复合材料切削刀具智能管理系统的开发与应用

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切削刀具作为机械加工中的关键要素,对切削刀具的管理是产品生产中的重要环节,合理的刀具管理能够有效降低生产成本、提高生产效率。特别对于复合材料构件加工,所使用的刀具结构较为复杂、刀具信息需要及时同步、刀具寿命需要精准把控,对刀具信息管理提出了更高要求。刀具管理系统作为刀具信息管理的重要手段,能够跟踪刀具的使用过程,对刀具进行流程化管理。但原有刀具管理系统往往只能存储刀具通用性结构参数,无法存储刀具复杂结构参数,同时在不同生产工序中多依赖纸质标签追踪刀具信息,致使刀具信息流转效率低,此外,由于刀具寿命多依靠人工预估或传感器复杂运算,造成刀具寿命管理困难。因此本文针对上述问题,设计了系统功能运行逻辑和刀具多参数存储结构,通过感知机床等设备信息,建立了刀具状态信息管理功能模块,通过探究刀具磨损和损伤形式,搭建了系统寿命预测功能框架,开发了一款具有刀具多参数信息管理、状态管理、寿命预测等功能的刀具管理系统,并在典型复合材料切削刀具上进行了应用,提高了刀具的使用效率,降低了刀具的管理成本。具体研究工作总结如下:(1)通过分析企业内部刀具信息交互流程,确定了刀具管理系统的功能需求,依据功能需求特点,设计了刀具管理系统的四层系统框架和功能模块的实现逻辑;虑及功能实现所需的刀具数据结构和刀具多结构参数特点,建立了刀具信息数据库的逻辑模型,实现了刀具复杂结构参数的存储,为后续各功能模块的建立提供了逻辑和数据支撑。(2)基于提出的功能模块运行逻辑,设计了能够表征不同加工材料和刀具结构的刀具编码规则,优选了刀具信息识别方式和载体,实现了刀具的快速识别;使用机床通讯协议,实现了机床加工时间、加工参数等信息的采集,能够直接反馈刀具的使用情况,并结合力信号分析,辅助判断刀具的加工状态,加快了车间中刀具信息的流转效率。(3)以对碳纤维增强复合材料切削刀具的寿命预测为例,通过磨损观测实验,确定了刀具磨损后的切削刃几何形貌为椭圆形,并建立了磨损预测模型;通过探究磨损特征与加工损伤的关系,进而得到寿命预测模型,模型预测结果与实际值基本吻合,将其引用到系统中,完成了寿命预测功能框架的搭建,实现了对刀具寿命的精准管理。(4)使用Visual Studio等开发软件,对刀具管理系统各功能模块进行了开发,搭建了完整的刀具管理系统;并将其应用到了典型复合材料切削刀具的管理中,探究系统在不同加工工况、不同加工材料下对复合材料切削刀具的管理能力,刀具管理效果良好,使用效率极大提高,为复合材料切削刀具的管理提供了解决方案。
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