數控刀架選型系統的研究與設計*

洪　波，洪榮晶，王　華，陳　田

(南京工業大學 機械與動力工程學院，南京　210009)

?

數控刀架選型系統的研究與設計*

洪波，洪榮晶，王華，陳田

(南京工業大學 機械與動力工程學院，南京210009)

基于VisualBasic6.0和Access2013開發一種數控刀架智能選型軟件，以促進數控刀架生產廠家與主機用戶之間的技術溝通，體現數控刀架的產品性能和使用方法。依據數控刀架關鍵技術參數和實際工況下的性能要求建立刀架的用戶選型數據庫，根據結構類型和安裝方式提出數控刀架的數字化描述方式。軟件設置為向導式選型流程，在分層體系結構的基礎上運用模糊綜合評判算法對刀架進行選型分析，對篩選出的數控刀架產品根據實際需求進行參數校核。最后通過數控刀架選型實例來驗證軟件系統的可行性。

數控刀架；選型系統；數據庫；模糊綜合評判

0　引言

數控刀架是數控機床關鍵功能部件之一，與機床的加工精度和生產效率密切相關，刀架的性能影響數控機床的技術水平。國內機床行業的快速發展對機床功能部件的性能要求隨之提升，數控刀架等國內機床附件廠家不斷研發新產品以適應市場需求。但生產者與使用者在數控刀架產品的技術對接和產品選購上存在著脫節，影響著數控刀架國內市場的擴展和技術進步。國內機床設計選用刀架等附件時延續著傳統的紙質產品樣本篩選和經驗查找的方式，極大浪費了設計人員的時間。

國外數控刀架等附件廠家針對自身產品的性能特點，建立了完善的電子樣本和產品選型軟件，充分描繪出功能部件的性能特征和應用場合，從而占據著國內機床附件的中高檔市場。隨著科技的進步、技術的進步和市場的需求，國內主機生產和刀架生產企業之間的合作加深，累計的技術資料增加，多規格多類型的數控刀架產品不斷演化出新的系列。在國家科技重大專項基金支持下，開發數控機床功能部件選型軟件來取代傳統的紙質樣本，填補自主產品銷售系統的空白，拓展機床功能部件的銷售市場。結合數控刀架關鍵參數和工況，開發數控刀架選型系統，指導刀架用戶方便快捷的選用產品，構建生產者與使用者之間的技術溝通，推動數控刀架的生產研發。

1　數控刀架選型流程分析

軟件系統包括Access建立的參數化數據庫和VB6.0建立的交互界面以及二者之間構成連接和技術實現的代碼程序。

1.1選型系統結構功能

數控刀架選型系統中容納了廠家刀架產品的詳細信息，用戶通過一定的查詢條件在系統中找到自己需求的數控刀架。

軟件系統的基本構成如圖1所示，包括用戶層，技術層，數據庫層三部分。用戶層是用戶直接操作的選型軟件界面，針對用設計。數據庫層是包含數控刀架生產廠家產品信息的部分，是軟件輸入信息的源頭。技術層是軟件設計人員建立用戶層與數據庫層的中間橋段，為軟件功能實現的基礎。

圖1　軟件系統基本構成

軟件系統的基本功能就是將用戶按照一定順序輸入信息經過分析求解，與數據庫中的產品信息進行比對，輸出滿足條件的產品及其詳細參數信息，并保存備份。軟件的模塊構成如圖2所示。

圖2　刀架選型軟件模塊

1.2數控刀架型譜參數研究

以數控刀架的安裝、使用條件和刀架主要特征參數為基礎，建立數控刀架選型的參數型譜，包括：刀架類型、技術參數、性能參數和精度參數。

(1)刀架類型，主要包括數控刀架的安裝方式和驅動類型，用來區分刀架安裝的機床類型；

(2)技術參數，由刀架各結構的公稱尺寸和刀架特征組成，如中心高度，刀方尺寸，刀盤回轉直徑，工位數，單雙向回轉等；

(3)性能參數，主要指刀架能承受的負載大小，力和力矩等，用來校核刀架能否滿足加工條件；

(4)精度參數，包括定位精度和重復定位精度等。數控刀架的精度直接影響被加工零件以及數控機床的精度。

表1為數控刀架選型系統數據庫的參數字段表。

表1　數控刀架數據庫字段

1.3數控刀架選型設計流程

對數控刀架的選型主要從兩個方面來對產品進行參數限定，一是刀架要安裝機床及加工對象的屬性；二是加工中刀架要滿足的技術參數。

不同類型的數控刀架結構各不相同，描述其性能和技術參數也會有所差異。因此，刀架選型時需要先確定刀架的類型，再定義各技術參數的數值范圍。如圖3數控刀架選型基本流程所示，通過進程選擇和邏輯判斷來實現選型。

圖3　數控刀架選型基本流程

數控刀架選型的基本流程可概括為：

(1)通過主機和零件加工信息確定刀架類型：按照刀架的在機床上的安裝方式分為立式刀架和臥式刀架，按驅動類型可分為電動、液壓、伺服和動力刀架；

(2)輸入用戶選型參數篩選出刀架產品型號列表：根據用戶實際需求按需輸入參數范圍值，系統對參數值進行篩選，將符合的產品以表格形式列出；

(3)對目標產品進行校核驗證得到最優結果：列表中的多款刀架，可逐一校核其關鍵參數，經濟性能，選擇一款或多款滿足條件的刀架；

(4)根據實際需要選擇刀架附件：對刀架的附件可選擇刀盤的類型、刀具的接口形式、刀座的種類等；

(5)生成報表以保存選型信息：保存的選型記錄可作為刀架工作故障的檢驗依據，也可作為下次選型的參照，減少選型時間。

2　模糊綜合評判的數控刀架選型

模糊綜合評判技術是利用模糊集理論進行評判的一種方法[5]。在數控刀架的選型流程中有諸多不確定因素，不同因素對刀架選型結果影響程度不同，運用模糊綜合評判知識對選型因素集評判，得出評判集合即為選型結果。

2.1模糊選型評判分層體系結構

通過分析影響數控刀架的選型因素，建立圖4所示刀架選型評判分層體系結構，圖中詳細表述了選型中相關的所有參數再結構中的關系。

圖4　刀架選型評判分層體系結構

影響數控刀架選型的參數主要有刀架類型、裝夾尺寸、性能參數、經濟性能四大類，將其作為第一層影響因素集U。第一層因素集每一權重因素由關鍵技術參數決定，如刀架類型由安裝方式、驅動類型、加工類型組成，這些關鍵參數構成第二層影響因素集U/P[5]。刀架的型號構成分層體系結構的目標集合，均衡兼顧每層的因素大小。

2.2模糊綜合評判選型應用

假設共有n款數控刀架，vn即為第n款刀架的具體型號，將數控刀架的各型號組成集合建立為模糊綜合評判的評語集：

(1)

通過分別建立綜合評判矩陣R，根據影響因素的權重集A，進行模糊評判，最終構成評判集Y。其中權重集A反映了諸多評判因素對機床選型影響重要程度的集合，由專家組評判打分確定權重的隸屬度。建立的評判矩陣在程序中由數組形式表達后封裝在程序中，通過自動判斷、對比選擇合適的數值進行模糊運算。

表2　權重集及權重系數

因素集分成兩級，相應地評判集也分成兩級，一級評判集為V，二級評判集為V′。每層權重系數和為1，即：

a1+a2+a3+a4=1

a11+a12+a13=1

a21+a22+…+a2n=1

……

(2)

數控刀架的評判分層體系結構的模糊綜合評判表達式[5]：

(3)

其中：第一層影響因素:U:V′=A·V

(4)

第二層影響因素:U/P:Y=A′·V′

(5)

根據隸度函數和系數加權，可以確定各指標的隸屬度，對所有因素依據權數的大小均衡兼顧。將候選結果按照隸屬度由大到小的順序排列為產品列表，數值最大Max(y)為最優的刀架選擇方案。

3　數控刀架選型軟件的設計

VB6.0具有調用Access的接口，且操作簡單，固采用了Access2013作為數據庫創建工具和VB6.0作為數控刀架選型系統編程工具。

3.1ADO數據訪問技術及SQL

系統采用VisualBasic6.0進行編程，以Access2013作為數據庫處理工具，利用VB自帶ADO數據庫訪問技術能夠簡單靈活的實現數據庫在編程軟件中的調用。

ADO數據庫訪問技術的關鍵是建立對象與數據源的connection連接，數據與VB的ADO連接語句為：cnn.ConnectionString=“Provider=Microsoft.Jet.oledb.4.0;”Datasource=“&APP.Path&文件名.mdb;”。

系統包含了幾乎國內所有的數控刀架產品的信息，建立數據庫的工作量大，使用結構化查詢語言(SQL)，通過SQL的select、insert、update、delete等語句可以方便快速的實現數據庫的查詢、插入、更新和刪除等功能。

數據是選型系統功能實現的基礎，作為參數篩選和校核的依據，必須要保證準確性。值得注意的是需要講數據庫文件保存為低版本的.mdb格式，避免出現兼容問題。

3.2選型系統構架的設計

刀架選型系統的需求應是多個方面：

(1)數控刀架種類繁多結構復雜，軟件應涉及到產品的多樣化；

(2)設計中要參考大量的樣本參數和表格數據，因此需要利用數據庫管理工具，快捷方便的調用樣本數據；

(3)軟件的最終操作者是數控刀架用戶，要求軟件界面友好，人性化，操作簡單；

(4)廠家的生產發展勢必會帶來產品更新換代，需要軟件系統具有可擴展性，易于升級。

軟件功能實現的關鍵在于參數選型界面的設計。界面的設計滿足實現基本的選型功能，還應該符合界面舒適操作簡單等特點，能夠讓對刀架陌生的用戶都能輕易的使用軟件來選擇需求的產品。

刀架的安裝方式和驅動類型將刀架的參數進行歸類劃分，刀架的參數可劃分為性能參數，負載參數和精度參數。同時，是用戶在選定不同類型的刀架后，顯示可供填寫的參數輸入框，不存在的參數框給予隱藏，以實現界面的簡潔。選型參數的輸入要符合實際的需求。

圖5　軟件設計路線邏輯流程圖

圖5為數控刀架選型系統整體的設計邏輯圖。系統包含六個主要功能：產品選型、產品查詢、歷史記錄查詢、用戶設計參考、數據庫維護、幫助，完整達到了設計之初的每一個要求。每一功能模塊均以向導的方式逐步實現選型或分析。

4　軟件系統的實現與應用

軟件的主要結構包括登陸模塊，選型模塊，數據維護模塊和使用說明四個模塊。首先必須通過登陸界面的驗證才能進入到主界面。以臥式伺服動力刀架為例對軟件系統的各功能進行應用驗證。圖6所示進入參數選型界面，選擇刀架類型為臥式、伺服動力刀架，單擊確定切換到參數輸入界面對刀架進行參數的限定。

圖6　數控刀架類型選擇界面

進入選型參數界面后，圖7所示需要對數控刀架的一些關鍵參數進行數值上的限定。這里面有中心高度、工位數、定位精度、重復定位精度、分度頻度等參數。此處不需要將全部的參數項目都限定，只需要根據用戶的實際工況需要來自行輸入相關限定參數即可進行選型，點擊選型按鈕進入產品列表界面。

圖7　選型參數限定界面

圖8所示的產品列表界面以表格的形式列出了符合刀架類型及選型參數的所有存在于數據庫中的數控刀架產品。列表以選型參數的的輸入為指標，按照參數吻合度從高到低的順序排列數控刀架產品。選中具體一款刀架產品可查看此款刀架的詳細信息或對其進行參數的校核，圖9所示。

圖8　產品列表界面

圖9　刀架參數校核界面

根據實際選型時的需要，對數控刀架的配件進行選擇。在選型結束后可以查看詳細的刀架說明書，以供主機使用人員了解刀架的詳細刀架參數安裝尺寸等信息。最終將操作軟件選型刀架的過程生成一個選型報告，以備后期選型作參考。

5　總結

綜合考慮了數控刀架的典型結構、工作原理、安裝方式、關鍵技術參數等指標，建立了數控刀架用戶選型數據庫，開發刀架選型軟件，最終可以得到如下結論：

(1)根據主機信息和刀架典型工況，創建選型參數的分層體系結構，利用模糊綜合評判算法均衡兼顧所有選型參數，符合實際應用特點；

(2)選型系統按照軟件功能劃分模塊結構，并設計為向導式選型流程，便于用戶使用；

(3)數據庫收集了國內大量數控刀架產品，并可后期增添新研發刀架產品；

(4)在軟件中實現數控刀架的仿真和模擬加工，能夠更直觀熟悉產品，可作為未來軟件開發的一個方向。

[1] 吳華平，楊俊召.淺談數控轉塔刀架行業的發展[J].金屬加工：冷加工，2010(6):20-22.

[2] 陳田，王華，黃筱調.數控轉臺選型優化工具研究與應用[J]. 組合機床與自動化加工技術,2015(7):41-45.

[3] 甄吉磊,劉婷婷,汪惠芬，等.數控機床進給系統選型設計工具研究[J]. 機械設計與制造,2014(2):146-149.

[4]SHamid，LMirhosseyni,PhilWebb.AHybridFuzzyKnowledge-BasedExpertSystemandGeneticAlgorithmforefficientselectionandassignmentofMaterialHandlingEquipment[J].ExpertSystemswithApplications, 2009, 36(9)：11875-11887.

[5] 米長富,田建平,楊海粟,等.基于模糊綜合評判的機床設備選型研究[J].組合機床與自動化加工技術,2012(7):109-112.

[6]LiuM.StudyonoptimalpathchangingtoolsinCNCturrettypingmachinebasedongeneticalgorithm[J].IFIPAdvancesinInformationandCommuicationTechnology,2011,347(4):345-354.

[7]HédiChtourou,WassimMasmoudi,ArefMaalej.AnExpertsystemformanufacturingsystemsmachineselection[J].ExpertSystemswithApplications, 2005, 28(3)：461-467.

[8] 張義民，閆明.數控刀架的典型結構及可靠性設計[M].北京：科學出版社，2014.

[9]MumtazIpek,IhsanH.Selvi,fehimfindik,etal.Anexpertsystembasedmaterialselectionapproachtomanufacturing[J].Material&Design，2013，47：331-340.

[10] 王娟，丁文政.基于模糊綜合算法的數控機床加工能力匹配評判[J].組合機床與自動化加工技術，2014(11):137-140.

[11] 魏祥武.數控轉塔刀架綜合性能測試平臺的設計研究[J].機械設計與制造，2014(1):180-182.

(編輯李秀敏)

StudyandDesignofCNCTurretSelectionSystem

HONGBo,HONGRong-jing,WANGHua，CHENTian

(SchoolofMechanicalandPowerEngineering，NanjingTECHUniversity，Nanjing21009,China)

AselectionsystembasedonVisualBasic6.0andAccess2013wasdevelopedforCNCturrettopromotethecommunicationoftechnologybetweenmanufacturersandusers，thatwillreflecttheperformanceoftheCNCturreteffectively.Adatabaseaccordingtothekeyparametersandperformancerequirementsoftheactualconditionswascreatedforuserstoselectturret.ThedigitaldescriptionmethodbasedonstructuretypeandinstallationmethodwasproposedforCNCturret.Theoperationofsoftwarewaswizarddesign,andfuzzycomprehensiveevaluationwhichbasedonAnalyticHierarchyProcessisusedforCNCturretselection,itcanverifythemainparametersaccordingtotheactualdemandforCNCturret.Finally,thefeasibilityofthisprojectwastestedandverifiedbasedonturretselectionexample.

CNCturret；selectionsystem；database；fuzzycomprehensiveevaluation

1001-2265(2016)08-0124-05DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.08.034

2015-09-24；

2015-10-14

“高檔數控機床與基礎制造裝備”國家科技重大專項(2014ZX04011031)

洪波(1991—)，男，河南信陽人，南京工業大學碩士研究生，研究方向為機械設計及理論，(E-mail)1066514631@qq.com。

TH164;TG659

A