面向DNC的刀具管理系统的开发

一、引言

DNC是Distributed Numerical Control的缩写，即用一台计算机或多台计算机对分布在不同地点的多台机床实施综合数字控制，根据加工要求，向各设备分配数据和指令，管理和控制一组数控设备进行生产。经过几十年的发展，现在的DNC系统结合网络技术和本身原先具有的、强大的与底层数控设备的通信能力，在CAD/CAM/CAPP、上层生产管理系统和下层生产设备之间形成统一的数据通道，已发展成为一种先进的车间生产自动化模式。DNC系统强调生产信息的集成，具有组织灵活、系统可靠、性价比高等特点，因此非常适用于产品变化频繁、资金有限的中小型企业的车间生产自动化。刀具信息作为DNC系统中十分活跃的生产要素，与DNC系统中的各部分紧密相关，并贯穿整个生产过程，直接影响生产进程。实现DNC系统中刀具信息的有效管理，可提高DNC中刀具资源的利用率，增强生产中刀具供应的协同能力，缩短生产中的非加工时间，对提高DNC系统的生产组织灵活性和车间生产自动化程度具有重要意义。目前，刀具管理系统已成为DNC研究的一个重要组成部分，与国外在这方面的研究成果相比，国内的相关研究还存在较大差距。为此，本文研究开发了一种面向DNC的刀具管理系统。

二、刀具管理系统在DNC中的运行模式

随着计算机技术、网络技术等的飞速发展，国内外学者提出了许多新的DNC概念，如集成DNC、敏捷DNC、柔性DN等，但其中的刀具管理系统通常只能完成刀具的借出、归还记录、刀具库存统计等日常管理功能，不能实现DNC各系统之间的刀具信息共享。本文在DNC的统一数据通道基础上，提出一种刀具管理系统在DNC中的运行模式(见图1)，从而可实现DNC中上层计算机管理系统之间的刀具信息共享，还可实现上层计算机管理系统与下层数控加工设备之间的刀具信息交互。当CAD/CAM/CAPP、上层计算机管理系统和下层数控加工设备需要刀具信息时，可向DNC控制服务器提交查询刀具信息请求，DNC服务器收到服务请求后，可从刀具管理系统中取得相关刀具信息并回传给发出请求的CAD/CAM/CAPP、上层计算机管理系统和下层数控加工设备，从而实现刀具管理系统与CAD/CAM/CAPP、上层计算机管理系统的刀具信息交互，达到DNC系统各部门之间刀具信息共享、减少生产停机、缩短非切削时间的目的。

图1 刀具管理系统在DNC 中的运行模式

三、面向DNC的刀具管理系统开发

1. DNC系统刀具信息需求分析

在DNC系统中，刀具信息主要与CAD/CAM/CAPP、MRPII和下层加工设备相关。

a. CAD的刀具信息需求

CAD是产品设计的源头，并行环境下的CAD必须考虑下游CAM、CAPP的要求。在规划工艺路线和工艺规程时，每道工序都需要特定的刀具，不同的刀具选择将直接影响工艺路线的安排。因此，在设计时应充分考虑刀具和工艺装备的情况。

b. CAM/CAPP的刀具信息需求

制造环节的可用刀具种类是影响零件可制造性的重要约束条件，CAM编程和CAPP规划中都涉及到刀具和切削用量的合理选取。因此，制造环节要求有一个品种齐全、检索方便的刀具库和相应的切削用量数据库。

c. MRPII的刀具信息需求

MRPII系统要求能及时获取刀具信息，以便合理制定中长期刀具供应计划，在保证生产中及时供应刀具的前提下，提高刀具资源利用率，降低生产成本。

d. 下层加工设备的刀具信息需求

下层加工设备要求刀具管理系统提供某段NC加工程序所用刀具和与刀具对应的机床刀位号，加工设备需要预先备刀，以减少生产停机，缩短非切削时间。

以上分析表明，有必要在DNC系统中建立一个统一、完整、能实时更新刀具信息的刀具管理系统。该系统应具有刀具的入库、查询、出借、归还管理功能，可进行刀具库存统计，生成刀具需求报表提交给MRPII系统，能制定车间日备刀计划，实现刀具动态调配，为工艺制定人员和CAM操作人员合理选取刀具提供电子手册查询及相应的切削用量优化选取，并为企业CAPP系统的发展积累原始数据。

2. 刀具管理系统设计模型

建立刀具管理系统设计模型就是运用面向对象设计概念，将刀具实体和人工管理刀具的主要过程抽象为计算机信息实体模型，按照刀具与CAD/CAM/CAPP、MRPII系统之间的需求关系建立不同的功能模块。刀具信息管理可抽象为管理特征、工艺特征、加工特征、辅助特征四个对象，每个对象可定义若干属性来表示刀具信息，通过操作属性即可实现对刀具信息的管理。为此，提出如图2 所示的刀具管理系统信息运行模式。

图2 刀具管理系统信息运行模式

a. 管理特征

包括刀具类型、编号、数量、生产厂家、入库时间、使用寿命、破损情况、借用时间、归还时间、借用人员、刀具计划等。

b. 加工特征

包括刀具类型和编号、刀具几何参数、刀具组件结构参数、加工精度、加工表面粗糙度、刀具用途、机械性能、冷却方式、使用的机床类型等。

c. 工艺特征

包括工艺制定人员需查询的刀具切削参数、一定切削参数下刀具的实时状态信息等。

d. 辅助特征

包括刀具简图、刀具刃磨简图等。

3. 刀具管理系统开发的关键技术

a. 刀具编码原则

由于刀具品种规格繁多，各生产厂家都制定了各自的企业标准，且随着刀具技术的不断发展，用户必然要对刀具库进行扩充，因此在编写刀具数据库时，既要保证刀具纪录的唯一性，又要便于用户对刀具库的扩充。为此，确定一个合理的刀具编码原则显得十分重要。在分析刀具各种特性的基础上，可确定如下编码原则：

·将刀具分为钻头、铣刀、车刀等八大类。
·根据类别对每一大类刀具再进行细分，直至只有刀具的具体规格参数不同为止。
·将面向对象技术的对象概念引入刀具编码中，每一类刀具均对应一类对象，对象的属性则对应刀具的主要参数。刀具编码由7位字符和数字组成，前3位表示刀具的种类，后4位表示刀具的具体属性。例如，刀具编码ZAA1157中的Z代表钻头，第一个A代表中心钻，第二个A代表带护锥复合中心钻，第一个1代表刀具材料为高速钢，第二个1代表直径为1～5mm，5代表钻头长度为151～180mm，7代表刀具可达到的加工表面粗糙度为Ra0.8µm。

b. 刀具管理子系统的数据库体系框架

为实现DNC系统中刀具信息的共享，必须建立统一的刀具数据库，刀具信息统一存储在刀具数据库中，并通过DNC中各联网计算机对刀具数据库进行更新和维护。数据库体系结构决定了刀具管理系统功能扩充和通过网络发布的难易程度。三层Client/Server数据库体系结构将刀具管理子系统分为后台数据库服务器、中间层应用程序服务器、前台应用程序三部分(见图3)。

图3

三层Client / Server 数据库体系结构前台应用程序是瘦客户端程序，瘦客户端程序与DNC Web Server相连，再由DNC Web Server通过中间层应用程序服务器和数据库进行数据操作。由于前端应用程序不直接操作后台数据库，因此简化了前端应用程序的开发，方便了程序网上发布，用户只需从网上下载前台应用程序，即可使用本刀具管理系统。中间层应用服务器以COM形式存在，可实现刀具管理的具体功能，当刀具管理系统需扩充功能时，只要在服务器上增加中间层应用程序服务器即可实现刀具功能的扩充，而无需修改前台应用程序，这就保证了刀具管理系统具有良好的扩充性能。

c. DNC系统的刀具存储策略和车间日备刀计划

在DNC系统中，MRPII只制定刀具中长期供应计划，车间日刀具供应计划则由刀具管理系统制定。车间日刀具供应计划的刀具数量受刀具存储策略的影响最大。刀具存储策略有两种主流形式：①只在机床上配置一定容量的刀库。这种配置形式的缺点是刀库存储量有限，当加工零件种类较多时，加工机床需经常停机更换刀具，且所需刀具备份量大，刀具投资较大。②设立中央刀具库。中央刀具库的容量可以很大，不同的机床可共享中央刀库的刀具资源，提高了刀具资源利用率。

在DNC系统中，加工设备以单台形式或数台加工设备组成一个柔性加工单元的形式出现。对于单台形式的加工设备，可根据实际加工环境在几台加工设备之间设置一个DNC置刀点，由几台加工设备共享该刀具存储点的刀具资源。对于本身就是柔性加工单元的加工设备，可以柔性加工单元的中央刀库作为一个DNC置刀点(见图4)。

图4

DNC 系统中的刀具存储方式车间日备刀计划就是根据车间日生产计划，为每个DNC置刀点配置相应数量的刀具。每个DNC置刀点对应的加工设备台数不宜过多(4～5台)，如加工设备过多，刀具数量太大，反而不利于刀具资源的有效利用和管理。这些加工设备使用的j种刀具的数量是一个关于时间的离散值，考虑到DNC置刀点的刀具资源共享，可用累计法计算出每个DNC置刀点配置刀具的数量Ni，各置刀点刀具数量之和就是车间日备刀量N。可采用如下循环算法：首先根据加工设备使用j种刀具起始时间的先后顺序，将设备编号为1，2，…，m。只考虑设备1时，所需j种刀具数量M1j为

(M1j)＝(T1/60T)k_{Hky (t10≤t1≤t11)}

考虑设备i后，所需j种刀具数量Mij为

Mij＝Mi-1，j+(Ti/60T)kHky (ti1≤ti-1.1或ti0≥ti-1.1)
Mij＝Mi-1,j+(Ti-Mi-1,jT/60T)kHky＋1 (ti0＜ti-1,1＜ti1)

式中，T1、T2分别为设备1、2使用j种刀具的加工时间，T为j种刀具的耐用度，kH为刀具耐用度波动系数；ky为刀具意外损耗系数。

若i＜m，则令i＝I＋1，继续进行累加计算。累计m台设备后，可得出所需j种刀具数量Mmj。第i个DNC置刀点的备刀量为

Ni＝Mmj＋mj

式中，mj为第j个DNC置刀点的刀具备份量。

车间日备刀量为

四、应用实例

采用本文开发的刀具管理系统通过DNC向Cincinnati Milacron公司生产的ARROW 750型加工中心传送刀具信息。由于数控加工设备的工控机只有简单的操作和显示功能，造成了刀具管理系统与下层数控加工设备之间刀具信息交互和刀具信息显示的困难，DNC提供了计算机与下层数控加工设备之间的双工通信能力，刀具管理系统可通过DNC软件将刀具信息传送给下层数控设备，也可通过DNC从数控加工设备的控制面板向刀具管理系统发送传送刀具信息的请求。由于数控加工设备的工控计算机可将一定格式的“伪数控程序”解析为描述性文字并显示在控制面板上，因此刀具管理系统可以“伪数控程序”形式通过DNC向数控加工设备下传刀具信息。“伪数控程序”可表示为：

%
G15H01
N10 (T01 M203001 S2)
N20 (T02 M111001 S3)
N30 M00
%

ARROW 750型加工中心可将“()”中的信息自动解析为描述性信息并显示在控制面板上。其中，“T01”代表第一把刀，“M××××××”代表刀具编码，“S×”代表刀位号。同样，可以“伪数控程序”形式将刀具信息从数控加工设备上传给刀具管理系统。本实例下传刀具信息的显示界面见图5；加工中心接收刀具信息的显示界面见图6。

图5 传刀具信息显示界面                 图6 加工中心接收刀具信息显示界面

 五、结论

1. 提出了面向DNC的刀具管理系统的信息运行模式，开发了采用三层Client/Server体系结构的刀具管理系统。
2. 刀具管理系统实现了DNC中刀具管理的计算机化，能较好解决DNC中上层管理系统、CAD/CAM/CAPP等上层计算机系统之间的刀具信息共享问题，且实现了上层计算机系统与下层数控加工设备之间的刀具信息交互，增强了DNC组织生产的灵活性。
3. 优化了DNC中刀具的存储策略，给出了相应的车间日备刀计划算法。
4. 系统直接构建在DNC原有的通信平台上，降低了企业实施该系统的成本，采用三层Client/Server体系结构，方便了系统的功能扩充和网上发布。