（机械制造及其自动化专业论文）汽车行业金属切削数据库系统的研究与开发.pdf

摘要 摘要 当前汽车制造企业为了适应瞬时万变的市场需求，以t ( 时间) 、q ( 质量) 、 c ( 成本) 、s ( 服务) 为指导目标，从理念和具体工艺上都进行了提升。其中， 选择合理的刀具及切削参数、制订合理的计算机辅助工艺解决方案是汽车制造企 业适应市场需求变化的关键。 本文从数据库模型和应用程序两方面对b s 模式的汽车行业金属切削数据库 系统进行研究。建立工件数据库、刀具数据库、切削参数数据库、机床数据库、 切削液数据库等数据结构，开发s t e p 文件传递模块、刀具选择模块、切削参数查 询模块、切削参数优化模块、数据维护模块、用户管理模块等功能模块，另外系 统还可以辅助制订切削工艺流程。 实现c a d c a m 系统和计算机数字控制器之间数据交换。利用x m l ，a s p n e t s e r v e r 和s q ls e r v e r 数据库可实现产品数据模型交换标准信息流、s t e p 信息网络 共享，以及s t e p 数据转换为x m l 数据存储到数据库。 研究基于汽车零件特征选择刀具的方法。首先，创建加工特征，包括特征尺 寸、特征类型描述，以及特征之间的内部联系。然后通过特征刀具选择模块将与 每一个特征有关的信息转换为加工操作需求，加工操作需求被传递到数据库来提 取刀具，最后生成可用的刀具列表。 实现切削用量的合理选择。本文基于刀具工件材料匹配原则实现切削用量导 航基本查询和高级实例查询，以及综合材料匹配和特征选择刀具的切削用量联合 查询。 实现基于制造环节成本和效率目标的切削用量优化。针对最高生产率和最低 生产成本优化目标，建立单工步切削生产率和生产成本目标函数，考虑相应的约 束条件，构建切削用量优化选择数学模型，最后用m a t l a b 软件优化数学模型。 开发b s 模式三层结构的切削数据库系统，系统软件已在w i n d o w s 平台上 实现。 本课题得到高档数控机床与基础制造装备科技重大专项( 2 0 0 9 z x 0 4 0 1 4 0 4 3 、 2 0 0 9 z x 0 4 0 1 2 0 3 l 、2 0 1 0 z x 0 4 0 1 7 - 0 1 2 ) 资金资助。 山东大学硕十学位论文 关键词：汽车行业数据库；切削用量；优化；刀具选择；s t e p x a b s t r a c t a b s t r a c t n o w a d a y s ，a u t o m o t i v em a n u f a c t u r i n gi sb e i n ga d j u s t e da c c o r d i n gt ot h ec h a l l e n g e o fm a r k e td e m a n di nt e r m so fm a c h i n i n gt h e o r ya n dp r o c e s sp l a n n i n gi nt h ed i r e c t i o no f t i m e ，q u a l i t y , c o s ta n ds e r v i c e t h ek e yt e c h n o l o g yo fa u t o m o t i v em a n u f a c t u r i n g i n c l u d e sr e a s o n a b l et o o la n dc u t t i n gp a r a m e t e r ss e l e c t i o n , a n dc o m p u t e ra i d e dp r o c e s s p l a n n i n gs o l u t i o n i nt h i sp a p e r , ab sm o d ea u t o m o t i v em e t a lm a c h i n i n gd a t a b a s es y s t e mi s d e v e l o p e db o t hi nt h e o r y a n da p p l i c a t i o n s i nt h e d e v e l o p i n gp r o c e s s ，w o r k p i e c e d a t a b a s e ，c u t t i n gt o o ld a t a b a s e ，c u t t i n gp a r a m e t e rd a t a b a s e ，m a c h i n ed a t a b a s ea n d c u r i n gf l u i dd a t a b a s e ，e t c a r ea l le s t a b l i s h e d as e r i e so ff u n c t i o nm o d u l e sa r ea l s o d e v e l o p e d , s u c ha ss t e pf i l et r a n s f o r m a t i o nm o d u l e ，t o o ls e l e c t i o nm o d u l e ，c u t t i n g p a r a m e t e r s e l e c t i o nm o d u l e ，c u t t i n gp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o nm o d u l e ，p r o c e s sd a t a m a n a g e m e n tm o d u l e ，u s e rd a t am a n a g e m e n tm o d u l e ，b e s i d e s ，t h es y s t e mc a na l s oa s s i s t i nd e v e l o p i n go fc u t t i n gp r o c e s sp l a n n i n g t h ee f f i c i e n tu s eo fs t a n d a r df o rt h ee x c h a n g eo fp r o d u c tm o d e ld a t ai nn u m e r i c a l c o n t r o li n f o r m a t i o n ( s t e p ) f l o wb e t w e e nc o m p u t e ra i d e dd e s i g n c o m p u t e ra i d e d m a n u f a c t u r i n g ( c a d c a m ) s y s t e m s a n d c o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r o l ( c n c ) c o n t r o l l e ru t i l i z i n gx m l ，a n da s p n e ts e r v e r , a n da ns q ls e r v e rd a t a b a s e ，a n di tc a n b es h a r e di nn e t , c o n v e n e di n t ot h ex m lf o r m a t ，o rs t o r e di nd a t a b a s e t o o ls e l e c t i o nm e t h o db a s e do nf e a t u r e so fa u t op a r t si ss t u d i e d t h i sp a p e r d e s c r i b l e st h e t o o ls e l e c t i o na c t i v i t yb a s e do nf e a t u r eg e o m e t r yw h i c hi sa si n t e r f a c e b e t w e e np a r td e s i g na n dp r o c e s sa n a l y s i s af e a t u r eb a s e dd e s i g ne n v i r o n m e n ti sc r e a t e d i n c l u d i n gf e a t u r et y p e ，f e a t u r ed i m e n t i o na n di n t e r c o r m e c t i o ni nf e a t u r e s t h en e x ts t a g e o ft o o ls e l e c t i o ni n v o l v e st h ei n f o r m a t i o na s s o c i a t e dw i t he a c hf e a t u r ei n t om a c h i n i n g o p e r a t i o nr e q u i r e m e n t s ，w h i c hi nt u r ni su s e dt ot r a n s f o r mi n t od a t a b a s et oe x t r a c ta l l t o o l st h a tm a yb eu s e dt oc o m p l e t eag i v e no p e r a t i o n a sar e s u l t ，at o o ll i s tc o n t a i n i n g a 1 1a v a i l a b l et o o l si sf o r m e d 山东大学硕士学位论文 p r o p e rc u r i n gp a r a m e t e r sa r es e l e c t e d a u t o m o t i v em e t a lm a c h i n i n gd a t a b a s e s y s t e mb a s e do nt o o l - w o r k p i e c em a t e r i a lm a t c h i n gc a nb eu s e dt o s e l e c t c u r i n g p a r a m e t e ri nt h en a v i g a t i o nm o d ea n dp r o c e s s i n gc o n d i t i o nc a s e ，c u r i n gp a r a m e t e r s b a s e do nm a t e r i a lm a t c h i n ga n dc u t t i n gt o o ls e l e c t e db yf e a t u r ec a na l s ob es e l e c t e d c u r i n gp a r a m e t e ro p t i m u mb a s e do nm i n i m u mp r o d u c t i o nc o s ta n dm a x i m u m p r o d u c t i v i t y am a t h e m a t i c a lm o d e l t oo p t i m i z ec u r i n gp a r a m e t e r si sd e v e l o p e dt h r o u g h e s t a b l i s h i n g t h es i n g l e p a t hc u t t i n go b j e c t w h i c hm e e t s p e c i f i c c o n s t r m n t sf o r m m i m i n u mp r o d u c t i o nc o s ta n dm a x i m u mp r o d u c t i v i t y , a n di ti so p t i m i z e db ym a t l a b s o f t w a r e 1 1 1 et h r e e l a y e ra u t o m o t i v em a c h i n i n gd a t a b a s es y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e do nt h e w i n d o w s p l a t f o i t n t h i st o p i cr e c e i v e sf u n df r o mm a j o rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp r o g r a mo fh i g h - e n d c n cm a c h i n et o o l sa n db a s i c m a n u f a c t u r i n ge q u i p m e n t ( 2 0 0 9 z x 0 4 0 14 0 4 3 ， 2 0 0 9 z x 0 4 0 1 2 0 3 1a n d2 0 1 0 z x 0 4 0 1 7 0 1 2 ) k e yw o r d s ：a u t o m o t i v ed a t a b a s e ；c u r i n gp a r a m e t e r ；o p t i m u m ；t o o ls e l e c t i o n ； s t e p 土要符号及其单位 主要符号及其单位 进给量( m m r ) 每齿进给量( m m z ) 切削速度( m m m i n ) 加工工时( m i n ) 切削时间( m i n ) 一次换刀时间( m i n ) 工件装卸时间( v a i n ) 快移时间( m i n ) 刀具转位时间( r a i n ) 调整时间( m i n ) 刀具寿命( m i n ) 加工单个工件刀具一次行程的距离( m m ) 空行程距离( m m ) 转速( r m i n ) 被加工部位直径( m m ) 齿数 加工费用( 元) 准备费用( 元) 每小时生产劳动费( 元小时) 机床负担费和管理费( 折旧费、维护费等) ( 元) 磨刀时间( 小时) 每小时磨刀劳动费( 元，j 、时) 每小时工具磨床费用( 元，j 、时) 每次磨刀工具折旧费( 元) 机床允许的最小切削速度( m m i n ) 机床允许的最大切削速度( m m i n ) 机床允许的最小进给速度( m m m i n ) 厂 五 v ， 。 b “ 岛 幻 r 上 p 力 d z g g 厶 珞k 磁职 山东大学硕士学位论文 。机床允许的最大进给速度( m m m i n ) 厶 切削功率( k w ) q 金属切除率( c m 3 r a i n ) 既机床主电机功率( k 、聊 r 机床传动效率 c 刀具寿命系数 屹 刀具的刀尖半径( m m ) 忌 表面粗糙度值( w n ) 唧 切削深度( m m ) 啦 切削宽度( m a n ) x 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景 制造业是人类社会赖以生存和发展的基石，任何时代都离不开制造业，制造 业具有永恒性和不可替代性，它不仅是一个国家国民经济的支柱产业，而且对其 经济和政治的领导地位也有着决定性的影响i l 】。其中，汽车制造业的发展程度最能 体现一个国家经济的发展水平。 金属切削加工一直是机械制造工艺中的基础加工方法。早在1 9 7 1 年，国际生 产工程研究会( c i l 冲) 用德尔菲法预测“未来的制造工程 认为：“尽管工件材 料的平均强度将会不断提高，但切削加工仍然是制造成品所广泛采用的一种方 法”。目前切削加工的产值在整个机械制造业中仍占重要地位1 2 1 。 汽车由几千种共l 万多零件组成。根据各种零件的性能要求，分别优选最适当 的材料来制造。各种材料的应用具有竞争性，常常出现相互替代现象。经百余年 实践，按重量排序，当今四大主要汽车材料是钢、铸铁、塑料和铝。镁铸件正在 兴起，有可能取代一部分铝铸件。锌和铜铸件只有少量份额。铸钢件和可锻铸铁 件趋于没落，其份额被球墨铸铁件取代f 3 1 。典型汽车零部件金属材料见表1 1 。 山东大学硕士学倚论文 表1 1 典型汽车零部件所用金属材料 零部件主要材料 缸体 缸盖 曲轴 凸轮轴 挺杆体 连杆 活塞环 缸套 活塞 齿轮 发动机进排 气歧管 长轴 底盘零件： 中重型载货 车后桥壳 保安件： 汽车转向节 主要有灰口铸铁、合金铸铁、蠕墨铸铁、铝合金、镁合金等。铸铁材料虽受 到铝合金甚至镁合金的挑战，但对缸体而言，仍然占主导地位1 4 j 。 代表性工件材料牌号h t i5 0 、h t 2 0 0 、h t 2 5 0 、h t 2 8 0 、h t 3 0 0 常用的缸盖材料有灰铸铁、合金铸铁，铝合金、镁合金等。蠕墨铸铁是制造 缸盖很有前途的一种新型材料，适用于柴油机缸型引。 对整体曲轴而言，材料主要有锻钢和球墨铸铁1 6 j 。 代表性工件材料牌号q t 7 0 0 2 、q t 9 0 0 - 2 、4 5 、4 2 c r m o 传统的凸轮轴材料主要有优质碳素钢、合金结构钢、冷激铸铁等。目前国内 外广泛采用的凸轮轴材料有低碳钢、中碳钢、珠光体可锻铸铁、珠光体球墨 铸铁及合金铸铁等1 7 1 。 早期采用锻钢件高频及渗碳处理，目前采用冷硬铸铁挺杆。 传统材料主要有中碳钢、中型合金钢。新材料主要有在传统材料基础上发展 起来的新品种，如非调质钢、粉末冶金等，以及复合材料【引。 代表性工件材料牌号q 2 3 5 传统上采用珠光体可锻铸铁，现多被珠光体球墨铸铁代替。个别场合下使用 孕育铸铁。钢制活塞环的材料可以是碳素弹簧钢5 0 m n 和6 5 m n ，也可以是合 金弹簧钢，必要时还采用不锈钢t 叫。 缸套是典型的薄壁长套类零件。1 6 v 2 8 0 a 型缸套材料为合金硼铸铁【l0 1 。 在内燃机发展早期，活塞一贯用铸铁制造。2 0 世纪2 0 年代，效仿飞机发动 机，汽车活塞开始使用铝铸造。近年来逐渐向球墨铸铁和蠕墨铸铁发展】。 汽车齿轮传统上采用低碳合金钢锻件。目前使用淬火球铁代钢作发动机正时 齿轮。 传统采用灰铸铁制造。目前进气歧管实现铸铝件，排气歧管实现蠕墨铸铁。 高强度调质钢 后桥壳的用材历来是钢和铸铁的竞争热点。钢分为冲压焊接桥壳( 钢的优势 选择) ，锻造焊接桥壳和铸钢桥壳。铸铁分为可锻铸铁桥壳和球墨铸铁桥壳， 后者已在铸铁中占优势地位。轻型载货车中仍采用钢板冲压桥壳。铁素体球 墨铸铁具有韧性，在载货车底盘上用作后桥壳、减速器壳、轮毂轴、钢板弹 簧支架等。 传统上采用合金钢锻造并作调质热处理，目前铁素体球铁材质的轿车转向节 已开发成功。多种保安件采用铁素体球铁，如左右转向节、左右后臂、左 右横梁座、前，后轮毂、差速器壳体等。 本文以汽车发动机作为典型零件，分析切削加工中所遇到的技术问题，把刀具、 切削参数等信息存储到数据库，在实际生产中为编程加工人员提供合理的切削刀 具和加工参数，摆脱刀具和切削参数手工准备工作，把工作重心转移到工艺规划 上，从而提高企业生产效率，确保产品加工质量，减少加工中的产品报废问题。 2 第1 章绪论 1 2 问题的提出 随着金属切削加工理论和计算机辅助技术研究的深入，切削数据库的建立和 使用对提高企业生产率，降低生产成本，优化生产模式，发挥着巨大作用。但是， 要使切削数据库在具体行业实际生产中发挥这些作用，仍存在一些需要解决的科 学技术问题： ( 1 ) 汽车零部件新材料大量出现，如球墨铸铁、蠕墨铸铁、合金铸铁等难加工材 料。这类材料的切削加工问题使传统试切法已不能适合现代化生产需要。 ( 2 ) 传统上，确定刀具多从零件材料单一角度出发，不可避免导致工件刀具不一 致性错误，面向零件加工特征选择刀具，选择刀具更合理。 ( 3 ) g m 代码因语义性不强，汽车行业设计、制造、加工集成度低水平问题一直 是金属切削领域的重点研究问题。 ( 4 ) 从产品全生命周期考虑，为了提供全局解决方案，实现与c a d 、c a p p 和c a m 的集成是切削数据库发展的必然趋势。 1 3 研究的目的与意义 本文将数据库技术与切削加工工艺结合起来进行研究，提出利用计算机来辅 助工艺制订和切削加工的有效方法。本研究将协同生产( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) 理念运用到数据库系统设计中，通过数据库技术对切削加工工艺制定的辅助作用， 可使切削数据库提高汽车行业快速响应市场需求能力、突破目前汽车发动机切削 加工效率低、加工成本高的技术瓶颈。 1 4 切削数据库的研究综述 1 4 1 金属切削数据库的提出 切削数据是衡量切削技术水平高低的一个基本量值。切削数据传统上靠切削 手册存储，灵活性不大，应用效率低。而且一些生产企业切削数据太零散，缺乏 动态积累。随着切削工艺的发展，传统切削数据存储和利用的问题更加突出： ( 1 ) 2 0 世纪6 0 年代以后，电子计算机在机械制造中的应用逐步扩大，数控机床、 加工中心、柔性制造系统( f m s ) 相继出现，逐步满足了产品生产多品种、 小批量的要求f 陀j 。满足大批量、单品种生产的专用机床和普通机床推荐切削 山东大学硕士学位论文 数据的方式逐渐呈现效率低、不准确的缺点。 ( 2 ) 先进加工技术的出现，尤其是高速切削技术的发展，普通切削加工积累下来 的数据没法照搬用于高速切削，需要人工智能技术和实例推理【l3 1 。 ( 3 ) 新型刀具和新金属材料的出现使切削手册上的数据更新滞后。 ( 4 ) 要快速搜索加工信息，纸质文档不灵活。 在现代化机械加工的工厂里，如果切削参数、刀具的选择还停留在凭经验或 查阅切削手册的水平上，会造成提高效率的瓶颈，远远不能满足现代化生产的要 求14 1 ，有以下原因【1 5 】：数控机床加工零件需要的刀具品种多而且数量大，如果依 靠经验来选择刀具，可能因选择不正确的刀具而停止工作。 鉴于上述原因，开发存储制造信息和特定公司切削工艺信息的数据库势在必 行。1 9 6 4 年，美国金属切削联合研究公司和美国空军材料实验所联合建立了美国 空军加工性数据中心，开发了世界上第一个金属切削数据库，即c u t d a t a 切削数 据库。自此c u t d a t a 诞生以来，世界各工业发达国家大都开发了各自的金属切削 数据库。建库产生的经济效益非常可观，据c i r p 对切削数据库经济效益的调查表 明，切削数据库可使加工成本下降1 0 以上。在c u t d a t a 建库的初期，就为工业 部门节约1 6 亿美元。i n f o s ( 德国建立的切削数据情报中心) 可使单件生产时间 下降1 0 ，生产成本下降1 0 。s w s ( 德国建立的数据库) 经3 0 0 多家企业应用， 平均每年可节约i 时1 5 - - - 4 0 m j 。 数据库是长期存储在计算机内、有组织的、可共享的大量数据的集合。数据 库中的数据按一定的数据模型组织、描述和存储，具有较小的冗余度、较高的数 据独立性和易扩展性，并可为各种用户共享【l7 1 。金属切削数据库则储存各种加工 方法( 如车、铣、钻、镗、插、拉等) 加工各种金属材料的切削数据。现有的切 削数据库系统分为：数据存储和检查系统、一般经验公式系统和数学模型系统8 1 。 1 4 2 金属切削数据库的历史现状 截止到二十世纪八十年代，国外各国建立的金属切削数据库大都以系统性、 全面性为主要要求，需要花费大量的人力、物力资源，且耗时长久，导致切削数 据库落后于制造技术的发展水平。 我国于1 9 8 0 年开始研究建立金属切削数据库。1 9 8 2 年，我国第一个金属切削 4 第1 章绪论 数据库在成都工具研究所筹建，1 9 8 7 年9 月完成“试验性车削数据库t r n l 0 ”。 1 9 9 0 年1 0 月该所在v a x i 卜7 8 0 系统上开发了多功能车削数据库，“八五期间， 该数据库进一步扩充为包含工件材料库、刀具材料库、刀具库、刀具几何参数库 及切削用量库等的多套切削数据库，它是第一个适合我国国情的车削数据库【l 引。 1 9 8 8 年南京航空航天大学开发了一个小型通用切削数据库系统n a i m d s ，1 9 9 1 年 进一步开发了k b m d b s 切削数据库系统。北京理工大学针对兵器工业企业的要 求，1 9 8 9 年研制了难加工材料切削数据库和f m s 切削数据库，1 9 9 0 年建立了涂 层硬质合金刀具切削数据库，19 9 5 年开发了硬质合金刀具专家系统。庄谷安建立 了汽车工业常用材料金属切削数据库系鲥2 0 】。切削数据库不仅含有切削参数子库， 还包含与切削有关的工件库、刀具库、刀具几何参数库、机床库等；切削数据库 系统在应用功能上也增强了，不仅包含基本功能( 数据输入、更新、检索、输出 等) 、而且在特殊功能( 切削参数的优化查询、规则推理、实例推理等) 上也做 了研究；同时在通用切削数据库方面也做了大量研究。切削数据库系统基本上由 两个切削数据处理系统组成：离散型切削数据库及其数据管理程序和浓缩型数据 库及其优化计算程序。 进入2 1 世纪计算机技术飞速发展，数据库技术、先进切削加工技术大量出现， 同时为了适应目前多车间、跨地域传递切削数据的需要，切削数据库也发生了很 大的变化，出现了网络数据库、高速切削数据库、大量专用切削数据库。刘忠和 提出通过网络利用浏览器访问切削数据库【2 。王遵彤建立了高速切削数据库阎。 宫爱红建立了汽车模具高速切削工艺参数数据库系引2 3 】。任小平针对航空发动机 难加工材料建立了难加工材料切削数据库1 1 训。建立通用切削数据库耗时长，且不 能及时满足实用性要求，切削数据库的智能化、网路化和集成化研究有了新成果。 通过以上分析得出，万熠建立的高速车削数据库强调数据模型，王遵彤建立 的基于实例推理的高速切削数据库、相克俊建立的基于混合智能推理的切削数据 库侧重如何智能查询，但都不具有行业性特点；任小平重点研究航空发动机难加 工材料，体现行业性，但未考虑零件的特征。根据以上研究现状和问题，本文提 出了考虑到汽车行业零件特点的数据库，研究底层数据模型构建，以及智能查询， 而且研究怎样向c a d c a m 扩展，面向特征刀具选择、利用m a t l a bw e b 在线优 山东大学硕+ 学位论文 化切削参数以及系统怎样协同作为一个整体运行等功能。 1 4 3 金属切削数据库的发展方向 为进一步促进切削数据库的应用，切削数据库研究向集成化、智能化、实用 化和网络化方向发展【1 6 】。 ( 1 ) 集成化：企业为方便和准确地查询本企业的制造资源，建立的制造资源数据 库包括工艺基本定义和分类、机床设备、刀具、工艺装备、毛坯种类、材料 牌号、材料规格、工艺规则库、工艺简图库、工艺参数库( 切削参数、设备参 数、工时定额表) 和典型工艺库等。与c a p p 、c a d c a m 和c i m s 等联机作为 制造数据库的一部分，为自动化制造系统提供合理的切削加工数据，由切削 数据中心向加工信息中心乃至生产信息中心发展，对加工过程中的规律、规 则、数据和技术进行采集、评价、存储、处理及应用。 ( 2 ) 智能化：智能化就是将切削专家的经验，切削n i 的某些一般规则与特殊规 律存储在计算机中，实现运行与决策。早期开发的切削数据库大多只是“静 态 的原始数据，比较具体、确定，从根本上来说，只能算作电子手册，对 于生产现场出现的种类繁多的加工方式、性能千变万化的工件材料和刀具材 料，仅靠“静态”数据库往往难以解决。由于数据库管理系统不能从存储的 数据中进行逻辑推理或作启发性判断，因而存储数据的价值得不到充分发挥， 而人工智能却可以解决这一难题。目前，切削数据库正朝着智能化方向发展， 利用人工智能的方法建立切削数据库，使其具有“动态 特性。把人工智能 与切削数据库结合起来，可以解决切削数据库中一些难以解决的问题。 ( 3 ) 实用化：切削数据库提供针对不同机床、不同切削方法、不同刀具材料的切 削工艺参数，能够根据不同的加工条件，提供优化的刀具角度、切削速度、 进给量等切削用量和切削介质等一系列切削参数。 ( 4 ) 网络化：迅速发展的i n t e m e t 技术给切削数据库带来了新活力，网络化强调数 据交换和资源共享，将是未来切削数据库技术发展的主要趋势。目前，很多 切削参数数据库系统主要采用c s 模式的软件，软件的分发、安装、统一等较 为不便，而采用b s 模式的软件，能较好地避免这些问题。 切削数据库在向着集成化、智能化、实用化和网络化方向发展的同时，一方 6 第1 章绪论 面需要进行信息模型、数据模型、开发设计理论与模式等方面的基础性开发研究； 另一方面还应进行切削数据的标准化工作，切削数据的标准化是切削数据库技术 推广应用和稳定发展的保障。 1 5 课题研究的主要内容和论文体系 1 5 1 研究的主要内容 通过对汽车企业进行课题调查分析，本文针对目前汽车行业遇到的切削加工 技术问题，研究了以下内容： ( 1 ) 汽车行业金属切削数据库系统的整体结构设计与建模：在对汽车行业切削数 据库系统功能需求、信息需求和性能需求调研的基础上，提出系统模型，包 括功能模型和信息模型，建立系统总体结构，将系统划分为切削数据导航查 询模块、切削实例查询模块、刀具选择模块、基于m a t l a bw e bs e r v e r 切削 用量二维、三维优化维护模块、基于s t e p 特征汽车零件图形传递并保存数据 库和切削数据维护模块六大功能模块。 ( 2 ) i s 0 1 4 6 4 9s t e p n c 协议与数据库集成：s t e p 信息流通过利用x m l ，a s p n e t s e r v e r 和s q ls e r v e r 数据库可以实现c a d c a m 和c n c 控制器之间数据交 换，解决g m 代码缺乏语义性的缺点。 ( 3 ) 基于特征刀具选择的实现：通过交互式界面，用户定义工件特征，这些具体 的加工操作需求被送到数据库来提取与每一个确定的加工操作有关的刀具。 高级特征刀具选择模块可以从s t e p 文件中自动提取需要的加工信息，实现刀 具的自动选择功能。 ( 4 ) 切削参数优化模型的建立与m a t l a b 优化：针对最高生产率和最低生产成本 优化目标，建立汽车行业切削数据库系统优化模型，通过建立切削生产率和 单工步加工成本目标函数，考虑相应约束条件，构建切削参数优化选择数学 模型，并给出相应实例，最后用m a t l a b 软件进行数学模型优化。 ( 5 ) 汽车行业金属切削数据库系统的开发与应用：汽车行业切削数据库系统的开 发包括s q l 数据库部分的开发、系统界面的设计和程序的编制。根据汽车行 业切削数据库系统模型，确定系统中各个数据库和实例库的数据结构，建立 汽车行业切削数据库系统交互式界面，最后完成程序开发。 7 山东大学硕士学何论文 1 5 2 论文体系 本文按照“总分总”结构体系组织全文内容，第l 章为绪论，第2 章总体分 析系统数据模型，给出系统开发总体流程图。第3 章、第4 章、第5 章、第6 章 分别针对每一功能模块开发，同时这四章之间存在底层数据交换。最后一章给出 整个系统运行效果，如图1 1 所示。 图1 1 论文总体结构 1 6 本章小结 本章阐述了本论文的研究背景，提出了研究的问题以及研究的目的和意义， 对切削数据库的发展进行了文献综述，最后简要阐述了论文的研究内容。 8 第2 章汽下行业金属切削数据库系统的总体设计 第2 章汽车行业金属切削数据库系统的总体设计 数据库系统设计是指对于一个给定的应用环境，构造( 设计) 优化的数据 库逻辑模式和物理结构，并据此建立数据库及其应用系统，使之能有效地存储和 管理数据，满足各种用户的应用需求，包括信息管理要求和数据操作要求。本章 首先分析开发汽车行业金属切削数据库系统的技术路线，然后分析系统需求，建 立系统功能模型和信息模型，构造系统整体流程图，最后选择系统开发环境和工 具。 2 1 汽车行业金属切削数据库系统开发的技术路线 数据库设计的基本任务就是根据信息需求和功能需求以及建立数据库的环境 条件( 数据库系统、系统平台、网卡信息等) ，设计数据模式以及数据库系统的应 用程序。信息需求代表了对数据库的静态要求，功能需求则代表了对数据库的动 态要求。针对用户对数据库的不同要求，数据库的设计有两种方法：一种是面向 数据的设计方法；另一种是面向过程的设计方法。面向数据的设计方法以信息需 求为主，兼顾功能需求；面向过程的设计方法以功能需求为主，适当考虑信息需 求1 25 1 。汽车行业金属切削数据非常重要，因此，使用面向数据的设计方法设计汽 车行业金属切削数据库。 开发数据库理论上分为需求分析、概念设计、逻辑设计和物理设计四个步骤 1 2 6 1 。不同步骤需要不同的设计方法。汽车行业金属切削数据库开发的基本流程见 图2 1 。 9 山东大学硕士学位论文 詈詈置皇皇鲁鲁暑量皇! 皇! 曼! ! 曼! 皇曼詈詈量詈鲁皇量曼暑皇2 i 鲁詈鲁曼詈詈暑罡詈詈鼍詈皇曼鲁量詈詈詈! ! ! ! 曼! 曼皇詈量詈詈詈置詈蛋鼍詈鼍鼍皇詈鼍詈喜量曹皇 组织模型利用树型结 组织模型和资源 构 模型资源模型类似于资源 需求分析f 【导入数据】和【导出数据】实 现s t e p 文件与数据库数据的转换。当然最好足将s t e p 文件转换成x m l 文件， x m l 数据便于存储到关系数据库和网络发布。本文利用第三方工具x m l s p y 和高 级程序语- k c 两种方法实现s t e p 文件和x m l 文件的相互转换以及将x m l 存储 到m s s q l 或从m s s q l 中检索出数据生成x m l ，：f 作流程如图3 5 所示。 3 3 2 创建零件模型 通过本章第2 节分析，可以看出在创建零件模型阶段，i s 0 1 4 6 4 9 和i s 0 6 9 8 3 协议可以采用相同的操作来完成。零件设计人员运用c a d 软件设计出零件的 2 d & 3 d 模型。本文研究用一典型的汽车连杆零件来作为研究对象。连杆主要有整 体式和杆盖分开式两种，本文的连杆实例( 图3 - 6 、图3 7 ) 属于杆盖分开式。这 种连杆的加工特征有面、槽、孔。 1 1 i 图3 - 6 连杆二维尺寸图 褫 图3 7 连朴二维实例模型 第3 章b s 模式下1 s 0 1 4 6 4 9s t e p n c 协议与数据库的集成 i i 3 3 3 利用p r o e 生成s t e p ( a p 2 0 3 ) 文件 零件的c a d 模型可以通过s t e p 转换器软件( m a s t e r c a m 软件、p t c 公 司开发的p r o e ) 转化为s t e p 文件。 图3 8 显示p r o e 将连杆3 d 实体模型转换为s t e p 文件的过程。图3 - 9 显示 连杆三维模型s t e p 图形文件，利用支持a p 2 1 4 协议的三维c a d 软件p r o e 生成 的。s t e p 文件是用维尔斯句法w s n ( w i t hs y n t a xn o t a t i o n ) 定义的具有无二义性 特点的顺序文件，主要包括头部段和数据段两部分。下面以连杆实例生成的文件 说明。 l s o - 1 0 3 0 3 2 1 ： h e a d e r ； e n d s e c ； d a l a ： 文件开始 头部段开始 头部段结束 数据段开始 # 4 7 2 = c a r t e s i a n _ p o i n t ( , ( 3 e l ，1 8 e l ，7 4 1 6 1 9 8 4 8 7 0 9 6 e 1 ) ) ；，笛卡尔点 # 4 7 3 = d i r e c t i o n ( , ( o e 0 ，1 e 0 ，0 e 0 ) ) ； # 4 7 4 = d i r e c t i o n ( , ( 1 e 0 ，0 e 0 ，0 e 0 ) ) ； # 4 7 5 = a x i s 2 _ p l a c e m e n t _ 3 d ( ”，舭7 2 ，# 4 7 3 ，私7 4 ) ；，几何元素三维空间的轴二方向 # 4 8 5 = c a r t e s i a n _ p o i n t ( , ( 2 el ，0 e 0 ，1 2 e 2 ) ) ； # 4 8 6 = v e r t e x _ p o i n t ( , 撑4 8 5 ) ； 拓扑元素顶点 # 6 2 5 = c a r t e s i a n _ p o i n t ( , ( 0 e 0 ，0 e 0 ，0 e 0 ) ) ； # 6 2 6 = d i r e c t i o n ( , ( 0 e o ，1 e 0 ，0 e 0 ) ) ； 群6 2 7 = d l r e c t l o n ( ”，( 1 e 0 ，0 e 0 ，0 e 0 ) ) ； # 6 2 8 = a x i s 2 _ p l a c e m e n t _ 3 d ( ”，# 6 2 5 ，# 6 2 6 ，撑6 2 7 ) ； # 6 2 9 = - p l a n e ( , 拍2 8 ) ； 几何元素面 e n d s e c ； 数据段结束 e n d i s o 10 3 0 3 21 ： 文件结束 数据段主要包括转换文件产品的数据信息，是s t e p 文件的核心部分。以 # 4 = l i n e c , # 3 ，拌2 ) ；语句来说明含义。槲表示实体标识符，由系统产生，为一不超过 9 位的整数。l i n e 为实体关键字，括号内为实体的属性，”表示实体属性内的空 字符串，拌3 和 2 为槲的下级实体标识符，躬和撑2 分别标示的实体 c a r t e s i a np o i n t 和v e c t o r 即为l i n e 实体的下级实体。实体及其属性都是 由e x p r e s s 描述实体的显示属性、子类超类映射而来。 l u 尔人。“z c 锨纠? r 沦文 幽3 - 8p r o e 生成s t e p 文件 夏件逻) 稿疆哩) 格式虹1 童署也) 帮助趣) i s o 一1 一2 1 ： h e h d e r ： f t l ed e s c r l p o n ( ( 一) ，2 ；) ： f il e h a h e ( 。l i r 泓黼 , 2 0 1 0 - 0 5 - 0 7 1 一( r d m i n 嚣石五面1 r 可 p r o i e n g h e e rb yp r r r h ( t r i ct e c h h 时l o c y c o r p o r a t l o n 。 2 0 0 7 1 7 0 ， p r o e h g l t e rb vp r r a h et r l ct e c h h o l o g yc o r p o r r ti o h ， 2 0 0 z 】z l ：) ： ! ! ! ! ；! ! ! 堂j c o h f l g c o n t ! ! ! 一! ! ! ! 垦堕：12 ； e 帅s e c ： d a t 日： i l l d 1 b f _ c 1 0 牲一o e o 一e 直，i 且n ；一 _ 璺2 u e c t o r ( 二! ! z ! ! ! 】： # 3 - c a r t s i a hp o l h t 一，( o e 0 o e 0 ，5 e 1 ) ) ： t 与咀正t ：置3 t 2 】： 史竹插迹以及谚文件 爱求的 i 处理嚣崖敞 史竹名称、时删杯u 。 竹磊，单”、版奉以段 t 璺权 所心戊j 】协议名 盘哂丛m 敏算 向譬几何鼽捌 1 1 5 。d i r e c t i o n ( 一( 1 e 8 9 e 0 b e 0 ) ) ； 1 1 6 = u e c t o r ( 一1 1 5 ，2 e 1 ) ； 薯7 。c a rt e s l n hp o f l i t ( 一f 0 8 f 9 1 2 e 2 ； 1 1 8 t l l 幔( 一1 1 7 8 6 ) ： i t 9 = d i r e c t l o n ( 一o e a 口e 0 一1 ee ) ，； 1 0 = u e c t o r 1 1 9 1 h 1 6 9 9 4 7 5 5 7 l i 2 1 ) ； 1 1 t c a r t e s i r hp o i h t ( ，( 2 e 1 。0 e o 1 2 e 2 ) ) ： 1 1 1 2 l 1 h e ( 1 1 1 ，10 ： 3 - c a rt e s l r hp o i h t ( 3 e 1 0 e0 。1 0 5 8 3 0 0 5 2 2 6 e 2 ) ) ： v 3 3 4s t e p 文件管理 h f i , z 4c 0 12 8 图3 - 9 连杆s t e p 文件内容 ，i 线几何强烈 如图3 1 0 所示，系统用户( 设计人员，加工人员) 通过界面上传零件s t e p 文件到服务器。另外，可以通过图3 1