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基于加工特征和TOPSIS的切削数据库系统研究
北京航空航天大学机械工程与自动化学院，北京，100191
路易斯安那州立大学机械和工业工程系，美国洛杉矶巴吞鲁日，70803
摘 要：切削参数在加工过程中起着重要的作用。传统的切割数据库通常既不包含关于零件加工的所有信息，也不提供切割参数的最佳替代方案，当多种替代方案满足检索要求时。本文提出了一种基于加工特征的切削数据库系统和用于选择最佳切削参数选择的相似理想解决方案（TOPSIS）技术。按照面向对象的思想，加工特征按零件特征，几何信息，材料信息，精密信息和制造资源信息组织起来，非常方便数据库存储和管理必要的加工信息。多标准决策矩阵D由主轴转速，进给速率，切削深度和切削宽度构成。根据TOPSIS的贴近度系数选择切割参数的最佳替代方案。此外，还开发了基于Web浏览模式的原型系统。最后，用一个例子来验证所提出的系统是可行和有效的。
关键词：加工特征TOPSIS；切割参数；面板部件；数据库系统
- 介绍
随着高度自动化和计算机集成的制造环境，许多行业已经引入（灵活的制造系统）FMS作为战略，以满足竞争激烈的市场中各种客户的广泛不同的需求[1]。 切削参数的选择在任何加工过程中都非常重要，这是这些行业每天必须面对的主要问题[2]。正确选择切削参数可以充分利用FMS中的各种自动加工机床，数控机床，加工中心和其他机床。对于这样昂贵的设备，提高生产率，降低加工成本和提高设备利用率非常重要。传统上，切削参数通常从加工数据手册，操作员的经验或切削试验等获得[3]。但是为了适应当前的时代发展，也已经探索了获得切割参数的其他方法。
结合计算机数据库的先进技术，已经建立了许多切削数据库来管理刀具，机床，切削参数和其他基础信息等，为开发各种现代先进制造技术如CAPP，FMS，CIMS等提供重要依据.CUTDATA从第一个切割数据库MDC开发，至今仍是最着名的切割数据库之一。一些知名刀具制造商也建立了自己的切削数据库系统，为用户提供准确和及时的切削参数服务。例如，山特维克可乐满为其刀具产品提供了一个网络数据库。SECO开发了WinTool软件。 其他包括Kennametal的KATMS和ToolBoss，Walter的TDMeasy软件等。在学术方面，MV Ribeiro提出了切削参数和刀具选择优化系统CATA[4]。Arezoo等人建立了一个车削数据专家数据库EXCATS[5]。Cakir建立了COROSolve专家系统，涵盖车削，铣削和钻孔数据[6]。 值得注意的是，传统数据库仅考虑零件材料信息以推荐工具和加工参数。他们很少考虑几何信息，精密信息，制造资源和加工阶段。为了考虑上述因素，分析了加工特征。有关加工特征的研究和开发的详细调查可以在文献中找到[7–10]。
在实际生产中使用的切割参数的不断积累以及通过切割测试等获得的切割参数将为数据库系统产生大量数据，因此在搜索切割参数时最有可能产生满足要求。TOPSIS在处理现实世界中的多属性或多准则决策问题方面是一种非常有用的技术[11]。它协助决策者选择最佳选择。近年来，TOPSIS已成功应用于产品设计领域[12]，能源管理[13]，人力资源管理[14]，制造业[15]和化学工程[16]等等。这种技术的高度灵活性使其能够容易地适应各种情况。因此，本文采用TOPSIS方法选择一套最佳的切削参数。
本文的结构如下。在下一节中，将讨论加工特征的定义和分类。第3节着重于使用TOPSIS选择最佳切割参数。第4节介绍了基于加工特征和TOPSIS开发的切削数据库系统，该系统提供了一种有效的方法来帮助选择零件、机床、刀具和切削参数。在第5节说明了一个真实案例的应用。在第6节，提出结论。
- 加工特征的定义和分类
特征是高层语义信息和基本传输单元的载体，它根据特定的领域在不同的上下文中表示不同的含义。例如，设计中的一个特征可以称为腹板或凹口部分，而在制造中它指的是平面或孔，而在检查时它可以用作检查零件的基准或参考[17].
根据产品型号数据交换标准（STEP），部分特征分为平面，曲面，孔，凸台，槽和肋等，其中平面包括一般平面，斜面，侧面和阶梯面; 曲面包括球面，圆锥面，圆柱面，圆环面; 孔包括通孔，盲孔，螺纹孔，方孔; 槽包括直槽，T形槽，V形槽，燕尾槽等。零件特征用于描述零件设计和零件建模的信息。零件模型可以通过零件特征的一系列布尔运算来获得。
与零件特征有关，有相应的加工特征，由机器加工和相关属性来描述。直到2001年国际标准化组织（ISO）提交了第一版“使用加工特征进行工艺规划的机械产品定义”作为其中一项标准之后，对追求一套标准化加工特征的追求已经积极推行多年应用协议（AP）在ISO 10303中，也称为STEP[18]。加工特征定义为包含零件特征（PF），几何信息（GI），材料信息（MI），精度信息（PI）和制造资源信息（MRI）的信息集。根据这个定义，加工特征的数学表示可以写成：其中PF可以是平面的，曲面的，孔的，凸台的，凹槽的和肋的;等等。GI包括位置和大小维度; MI包括材料类型和硬度值; PI包括尺寸公差，位置公差和表面粗糙度;MRI包括机床和切割工具。其结构如图所示图。1.
使用面向对象的思想来表示加工特征，将与加工相关的零件信息聚集在一起形成一个信息单元。所有与加工特征相关的信息都被分成一些信息族，每个信息族也包含更多的详细信息。由于制造系统可能设计新的零件特征，在制造环境中引入新的加工方法或新的加工技术，因此设计数据库系统时不需要改变其结构以确保系统的可扩展性和演进性，从而实现切割参数的动态管理[19].
在制造零件方面，有很多不同加工方法，包括车削，铣削，磨削，钻削等。对于每个零件特征，通常应该通过多个不同的加工阶段加工。按照精度等级，每个零件特征的加工阶段都是分类如图所示图2.
3. 选择切割参数的最佳选择
如果几种切削参数的选择符合要求，切削参数的最佳替代选择是切削数据库系统的重要步骤。从所有可行的选择中确定最佳选择是多重标准决策（MCDM）问题。MCDM问题可以用矩阵形式简洁地表示为：
其中A1，A2，...，An是决策者必须选择的所有可能的替代方案; C1，C2，...，Cm是衡量替代性能的标准;xi（j）是关于标准Cj的备选Ai的等级; Wj是标准的权重Cj。
TOPSIS是一种经典的MCDM方法，在1981年由黄和尹提出[21]。TOPSIS的基本概念是选择的选项应该与正理想解（Sthorn;）具有最短的欧几里德距离，离负理想解（S-）最远。S 是一个hy-，所有标准值对应于数据库中最大标准值的所有解析满意解决方案。S-是所有标准值对应于数据库中最小标准值的假设解决方案。然后，定义每个备选方案的接近系数以确定所有备选方案的排序顺序。 亲密度系数越高，表明一个替代方案更接近于S，并且同时离开S-更远。
TOPSIS选择最佳选择的过程如下所示[22]:
步骤1：计算归一化决策矩阵R = {rij}ntimes;m个。 使用以下等式来变换每个元素rijisin;R：
规模标准化需要考虑标准之间的幅度差异的不平衡影响。
步骤2：构造加权归一化决策矩阵V.
其中wj是第j个准则的权重，并且Sigma;mj=1wm= 1。
对于任何MCDM模型，正确确定每个标准的重量是非常重要的。一个标准越重要，重量越大。在本文中，熵权法用于确定权重，因为它不仅充分利用了标准的固有信息，而且还消除了决策者在确定权重时的主观性[23]。在形成理论中，熵是每个接收到的信息（本研究中的每个标准）中包含的信息的期望值（平均值），用于确定不确定性或混乱，进而确定系统信息中的效用。 熵值越小意味着系统的无序度越小。 当一条消息确定时熵为零，这意味着该标准的高度重要性。 熵值Hj可以得到
给出每个标准Cj（j = 1,2，...，m）的客观权重，通过
注意，wj是通过和归一化的（1-Hj），使得Sigma;forall;j wj= 1.作为权重归一化的结果，权重的值将小; 但标准的相对重要性将通过它们的差异显示出来。
步骤3：定义正理想解S 和负理想解S-。
步骤4：分别计算S 和S-的每个选项的欧几里得距离。
表格1 数据源的特点。
数据源 特点
加工数据手册 数据丰富性；很容易被收集
软件模拟 经济；应用之前数据需要通过应用
实验室实验 不如店铺经验可靠，但胜于模拟
购物体验 数据散布;可靠性好
步骤5：计算接近系数（CCi）到理想解。替代Ai相对于S 的接近系数定义为：
步骤6：根据贴近度系数，可以确定所有备选方案的排序顺序。 切割参数的最佳选择是CCi最高得分。
4. 基于加工特征和TOPSIS的切削数据库系统
对于加工中心等计算机数控机床来说，切削数据库系统不仅是数据的提供者，也是实现CAM和CAPP先进技术的基础。切削参数从加工数据手册，软件模拟，实验室实验和商店经验中获得。数据源的特征在下面给出表格1.
4.1.数据库设计
数据库设计是开发数据库的一个非常重要的任务。一般来说，数据库的设计可以分为四个阶段：需求分析，概念结构设计，逻辑基础设施设计和物理基础设施设计。最后阶段不在这里考虑，因为现有数据库软件的广泛可用性[26]。 在需求分析阶段，应确定需要支持的加工方法，车削，铣削，钻削等的范围，并根据零件信息及其加工阶段获得切削参数。
在熟悉需求分析阶段的应用需求之后，使用实体 - 关系（ER）模型来执行概念结构设计。在E-R模型中，矩形表示实体; 椭圆表示实体属性; 菱形代
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