CN110032159A - 船用柴油机关重件切削加工控制系统实现方法 - Google Patents

Abstract

一种船用柴油机关重件切削加工控制系统实现方法，包括：切削加工控制系统服务器以及分别与之相连的用于数据查询和使用的刀具信息数据库、用于刀具存取的智能刀具管理模块、智能刀具选用模块、工艺实例数据管理模块和工艺试验数据管理模块，本发明解决了现阶段工厂刀具存放、管理混乱以及查询、存取刀具效率低的问题，降低了对操作工人经验的要求；工艺实例数据管理为工人提供了更全面的工艺信息，包括基本工序工步信息、机床、刀具、NC代码号等信息，提高了工人操作的效率；工艺试验数据管理帮助工艺人员记录和管理切削加工工艺试验数据，并对零件加工提供参考。

Description

船用柴油机关重件切削加工控制系统实现方法

技术领域

本发明涉及的是一种机械制造领域的技术，具体是一种面向加工全流程的船用柴油机关重件切削加工控制系统实现方法。

背景技术

船用柴油机关重件装夹方式、切削参数等要素都凭借人工经验设计完成，效率低且人工经验依赖性强。在商品化研制阶段，通过本课题的研究，建立切削加工控制系统，实现工艺设计效率及数控装备有效切削率大幅提升。以船用柴油机机架、机座、气缸体等为代表的船用柴油机典型结构件具有种类多、结构尺寸较大、加工工艺复杂、加工质量一致性差等特点，对切削加工工艺的规划提出了很高的要求。

目前的加工工艺流程一般包括1)物料准备；2)工艺编制；3)数控加工；4)检验；5)流转等步骤。在物料准备阶段，车间计划调度人员在根据任务准备材料的同时，将图纸计划下发至工艺人员处，工艺人员编制机加工程序与数控程序。工艺人员编制程序时，需要针对零件不同特征分别编制数控程序。程序编制完成后下发至操作班组，由操作者根据零件结构，确定装夹方式进行装夹，加工中，根据经验设置切削参数。零件加工完成后，由检验人员使用卡尺、内径尺等量具与三坐标测量机进行检测，合格后流转。整个工艺流程中，均为人工操作，严重依赖计调人员、工艺人员与操作人员的经验，期间任一环节出错，均会造成质量问题，严重制约数控加工的质量与效率。本项目构建的面向加工全流程的切削加工控制系统可在工艺准备阶段实现快速工艺选择及刀具选用，确定刀具类型、切削参数等加工要素，为操作提供工艺指导，实施优化后，有助于摆脱切削加工中严重依赖经验技能的现状。

发明内容

本发明针对现有切削加工中严重依赖经验技能的不足，提出一种船用柴油机关重件切削加工控制系统实现方法，为切削加工提供刀具管理、刀具选用、工艺实例数据管理、工艺试验数据管理等服务，解决了现阶段工厂刀具存放、管理混乱以及查询、存取刀具效率低的问题，降低了对操作工人经验的要求；工艺实例数据管理为工人提供了更全面的工艺信息，包括基本工序工步信息、机床、刀具、NC代码号等信息，提高了工人操作的效率；工艺试验数据管理帮助工艺人员记录和管理切削加工工艺试验数据，并对零件加工提供参考。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种船用柴油机关重件切削加工控制系统实现方法，包括：

步骤1、构建刀具信息数据库、材料信息数据库、机床信息数据库、工艺实例数据库和工艺试验数据库；

步骤2、构建刀具管理模块；

步骤3、构建刀具选用模块；

步骤4、构建工艺实例数据管理模块；

步骤5、构建工艺试验数据管理模块。

本发明通过上述方法构建得到的面向加工全流程的船用柴油机关重件切削加工控制系统，包括：切削加工控制系统服务器以及分别与之相连的用于数据查询和使用的刀具信息数据库、用于刀具存取及管理的刀具管理模块、刀具选用模块、工艺实例数据管理模块和工艺试验数据管理模块，其中：切削加工控制系统服务器交换各种所需的各种数据，刀具信息数据库内置数据的载体并存储刀具、材料、机床、工艺的基本信息；刀具选用模块传输所选用刀具的刀具编号信息，并通过切削控制系统与其他模块通信；工艺实例数据管理模块传输工艺实例库中的工艺实例信息，并通过切削加工控制系统服务器与其他模块通信；工艺试验管理模块传输工艺试验数据库中的工艺试验信息，并通过切削加工控制系统服务器与其他模块通信。

所述的刀具管理模块包括：刀具寿命管理单元、数据统计分析单元、刀具库存管理单元、刀具柜实体，其中：刀具管理单元传输刀具的库存位置及库存数量信息，并把信息传递给刀具柜实体进行刀具存取，刀具寿命管理单元可以记录刀具寿命信息，并通过切削加工控制系统服务器储存到刀具数据库；统计分析模块可以对刀具寿命、库存等信息进行统计并通过图表形式展示给用户。

技术效果

与现有技术相比，本发明集成刀具管理、刀具选用、工艺实例数据管理、工艺试验数据管理等模块于一体，为用户提供切削加工全流程服务；能够方便用户比较不同刀具厂商、NC程序、加工设备对刀具寿命的影响，为用户选购及使用刀具提供参考；能够统计刀具库存、寿命等信息并提供可视化界面，为用户管理刀具提供参考；能够基于加工零件特征选用刀具，具备基于特征的刀具选用及工艺推理机理；工艺实例数据及工艺试验数据管理模块分别管理零件加工工艺数据及加工试验数据，通过与智能刀具选用的结合，可快速获取工序(工步)或者工艺试验中所需刀具，通过与刀具、机床、材料数据库结合，能够快速获取所需刀具、机床、材料相关信息。

附图说明

图1为面向加工全流程的船用柴油机关重件切削加工控制系统的总体框架图。

图2为智能刀具管理模块框架图。

图3为刀具入库流程图。

图4为刀具出库流程图。

图5为刀具寿命管理框架图。

图6为来自不同厂商的刀具寿命对比分析示意图。

图7为基于刀具类型的刀具选用及工艺推理机理原理图。

图8为基于刀具类型的刀具选用流程图。

图9为基于特征的刀具选用及工艺推理机理原理图。

图10为基于零件特征的刀具选用流程图。

图11为工艺实例数据管理模块框架图。

具体实施方式

本实施例通过以下步骤构建面向加工全流程的船用柴油机关重件切削加工控制系统，具体包括：

步骤1、如图1所示，构建数据库：

①刀具信息数据库：收集刀具相关的以下信息：ID、订货号、刀具类别、制造商代码、系列号、刀具牌号、基体材料信息、涂层材料信息、涂层方法、刀具标注角度、机床侧接口信息、切削直径、刀具几何形状信息、最大可修磨次数、刀具重量、允许最大转速、可加工类型、加工精度、刀具所属基本标准组、发布年份、刀具寿命信息。

②材料信息数据库：收集材料相关的以下信息：ID、材料编号、材料牌号、材料组编号、材料子组编号、牌号标准、标准号、国家/公司、工程材料类别编号、材料类别、材料制造方法、热处理方法、材料性能参数、应用简介。

③机床信息数据库：收集机床相关的以下信息：ID、机床编号、机床型号、机床类型、机床子类型、制造商、性能描述、示意图、坐标轴数、最大零件加工尺寸、机床精度、工作台最大承重、主轴尖到工作台距离、主轴最高转速、主轴最大功率、主轴最大扭矩、机床接口类型、机床接口型号、刀库信息、控制系统信息、冷却方式、冷却压力。

④工艺实例数据库：收集典型零件加工工艺信息：零件基本信息、零件材料信息、总工艺信息、总机床信息、总刀具信息、总夹具信息、工序信息、工序机床信息、工序刀具信息、工序夹具信息、工步信息、工步刀具信息、工步工艺信息。

⑤工艺试验数据库：收集典型特征切削加工工艺试验数据：工艺试验类型、试验机床、试验刀具信息、试验毛坯信息、加工参数信息(主轴转速、进给速度、切深、切宽、冷却方式)、试验结果(加工负载、加工表面质量、材料去除率、刀具磨损状态、刀具寿命)。

步骤2、构建刀具管理模块：

①刀具出入库管理：每个刀具配有二维码，结合刀具柜实体并实现：刀具入库管理(刀具编码自动生成及打印、扫码入库)、刀具出库管理(刀具智选及扫码出库)、刀具库存管理(类型、数量、存储位置、刀具取用历史追溯及统计)，如图2所示。

如图3和图4所示，分别为刀具入库和出库流程，刀具出入口信息与后台数据库联通，对刀具存储位置及库存信息实施统计。

②刀具寿命管理：如图5所示，生产实践每发生刀具报废时都将其寿命信息以及使用其的机床信息、NC代码号纳入刀具信息数据库中，通过统计分析模块，可对用户采购、选择、使用刀具提供参考。

如图6所示，为刀具寿命统计分析示意图，图中自变量为：刀具厂商；自变量可以为任何影响刀具寿命的因素，例如：刀具厂商—比较不同厂商刀具寿命大小，对比不同厂商刀具性能；NC代码—比较执行不同代码对刀具寿命的影响；设备—比较不同设备对刀具寿命的影响。

步骤3、构建刀具选用模块：

①基于刀具类型，如图8所示，在已知刀具类型前提下，进一步确定刀具加工参数、加工材料等条件进而选取具体型号的刀具，并通过刀具管理系统快速找到所需刀具，聚焦解决加工现场刀具存取及管理混乱，自动化程度不高的问题；

②基于零件特征，如图10所示，在已知加工零件特征的前提下，进一步确定加工条件、加工材料等条件选取具体型号的刀具，并通过刀具管理系统快速找到所需刀具，聚焦解决零件典型结构特征高效精密加工在刀具选用和加工工艺参数制定中缺乏科学合理指导和数据支撑问题，帮助工艺工程师快速选用合适刀具并制定加工工艺参数。

所述的基于刀具类型的刀具选用模块包括：刀具类型参数化单元、基于刀具类型的刀具选用和工艺推理单元，其中：刀具参数化单元总结刀具类型并进行分类，即首先根据刀具类型进行第一层分类：车削刀具、铣削刀具、孔加工刀具、螺纹加工刀具、工具系统。

所述的车削刀具进一步包括：车削刀具-外部、车削刀具-内部、切槽切断刀具。

所述的铣削刀具进一步包括：可转位铣刀、可换头铣刀、整体式铣刀。

所述的孔加工刀具进一步包括：钻削刀具、镗削刀具、铰削刀具。

所述螺纹加工刀具进一步包括：螺纹车削刀具、丝锥、整体螺纹铣刀、可转为螺纹铣刀。

所述的工具系统进一步包括：旋转式刀柄系统、固定转接头、操作附件、调整附件。

针对每种刀具进行参数化描述，作为选取刀具和加工工艺推理的约束条件。

以铣削刀具中的整体式铣刀为例：

a.切削直径；b.切削仞数；c.机床侧连接类型；d.最大切深；e.制造商:从数据库选取；f.适合铣削方式：方肩铣、槽铣、仿形铣、进给面铣、倒角铣、坡走铣、插铣、边缘铣、螺纹铣、车铣。

所述的工艺推理如图7所示，是指：根据预先选择的刀具类型，以及刀具加工参数、被加工材料等信息推理并推荐合适的加工工艺参数信息：

a.根据刀具类别进行初步筛选；

b.根据所定义的加工参数进行最终筛选；

c.在切削力，功率，转速等约束条件下进行加工工艺参数推理；

d.给出相应的推荐出结果，如没有结果则需要用户返回第一步重新设置。

所述的基于零件特征的刀具选用模块包括：零件特征参数化单元、基于特征的刀具选用和工艺推理单元，其中：零件特征参数化单元总结零件典型特征并进行分类，即首先根据零件加工方式进行零件典型特征第一层分类：旋转体零件和非旋转体零件。

所述的旋转体零件包括外部加工和内部加工，旋转体零件采用车削加工中心进行加工；非旋转体零件采用立式加工中心、卧式加工中心等进行加工。

A.非旋转体零件是指：加工特征细包括平面、方肩、槽、型腔、倒角、2D形状、3D曲面、孔、螺纹等。

B.旋转体零件是指：根据加工特征细包括外圆、带方肩外圆、外圆和端面、端面、外圆轮廓、径向切槽、径向切断(棒)、径向切断(管)、螺纹、端面切槽等。旋转体零件内部加工根据加工特征细包括内圆、带方肩内圆、内圆和端面、内圆轮廓、径向切槽、孔、螺纹等。

对每个特征进一步细分，例如平面特征进一步细包括连续平面和断续平面。

针对每个典型特征进行参数化描述，作为选取刀具和加工工艺推理的约束条件。

以型腔特征为例：

a.特征尺寸：型腔宽度，型腔长度，型腔深度，侧壁圆角，底面圆角，落刀孔直径，加工余量

b.特征状态：系统稳定性，毛坯状态：预加工/粗表面(氧化皮、余量变化)/夹砂

所述的基于特征的刀具选用是指：首先完成对预加工零件特征完成参数化定义后，进一步对刀具和机床进行约束和定义，以便获得最合适的刀具，其中：

A.机床

可以选取企业机床信息库中已有机床获得相关机床信息，也可以定义相关参数(最大转速、额定功率、额定扭矩)

B.刀具

定义刀具类型(可转位、整体)，刀具直径范围，柄部形式等作为刀具约束条件。

所述的工艺推理如图9所示，是指：根据预先选择的加工零件特征，例如外圆、内圆、平面等，以及加工参数、被加工材料等信息推理并推荐合适的加工工艺参数信息：

a.根据预加工零件特征进行刀具类别选择；

b.根据所选预加工零件特征的材料、参数和状态进行刀具选择；

c.制定零件特征加工常见工艺，在切削力，功率，转速等约束条件下进行加工工艺参数推理；

d.给出相应的推荐出结果，如没有结果则需要用户返回第一步重新设置。

用户操作流程如图10所示。

步骤4、构建工艺实例数据管理模块：针对零件加工的每一个工序均建立刀具清单，自动生成典型零件基本数据表。通过上述清单，可查询零件加工刀具情况(数量、寿命)，零件加工所用机床情况(机床能效)等。

所述的刀具清单包括但不限于刀具及机床信息，还包括对应的生产零件的NC程序号、加工机床、毛坯材料等信息。刀具清单可以被刀具管理系统获取，更方便刀具获取。

所述的典型零件基本数据表包括：零件加工全部工序表、全部工步表、涉及机床和刀具信息表，实现快速查询零件工艺。

步骤5、构建工艺试验数据管理模块以记录和管理切削加工工艺试验数据。

所述的工艺试验数据包括：

1)工艺试验类型包括：车削试验、铣削试验、钻削试验、镗削试验、铰削试验、螺纹加工试验。

2)工艺试验参数和条件填写：根据不同试验类型，填写试验参数表和加工条件。包括：试验机床(从数据库调用)、试验刀具信息(从数据库调用)，试验毛坯信息(从材料库获取牌号，热处理状态等信息，填写尺寸等其他信息)。填写加工参数表，每一组试验包括主轴转速、进给速度、切深、切宽、冷却方式等。填写试验目的。

3)试验结果记录及分析：对应每一组试验填写试验结果记录表，试验结果包括：加工负载，加工表面质量(残余应力，表面粗糙度)，材料去除率，刀具磨损状态，刀具寿命。填写试验分析结果及试验总结。

本发明与现有技术相比：1)工艺数据覆盖率80％以上；2)在用刀具(含刀具组件)数据覆盖率70％以上；3)在用材料数据覆盖率90％以上；4)典型特征案例数据覆盖率大于典型特征数的50％。

切削加工工艺优化范围包括切削速度、进给速度、切削深度和切削宽度；切削参数优化满足刀具寿命提高20％；切削参数优化满足加工效率提升30％；切削参数优化满足加工成本降低10％～15％。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (9)

1.一种船用柴油机关重件切削加工控制系统实现方法，其特征在于，包括：

步骤1、构建刀具信息数据库、材料信息数据库、机床信息数据库、工艺实例数据库和工艺试验数据库；

步骤2、构建刀具管理模块；

步骤3、构建刀具选用模块；

步骤4、构建工艺实例数据管理模块；

步骤5、构建工艺试验数据管理模块以记录和管理切削加工工艺试验数据。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的步骤1，具体包括以下步骤：

①刀具信息数据库：收集刀具相关的以下信息：ID、订货号、刀具类别、制造商代码、系列号、刀具牌号、基体材料信息、涂层材料信息、涂层方法、刀具标注角度、机床侧接口信息、切削直径、刀具几何形状信息、最大可修磨次数、刀具重量、允许最大转速、可加工类型、加工精度、刀具所属基本标准组、发布年份、刀具寿命信息；

②材料信息数据库：收集材料相关的以下信息：ID、材料编号、材料牌号、材料组编号、材料子组编号、牌号标准、标准号、国家/公司、工程材料类别编号、材料类别、材料制造方法、热处理方法、材料性能参数、应用简介；

③机床信息数据库：收集机床相关的以下信息：ID、机床编号、机床型号、机床类型、机床子类型、制造商、性能描述、示意图、坐标轴数、最大零件加工尺寸、机床精度、工作台最大承重、主轴尖到工作台距离、主轴最高转速、主轴最大功率、主轴最大扭矩、机床接口类型、机床接口型号、刀库信息、控制系统信息、冷却方式、冷却压力；

④工艺实例数据库：收集典型零件加工工艺信息：零件基本信息、零件材料信息、总工艺信息、总机床信息、总刀具信息、总夹具信息、工序信息、工序机床信息、工序刀具信息、工序夹具信息、工步信息、工步刀具信息、工步工艺信息；

⑤工艺试验数据库：收集典型特征切削加工工艺试验数据：工艺试验类型、试验机床、试验刀具信息、试验毛坯信息、加工参数信息、试验结果。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的步骤2具体包括：

①刀具出入库管理：每个刀具配有二维码，结合刀具柜并实现：刀具入库管理、刀具出库管理、刀具库存管理；

②刀具寿命管理：生产实践每发生刀具报废时都将其寿命信息以及使用其的机床信息、NC代码号纳入刀具信息数据库中，通过统计分析模块，可对用户采购、选择、使用刀具提供参考。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的步骤3具体包括：

①基于已知刀具类型、加工参数、加工材料前提下选取具体型号的刀，并通过刀具管理系统快速找到所需刀具；

②基于加工零件特征，聚焦解决零件典型结构特征高效精密加工在刀具选用和加工工艺参数制定中缺乏科学合理指导和数据支撑问题，帮助工艺工程师快速选用合适刀具并制定加工工艺参数。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的刀具选用模块包括：基于刀具类型选用单元和基于零件特征选用单元；

所述的基于刀具类型的刀具选用模块包括：刀具类型参数化单元、基于刀具类型的刀具选用和工艺推理单元，其中：刀具参数化单元总结刀具类型并进行分类，即首先根据刀具类型进行第一层分类：车削刀具、铣削刀具、孔加工刀具、螺纹加工刀具、工具系统；

所述的基于零件特征选用单元包括：零件特征参数化单元、基于特征的刀具选用和工艺推理单元，其中：零件特征参数化单元总结零件典型特征并进行分类，即首先根据零件加工方式进行零件典型特征第一层分类：旋转体零件和非旋转体零件。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的步骤4是指：针对零件加工的每一个工序均建立刀具清单，自动生成典型零件基本数据表，通过上述清单，可查询零件加工刀具情况，零件加工所用机床情况。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的步骤5中的工艺试验数据包括：

1)工艺试验类型包括：车削试验、铣削试验、钻削试验、镗削试验、铰削试验、螺纹加工试验；

2)试验参数表和加工条件，其中试验参数包括：试验机床、试验刀具信息、试验毛坯信息、加工条件包括：每一组试验的主轴转速、进给速度、切深、切宽、冷却方式；

3)试验结果记录及分析，其中试验结果包括：加工负载、加工表面质量、材料去除率、刀具磨损状态、刀具寿命。

8.一种基于上述任一权利要求所述方法构建得到的面向加工全流程的船用柴油机关重件切削加工控制系统，其特征在于，包括：切削加工控制系统服务器以及分别与之相连的用于数据查询和使用的刀具信息数据库、用于刀具库存及信息管理的刀具管理模块、刀具选用模块、工艺实例数据管理模块和工艺试验数据管理模块，其中：切削加工控制系统服务器交换各种所需的各种数据，刀具信息数据库内置数据的载体，存储刀具、材料、机床、工艺的基本信息；刀具选用模块传输所选用刀具的刀具编号信息，并通过切削加工控制系统与其他模块通信；工艺实例数据管理模块传输工艺实例库中的工艺实例信息，并通过切削加工控制系统服务器与其他模块通信；工艺试验管理模块传输工艺试验数据库中的工艺试验信息，并通过切削加工控制系统服务器与其他模块通信。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征是，所述的刀具管理模块包括：刀具管理单元和刀具柜实体，其中：刀具管理单元传输刀具的库存位置、库存数量信息、刀具寿命有关信息，并对所存储的信息进行统计分析，刀具管理单元把库存信息传递给刀具柜实体进行刀具存取。