基于网络制造环境的机床刀具动态选择模型的研究

    1 引言
   
    工艺设计的目的是针对产品的明细表和可获得的制造资源来定义工艺细则，因此工艺设计在连接设计和制造的环节上扮演着非常重要的角色。工艺设计包括以下过程:设计数据的解释、加工机床和切削刀具的选择、切削参数的决定、夹具的选择、制造工时和费用的计算等等。
    机床和刀具的选择作为工艺设计过程的重要环节之一，常常被用来评估工艺的经济性和可行性。机床和刀具的选择几乎影响到工艺设计的所有方面，鉴于机床和刀具选择的重要性，旨在降低设计错误和偏差的计算机辅助机床刀具选择方法就成了计算机辅助工艺设计系统(CAPP) 的关键要素之一。
    然而，选择刀具和机床是工序计划和调度中一种动态的活动，不仅要求具备相应的知识，还要求能够与制造资源和环境的动态变化保持联系。大多数现行CAPP 系统的重点是通过对生产知识进行总结，设计出静态的工艺规划，因此不能与现有的生产资源柔性地联系。目前，这种静态的CAPP 系统难以对实时的车间状况和动态的生产环境做出及时响应和反馈。
    除了辅助工艺设计外，对CATS 还不断提出新的要求:即在网络制造环境下进行产品的可制造性评估时能与产品的设计问题进行良好的交流。选择刀具和机床能帮助设计者进行可制造性评估，同时也在早期决定了生产成本的绝大部分。如果在现有的制造资源中没有设计所需的刀具或机床，那么从可制造性的角度上讲就需要对生产进行调整，因此要求CATS 系统能与设计有效地进行交流，而且它们各自有独立的平台，并且能够容易让所有设计者理解。
    本文讨论的是在基于网络的制造环境下进行刀具和机床的选择。介绍了基于网络生产环境下的方法论，这种方法能够经济地对刀具和机床进行选择。本文构建的系统满足了以下的要求:刀具和机床的动态选择，设计时高效的信息共享和交流以及与其它系统的协同。此外，该系统与虚拟现实(VR) 技术相结合实现了可视化。通过这项功能帮助技术人员检查选择的刀具和机床是否合理，并且推断是否存在机械加工问题。
   
    2 网络化制造环境的方法论
   
    近年来网络技术的发展日新月异，给传统制造业带来了新的发展契机，网络化制造就是在这种背景下提出来的。其内涵是:在一定的区域范围内，采用政府调控、产学研相结合的组织模式，在计算机网络(包括因特网和区域网)和数据库的支撑下，动态地集成区域内的企业、高校、研究院所及其制造资源和科技资源，开展产品设计、制造、销售、采购和管理等一系列活动o 在制造企业中，车间作为物化中心，车间制造资源的状态最终决定了一个企业的实际生产能力。因此，对车间的制造资源及制造过程的优化管理，是提高企业核心竞争力的的关键问题之一。机床和刀具是车间中很重要的资源，网络化制造环境和现代信息技术为机床和刀具这样的制造资源的管理提供了优化和提升空间，并支持机床和刀具与其它的制造资源进行集成和共享。
   
    3 机床刀具动态选择模型的描述
   
    基于网络制造环境的机床刀具动态选择模型采用基于网络的、开放的和模块化的体系结构(WTMSS ，见图1)，它能够通过因特网有效地与设计和工艺规划进行协作。为了实现刀具和机床的选择，系统要求从工艺规划的工序和设计的零件信息中获得相应的数据。

    WTMSS 主要由数据库， java 小程序以及一个虚拟现实建模语言(VRML) 的浏览器组成。Java 数据库连通性(JDBC) 和EAI 是用来通过因特网将系统与数据库连结，并且能与Java 和VRML 两个不同的独立平台进行有效地信息交流。在WTMSS 系统中，通过建立组织化和结构化的数据库使系统能够在基于网络的生产环境下集成共享所有的资源。为了满足数据的完整性和提高查找速度，通过因特网在服务器和客户终端之间采用关系型数据库(RDB) 和结构化查询语言(SQL) 定义和管理数据。
    作为VRML 的延伸接口， EAI 允许Java 程序与嵌入相同网页的VRML 浏览器进行信息交流。因此，使用EAI 就可以在网络环境下对刀具和机床的动态选择进行模拟，从而对选择的合理性做出评估。在客户端，面向对象的数据库(OODB) 由属性和方法组成，它们用来处理从特征管理模块、外形管理模块、刀具和机床选择模块等生成的工序信息。
    WTMSS 系统采用SQL server2000来有效地定义和管理数据库(如机床数据库、刀具数据库、知识数据库、材料数据库、几何数据库等)。在本文建立的动态选择模型中用了47 个表格来定义数据库的关系，包括一对一、一对多、多对多、一对一的递归、以及一对多的递归的关系。
   
    4 构建模型的关键技术和算法的实现
   
    4.1 提取零件信息算法
   
    从DXF 文件中识别特征能够增进设计与WTMSS 系统之间的信息交流。根据特征决定加工的类型(如车削，钻孔以及螺纹加工)，被决定的加工类型将影响机床和刀具的选择。DXF 文件是商业CAD 软件中广泛采用的文件格式，是一种标准化的CAD 文件格式，可以描述计算机图形实体，如直线、曲线、表面。该方法在生产用工程图绘制中占有主导地位。
    为了从DXF 文件得到几何信息，系统通过流程图引人二维的DXF 文件，并在动态模型中建立了一种算法。如果要从DXF 文件中获得一条直线就要包括数字42 ，它需要眼下一条直线进行圆弧插补，因为DXF 不包括两条直线间的圆弧信息。图2 以及下面的等式(1)、(2) 、(3) 被用来描述在DXF 文件的两条直线之间插入圆弧的情形.

    几何实体一旦被存储到OODB 中就被称为DXF实体数据，那么下一个步骤就是应用预先定义的算法将实体信息变为特征信息，为机床和刀具的动态选择提供决策依据。