数控机床

         摘 要：为建立满足汽车发动机制造企业需求的切削刀具综合管理系统，本文研究了该系统数据库的基础数据采集和存储问题。针对生产现场数据采集困难的问题，设计基于射频识别技术的数据采集方法，提高采集的效率和数据的可靠度。提出刀具与工步对应的存储方法，将刀具信息与生产线相应信息有效衔接。建立系统E-R 模型，应用关系规范化理论进行数据存储分析，设计数据表及其相互关系，解决数据库存储的冗余问题。以上述研究成果为基础建立切削刀具数据库，并验证数据库企业实施的可行性。研究成果为建立具有高可靠性和操作性的刀具综合管理系统提供了理论和实践保障。
 
        关键词：切削数据库；切削刀具；数据采集；数据存储
 
       0 引言
 
       由于汽车发动机四大部件结构的复杂性，以及生产线生产节拍的紧迫性，造成企业拥有种类及数量繁多的各类切削刀具，增大了汽车发动机生产企业刀具管理的难度、影响了生产效率、增加了生产成本。据相关统计，16％的计划作业因为缺乏刀具而停止，而机床操作人员20％的标准作业时间消耗于刀具查找、更换、修磨等准备阶段[1]。现有研究及应用表明，刀具数据管理信息系统的开发及应用能有效地改善企业刀具管理、切削数据优化的计划性和系统性，对提高企业的加工效率、降低加工成本有着重要意义[2-4]。自20 世纪80 年代起，刀具生产和使用企业以及科研院所对刀具数据库的研究在国内如雨后春笋般兴起并取得一定成果。例如，成都工具研究所开发出包含工件材料库、刀具材料库、刀具库、刀具几何参数库及切削用量库的多套数据库[5]。南京航空航天大学建立了基于J2EE 框架的金属切削数据库系统，并对切削力模型和金属切削仿真技术的预测功能进行了研究[6]。山东大学建立了具有智能推理功能的难加工材料切削数据库系统[7]。西北工业大学建立了面向航空企业的切削数据库，降低了切削参数准备的难度，提高了企业生产率[8]。北京理工大学在以往研究的基础上，开发了具有智能推荐和预测功能的车削数据库系统[9]。江苏大学建立了基于RFID的刀具管理系统[10]。中联重科建立了基于B/S 架构的刀具信息管理系统，集成模块化刀具选配，并建立了库存预警模型[11]。昆明云内动力提出了基于零件特征的刀具信息模型，并据此建立了刀具数据库[12]。综观上述研究成果，目前高校对切削刀具数据库研究主要集中在参数智能化推理及优化、刀具寿命和切削质量预测等方面，旨在通过数据库的应用将切削加工中的经验性知识进行科学有效的管理和存储，根据加工要求实现智能化决策，从而提升加工效率和质量。而企业对刀具在生产环节中的工艺匹配、流动与存储管理的研究更加重视，希望通过建立刀具数据库实现在仓库及生产流通过程中对刀具的控制。随着刀具数据库研究发展，刀具管理与切削优化数据库集成势必成为企业刀具数据库设计及应用的趋势。
 
       而对于集成性刀具综合管理数据库系统的设计开发而言，如何有效进行基础数据的采集和存储结构设计成为影响数据库可靠性和效率的首要问题。刘雁等分析了航空企业对切削加工中所涉及的数据信息的需求，明确了切削数据库要处理的信息，并对信息的来源与处理进行了研究[13]。任小平等针对难加工材料的数据来源进行了分析，对数据库的基础数据进行了分类存储设计[7]。胡绕脖等对高速切削数据库进行了系统的分析和设计[14]。上述研究主要针对刀具推荐或参数优化功能进行了数据需求和来源分析，选取的数据基本能够满足工艺的需求。但由于刀具数据比较单一，不能满足企业对刀具流动的管理需求。因此需要在以往研究的基础上对基础数据进行扩充，而大量数据信息势必会增加采集和存储设计的难度。
 
       本文从发动机制造企业对刀具数据库的具体数据需求研究切入，着重分析系统的基础数据采集和存储问题，解决刀具基础数据与刀具数据库需要实现的功能的匹配问题，同时提高数据库的可靠性，降低数据的冗余度。
 
      1 、数据采集
   
     数据采集又称数据获取，是指根据用户需求，利用一种装置获取系统外部的数据，并输入到系统内部进行分析、处理的过程。
 
     1.1 需求分析
 
     通过对企业的调查与分析，发现企业刀具管理的系统化和信息化程度较低，造成生产进度与所使用的刀具和夹具等辅助工具的供给不匹配问题。生产计划常因缺乏某些刀具而拖延，部分刀具库存较高占用企业资金。工艺设计人员进行设计的过程中，有时因缺乏参考数据，不能以最快的方式得到最优的结果，产生人力和时间等资源的浪费。
   
     本研究从以上实际情况出发，结合对刀具数据库设计的研究进行分析，确定该刀具数据库应实现如下功能：（1）刀具、工件材料、机床、生产线等基本信息的存储与查询管理；（2）每条生产线所用工具的综合查询；（3）刀具推荐；（4）切削加工参数的优化。
 
     根据上述需求分析，设计了刀具综合管理系统总体功能，如图1 所示。刀具综合管理系统主要包括生产线工具查询、基础数据管理、生产线及刀具管理、系统管理和刀具推荐五大功能模块。用户通过身份验证登录到管理系统主界面，数据管理员可对刀具、生产线、工件、用户等所有数据进行增删改查及维护操作，保证数据库的可靠性和可操作性；操作工人可以直接查询生产线所需的刀具、工具列表，便于进行生产准备工作；工艺设计人员可应用刀具推荐功能、参数管理功能及历史数据查询功能辅助进行工艺设计。
 

    
                              图1 刀具综合管理系统功能图
   
     1.2 RFID 技术的应用
 
     刀具库的数据一般来源于文献手册、理论实验、专家经验和生产实践[7]。其中，文献手册数据的获取比较简单，但可靠性一般。理论实验数据往往有待于生产验证后录入数据库。专家经验数据可对其他数据进行相应修正。生产实践数据在获取上有一定的难度，但实用性最强，对于系统的可靠性建设有重大作用。研究生产过程中数据采集的方法，以高效地获取可靠的生产数据，是实现数据库实用性和可靠性的重要保障，也是数据库成功应用的关键因素之一。
 
     当前汽车发动机制造企业对刀具的识别主要基于条码、刻字、激光标刻等技术，仍然需要人工对刀具进行跟踪、测量和记录，刀具数据的采集效率低下且错误率较高[10]。应用RFID技术能够很好地解决上述问题。RFID 系统主要由电子标签、读写器、天线和中间件组成[15]。在企业拥有采纳RFID 技术的条件下，如何选用适合企业应用的电子标签、使用频率及中间件成为实施RFID 技术研究的关键问题[16]。由于中间件的设计具有通用性，这里不再阐述。
  
      电子标签是RFID 系统的数据载体，主要由标签天线和芯片组成。根据标签的可读写性可分为只读标签、一次写入只读标签和可读写标签。由于本文研究的汽车发动机制造企业需要应用电子标签存储刀具流动信息，对信息进行多次修改，因此选用可读写的标签。根据标签的数据调制方式的不同，可分为被动式、半主动式和主动式。主动标签依靠标签内部的电池供电，对信号强度的要求低，工作距离可达100 米，但是价格非常高。被动式标签依靠外在电磁感应提供能量，对信号强度的要求较高，工作距离可达3 到5 米，价格较低。调查发现该企业生产系统对标签的工作距离要求不高，被动式标签足以达到要求。因此，选择被动式电子标签，以降低企业实施RFID 系统的成本。
 
      RFID 的常用频段分为低频、高频、超高频和微波。低频波段下，读写器抗干扰能力非常强，在金属环境中仍拥有较高的识读能力[14]。本文研究企业的刀具多为金属材料，因此选用低频段，能够提高数据采集的可靠性。
 
      本文应用被动式电子标签系统，通过读写器进行信息交互，再应用中间件连接刀具综合管理数据库，将读写器读取到的数据作为源数据导入到系统中。其工作原理如图2 所示。
  

     
  
                      图2 RFID 无源系统工作原理
 
     电子标签中写入刀具编码、所在位置及刃磨次数等信息。刀具编码作为唯一的刀具标识信息，用来识别每把刀具。在企业仓库、车间内安装读写器，读写器启动后会连续地发出射频信号。当刀具流动到读写器可读写的范围时，电子标签接收读写器发射的信号，并在产生的电磁场中充电后反射标识信息给读写器。读写器再将接收到的信息传给中间件。中间件对接收到的数据进行处理之后传给刀具综合管理系统，实现信息的采集。
 
     2 、数据存储设计
 
     数据存储设计的任务可分为数据的统筹安排和文件的数据结构设计。数据的统筹安排即设计系统中包含哪些文件、数据文件如何分布以及将哪些数据项放在一个文件中。文件结构设计主要考虑文件内部数据的存储优化问题，需要将概念结构设计中得到的E-R 模型向关系模型进行转换。
 
      2.1 数据整体规划

      数据整体规划可通过概念结构设计进行。概念结构设计是整个数据库设计的关键。通过概念结构设计，对用户需求进行综合、归纳与抽象，建立一个独立于具体DBMS 的概念模型[17]。对于刀具库的建设而言，设计良好的基础数据存储关系，不仅能为数据存取和查询过程的准确性提供保障，还可以为系统智能化推理机制的正确运行打下基础，是数据库系统成功的又一关键因素。
 
      在进行刀具数据库设计时，刀具数据的存储设计尤为重要。喻秀定义了各数据表，将刀具分别存储在刀具表、刀片表中，并设刀具材料表[18]。马鸿龙对数据库的概念结构和逻辑结构进行了分析，将刀具信息统一存放在刀具表中，设置刀具材料表存储刀具材料[19]。马鸿龙的设计可以实现刀具管理功能，但不利于对非整体式刀具的管理。周寅龙对刀具信息模型进行了深入分析，将刀具部件之间的关系分成刀片和刀体、刀柄系统、刀柄系统和刀体三个部分，以实现刀具的灵活组合[11]。周寅龙的设计方法能够满足其数据库根据零件特征进行选刀的功能需求，但功能较为单一。为满足工艺设计中刀具灵活组配和推荐的需求，以及实现生产线对刀具的管理功能，综合上述数据存储设计的优点对现有数据及文件进行分析。最终确定系统应包含的文件、文件间的关系以及文件中数据项的选择。
 
      选用实体-联系方法来描述概念模型，建立相应的E-R 图，如图3 所示。数据以工件、生产线及刀具信息为基础进行分类。工件信息分为工件基础信息和工件材料信息，分别存储发动机凸轮轴、连杆、缸体、缸盖等关键零部件及其材料的详细信息。整条生产线细分到工序和工步，将加工参数、加工内容和切削液等具体加工信息存储到工步表。

      设计刀具表、刀片表、辅具表和刀片材料表，实现刀具部分的信息存储。将整体式刀具和非整体式刀具的刀片信息存储到刀片表，相应的材料存储到刀片材料表。由于刀柄信息和夹具信息具有相似的属性，将其统一存储到辅具表中。刀片和辅具通过刀具表进行组配，方便工艺设计人员工作的开展。将工步与刀具信息进行一一对应的结构设计，并通过工步与工序、工序与生产线的关系进行数据的存储，将刀具信息与生产线的生产有效衔接。通过以上设计设计，一方面保存了比较完整的基础数据，能够满足系统所有的功能需求。另一方面数据文件间的逻辑结构清晰，提高了系统的可靠性。
 
      2.2 文件结构设计
 
      在关系模型中，可以把每一个关系看作一张二维表。关系是一组相关数据的集合，是描述现实数据的一种最自然、最简单的方式。非规范化的关系在使用中会出现插入、删除异常或者冗余度较大等问题，所以不能用来建立数据库。因此要对非规范化的关系进行规范化改造，以达到消除异常、减少数据冗余、提高数据灵活性和可扩展性的目的。

      关系的规范程度用范式表示。最常用的有三种，一般称消除了空值和复合数据项的关系达到第一范式。在第一范式基础上消除部分函数依赖后的关系称为第二范式的关系。第三范式是指在第二范式的基础上进一步消除传递函数依赖的关系。此外还有BC 范式、第四范式、第五范式、DK 范式和第六范式。从第一范式到第六范式，对关系的要求是逐步提高的。满足第三范式的关系已经能达到降低数据冗余的要求，进一步的规范需要对关系进行大量修改，但改善效果并不是很明显。另一方面，关系规范的提高会增加数据查询时连接表的数量，降低查询效率[20]。因此对于数据库的设计，一般将数据关系规范到第三范式为佳。
 

                            图3 刀具综合管理系统E-R 模型
   
     依据关系规范化原则，对初步得到的数据表进行优化。消除内容相似的数据列，为每一组相关数据分别创建一个数据表。设计数据表主键，每条记录用一个主键标识[20,21]。
 
     在设计数据表时，考虑到每个字段的用途，结合字段实际长度范围对数据类型和大小进行定义。在保证字段长度可以容纳数据的基础上尽量减小空间占用。同时将占用空间较小的字段设置为固定长度，能加快数据查询等相关操作的响应速度。表的主键全部设置为id 自增的代理主键，一方面避免了因业务逻辑改变而再更改主键设置的问题，另一方面能提高查询效率。在用户表中存储用户信息及权限级别，通过权限设置保证数据库的安全性。通过定义数据的允许空值与否和相应参照关系，实现数据的实体完整性和参照完整性。由于加工参数的调用比较频繁，属于热点数据，将其单独存储以提高查询效率[22,23]。对刀具信息的处理，按照前一步规划建立刀具表、刀片表、辅具表、刀片材料表，设置各表的主键为id 自增格式。以刀具表为中心，设置刀具和刀片、辅具的关系。每把刀具可以对应一个或多个刀片以及不定数量的辅具。如果将刀片和辅具的id一一存入刀具表中，势必会造成信息的冗余或者信息插入错误。根据关系规范化理论，需消除空值和复合数据项。解决方案是建立一张中间表，以存储其对应关系。这里建立刀片数量表和辅具数量表，将刀具和刀片、刀具和辅具的对应关系单独存储起来，以达到上述效果。最终确定的刀具表、刀片数量表和刀片表分别如表1、表2、表3 所示。
 
      以刀具表为中心，通过刀片数量表为刀具配置刀片。由于刀具的编号、类别和位置字段长度可变范围较小，不超过30 个字符，设置其数据类型为固定字符长度，大小为30 个字符。刀具编码用来标识刀具，刀具位置字段存储刀具在生产过程或仓库中的位置信息，这些信息都是不可缺少的，因此在其是否允许为空字段时设置为否，保证实体的完整性。规定刀具的主键和外键，保证数据的参照完整性。
  
                                      表1 刀具表
  
     
   
                                 表2 刀片数量表
  
     
  
                                       表3 刀片表
  
     
   
      按照刀具信息的处理方法，对数据库所需的其他信息进行分析。以系统E-R 模型为基础，最终确立了数据库的15 张数据表：工件材料表、工件表、生产线表、工序表、工步表、加工参数表、刀具表、刀片数量表、刀片表、刀片材料表、辅具数量表、辅具表、生产厂商表、用户表和读写器信息表。工件材料表存储工件材料的详细信息，每种工件由一种材料构成，并且由一条生产线进行生产。每条生产线由若干工序组成，每道工序又由若干工步组成。工步表中存储了机床、加工情况等信息，对应每把刀具，设置不同的加工参数。刀具由刀片、刀柄和辅具构成，刀片和辅具对应有不同的生产厂商。用户表控制数据库管理系统用户的权限，保证系统的安全性。整个系统中的表建立了一个网状关系模型，能够有条理地对刀具管理需要的所有信息进行存储。
 
      3 、系统的实现及实施
   
      3.1 系统功能实现
 
      在上述数据采集和存储设计的基础上，建立了基于MySQL的刀具综合管理数据库。将查阅相关资料得到的生产线、工件材料、刀具材料、生产厂商等信息人工录入到数据库系统。应用RFID 读写器识别生产现场的刀具、辅具等的电子标签上的信息，通过中间件将这些信息进行过滤、统计、格式转换后传输到刀具管理数据库，得到最初的存储数据。
 
      应用SSH 框架，使用Java 语言进行编程，采用JSP 语言编辑显示界面，搭建了刀具管理系统。系统主界面如图4 所示。与功能需求相对应，系统划分为基础数据管理、刀具信息管理、生产线管理、刀具推荐和系统管理五大模块。基础数据管理模块分为生产厂商管理、刀具材料管理、工件材料管理、刀片管理和辅具管理。刀具信息管理分为刀具管理、辅具数量和刀片数量管理。生产线管理模块包括工件管理、生产线管理、工序和工步管理。刀具推荐模块主要是对刀具推荐部分进行管理。系统管理包括用户管理和系统维护等模块。
 
      基础数据、刀具信息、生产线管理和用户管理模块中各界面与数据库中的各数据表一一对应，用以对数据库中的数据进行相关操作。如对刀具的管理，用户可以根据刀具编码、刀具名称进行刀具查询，或者根据需要进行刀具的添加、刀具及辅具关系的修改和刀具的删除操作。
 

                                 图4 刀具管理系统主界面
   
 
     用户通过点击导航栏按钮或首页中的相应链接，可进入对应的信息管理页面。不同的用户设置不同的权限级别，限制用户对数据库管理系统的使用。系统管理员拥有最高权限，可对数据库进行数据的查询、修改、维护等各种操作。生产操作人员可通过点击综合查询图标，进入生产线所需工具的查询页面，查询某一生产线所需工具的详细列表信息。工艺设计人员可应用刀具推荐和参数优化模块辅助进行工艺设计。
 
      3.2 系统实施
   
      系统建设完成后，导入数据进行测试。以工步信息管理为例进行说明，如图5 所示为工步信息管理界面。工步列表界面显示了数据表中存储的工步信息。数据管理员可根据需要对工步信息进行模糊查询，可通过新建、删除、更新按钮对数据库中的信息进行相应操作。每一工步唯一对应一把刀具。刀具表关联刀片、辅具等刀具的组成信息。工步又通过工序对应到生产线，实现了生产线与所需工具信息的衔接。生产操作工人可通过综合查询或者点击生产线所需工具列表进入到某生产线所需工具的详细列表页面，如图6 所示。经测试，系统各模块的数据操作均能快速准确响应，为工艺设计和生产操作准备工作提供了便利，满足了企业的需求。
   

      
                                  图5 工步信息管理界面
  

     
  
                        图6 生产线所用工具列表查询示例
 
 
      4 、结束语
 
      本文结合发动机制造企业对高效刀具管理的需求，以生产线为基础，对刀具库基础数据信息的采集和存储进行了分析和设计。结合企业具体环境，设计应用RFID 系统，提高基础数据采集的效率和可靠度。设计刀具与工步、工步与工序、工序与生产线的递进对应数据存储结构，将刀具信息与生产线的生产有效衔接。应用关系规范化原理对数据表中的数据和表之间的关系进行设计和优化，保证数据存储的可靠性和高效性。在上述研究的基础上建立了基于生产线的刀具综合管理数据库系统，实现了对生产线以及刀具等信息的综合管理，满足了企业的需求。研究成果对刀具管理数据库开发具有通用性研究价值，能够为刀具库的设计和集成研究提供参考。