This method provides the solution for tools management and plays an important role in design and implementation of engineering database.

Engineering Database; Tools Management; Data Dependence; Data Constraints

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.03.001

2014-01-21

杜洪勛(1987 —)，男，黑龍江綏化人，同濟(jì)大學(xué)中德學(xué)院碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械制造及其自動(dòng)化、數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造。

TP311

A

2095-509X(2014)03-0001-04