数控刀架选型系统的研究与设计*

洪　波，洪荣晶，王　华，陈　田

(南京工业大学 机械与动力工程学院，南京　210009)



数控刀架选型系统的研究与设计*

洪波，洪荣晶，王华，陈田

(南京工业大学 机械与动力工程学院，南京210009)

基于VisualBasic6.0和Access2013开发一种数控刀架智能选型软件，以促进数控刀架生产厂家与主机用户之间的技术沟通，体现数控刀架的产品性能和使用方法。依据数控刀架关键技术参数和实际工况下的性能要求建立刀架的用户选型数据库，根据结构类型和安装方式提出数控刀架的数字化描述方式。软件设置为向导式选型流程，在分层体系结构的基础上运用模糊综合评判算法对刀架进行选型分析，对筛选出的数控刀架产品根据实际需求进行参数校核。最后通过数控刀架选型实例来验证软件系统的可行性。

数控刀架；选型系统；数据库；模糊综合评判

0　引言

数控刀架是数控机床关键功能部件之一，与机床的加工精度和生产效率密切相关，刀架的性能影响数控机床的技术水平。国内机床行业的快速发展对机床功能部件的性能要求随之提升，数控刀架等国内机床附件厂家不断研发新产品以适应市场需求。但生产者与使用者在数控刀架产品的技术对接和产品选购上存在着脱节，影响着数控刀架国内市场的扩展和技术进步。国内机床设计选用刀架等附件时延续着传统的纸质产品样本筛选和经验查找的方式，极大浪费了设计人员的时间。

国外数控刀架等附件厂家针对自身产品的性能特点，建立了完善的电子样本和产品选型软件，充分描绘出功能部件的性能特征和应用场合，从而占据着国内机床附件的中高档市场。随着科技的进步、技术的进步和市场的需求，国内主机生产和刀架生产企业之间的合作加深，累计的技术资料增加，多规格多类型的数控刀架产品不断演化出新的系列。在国家科技重大专项基金支持下，开发数控机床功能部件选型软件来取代传统的纸质样本，填补自主产品销售系统的空白，拓展机床功能部件的销售市场。结合数控刀架关键参数和工况，开发数控刀架选型系统，指导刀架用户方便快捷的选用产品，构建生产者与使用者之间的技术沟通，推动数控刀架的生产研发。

1　数控刀架选型流程分析

软件系统包括Access建立的参数化数据库和VB6.0建立的交互界面以及二者之间构成连接和技术实现的代码程序。

1.1选型系统结构功能

数控刀架选型系统中容纳了厂家刀架产品的详细信息，用户通过一定的查询条件在系统中找到自己需求的数控刀架。

软件系统的基本构成如图1所示，包括用户层，技术层，数据库层三部分。用户层是用户直接操作的选型软件界面，针对用设计。数据库层是包含数控刀架生产厂家产品信息的部分，是软件输入信息的源头。技术层是软件设计人员建立用户层与数据库层的中间桥段，为软件功能实现的基础。

图1　软件系统基本构成

软件系统的基本功能就是将用户按照一定顺序输入信息经过分析求解，与数据库中的产品信息进行比对，输出满足条件的产品及其详细参数信息，并保存备份。软件的模块构成如图2所示。

图2　刀架选型软件模块

1.2数控刀架型谱参数研究

以数控刀架的安装、使用条件和刀架主要特征参数为基础，建立数控刀架选型的参数型谱，包括：刀架类型、技术参数、性能参数和精度参数。

(1)刀架类型，主要包括数控刀架的安装方式和驱动类型，用来区分刀架安装的机床类型；

(2)技术参数，由刀架各结构的公称尺寸和刀架特征组成，如中心高度，刀方尺寸，刀盘回转直径，工位数，单双向回转等；

(3)性能参数，主要指刀架能承受的负载大小，力和力矩等，用来校核刀架能否满足加工条件；

(4)精度参数，包括定位精度和重复定位精度等。数控刀架的精度直接影响被加工零件以及数控机床的精度。

表1为数控刀架选型系统数据库的参数字段表。

表1　数控刀架数据库字段

1.3数控刀架选型设计流程

对数控刀架的选型主要从两个方面来对产品进行参数限定，一是刀架要安装机床及加工对象的属性；二是加工中刀架要满足的技术参数。

不同类型的数控刀架结构各不相同，描述其性能和技术参数也会有所差异。因此，刀架选型时需要先确定刀架的类型，再定义各技术参数的数值范围。如图3数控刀架选型基本流程所示，通过进程选择和逻辑判断来实现选型。

图3　数控刀架选型基本流程

数控刀架选型的基本流程可概括为：

(1)通过主机和零件加工信息确定刀架类型：按照刀架的在机床上的安装方式分为立式刀架和卧式刀架，按驱动类型可分为电动、液压、伺服和动力刀架；

(2)输入用户选型参数筛选出刀架产品型号列表：根据用户实际需求按需输入参数范围值，系统对参数值进行筛选，将符合的产品以表格形式列出；

(3)对目标产品进行校核验证得到最优结果：列表中的多款刀架，可逐一校核其关键参数，经济性能，选择一款或多款满足条件的刀架；

(4)根据实际需要选择刀架附件：对刀架的附件可选择刀盘的类型、刀具的接口形式、刀座的种类等；

(5)生成报表以保存选型信息：保存的选型记录可作为刀架工作故障的检验依据，也可作为下次选型的参照，减少选型时间。

2　模糊综合评判的数控刀架选型

模糊综合评判技术是利用模糊集理论进行评判的一种方法[5]。在数控刀架的选型流程中有诸多不确定因素，不同因素对刀架选型结果影响程度不同，运用模糊综合评判知识对选型因素集评判，得出评判集合即为选型结果。

2.1模糊选型评判分层体系结构

通过分析影响数控刀架的选型因素，建立图4所示刀架选型评判分层体系结构，图中详细表述了选型中相关的所有参数再结构中的关系。

图4　刀架选型评判分层体系结构

影响数控刀架选型的参数主要有刀架类型、装夹尺寸、性能参数、经济性能四大类，将其作为第一层影响因素集U。第一层因素集每一权重因素由关键技术参数决定，如刀架类型由安装方式、驱动类型、加工类型组成，这些关键参数构成第二层影响因素集U/P[5]。刀架的型号构成分层体系结构的目标集合，均衡兼顾每层的因素大小。

2.2模糊综合评判选型应用

假设共有n款数控刀架，vn即为第n款刀架的具体型号，将数控刀架的各型号组成集合建立为模糊综合评判的评语集：

(1)

通过分别建立综合评判矩阵R，根据影响因素的权重集A，进行模糊评判，最终构成评判集Y。其中权重集A反映了诸多评判因素对机床选型影响重要程度的集合，由专家组评判打分确定权重的隶属度。建立的评判矩阵在程序中由数组形式表达后封装在程序中，通过自动判断、对比选择合适的数值进行模糊运算。

表2　权重集及权重系数

因素集分成两级，相应地评判集也分成两级，一级评判集为V，二级评判集为V′。每层权重系数和为1，即：

a1+a2+a3+a4=1

a11+a12+a13=1

a21+a22+…+a2n=1

……

(2)

数控刀架的评判分层体系结构的模糊综合评判表达式[5]：

(3)

其中：第一层影响因素:U:V′=A·V

(4)

第二层影响因素:U/P:Y=A′·V′

(5)

根据隶度函数和系数加权，可以确定各指标的隶属度，对所有因素依据权数的大小均衡兼顾。将候选结果按照隶属度由大到小的顺序排列为产品列表，数值最大Max(y)为最优的刀架选择方案。

3　数控刀架选型软件的设计

VB6.0具有调用Access的接口，且操作简单，固采用了Access2013作为数据库创建工具和VB6.0作为数控刀架选型系统编程工具。

3.1ADO数据访问技术及SQL

系统采用VisualBasic6.0进行编程，以Access2013作为数据库处理工具，利用VB自带ADO数据库访问技术能够简单灵活的实现数据库在编程软件中的调用。

ADO数据库访问技术的关键是建立对象与数据源的connection连接，数据与VB的ADO连接语句为：cnn.ConnectionString=“Provider=Microsoft.Jet.oledb.4.0;”Datasource=“&APP.Path&文件名.mdb;”。

系统包含了几乎国内所有的数控刀架产品的信息，建立数据库的工作量大，使用结构化查询语言(SQL)，通过SQL的select、insert、update、delete等语句可以方便快速的实现数据库的查询、插入、更新和删除等功能。

数据是选型系统功能实现的基础，作为参数筛选和校核的依据，必须要保证准确性。值得注意的是需要讲数据库文件保存为低版本的.mdb格式，避免出现兼容问题。

3.2选型系统构架的设计

刀架选型系统的需求应是多个方面：

(1)数控刀架种类繁多结构复杂，软件应涉及到产品的多样化；

(2)设计中要参考大量的样本参数和表格数据，因此需要利用数据库管理工具，快捷方便的调用样本数据；

(3)软件的最终操作者是数控刀架用户，要求软件界面友好，人性化，操作简单；

(4)厂家的生产发展势必会带来产品更新换代，需要软件系统具有可扩展性，易于升级。

软件功能实现的关键在于参数选型界面的设计。界面的设计满足实现基本的选型功能，还应该符合界面舒适操作简单等特点，能够让对刀架陌生的用户都能轻易的使用软件来选择需求的产品。

刀架的安装方式和驱动类型将刀架的参数进行归类划分，刀架的参数可划分为性能参数，负载参数和精度参数。同时，是用户在选定不同类型的刀架后，显示可供填写的参数输入框，不存在的参数框给予隐藏，以实现界面的简洁。选型参数的输入要符合实际的需求。

图5　软件设计路线逻辑流程图

图5为数控刀架选型系统整体的设计逻辑图。系统包含六个主要功能：产品选型、产品查询、历史记录查询、用户设计参考、数据库维护、帮助，完整达到了设计之初的每一个要求。每一功能模块均以向导的方式逐步实现选型或分析。

4　软件系统的实现与应用

软件的主要结构包括登陆模块，选型模块，数据维护模块和使用说明四个模块。首先必须通过登陆界面的验证才能进入到主界面。以卧式伺服动力刀架为例对软件系统的各功能进行应用验证。图6所示进入参数选型界面，选择刀架类型为卧式、伺服动力刀架，单击确定切换到参数输入界面对刀架进行参数的限定。

图6　数控刀架类型选择界面

进入选型参数界面后，图7所示需要对数控刀架的一些关键参数进行数值上的限定。这里面有中心高度、工位数、定位精度、重复定位精度、分度频度等参数。此处不需要将全部的参数项目都限定，只需要根据用户的实际工况需要来自行输入相关限定参数即可进行选型，点击选型按钮进入产品列表界面。

图7　选型参数限定界面

图8所示的产品列表界面以表格的形式列出了符合刀架类型及选型参数的所有存在于数据库中的数控刀架产品。列表以选型参数的的输入为指标，按照参数吻合度从高到低的顺序排列数控刀架产品。选中具体一款刀架产品可查看此款刀架的详细信息或对其进行参数的校核，图9所示。

图8　产品列表界面

图9　刀架参数校核界面

根据实际选型时的需要，对数控刀架的配件进行选择。在选型结束后可以查看详细的刀架说明书，以供主机使用人员了解刀架的详细刀架参数安装尺寸等信息。最终将操作软件选型刀架的过程生成一个选型报告，以备后期选型作参考。

5　总结

综合考虑了数控刀架的典型结构、工作原理、安装方式、关键技术参数等指标，建立了数控刀架用户选型数据库，开发刀架选型软件，最终可以得到如下结论：

(1)根据主机信息和刀架典型工况，创建选型参数的分层体系结构，利用模糊综合评判算法均衡兼顾所有选型参数，符合实际应用特点；

(2)选型系统按照软件功能划分模块结构，并设计为向导式选型流程，便于用户使用；

(3)数据库收集了国内大量数控刀架产品，并可后期增添新研发刀架产品；

(4)在软件中实现数控刀架的仿真和模拟加工，能够更直观熟悉产品，可作为未来软件开发的一个方向。

[1] 吴华平，杨俊召.浅谈数控转塔刀架行业的发展[J].金属加工：冷加工，2010(6):20-22.

[2] 陈田，王华，黄筱调.数控转台选型优化工具研究与应用[J]. 组合机床与自动化加工技术,2015(7):41-45.

[3] 甄吉磊,刘婷婷,汪惠芬，等.数控机床进给系统选型设计工具研究[J]. 机械设计与制造,2014(2):146-149.

[4]SHamid，LMirhosseyni,PhilWebb.AHybridFuzzyKnowledge-BasedExpertSystemandGeneticAlgorithmforefficientselectionandassignmentofMaterialHandlingEquipment[J].ExpertSystemswithApplications, 2009, 36(9)：11875-11887.

[5] 米长富,田建平,杨海粟,等.基于模糊综合评判的机床设备选型研究[J].组合机床与自动化加工技术,2012(7):109-112.

[6]LiuM.StudyonoptimalpathchangingtoolsinCNCturrettypingmachinebasedongeneticalgorithm[J].IFIPAdvancesinInformationandCommuicationTechnology,2011,347(4):345-354.

[7]HédiChtourou,WassimMasmoudi,ArefMaalej.AnExpertsystemformanufacturingsystemsmachineselection[J].ExpertSystemswithApplications, 2005, 28(3)：461-467.

[8] 张义民，闫明.数控刀架的典型结构及可靠性设计[M].北京：科学出版社，2014.

[9]MumtazIpek,IhsanH.Selvi,fehimfindik,etal.Anexpertsystembasedmaterialselectionapproachtomanufacturing[J].Material&Design，2013，47：331-340.

[10] 王娟，丁文政.基于模糊综合算法的数控机床加工能力匹配评判[J].组合机床与自动化加工技术，2014(11):137-140.

[11] 魏祥武.数控转塔刀架综合性能测试平台的设计研究[J].机械设计与制造，2014(1):180-182.

(编辑李秀敏)

StudyandDesignofCNCTurretSelectionSystem

HONGBo,HONGRong-jing,WANGHua，CHENTian

(SchoolofMechanicalandPowerEngineering，NanjingTECHUniversity，Nanjing21009,China)

AselectionsystembasedonVisualBasic6.0andAccess2013wasdevelopedforCNCturrettopromotethecommunicationoftechnologybetweenmanufacturersandusers，thatwillreflecttheperformanceoftheCNCturreteffectively.Adatabaseaccordingtothekeyparametersandperformancerequirementsoftheactualconditionswascreatedforuserstoselectturret.ThedigitaldescriptionmethodbasedonstructuretypeandinstallationmethodwasproposedforCNCturret.Theoperationofsoftwarewaswizarddesign,andfuzzycomprehensiveevaluationwhichbasedonAnalyticHierarchyProcessisusedforCNCturretselection,itcanverifythemainparametersaccordingtotheactualdemandforCNCturret.Finally,thefeasibilityofthisprojectwastestedandverifiedbasedonturretselectionexample.

CNCturret；selectionsystem；database；fuzzycomprehensiveevaluation

1001-2265(2016)08-0124-05DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.08.034

2015-09-24；

2015-10-14

“高档数控机床与基础制造装备”国家科技重大专项(2014ZX04011031)

洪波(1991—)，男，河南信阳人，南京工业大学硕士研究生，研究方向为机械设计及理论，(E-mail)1066514631@qq.com。

TH164;TG659

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