数据库技术在虚拟加工系统中的应用

苗立琴，王 静，王佰超，勾淑苹

（中国兵器工业集团 第五五研究所，长春 130012）

0 前言

日益增大的数据量要求有效的系统对其进行管理和组织，一个数据库系统的任务是为各种用途提供并保存大量的、经常是费钱费时生成的数据[1]。

近年来信息技术取得了迅速发展，特别是计算机技术、传感器技术、信息处理技术等取得了飞速的发展，在各个领域得到了广泛深入的应用。虚拟制造技术就是在这些技术条件支持下产生的。由于虚拟制造系统基本上不消耗资源和能量，并且能够在计算机上实现产品的设计、加工仿真及装配等过程。产品不同阶段及制造环境是虚拟模型，设计人员或用户能够在计算机上对虚拟产品模型进行产品设计修改、制造、测试，甚至可“进入”虚拟的制造环境检验其设计、加工、装配或操作，而不同于传统的原型样机的反复修改。

虚拟制造技术的出现，为解决箱体类零件的快速研制提供了一种有效方法。“虚拟制造”（Virtual Manufacturing）技术以信息技术、仿真技术、虚拟现实技术为支持，采用群组协同工作，在计算机上实现产品制造的本质过程，包括产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验，并进行过程管理与控制。通过计算机虚拟模型来模拟和预估产品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的问题，使人感受到未来产品的性能或者制造系统的状态，从而可以作出前瞻性的决策与优化实施方案，从而提高人们的预测和决策水平，使得制造技术走出主要依赖于经验的狭小天地，发展到了全方位预报的新阶段。箱体类零件在研制过程中，由于采用串行的工作方式，设计的上游和制造下游过程之间信息不能及时有效交互，零件设计中存在的制造、检测和装配等问题不能及时发现，导致返工次数多，生产成本高，研制周期长。因此，以箱体类零件作为研究对象，开展虚拟制造技术应用研究，实现箱体类零件的设计、工艺、制造的虚拟化，对提高箱体类零件整体研制水平和快速研制能力，具有重要意义。

由于虚拟制造技术的巨大优势，虚拟制造技术引起了科技人员的广泛关注。其中文献[2]建立了包括虚拟加工平台、虚拟生产平台、虚拟企业平台、基于产品数据管理的虚拟制造集成平台四部分的虚拟制造体系结构。文献[3][4]也描述了不同的虚拟制造体系结构。

本文结合当前虚拟制造研究和应用情况，针对箱体类零件制造环境建立了虚拟制造系统体系结构，在体系结构建立的同时考虑了体系结构中数据库的设计方法及实现方式。

1 虚拟加工系统的组成

合理的体系结构能有效体现虚拟加工技术与其他相关技术的联系，能理顺单元技术间的关联机理，建立合理的、充分集成的体系结构是研究虚拟加工首要解决的问题。

图1 面向箱体类零件的虚拟加工体系结构

虚拟加工系统是虚拟制造系统的重要组成部分，是实际的加工系统在不消耗能源和资源的计算机虚拟环境中的完全映射。它能够使用户通过虚拟加工环境从直觉上感受到产品的加工过程，将制造资源、制造环境和加工对象以数字化模型的形式建立在计算机内部，实现产品和产品生产过程的数字化，并利用仿真技术实现数字化产品制造过程的数字化处理。因此，虚拟加工系统的建立必须基于现实的制造设备及其相关活动，并且可以随着制造设备的改变而改变。系统平台必须是开放的，具有可重组、可扩展的特点。为了达到此目标, 本文建立了如图1所示的适合箱体类零件的虚拟加工的体系结构。该体系结构分为三部分。

1）人机数据交互：提供用户与系统交互的界面，通过该界面，用户可快速组装一个虚拟加工环境进行虚拟加工，可以直观的观看加工过程，对加工过程进行干预，并获取分析结果。

2）虚拟加工过程：虚拟加工过程也是应用处理过程，分为三部分：虚拟加工环境建模部分，该部分主要用于快速配置可重构的虚拟加工环境，包括零部件建模、设备建模、环境(车间)建模、刀夹量具建模、NC代码解析模块；虚拟加工仿真分析部分，该部分主要用于对产品的加工过程进行仿真和分析，包括了加工过程可视化、碰撞与干涉检测、加工过程受力变形仿真、加工误差检测、仿真结果分析等功能模块；可制造性评价及参数优化部分。

3）数据库系统：数据库系统是虚拟加工系统重组、扩展的基础。它应包括可重用的虚拟设备模型、可扩展的虚拟环境模型。除此之外，用来组装虚拟设备的虚拟零部件模型、用来进行加工的刀具模型、夹具模型、毛坯模型等都要建立相应的数据库。可以说，数据库系统是虚拟加工的支撑部分。

2 数据库技术的实现方法

一个数据库系统由数据库管理系统合数据库（物理存储器）组成。数据库管理系统构成应用程序和在数据库中存储数据的中间层。

图2 数据库系统的构成

60年代中期以来数据库管理系统得到了发展，其发展目标是实现应用程序完全与数据管理无关以及创造一个用于所有应用程序的公共的数据范围，它的最重要的特征是[1]：

自然的数据无关性。硬件环境以及自然数据结构的变化不影响应用程序。

逻辑的数据无关性。数据组和数据单元的扩展和变化不影响应用程序。

数据的不冗余性。所有的数据单元和数据组都被集中在一个数据库中和不重复存在，在涉及到一个较简单和较快速的数据存取时对数据库管理系统的这项要求可放低要求。

数据库被定义为相关联数据的集合，数据以一个被控制的冗余度存储[5]。数据与程序无关，并能由不同的用户调用、更改和存放。

本文研究的虚拟加工数据库能够将大量的制造信息存储到数据库中，以库文件表示，不但能有效组织，而且能被重复利用；库文件能分类管理大量的加工信息，包括刀具、机床、切削方法、进给速度和主轴转速等。此外，用户可以定制数据库以满足企业需求，可以在虚拟加工系统中非常方便地引用数据库中的加工数据，提高NC程序编制效率。

3 虚拟加工数据库技术的实现

建立箱体类零件的虚拟加工数据库系统是虚拟加工系统的重要支撑。本文根据实际加工需要建立如图2所示数据库。

图3 虚拟加工数据库

虚拟加工数据库提供的每一个库由一行数据表示，每行数据包括的类型和所指向的事件处理器和定义文件，这两个文件用来作为数据库的连接。定义文件用于建立一个类别层次结构和有关查询方法，设置对话的定义方法、属性、选项菜单的定义、库的参考名和分割符等。

设备库中存放实际加工设备的简化三维图形，将与虚拟加工无关的元素去掉，保留重要部分如工作台、主轴等适应虚拟加工系统的关键要素。由于数控加工机床结构复杂，体积庞大，建模工作繁琐，因此采用成组技术建立三级设备模型库如图4所示。本文建立的设备库包括完成箱体类零件数控加工的典型数控设备。

图4 设备模型库

如果今后采用新工艺、新设备加工箱体类零件，而已有的设备库中没有相应的模型，可以在库中调用与新设备相似的零件或部件进行修改，建立新的设备模型，并可以入库保存。

夹具库和刀具库包括箱体类零件加工所应用到的刀具、夹具及其相应参数和材料属性。

参数库主要为切削参数如机床主轴功率所对应的主轴转速、切削深度、切削宽度、相对应的切削进给量，给出相应加工参数产生的切削力。以便于对箱体薄壁类零件进行加工变形分析预测以及进行有限元分析。

4 应用实例

针对箱体类零件，虚拟加工数据库系统实现了对虚拟加工系统的加工数据库、设备库、刀具库、夹具库和零件库的管理，可以通过编辑库文件添加和修改数据库信息，也可以通过界面进行插入、修改和删除等操作。

下面以加工数据库为例介绍数据库技术在虚拟加工系统中的应用，加工数据库用于保存加工参数，以便于重复利用，该库的库文件格式如图5所示。该库也可以通过窗体形式完成，在虚拟加工系统中选择“编辑加工数据”菜单，进入编辑加工数据库界面，可向其输入或修改的加工数据包括加工数据、切削方式、刀具材料、零件材料、刀具加工数据、机床等，如图6所示。

图5 加工数库文件格式

图6 加工数据库界面

5 结束语

虚拟加工数据库在数据库管理系统中能够实现即时查询、浏览和数据添加、修改、存储等维护管理。为了保证数据的安全性，数据库管理通过密码查询、验证，设置管理使用权限，使数据库避免无意和恶意破坏。

[1] Lamersdorf,W.:Datenbanken in verteilten Systemen.Vieweg Verlag,Braunschweig,Wiesbaden 1994.

[2] 肖田元,郑会永,韩向利,等.虚拟制造体系结构研究[J].CIMS计算机集成制造系统,1999,5(1):33-38.

[3] 宿红毅,战守义,陈谊.面向仿真的虚拟现实开发平台的设计[J].北京理工大学学报,2001,21(1):83-86.

[4] 曹岩,王宏,袁清珂,等.虚拟制造及其关键技术[J].机械工业自动化,1999,21(1):3-6.

[5] MartinJ.Einfuhrung in die Datenbanktechnik.Carl Hanser Verlag,Munchen,Wien 1982.