基于知识的刀具数据库系统

基于知识的刀具数据库系统

侯陈昊钟振宇

北京卫星制造厂技术四室

摘要：通过确定刀具结构关系和加工信息，建立刀具结构知识库和加工方案知识库，实现智能选刀和加工方案查询功能；开发软件接口和其余信息系统相连，达到资源共享的目的。

关键词：知识库刀具结构知识加工方案知识系统扩展

1 名词及术语

刀片：安装在刀体上，直接作用于工件，是参与切削的主要部分。如图1a所示。

刀体：刀体主要功能是安装刀片，连接刀柄系统。刀片通过螺钉安装在刀体上，切削时，刀体为刀片提供支撑。如图1b所示。

刀柄系统：其主要作用是连接主轴与刀具，使刀具达到所要求的位置与精度，传递切削所需扭矩及保证刀具的快速更换，模块式结构的刀柄系统由多个部件组成。

基础柄：刀柄系统部件之一，直接连接机床主轴。如图1c所示。

接柄/夹头：刀柄系统部件之一，其下接口直接连接刀体，或者通过减径套与夹套与刀体相连。如图1d所示。

加长接杆：一般连接在基础柄和接柄之间，当基础柄和接柄相连长度不能满足加工要求时，可以通过加长接杆来增加刀具悬深。如图1e所示。

夹套：配合弹性夹头接柄使用，特点是其可以接某一系列直径的刀体。如图1f所示。

减径套：是接柄的可选配件，安装减径套后，接柄能连接直径小于其下接口尺寸的刀体，但一类减径套只能连接一种直径的刀体。如图1g所示

上接口：本文中，从主轴向下到刀体，每个部件连接时靠近主轴一端的接口。

下接口：本文中，从主轴向下到刀体，每个部件连接时靠近刀体一端的接口。

a刀片b刀体c基础柄d接柄/夹头e加长杆f夹套g减径套

图1 刀具系统

2 需求分析

随着技术的发展，刀具成为制约提高生产效率的最大瓶颈之一。在技术不断积累的过程中，数控人员逐渐发现，以往使用普通高速钢刀具，已经不能完全适应目前的生产需要，高速刀具的使用成为提高生产效率，改善工件表面质量的一条必经之路。在我厂高效加工的试点中，大量实例证明这一点。

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然而在试点的过程中，也发现了一些问题：

1．新刀具和新工艺的采用积累了大量的数据和经验，但是这些数据往往保存在个人手中，缺少科学的储存、参考和检索。

2．由于条件限制，不能一次性购入所需刀具，只能分批购入。保证不同批次购入的不同厂商的刀具通用性就成了急需解决的新问题。

3．粗加工刀具模块化程度加大，刀柄系统众多，组合可能性多种多样，如何针对加工零件选择最优组合也是一个复杂的问题。

解决这些问题的一个主要途径是建立刀具数据库系统：将所有刀具录入到数据库中，通过给定刀具结构关系，辅助选刀；同时还可以显示每个刀具部件的状态、数量，采购人员了解到刀具的库存，确定；还应能查询该类刀具加工过的零件以及加工方案。

3 系统结构

3.1 系统功能

本文所研究的刀具数据库系统应该具有以下的功能:

a.刀具参数收集；

b.刀具按结构和类型分类，结合刀具内部结构关系，实现智能选刀，并查询刀具参数；

c.典型零件加工工艺数据的储存和查询，利用已有的大量经验数据实现相似加工条件

下的切削参数策略；

d.实现通过机床、材料、刀具牌号查询相关工艺数据；

e.系统具有良好扩展性，通过接口与相关的CAD/CAM单元相连，实现数据的共享。

3.2 系统设计

根据功能需求，将系统划分为以下五个模块：

a.刀具数据库：刀具及其相关部件的几何参数及实体模型；

b.用户模块：用户操作界面，能实现查询、录入、用户登录、权限设置等；

c.刀具结构知识库：刀具部件的组合装配约束条件作为知识录入知识库；

d.加工方案知识库：储存录入的加工方案，并定义查询关键值

e.与其它系统接口：可以接收其他系统的参数并输出参数给其他系统。

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图2 系统结构

3.2 系统结构

系统结构及各功能模块管理人员如图3所示：

图3 系统结构

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4 刀具结构知识描述

在本文中所指的刀具若无特殊说明，都为铣刀。

4.1 刀具的分类

常用刀具可分为：整体硬质合金刀和可转位铣刀。整体硬质合金刀可细分为立铣刀、仿形铣刀和槽铣刀等。可转位铣刀可细分为面铣刀、方肩铣刀、仿形铣刀和槽铣刀等。按照刀具接口类型可分为圆柱直柄型、侧固型、CAPTO型、螺纹型等。

4.2 刀具结构关系

广义上一把完整的刀具是由许多部件组成，根据各自的功能不同，从主轴向下可以分为：刀柄（直接和主轴相连）、接柄（夹头）、刀体等。狭义上的刀具仅指刀体部分。本文中指的是广义上的刀具。文中将刀具分为两大部分，刀体和刀柄系统。在实际情况中，刀具的组合方式灵活多变，可以根据加工需要，通过加减部件来满足加工需求。

选择刀具时考虑的因素有直径、切削长度、最高转速等。满足加工的刀体和刀柄连接方式有很多种，例如刀柄直接和刀体相连；刀柄通过减径套连接一系列直径的刀体；刀柄连接加长杆再连接刀体等。

刀具部件之间组合灵活，本文中将刀具部件内部的关系分成三大块，分别是刀体和刀片、刀体和刀柄系统和刀柄系统之间的关系，以下将对这三种关系分别进行研究。

4.2.1 刀体和刀片

刀体主要功能是安装刀片，刀片通过螺钉安装在刀体上，切削时刀片作用在工件上，刀体为其提供支撑。

不同的厂商对于刀体分类方法有所不同，总的说来，刀体可分为：立铣刀、插铣刀、面铣刀和玉米粒铣刀等。在每一种刀体中，按照直径大小、切削载荷、功能、转速等不同需求，又有不同的结构参数。

刀片分类方法有很多，例如：

根据形状可分为方形、圆形、菱形、椭圆形等。

根据载荷可分为轻载、中载和重载等。

根据槽形可分为普通、锋利和锐利等。

刀具和刀体之间有很多种搭配，不同刀体的结构限制了其上能安装刀片的类型。一般说来，按照切削要求，一种刀体可以选择适合的不同刀片；适合某一型号刀体的刀片，不能安装在其他型号刀体上；不同厂商结构相似的刀体之间的刀片也不能互换。

4.2.2 刀体和刀柄系统

刀体通过刀柄系统连接到机床主轴上，不同种类刀体的连接方式也有所不同，一般说来可以分为柄部连接和内孔连接两种。

立铣刀、插铣刀、方肩铣刀大多使用刀体柄部和刀柄系统相连，根据连接类型，刀体可分为圆柱直柄式、侧固式、Capto式、螺纹式等。

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