1 引言
現代製造技術的發展及數控加工設備的廣泛使用，極大地推動了切削技術的進步。隨著生產加工過程數控化和自動化的需要，對金屬切削刀具提出了高可靠度、高精度、快速轉位更換等更高要求。自1980年首次推出模塊式工具系統BTS以來，模塊化刀具以其快速靈活的特點迅速被各企業廣泛使用，在一定程度上解決了過去刀具組配單一、結構簡單的問題。但模塊化刀具結構設計複雜，切削部分的形狀種類繁多，給機械加工和刀具設計人員合理選擇刀具帶來一定困難；同時，刀片型號的增加也給刀片採購和管理帶來不便，為用戶快速、高效及正確選擇刀具增加了難度。為使企業對刀具需求迅速做出響應，在切削加工中快速高效選擇刀具成為切削加工系統的客觀需求。根據不同加工特徵，自動選擇所需刀具對實現自動化切削加工及智能化刀具管理具有十分重要的意義。
本文在工件特徵分析的基礎上，重點對刀具選配系統進行總體功能和結構的設計，並利用資料庫理論進行系統框架模型的建立，最後給出加工實例。
2 工件特徵分析
特徵是把零件按設計功能、幾何形狀和對應的製造過程分解后所得到的組成部分，它由一組幾何實體、工藝屬性及所需要的製造活動(工藝規劃、數控編程等)所組成。PDES/STEP標準描述特徵時分為3個大的層次：零件層(應用層)、特徵層(形狀層)和幾何層(表達層)。如圖1所示，零件層不僅包含形狀信息，還包含了應用領域的相關內容，如功能說明和加工工藝說明等，主要描述零件的總體信息和技術要求；特徵層只描述特徵的形狀信息，與應用領域無關，也不涉及形狀的表達方法；幾何層以各種形狀表達方法(如B-rep，CSG等)對形狀模型提供幾何描述。 在零件特徵模型中，特徵層主要包括形狀特徵、精度特徵、材料特徵、管理特徵和技術特徵：
形狀特徵 描述零件幾何形狀、尺寸相關的信息集合，包括加工工藝形狀、裝配輔助形狀；
精度特徵 描述零件幾何形狀、尺寸的許可變動量的信息集合，包括公差(尺寸公差和形位公差)和表面粗糙度；
材料特徵 與零件材料和熱處理有關的信息集合，如材料性能、熱處理方式、硬度值等。
管理特徵 與零件管理有關的信息集合，包括零件材料，粗糙度等。
技術特徵 描述零件的性能和技術要求的信息集合。
本系統研究中，主要涉及零件的形狀特徵、材料特徵和精度特徵，對於零件的管理特徵和技術特徵不作過多的考慮。
3 系統總體設計
系統總體方案設計是軟體系統設計的基礎，是對整個系統的整體把握。通過總體方案設計，可以明確系統要實現的功能、系統開發中涉及到的數據與知識，進而對系統進行模塊化設計，確定各程序模塊的開發思路。
系統功能設計
基於特徵的刀具選配系統幫助企業在工件特徵的基礎上，快速選擇刀具，並給出刀具的合理裝配。本系統應該具備下列基本功能：一是查詢工件材料及工件特徵描述；二是根據工件特徵給出合理的切削刀具及組件組配；三是查詢刀具組件的詳細信息。刀具類型查詢 根據工件材料與刀具材料的匹配關係，在系統中可以查詢對應的切削刀具及其詳細信息； 刀具組件信息查詢 根據得到的切削刀具，利用刀具組件匹配規則，合理組裝相應的刀具組件，並查詢組件的詳細信息； 工件與刀具材料匹配查詢 根據系統提供的匹配關係，為工件材料加工選擇最適用的刀具材料；加工方法查詢根據工件材料和工件表面特徵選擇最優的加工方法； 綜合查詢 根據輸入的加工信息、工件表面特徵、加工環境等選擇刀具材料和刀具類型，並匹配最優的刀具組件； 其他功能 數據的查詢、錄入、刪除與更新等。
系統結構設計
根據上節對系統功能的分析，結合目前切削資料庫的發展應用情況，建立如圖3所示基於特徵的刀具選配系統總體結構。
系統總體結構由切削資料庫子系統、匹配模塊、數據源及評價驗證模塊、應用程序、通訊介面等部分組成。
切削資料庫子系統
切削資料庫子系統主要存儲了切削刀具、工件材料、工件表面特徵、圖形等詳細信息。以切削刀具為例，內容包括主柄模塊、中間模塊、工作模塊等。本系統中以車削刀具和銑削刀具為主進行刀具的選擇和匹配。
匹配模塊
根據工件材料和刀具材料的力學性能、物理性能、化學性能的匹配規則，選擇合適的刀具材料，根據工件表面加工特徵確定刀具類型；根據刀具組件的組配規則進行刀具組件的合理裝配，並給出組件的詳細信息。
數據評價模塊
切削資料庫所收集的數據，主要來自刀具廠商、試驗數據、文獻、加工手冊，其中刀具數據來自刀具生產廠商和加工企業。通過對數據進行評價驗證，然後存貯到資料庫中，供用戶查詢使用。
應用程序模塊
應用程序模塊是用戶和資料庫交互的介面。在系統中，應用程序主要為用戶提供用戶登錄、刀具信息查詢、工件材料查詢、加工特徵查詢、匹配規則及圖形信息查詢等服務。
說明系統查詢功能的實現過程：用戶根據工件信息(工件材料、表面特徵)及加工條件確定刀具系統，根據刀具選用規則選擇合適的切削刀具，依照系統切削條件推理合適的刀具組件，通過組件裝夾規則進行組件拼裝，生成刀具拼裝路線輸出結果。
4 系統的建立
資料庫的設計應盡量避免冗餘和不一致性，在進行刀具選配系統結構設計時，兩個過程非常關鍵：概念設計和邏輯設計。
概念設計
資料庫概念設計的目標就是用與資料庫管理系統DBMS無關的概念模型，來表達反映信息需求的概念結構。通常使用E-R模型作為資料庫概念設計的數據模型。在刀具的選配過程中涉及到的實體有刀柄模塊、中間模塊、工作模塊、工件特徵、加工方法、工件等(見圖5)。
邏輯設計
邏輯設計階段的主要目標是把概念模型轉換為具體計算機上DBMS 所支持的結構數據模型。本系統中就是把設計好的系統E-R圖轉換成與MicrosoftSQL Sever 2000 資料庫管理系統所支持的關係模型相符合的邏輯結構。
5 應用
以常用的孔加工特徵為例，根據加工要求，系統推斷出加工所需要的刀具，並給出刀具組件列表清單
在用戶輸入或選擇工件材料、操作類型、加工條件、加工面特徵及加工尺寸后，系統根據內部模塊進行推理，推薦適合加工的切削刀具供用戶選擇，確定后列印出刀具列表清單。
6 結語
本文通過對工件特徵進行分析，開發了基於特徵的刀具選配系統。該系統可以快速實現刀具的選擇及組配，對實現自動化切削加工及智能化刀具管理具有十分重要的意義。
