基于Web和加工特征的車削刀具選擇系統開發

夏 鵬，趙 武，胡炳星

（四川大學 制造科學與工程學院，成都 610065）

0 引言

在整個生產制造系統中，刀具占有獨特的地位，關系著企業整個生產鏈的競爭力。隨著制造業的快速發展，用戶對產品加工多樣性、尺寸精度的要求越來越高，同時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行刀具選擇時遇到了很多困難，從而造成工件報廢或刀具資源的浪費[1,2]。

為了提高刀具利用率、降低企業的生產成本，國內許多研究工作者對刀具的選擇進行了大量研究并開發了一系列刀具選擇系統[3～5]。但是這些刀具選擇系統主要采用C/S結構，系統交互性差、使用范圍很小、開發及系統維護成本高，而采用B/S結構能很好地解決這些問題。

隨著某汽輪機企業的產品逐漸豐富，近年材料種類增多，與之對應的各種先進切削加工技術和新型刀具得到了較為廣泛的應用，切削加工時間和生產輔助時間都在不斷縮短。特別是隨著具有挑戰性的工件材料、日益復雜的工件幾何形狀、大型尺寸工件、日益特殊的質量和性能要求等問題的產生，刀具選擇成為一個突出、具有挑戰性的問題。基于這一現狀，特建立基于Web技術、B/S結構的開發方式，以工件材料為主線、以加工方法為查詢入口的車削刀具選擇系統。

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的開發工具和體系結構，同時與刀具的選擇流程和良好的數據庫設計相關。合理選擇刀具的前提條件是確定刀具選擇的原則和方法。由于整體式刀具價格昂貴、柔性不夠，本系統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對刀片和刀體的影響后，確定了刀具選擇原則，主要包含以下九個方面：

1) 刀片材質選擇：依據工件材料牌號、類型、熱處理狀態和硬度等；

2) 刀片形狀選擇：依據工件表面形狀、主偏角、加工方法等；

3) 刀片槽型選擇：依據工件材料類型、精度特征等；

4) 刀尖圓弧半徑選擇：依據精度特征、表面粗糙度、切削類型等；

5) 刀片尺寸選擇：依據有效切削刃長度、主偏角等；

6) 刀片后角選擇：依據工件材料類型、精度特征等；

7) 刀片精度選擇：依據精度特征等；

8) 刀體頭部形式選擇：依據主偏角、精度特征等；

9) 刀體接口規格選擇：依據機床等。

1.2 車削刀具選擇方法

根據企業多年收集的數據及刀具選擇的原則，建立加工特征-刀片規則庫、加工特征-刀體規則庫、刀片-刀體規則庫、機床-刀體規則庫。根據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的刀片和刀體，再通過刀片-刀體規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，因此在進入系統刀具選擇界面前，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設計

2.1 系統B/S結構

采用B/S結構的方式來開發車削刀具選擇系統，用戶在任何地方只需根據管理員分配的用戶名和密碼在客戶端瀏覽器上輸入系統首頁的網址即可完成與服務器的數據通信，從而使用刀具選擇系統進行刀具選擇。同時為了給用戶提供跨平臺服務、友好易用的人機界面和快速的系統響應，本系統采用Java技術中最常用的SSH2框架和采用B/S的四層模型開發。

1）表示層：由Struts2實現、ExtJS腳本語言開發。表示層負責客戶端對應用程序的訪問，接收用戶的表單數據,管理用戶對系統操作的請求和響應，接收業務邏輯層處理后的結果，進行布局整理后展示給客戶端用戶。

2）業務邏輯層：采用Spring架構開發，降低了組件間的依賴性，提高了系統開發效率。Web服務器接收用戶在瀏覽器上提交的請求后,調用相應的業務處理邏輯進行處理，與持久層進行數據通信后，再將處理后的結果提交給用戶。

3）持久層：采用Hibernate開發。負責應用程序與數據庫之間的數據交換，對刀具選擇系統的基本信息進行增刪改查，同時采用緩存機制，使刀具查詢效率更高。

4）數據庫層：采用體積小、速度快、維護簡單的關系型數據庫管理系統MySQL開發。存儲系統所有數據，負責給持久層提供數據。

2.2 系統功能模塊

車削刀具選擇系統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、機床等信息進行批量管理和維護，及時更新系統數據；進入刀具信息等子模塊，根據用戶輸入的關鍵詞，可查詢到相應信息。

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

3）規則管理模塊：對加工特征-刀片、加工特征-刀體、刀片-刀體和機床-刀體規則進行及時更新，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）角色權限管理模塊：系統基于B/S結構開發，為了保證系統的安全性，提供組織機構、人員和角色的管理及授權功能，保證不同用戶對信息查詢和維護具有不同的權限。

3 系統的關系數據庫設計

在整個車削刀具選擇系統的開發中，數據庫的設計處于核心部分，數據庫設計的合理性不僅影響刀具查詢和管理的效率，而且關系著刀具選擇系統的后期維護。在整個車削刀具選擇系統中，數據庫設計的概念設計、邏輯結構設計階段非常重要。

圖2 系統功能模塊圖

3.1 概念設計

概念設計是將車削刀具選擇系統中的刀具選擇方法所涉及的數據表示成一個直觀的、能反映出各實體間關系的視圖，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、機床等實體，根據各實體之間相互影響的關系，用圖3表示車削加工過程中的E-R模型，并作如下說明：1）數據庫概念設計以工件材料為主線；2）由于車削刀具、工件、機床的信息非常復雜，為簡潔清楚，圖3中未全部畫出它們的實體及屬性。

3.2 邏輯結構設計

在建立數據庫時，根據不同的加工方法設計不同的數據關系表，可以保證當刀具材料或者種類很多時，進入刀具選擇過程后系統能自動篩選出與加工方法有關的刀具，極大地減少了數據檢索消耗的時間，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數據庫管理工具創建的普通車削關系表如圖4所示。

普通車削數據關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-刀體規則庫的匹配，查詢出刀片表中的刀片ID，再通過機床-刀體規則庫的匹配查詢到刀體接口規格、品牌ID查詢到刀體品牌ID，通過加工特征-刀體、刀片-刀體規則庫的匹配以及已查詢到的刀片ID，進而查詢出刀體表中的刀體ID。

圖3 車削E-R模型

圖4 普通車削數據關系表

4 系統實現實例

在確定了系統的體系框架、刀具選擇方法以及數據庫的設計思路后，采用Java開發工具MyEclipse和Web技術來開發車削刀具選擇系統，如圖5所示。圖5的左邊欄即是系統的各個功能模塊，右邊欄是刀具選擇的具體實現。

圖5 刀具選擇界面

根據待加工工件的加工特征確定加工方法后，用戶即可點擊車削系統管理中相應的加工方法來選擇刀具，默認為界面【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與數據庫交互生成與待加工工件加工特征相關的刀片列表，當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。同時也可點擊【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、接口規格、夾緊形式等，與選定的刀片互相約束生成刀體列表。根據選定的刀片、刀體與刀具數據庫進行匹配后，完成刀具的組裝。

5 結論

本文通過確定車削刀具選擇方法和采用基于規則推理的方式來選車削刀具。系統采用B/S結構的四層模型，使車削刀具選擇系統具有開發簡單、維護簡單、跨平臺性好的特點，同時實現了對刀具的快速查詢和管理。

[1] 袁美霞,劉讓賢,陸遠,等.基于工藝特征的刀具管理系統技術研究[J].機械設計與制造,2007,(1):169-170.

[2] 馬鴻龍,劉戰強,萬熠,等.基于切削加工特征的車削刀具的選擇[J].工具技術,2013,47(2):33-35.

[3] 徐和國,王玉,周雄輝.基于實體模型的計算機輔助刀具選擇系統[J].上海交通大學學報,2005,39(1):113-116,120.

[4] 郝傳海,劉戰強,任小平,等.面向加工特征的刀具和切削參數計算機輔助選擇系統[J].工具技術,2012,46(3):16-20.

[5] 薛飛.基于數據庫的刀具選用系統的設計與實現[J].上海電機學院學報,2008,11(4):271-274.