苗立琴，王 靜，王佰超，勾淑蘋

（中國兵器工業(yè)集團(tuán) 第五五研究所，長春 130012）

0 前言

日益增大的數(shù)據(jù)量要求有效的系統(tǒng)對其進(jìn)行管理和組織，一個數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的任務(wù)是為各種用途提供并保存大量的、經(jīng)常是費錢費時生成的數(shù)據(jù)[1]。

近年來信息技術(shù)取得了迅速發(fā)展，特別是計算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、信息處理技術(shù)等取得了飛速的發(fā)展，在各個領(lǐng)域得到了廣泛深入的應(yīng)用。虛擬制造技術(shù)就是在這些技術(shù)條件支持下產(chǎn)生的。由于虛擬制造系統(tǒng)基本上不消耗資源和能量，并且能夠在計算機(jī)上實現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計、加工仿真及裝配等過程。產(chǎn)品不同階段及制造環(huán)境是虛擬模型，設(shè)計人員或用戶能夠在計算機(jī)上對虛擬產(chǎn)品模型進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計修改、制造、測試，甚至可“進(jìn)入”虛擬的制造環(huán)境檢驗其設(shè)計、加工、裝配或操作，而不同于傳統(tǒng)的原型樣機(jī)的反復(fù)修改。

虛擬制造技術(shù)的出現(xiàn)，為解決箱體類零件的快速研制提供了一種有效方法。“虛擬制造”（Virtual Manufacturing）技術(shù)以信息技術(shù)、仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)為支持，采用群組協(xié)同工作，在計算機(jī)上實現(xiàn)產(chǎn)品制造的本質(zhì)過程，包括產(chǎn)品的設(shè)計、工藝規(guī)劃、加工制造、性能分析、質(zhì)量檢驗，并進(jìn)行過程管理與控制。通過計算機(jī)虛擬模型來模擬和預(yù)估產(chǎn)品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的問題，使人感受到未來產(chǎn)品的性能或者制造系統(tǒng)的狀態(tài)，從而可以作出前瞻性的決策與優(yōu)化實施方案，從而提高人們的預(yù)測和決策水平，使得制造技術(shù)走出主要依賴于經(jīng)驗的狹小天地，發(fā)展到了全方位預(yù)報的新階段。箱體類零件在研制過程中，由于采用串行的工作方式，設(shè)計的上游和制造下游過程之間信息不能及時有效交互，零件設(shè)計中存在的制造、檢測和裝配等問題不能及時發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致返工次數(shù)多，生產(chǎn)成本高，研制周期長。因此，以箱體類零件作為研究對象，開展虛擬制造技術(shù)應(yīng)用研究，實現(xiàn)箱體類零件的設(shè)計、工藝、制造的虛擬化，對提高箱體類零件整體研制水平和快速研制能力，具有重要意義。

由于虛擬制造技術(shù)的巨大優(yōu)勢，虛擬制造技術(shù)引起了科技人員的廣泛關(guān)注。其中文獻(xiàn)[2]建立了包括虛擬加工平臺、虛擬生產(chǎn)平臺、虛擬企業(yè)平臺、基于產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理的虛擬制造集成平臺四部分的虛擬制造體系結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[3][4]也描述了不同的虛擬制造體系結(jié)構(gòu)。

本文結(jié)合當(dāng)前虛擬制造研究和應(yīng)用情況，針對箱體類零件制造環(huán)境建立了虛擬制造系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，在體系結(jié)構(gòu)建立的同時考慮了體系結(jié)構(gòu)中數(shù)據(jù)庫的設(shè)計方法及實現(xiàn)方式。

1 虛擬加工系統(tǒng)的組成

合理的體系結(jié)構(gòu)能有效體現(xiàn)虛擬加工技術(shù)與其他相關(guān)技術(shù)的聯(lián)系，能理順單元技術(shù)間的關(guān)聯(lián)機(jī)理，建立合理的、充分集成的體系結(jié)構(gòu)是研究虛擬加工首要解決的問題。

圖1 面向箱體類零件的虛擬加工體系結(jié)構(gòu)

虛擬加工系統(tǒng)是虛擬制造系統(tǒng)的重要組成部分，是實際的加工系統(tǒng)在不消耗能源和資源的計算機(jī)虛擬環(huán)境中的完全映射。它能夠使用戶通過虛擬加工環(huán)境從直覺上感受到產(chǎn)品的加工過程，將制造資源、制造環(huán)境和加工對象以數(shù)字化模型的形式建立在計算機(jī)內(nèi)部，實現(xiàn)產(chǎn)品和產(chǎn)品生產(chǎn)過程的數(shù)字化，并利用仿真技術(shù)實現(xiàn)數(shù)字化產(chǎn)品制造過程的數(shù)字化處理。因此，虛擬加工系統(tǒng)的建立必須基于現(xiàn)實的制造設(shè)備及其相關(guān)活動，并且可以隨著制造設(shè)備的改變而改變。系統(tǒng)平臺必須是開放的，具有可重組、可擴(kuò)展的特點。為了達(dá)到此目標(biāo), 本文建立了如圖1所示的適合箱體類零件的虛擬加工的體系結(jié)構(gòu)。該體系結(jié)構(gòu)分為三部分。

1）人機(jī)數(shù)據(jù)交互：提供用戶與系統(tǒng)交互的界面，通過該界面，用戶可快速組裝一個虛擬加工環(huán)境進(jìn)行虛擬加工，可以直觀的觀看加工過程，對加工過程進(jìn)行干預(yù)，并獲取分析結(jié)果。

2）虛擬加工過程：虛擬加工過程也是應(yīng)用處理過程，分為三部分：虛擬加工環(huán)境建模部分，該部分主要用于快速配置可重構(gòu)的虛擬加工環(huán)境，包括零部件建模、設(shè)備建模、環(huán)境(車間)建模、刀夾量具建模、NC代碼解析模塊；虛擬加工仿真分析部分，該部分主要用于對產(chǎn)品的加工過程進(jìn)行仿真和分析，包括了加工過程可視化、碰撞與干涉檢測、加工過程受力變形仿真、加工誤差檢測、仿真結(jié)果分析等功能模塊；可制造性評價及參數(shù)優(yōu)化部分。

3）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)：數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是虛擬加工系統(tǒng)重組、擴(kuò)展的基礎(chǔ)。它應(yīng)包括可重用的虛擬設(shè)備模型、可擴(kuò)展的虛擬環(huán)境模型。除此之外，用來組裝虛擬設(shè)備的虛擬零部件模型、用來進(jìn)行加工的刀具模型、夾具模型、毛坯模型等都要建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。可以說，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是虛擬加工的支撐部分。

2 數(shù)據(jù)庫技術(shù)的實現(xiàn)方法

一個數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)由數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)合數(shù)據(jù)庫（物理存儲器）組成。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)構(gòu)成應(yīng)用程序和在數(shù)據(jù)庫中存儲數(shù)據(jù)的中間層。

圖2 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的構(gòu)成

60年代中期以來數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)得到了發(fā)展，其發(fā)展目標(biāo)是實現(xiàn)應(yīng)用程序完全與數(shù)據(jù)管理無關(guān)以及創(chuàng)造一個用于所有應(yīng)用程序的公共的數(shù)據(jù)范圍，它的最重要的特征是[1]：

自然的數(shù)據(jù)無關(guān)性。硬件環(huán)境以及自然數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的變化不影響應(yīng)用程序。

邏輯的數(shù)據(jù)無關(guān)性。數(shù)據(jù)組和數(shù)據(jù)單元的擴(kuò)展和變化不影響應(yīng)用程序。

數(shù)據(jù)的不冗余性。所有的數(shù)據(jù)單元和數(shù)據(jù)組都被集中在一個數(shù)據(jù)庫中和不重復(fù)存在，在涉及到一個較簡單和較快速的數(shù)據(jù)存取時對數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的這項要求可放低要求。

數(shù)據(jù)庫被定義為相關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的集合，數(shù)據(jù)以一個被控制的冗余度存儲[5]。數(shù)據(jù)與程序無關(guān)，并能由不同的用戶調(diào)用、更改和存放。

本文研究的虛擬加工數(shù)據(jù)庫能夠?qū)⒋罅康闹圃煨畔⒋鎯Φ綌?shù)據(jù)庫中，以庫文件表示，不但能有效組織，而且能被重復(fù)利用；庫文件能分類管理大量的加工信息，包括刀具、機(jī)床、切削方法、進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速等。此外，用戶可以定制數(shù)據(jù)庫以滿足企業(yè)需求，可以在虛擬加工系統(tǒng)中非常方便地引用數(shù)據(jù)庫中的加工數(shù)據(jù)，提高NC程序編制效率。

3 虛擬加工數(shù)據(jù)庫技術(shù)的實現(xiàn)

建立箱體類零件的虛擬加工數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是虛擬加工系統(tǒng)的重要支撐。本文根據(jù)實際加工需要建立如圖2所示數(shù)據(jù)庫。

圖3 虛擬加工數(shù)據(jù)庫

虛擬加工數(shù)據(jù)庫提供的每一個庫由一行數(shù)據(jù)表示，每行數(shù)據(jù)包括的類型和所指向的事件處理器和定義文件，這兩個文件用來作為數(shù)據(jù)庫的連接。定義文件用于建立一個類別層次結(jié)構(gòu)和有關(guān)查詢方法，設(shè)置對話的定義方法、屬性、選項菜單的定義、庫的參考名和分割符等。

設(shè)備庫中存放實際加工設(shè)備的簡化三維圖形，將與虛擬加工無關(guān)的元素去掉，保留重要部分如工作臺、主軸等適應(yīng)虛擬加工系統(tǒng)的關(guān)鍵要素。由于數(shù)控加工機(jī)床結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，建模工作繁瑣，因此采用成組技術(shù)建立三級設(shè)備模型庫如圖4所示。本文建立的設(shè)備庫包括完成箱體類零件數(shù)控加工的典型數(shù)控設(shè)備。

圖4 設(shè)備模型庫

如果今后采用新工藝、新設(shè)備加工箱體類零件，而已有的設(shè)備庫中沒有相應(yīng)的模型，可以在庫中調(diào)用與新設(shè)備相似的零件或部件進(jìn)行修改，建立新的設(shè)備模型，并可以入庫保存。

夾具庫和刀具庫包括箱體類零件加工所應(yīng)用到的刀具、夾具及其相應(yīng)參數(shù)和材料屬性。

參數(shù)庫主要為切削參數(shù)如機(jī)床主軸功率所對應(yīng)的主軸轉(zhuǎn)速、切削深度、切削寬度、相對應(yīng)的切削進(jìn)給量，給出相應(yīng)加工參數(shù)產(chǎn)生的切削力。以便于對箱體薄壁類零件進(jìn)行加工變形分析預(yù)測以及進(jìn)行有限元分析。

4 應(yīng)用實例

針對箱體類零件，虛擬加工數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)實現(xiàn)了對虛擬加工系統(tǒng)的加工數(shù)據(jù)庫、設(shè)備庫、刀具庫、夾具庫和零件庫的管理，可以通過編輯庫文件添加和修改數(shù)據(jù)庫信息，也可以通過界面進(jìn)行插入、修改和刪除等操作。

下面以加工數(shù)據(jù)庫為例介紹數(shù)據(jù)庫技術(shù)在虛擬加工系統(tǒng)中的應(yīng)用，加工數(shù)據(jù)庫用于保存加工參數(shù)，以便于重復(fù)利用，該庫的庫文件格式如圖5所示。該庫也可以通過窗體形式完成，在虛擬加工系統(tǒng)中選擇“編輯加工數(shù)據(jù)”菜單，進(jìn)入編輯加工數(shù)據(jù)庫界面，可向其輸入或修改的加工數(shù)據(jù)包括加工數(shù)據(jù)、切削方式、刀具材料、零件材料、刀具加工數(shù)據(jù)、機(jī)床等，如圖6所示。

圖5 加工數(shù)庫文件格式

圖6 加工數(shù)據(jù)庫界面

5 結(jié)束語

虛擬加工數(shù)據(jù)庫在數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中能夠?qū)崿F(xiàn)即時查詢、瀏覽和數(shù)據(jù)添加、修改、存儲等維護(hù)管理。為了保證數(shù)據(jù)的安全性，數(shù)據(jù)庫管理通過密碼查詢、驗證，設(shè)置管理使用權(quán)限，使數(shù)據(jù)庫避免無意和惡意破壞。

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

[2] 肖田元,鄭會永,韓向利,等.虛擬制造體系結(jié)構(gòu)研究[J].CIMS計算機(jī)集成制造系統(tǒng),1999,5(1):33-38.

[3] 宿紅毅,戰(zhàn)守義,陳誼.面向仿真的虛擬現(xiàn)實開發(fā)平臺的設(shè)計[J].北京理工大學(xué)學(xué)報,2001,21(1):83-86.

[4] 曹巖,王宏,袁清珂,等.虛擬制造及其關(guān)鍵技術(shù)[J].機(jī)械工業(yè)自動化,1999,21(1):3-6.

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