CN113189937B - 航空类零件自动生产线刀具集成管理方法及其***和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了航空类零件自动生产线刀具集成管理方法及其***和应用，方法包括：对刀具进行统一编号；获取工艺文件，根据工艺文件提取刀具信息和加工中心信息，以获得所需的刀具种类为I种刀具以及机床种类、各种类机床的数量和机床的可配刀刀位数r。将刀位数r以及种类数I进行组合，得到J个刀具组合；给自动生产线上的各个加工中心配置与其机床加工任务一致的刀具组合。基于本发明对生产线上的工艺文件进行信息提取分析，使得航空类小批量多品种的零件加工得以实现自动化生产线的形成，从而增加机床加工时间，提高生产效率以及生产线的柔性制造水平；同时，本发明这种刀具分配办法有利于充分利用刀具，从而降低刀具成本。

Description

航空类零件自动生产线刀具集成管理方法及其***和应用

技术领域

本发明涉及机加技术领域，具体涉及航空类零件自动生产线刀具集成管理方法及其***和应用。

背景技术

航空类零件往往是小批量多品种，而且根据不同架次和机型，零件的形状构造差异也比较大。因此由于航空零件自身特殊性，其加工所需刀具的数量和种类较多。而在自动生产线的数控加工中心中，一台机床配备的刀具数量有限，目前其自身的配刀种类和数量难以满足在自动生产线上，多种航空零件产品的完整加工。这导致了航空零件加工时，刀具准备时间较常、刀具准备繁琐,而在准备刀具时，位于机床上的零件处于待加工状态，导致机床的零件在机加时间短，即机床上的加工时间和待工时间比值较小；且机床种类配置不合理，存在机床配置数量与加工订单数量以及加工的任务强度不匹配的问题。这也是航空类零件加工很难形成高度自动生产线的原因之一。

发明内容

本发明的目的在于：提供了航空类零件自动生产线刀具集成管理方法及其***和应用，解决了现有的航空类零件自动生产线中，刀具分配不合理、机床配置与生产任务不匹配等原因导致的生产线自动化程度不够、机床在机加工时间短，生产效率以及生产线的柔性制造水平低等上述技术问题。本发明通过对工艺文件中的刀具信息和机床信息进行分析，以获得最合适的机床配置方案以及最优的刀具分配方案，从而提升航空类零件自动化程度、缩短配刀时间，以增加机床加工时间，提升机床上的加工时间和待工时间比值，从而提升航空类零件生产线的生产效率和生产线的柔性制造水平。

本发明采用的技术方案如下：

航空类零件自动生产线刀具集成管理方法，所述方法包括：

对刀具进行统一编号，形成刀具规格标准化，且各类刀具编号唯一；

获取自动生产线上要加工的各个零件的工艺文件，根据工艺文件提取工艺中所配置的刀具信息和加工中心信息；

根据提取的刀具信息，对刀具进行分类汇总，获得完成自动生产线上的各个零件加工所需的刀具种类为I种刀具；

根据提取的加工中心信息，获得自动生产线上的机床种类、各种类机床的数量、以及各机床的可配刀刀位数r；

根据可配刀刀位数r以及加工所需的刀具种类数I进行组合，得到集合C（I，r），此集合有J个刀具组合；

给自动生产线上的各个加工中心配置与其机床加工任务一致的刀具组合。

进一步地，各个机床的总刀位数为N，总刀位包含1个标准刀位、1个测头刀位、r个可配刀刀位以及剩余的备用刀刀位，且r=(N-2)/2。

进一步地，所述刀具分类汇总的描述模型包括：加工中心属性、加工材料属性、加工工序属性和加工特征属性。

进一步地，所述加工中心属性包括三轴机床、五轴机床；

所述加工材料属性包括铝合金、钛合金、钢件、模锻件；

所述加工工序属性包括粗加工、精加工、粗精一体；

所述加工特征属性包括框类、梁类、肋类、支座类。

进一步地，利用遗传算法根据提取的刀具信息，将从工艺文件中提取出的刀具进行筛选，剔除重复刀具以及可替代刀具。

进一步地，利用蒙特卡洛树搜索法，从J个组合中给自动生产线上的各个加工中心配置与其机床加工任务一致的刀具组合。

进一步地，所述刀具编号包括刀柄编号和刀具切削部分编号，

所述刀柄编号包括供应商编码、品牌编码以及刀柄规格参数；

所述刀具切削部分编号包括供应商编码、刀具类型编码、被加工材料编码、刀具结构形式编码、刃口材料编码、柄部形式编码、冷却方式编码、粗/精加工编码以及规格。

航空类零件生产用刀具管理***，包括：

工艺获取模块，用于获取自动生产线上要加工的各个零件的工艺文件；

刀具信息提取模块，用于提取工艺获取模块所获取的工艺文件中的刀具信息；

加工中心信息提取模块，用于提取工艺获取模块所获取的工艺文件中的加工中心信息；

刀具筛选模块，用于将刀具信息提取模块提取的刀具信息中重复刀具以及可替代刀具剔除，以获得加工所需的刀具种类为I种刀具；

机床数量配置模块，用于根据机床特性、订单数量以及加工强度确定各类机床数量；

组合模块，用于根据各机床的可配刀刀位数r及加工所需的刀具种类数I进行组合，得到集合C（I，r），此集合有J个刀具组合；

分配模块，用于给自动生产线上的各个加工中心配置与其机床加工任务一致的刀具组合。

进一步地，还包括刀具监控单元，所述刀具监控单元包括：用于监控刀具磨损情况的刀具磨损监控模块、用于监控刀具是否断刀的断刀监控模块以及用于监控刀具是否发生碰刀的刀具碰撞监控模块。

基于上述的航空类零件自动生产线刀具集成管理方法在零件生产线中的应用。

由于采用了本技术方案，本发明的有益效果是：

1.本发明航空类零件自动生产线刀具集成管理方法及其***和应用，基于本发明对生产线上的工艺文件进行信息提取分析，使得航空类小批量多品种的零件加工得以实现自动化生产线的形成，以增加机床加工时间，提升机床上的加工时间和待工时间比值，从而提升航空类零件生产线的生产效率和生产线的柔性制造水平；同时，本发明这种刀具分配办法有利于充分利用刀具，剔除重复刀具以及可替代刀具，从而降低刀具成本，提高生产效率；

2.本发明航空类零件自动生产线刀具集成管理方法及其***和应用，给航空类零件自动线生产的各类机床配置最合适的机床数量，继而在保证基于所要求的生产任务强度y的基础上，以最小的机床配置数量完成x个订单的生产，从而在预定的零件加工完成时间的基础上，降低生产线配置成本，提升生产线的柔性制造水平，避免存在机床超负荷加工或者加工任务不紧凑的情况出现；

3.本发明航空类零件自动生产线刀具集成管理方法及其***和应用，这种刀具分配办法符合现如今倡导的绿色加工理念，在实现航空智能制造的同时又可以兼顾绿色、节能、安全生产的要求，是航空先进制造业方法的双赢之选；

4.本发明航空类零件自动生产线刀具集成管理方法及其***和应用，备用刀的配置能便于当当前使用刀具不符合工况时，能快速更换上新的对应的刀具，保证生产顺利进行，不停产，提高加工效率，降低生产线加工零件的时间成本；

5.本发明航空类零件自动生产线刀具集成管理方法及其***和应用，刀具监控单元能尽早地发现刀具问题，从而尽可能减少车间加工质量事故。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，本说明书附图中的各个部件的比例关系不代表实际选材设计时的比例关系，其仅仅为结构或者位置的示意图，其中：

图1是本发明的主要流程图；

图2是刀具统一编号以及刀具规格标准化的示意图；

图3是信息预处理的示意图；

图4是自动线机床分配的示意图；

图5是刀具分配的示意图；

图6是刀具监控单元的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

下面结合图1至图6对本发明作详细说明。

实施例1

航空类零件自动生产线刀具集成管理方法，如图1~图5所示，所述方法包括：

对刀具进行统一编号，形成刀具规格标准化，且各类刀具编号唯一；刀具统一编号和刀具规格标准可以按各生产线现有规范进行制定。本实施例中，所述刀具编号包括刀柄编号和刀具切削部分编号，所述刀柄编号包括供应商编码、品牌编码以及刀柄规格参数；所述刀具切削部分编号包括供应商编码、刀具类型编码、被加工材料编码、刀具结构形式编码、刃口材料编码、柄部形式编码、冷却方式编码、粗/精加工编码以及规格；例如整体硬质合金外冷圆柄铝用麻花钻（刃径10，槽长47，总长89，夹持柄径10）对应的编号为CLMZ.N.Z.Y.2.G.T-D10×47×89×D10。

获取自动生产线上要加工的各个零件的工艺文件，根据工艺文件提取工艺中所配置的刀具信息和加工中心信息；

根据提取的刀具信息，对刀具进行分类汇总，获得完成自动生产线上的各个零件加工所需的刀具种类为I种刀具；利用遗传算法来筛选刀具，即将从工艺文件中提取出的刀具进行筛选，剔除重复刀具以及可替代刀具。例如一把φ20的铣刀，在铣削零件A时，为粗加工，但是在铣削零件B时为精加工，则此铣刀为重复刀具，这样可以给生产线配置实际所需刀具，不会浪费配置，继而能将工艺文件中的刀具数量减小，便于后续加工时对加工中心编程等相关作业快速进行。刀具的筛选条件就是刀具使用频率A或者其替代性B，关于刀具使用频率A可以由零件加工记录进行统计。

根据提取的加工中心信息，获得自动生产线上的机床种类、各种类机床的数量、以及各机床的可配刀刀位数r，确定不同种类的机床对应的数量。此处，不同种类的机床对应的数量是以需要完成的订单数量x和确保生产任务强度y为限制条件，以提高加工效率、降低生产成本为目标进行确定的；各类机床的数量配置是基于订单数量x和生产任务强度y的寻优函数F（x,y）的最优解。例如，当需要完成100个生产订单，机床的种类为三轴机床和五轴机床两种，生产任务强度为5天完成，然后基于上述条件，求解三轴机床和五轴机床配置数量的最优解，即可获得三轴机床和五轴机床所需配置的数量，从而给航空类零件自动线生产的各类机床配置最合适的机床数量，继而在保证基于所要求的生产任务强度y的基础上，以最小的机床配置数量完成x个订单的生产，从而在预定的零件加工完成时间的基础上，降低生产线配置成本，提升生产线的柔性制造水平，避免存在机床超负荷加工或者加工任务不紧凑的情况出现。

根据可配刀刀位数r以及加工所需的刀具种类数I进行组合，得到集合C（I，r），此集合有J个刀具组合；

给自动生产线上的各个加工中心配置与其机床加工任务一致的刀具组合，优选地利用蒙特卡洛树搜索法，从J个组合中给自动生产线上的各个加工中心配置与其机床加工任务（钻、铣、削等或者及多者组合）一致的刀具组合，从而给自动生产线上的各个加工中心找到最优刀具组合，此搜索依据为每台加工中心的生产任务以及生产强度上限。

每台加工中心配刀时，每台机床分配的刀具必须包含一些必不可少的刀具，例如钻床必配备钻刀、铣床必配备铣刀；现有的生产线，例如2~3台机床的刀具综合可以尽可能满足同类但多种零件的加工任务；每台机床的刀具配备信息同步到CAPP里面，给工艺编程人员以及生产任务安排人员做参考。

综上，本发明先根据现有刀具规范，对加工刀具统一编号，并对其规格进行标准化。再根据自动线上加工的航空零件的工艺文件中的刀具信息和加工中心，分类汇总其现有工艺用到的加工刀具，然后以三轴加工中心、五轴加工中心、粗加工、精加工以及加工零件特征等条件约束，利用遗传算法（GA）对统计的刀具进行筛选。接下来，对自动生产线上加工中心的机床类型（例如三轴或五轴）和数量进行确定。然后给各个机床配置刀具。最后将自动线配备的机床以及刀具信息同步到CAPP里面的资源管理（刀具、机床、夹具等），给工艺编程人员以及生产任务安排人员做参考，便于相关人员编写加工程序。

基于本发明对生产线上的工艺文件进行信息提取分析，使得航空类小批量多品种的零件加工得以实现自动化生产线的形成，从而增加机床加工时间，以增加机床加工时间，提升机床上的加工时间和待工时间比值，从而提升航空类零件生产线的生产效率和生产线的柔性制造水平；同时，本发明这种刀具分配办法有利于充分利用刀具，剔除重复刀具以及可替代刀具，从而降低刀具成本，提高生产效率。

本发明这种刀具分配办法符合现如今倡导的绿色加工理念，在实现航空智能制造的同时又可以兼顾绿色、节能、安全生产的要求，是航空先进制造业方法的双赢之选。

实施例2

本实施例是对实施例1中的“遗传算法筛选刀具”进行具体说明。

上述中，从工艺文件中提取了K个刀具信息；遗传算法筛选刀具的实施步骤具体如下：

1）初始化：设置进化代数计数器t=0，设置最大进化代数T，K个刀具{X1,X2,……Xk}作为初始群体P(0)，其中K>I；

2）个体评价：计算P(t)各个体的适应度，评价维度：刀具大小(影响加工效率)、悬长（影响加工稳定性以及可加工范围）、刀具圆角大小（影响加工阻力以及清根）、刀具材料（影响可加工的零件材料铝合金、钛合金、铸铁、钢）、加工特征（曲面、闭角、转角等），依次表示为m1、m2、……、m5,所以适应度可以表示为F(m1,m2,……，m5)；

3）选择运算：将选择数字作用于群体，选择操作是建立在群体中个体的适应度评估基础的；

4）交叉运算：将交叉算子作用于群体；

5）变异运算：将变异算子作用于群体，群体P(t)经过选择、交叉、变异运算之后得到下一代群体P（t+1）；

6）终止条件判断：若t=T,则以进化过程中所得的具有最大适应度的群体P（T）,即I种刀具。

实施例3

本实施例是对实施例1中的“利用蒙特卡洛搜索树搜索法来给自动生产线上的各个加工中心配置与其机床加工任务一致的刀具组合”进行具体实施说明。

利用蒙特卡洛搜索树搜索法来给自动生产线上的各个加工中心配置与其机床加工任务一致的刀具组合，其主要包括四个阶段：选择、扩展、模拟、回溯，具如下：

将得到的J个刀具组合作为根节点，将自动线上分配的机床作为一级子节点，根据自动线上机床的加工任务属性将J个刀具组合选择分配到下一级子节点，选择阶段包括三种情况：1）一级子节点下只有一个子节点；2）一级子节点下有多个子节点；3）一级子节点下没有二级子节点；

针对情况2可继续拓展下一级子节点，直至满足当前局面需求（每一级子节点都是一个局面，不同局面意味着选择分配条件：机床任务属性、任务量、任务强度等）；

选择和扩展阶段完成后，进行模拟，就是对最底部的节点所对应的局面进行初始评分，得出胜负（胜负用1、0表示）；

在模拟阶段结束后，就是回溯阶段，将最底部节点的父节点以及根节点到父节点路径上对应局面的评分进行累加。通过不断迭代，扩展搜索树的规模，当到达一定迭代次数后，选择根节点下最优的子节点为当前局面的最优解，即得到自动线上各个机床对应的最优刀具组合。

实施例4

关于实施例1中的机床刀位配置具体如下：各个机床的总刀位数为N，总刀位包含1个标准刀位、1个测头刀位、r个可配刀刀位以及剩余的备用刀刀位，且r=(N-2)/2。备用刀的配置能便于当前使用刀具不符合工况时，能快速更换上新的对应的刀具，保证生产顺利进行，不停产，提高加工效率，降低生产线加工零件的时间成本。

例如，自动生产线上要加工的各个零件的工艺文件所提取的刀具信息为80把刀，然后利用遗传算法来筛选刀具，剔除重复刀具和可替换刀具后，剩余40把刀。每个机床的总刀位数为N=20，可配刀刀位r=(N-2)/2=9,因此对应的根据可配刀刀位数9以及加工所需的刀具种类数40进行组合，得到集合C（40，9）。

实施例5

关于实施例1中的刀具分类汇总的描述模型包括：加工中心属性、加工材料属性、加工工序属性和加工特征属性。

进一步地，所述加工中心属性包括三轴机床、五轴机床；

所述加工材料属性包括铝合金、钛合金、钢件、模锻件；

所述加工工序属性包括粗加工、精加工、粗精一体；

所述加工特征属性包括框类、梁类、肋类、支座类。

实施例6

航空类零件生产用刀具管理***，包括：

工艺获取模块，用于获取自动生产线上要加工的各个零件的工艺文件；

刀具信息提取模块，用于提取工艺获取模块所获取的工艺文件中的刀具信息；

加工中心信息提取模块，用于提取工艺获取模块所获取的工艺文件中的加工中心信息；

刀具筛选模块，用于将刀具信息提取模块提取的刀具信息中重复刀具以及可替代刀具剔除，以获得加工所需的刀具种类为I种刀具；

机床数量配置模块，用于根据机床特性、订单数量以及加工强度确定各类机床数量；

组合模块，用于根据各机床的可配刀刀位数r及加工所需的刀具种类数I进行组合，得到集合C（I，r），此集合有J个刀具组合；

分配模块，用于给自动生产线上的各个加工中心配置与其机床加工任务一致的刀具组合。

进一步地，还包括刀具监控单元，所述刀具监控单元包括：用于监控刀具磨损情况的刀具磨损监控模块、用于监控刀具是否断刀的断刀监控模块以及用于监控刀具是否发生碰刀的刀具碰撞监控模块。

刀具监控单元能尽早地发现刀具问题，从而尽可能减少车间加工质量事故。

刀具监控单元归属于自动换刀***中，具体地，

刀具磨损监控：

a) 通过实时监测主轴负载；

b) 可以根据刀具实际磨损趋势进行换刀；

c) 可以提前识别过度磨损以及崩刃而换刀；

d) 提高刀具利用率，降低刀具使用风险。

刀具断刀监控：

a) 采集机床NC运行数据（程序号、刀具号、转速、进给等）以及（功率/振动）传感器数据进行综合数据监控；

b) 提取每把刀具每次加工的加工曲线（去除主轴加减速以及不同转速下的摩擦力）进行实时监控；

c) 识别到异常时控制停机；

d) 报警灯、蜂鸣器、界面告警提醒。

刀具碰撞监控：

e) 在主轴附近安装振动传感器；

f) 在发生碰撞的一瞬间，根据异常加剧的振动信号识别碰撞；

g) 识别到碰撞后快速停止机床进行保护，防止进一步的伤害

实施例7

基于上述的航空类零件自动生产线刀具集成管理方法在零件生产线中的应用，具体地，在加工零件之前，先采用此方法，将工艺文件中的刀具信息以及机床信息提取后，并分类汇总，剔除重复可替代的刀具信息，然后对刀具进行组合；然后确定各类机床的数量，根据订单数量x以及加工任务y，然后基于寻优函数进行求解，获得各类机床最优的配置数量；接着根据自动生产线的各个加工中心的加工特性，分配与其加工特性一致的刀具组合，例如，当机床的加工特性为钻孔时，则找寻到刀具组合中，为钻头的刀具组合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.航空类零件自动生产线刀具集成管理方法，其特征在于，所述方法包括：

对刀具进行统一编号，形成刀具规格标准化，且各类刀具编号唯一；

获取自动生产线上要加工的各个零件的工艺文件，根据工艺文件提取工艺中所配置的刀具信息和加工中心信息；

根据提取的刀具信息，对刀具进行分类汇总，获得完成自动生产线上的各个零件加工所需的刀具种类为I种刀具；

根据提取的加工中心信息，获得自动生产线上的机床种类、各种类机床的数量、以及各机床的可配刀刀位数r；

根据可配刀刀位数r以及加工所需的刀具种类数I进行组合，得到集合C(I，r)，此集合有J个刀具组合；

给自动生产线上的各个加工中心配置与其机床加工任务一致的刀具组合；

用遗传算法根据提取的刀具信息，将从工艺文件中提取出的刀具进行筛选，剔除重复刀具以及可替代刀具；从工艺文件中提取了K个刀具信息；遗传算法筛选刀具的实施步骤具体如下：

①初始化：设置进化代数计数器t＝0，设置最大进化代数T，K个刀具{X1,X2,……Xk}作为初始群体P(0)，其中K>I；

②个体评价：计算P(t)各个体的适应度，评价维度：刀具大小、悬长、刀具圆角大小、刀具材料、加工特征，依次表示为m1、m2、……、m5,所以适应度可以表示为F(m1,m2,……，m5)；

③选择运算：将选择数字作用于群体，选择操作是建立在群体中个体的适应度评估基础的；

④交叉运算：将交叉算子作用于群体；

⑤变异运算：将变异算子作用于群体，群体P(t)经过选择、交叉、变异运算之后得到下一代群体P(t+1)；

⑥终止条件判断：若t＝T,则以进化过程中所得的具有最大适应度的群体P(T),即I种刀具；

用蒙特卡洛树搜索法，从J个组合中给自动生产线上的各个加工中心配置与其机床加工任务一致的刀具组合，其主要包括四个阶段：选择、扩展、模拟、回溯，具如下：

将得到的J个刀具组合作为根节点，将自动线上分配的机床作为一级子节点，根据自动线上机床的加工任务属性将J个刀具组合选择分配到下一级子节点，选择阶段包括三种情况：1)一级子节点下只有一个子节点；2)一级子节点下有多个子节点；3)一级子节点下没有二级子节点；

针对情况2)可继续拓展下一级子节点，直至满足当前局面需求；

选择和扩展阶段完成后，进行模拟，就是对最底部的节点所对应的局面进行初始评分，得出胜负；

在模拟阶段结束后，就是回溯阶段，将最底部节点的父节点以及根节点到父节点路径上对应局面的评分进行累加；通过不断迭代，扩展搜索树的规模，当到达一定迭代次数后，选择根节点下最优的子节点为当前局面的最优解，即得到自动线上各个机床对应的最优刀具组合。

2.根据权利要求1所述的航空类零件自动生产线刀具集成管理方法，其特征在于，各个机床的总刀位数为N，总刀位包含1个标准刀位、1个测头刀位、r个可配刀刀位以及剩余的备用刀刀位，且r＝(N-2)/2。

3.根据权利要求1所述的航空类零件自动生产线刀具集成管理方法，其特征在于，所述刀具分类汇总的描述模型包括：加工中心属性、加工材料属性、加工工序属性和加工特征属性。

4.根据权利要求3所述的航空类零件自动生产线刀具集成管理方法，其特征在于，所述加工中心属性包括三轴机床、五轴机床；

所述加工材料属性包括铝合金、钛合金、钢件、模锻件；

所述加工工序属性包括粗加工、精加工、粗精一体；

所述加工特征属性包括框类、梁类、肋类、支座类。

5.根据权利要求1所述的航空类零件自动生产线刀具集成管理方法，其特征在于，所述刀具编号包括刀柄编号和刀具切削部分编号，

所述刀柄编号包括供应商编码、品牌编码以及刀柄规格参数；

所述刀具切削部分编号包括供应商编码、刀具类型编码、被加工材料编码、刀具结构形式编码、刃口材料编码、柄部形式编码、冷却方式编码、粗/精加工编码以及规格。

6.基于权利要求1～5中任一项所述的航空类零件自动生产线刀具集成管理方法在零件生产线中的应用。

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