切削刀具网络平台研究进展

胡贤金，肖文俊，邱易

1成都工具研究所有限公司；2 成都伊高智能科技有限公司

1 引言

新一代信息通信技术与传统制造业的融合发展推动着工业互联网产业迅速扩张，企业战略布局的中心开始围绕工业互联网平台生态建设。而构建特定行业和特定场景下工业关联关系模型是形成工业互联网微服务能力的核心。

随着航空航天技术及汽车制造技术的快速革新，企业对重要零部件精度和质量的要求也逐渐提高，对精准选择数控刀具的需求也越来越高。然而大多数工程技术人员缺乏完善的理论知识体系，常通过搜索纸质样本选择加工刀具或依据长时间的经验积累使用近似的切削参数创建CAM程序，具有较强的主观性，不能稳定地保证零件的加工质量。据国际生产工程研究会(CIRP)研究报告，美国制造行业刀具的正确选择率只有50%左右，在最佳切削用量下的刀具切削时间仅有58%，且仅38%的刀具被完全使用到最佳寿命。

为了根据实际加工工况向用户推荐合适的刀具选择方案，网络共享是较好的方式。国外知名刀具生产商陆续推出智能选刀软件，提高了制造加工的精度、质量与效率，而国内关于智能选刀的研究相对落后很多。每个制造商均可或已开发出独特的格式描述工具，而实现网络共享需要同一种语言。国际标准实现了这一功能，如ISO13399和通用工具目录(GTC)[1]。

除此以外，在以服务型制造和智能制造改变传统制造的进程中，数控刀具服务必然要向智能化发展。刀具服务不仅体现在提供实物产品上，更需使刀具数据及其切削参数高效集成于CAD/CAM/CAE/PDM等系统中，没有统一且标准化的数据接口会使设备与平台之间以及企业内部之间难以实现信息或数据的集成和共享，造成工业互联网各组件之间完全独立，形成“信息孤岛”。刀具数据正在成为金属加工制造业和工业物联网的命脉，如Siemens PLM的制造资源库(MRL)支持读取，满足ISO13399的切削刀具数据，使用引导式组件搜索选择刀具组件，并创建刀具组件和3D模型。该资源库可包含多个刀具供应商目录，用户能在同一刀具组件中自定义匹配来自不同供应商的组件[2]。当最大限度地利用和集成此类数据，就能更好地稳步实现“中国制造2025”国家战略。

数控刀具智能选用服务平台是指采用某种方式帮助终端用户更准确地选择刀具，并通过人机交互界面连接刀具制造商和终端用户，使刀具制造商为终端用户提供更优质的技术服务。数控刀具智能选用服务平台可作为信息的集成系统，也是工业互联网重要的外围组件，服务于整个工业互联网建设。

国内制造业整体数字化和信息化水平较低，中小企业众多且发展差异极大，大多仍然处于工业2.0和3.0阶段，制约了工业互联网在制造业中的应用，短时间内这些企业难以完成信息化和智能化改造[3]。在这样的现状下，制造业应采取相应措施：①依托基础技术和软件在云端平台的应用，帮助企业实现最基本的信息化改造；②基于基础性平台建立可以提供更加专业服务的行业级平台，通过对数据的应用和管理提供更加专业和丰富的服务；③建立工业互联网综合标准化体系，缺少统一数据接口将难以实现信息和数据的集成和共享，形成“信息孤岛”。

开发一个具备数据集成、集众多专家经验和科学算法为一体的刀具智能选用服务平台必然会提高加工效率和加工质量且降低制造成本。此外，刀具智能选用服务平台可满足国内制造业转型升级的要求，符合国内工业互联网的实际发展，同时也为国内工具制造企业提供产品开发所需切削数据支撑，从而实现国内高端制造行业刀具应用水平和刀具开发水平双向“弯道超车”。因此，研发符合国际标准且具备统一数据接口的行业性专业级数控刀具智能服务平台已成为实现智能制造目标的“快车道”。

2 平台类型与应用现状

工业互联网不断深入各个行业和领域，直至辐射到工量具行业。伴随着用户对信息集成、数据管理和技术服务等需求的不断提高，各企业也在加速研发并推出具备包括采购、查询、刀具管理和更多功能的平台。

2.1 依据系统结构分类

由美国Borland公司研发的C/S模式和美国微软公司研发的B/S模式是当今开发模式技术架构的两大主流。这两项技术均已被广泛应用，且各有优劣势和一定的市场占比与客户群。

客户机和服务器(Client/Server)结构模式称为C/S模式。采用C/S架构开发的软件或平台，其应用服务器运行数据负荷较轻，且数据储存管理功能较为透明。该模式的缺点也非常明显——需选择适当的数据库平台实现数据库数据的真正统一，且传统C/S结构的软件需要针对不同操作系统开发不同版本的软件，因此需要高昂的维护成本和非常大的投资。由于产品的更新换代很快，Java语言出现后该模式在一定情况下已不适应工作需求。

随着互联网技术的兴起，以Java技术为核心、J2EE为平台的计算模式——Browser/Server结构模式诞生，被称为浏览器和服务器结构模式，即B/S模式。B/S模式软件维护和升级方式简单，所有客户端均为浏览器，开发者或者管理员只需要维护服务器即可，节省了用户的人力、物力、时间和费用，其应用管理软件安装在Linux服务器上即可安全使用。但在该模式下，应用服务器运行数据的负荷较重，一旦发生服务器“崩溃”等问题，后果不堪设想。因此，许多单位都备有本地数据库存储服务器以防万一。

对企业来说，从以往的技术水平看，B/S模式特别适用于系统同用户交互量不大的应用，而需要大量频繁、高速交互的应用系统多选择C/S模式。但随着云计算技术不断迭代，越来越多的企业将开发重心转向B/S模式，将原C/S架构移植或集成到B/S系统中。采用B/S模式无需全部取代传统的C/S结构，特别是从近期的发展来看，二者应用界限并不清晰，通常能互相补充、相辅相成，因此，实际应用中新的B/S模式需要能和传统C/S模式结合[4]。

2.2 依据功能分类

(1)具备传统电商供销功能

除学校和研究机构开发的平台不具备该功能外，大部分企业开发的平台或软件均具备该功能，且功能大同小异，不同点在于用户的体验设计。

(2)具备精密工具产品数据表达交换功能

产品信息是连接产品设计、工艺设计、物料管理、生产管理和产品数据管理系统之间的纽带。因此，产品信息在不同系统间的统一表达和交互直接影响企业信息化的步伐。例如，意大利制造的切削刀片必须精确安装在巴西制造的铣刀中，而这种组合又可安装在日本铣床上。此外，铣刀的生产可能会转包给韩国公司，且原始刀具和仿制刀具必须在角度和线性尺寸上保持一致。考虑到相关公司可能使用不同的计算机系统和不同的CAD/CAM程序，因此可能会使用不同基准点设置的机器，甚至可能不在同一平面，此时转换比较复杂[5]。

目前，产品信息的交互、应用较多的是STEP(Standard Exchange of Product data model)，它在不同系统中将产品信息统一。STEP即ISO 10303《工业自动化系统——产品数据表达与交换》标准，是ISO国际标准化组织下TC184“工业自动化系统与集成”技术委员会中的SC4“工业数据”小组及国际电工委员会于1984年启动的标准项目，其目的是解决工业中贯穿产品整个生命周期且独立于任何特定系统描述产品数据的标准化机制问题，并将产品数据和产品分开，因此该标准不仅适用于中性文件交换，还为共享产品数据库和长期存档提供了基础[6]。同时，在精密工具产品全生命周期数据表达交换领域，ISO 13399《切削刀具数据表达与交换》系列标准是在ISO 10303《工业自动化系统——产品数据表达与交换》体系下作为具体领域切削刀具产品实例化的一系列标准。ISO 13399系列标准的切削刀具数据包括但不限于几何形状和尺寸数据、标识和名称数据、各种零件和备用零件数据以及切削材料数据和部件连接性等。刀具制造商和供应商必须了解和评估其切削刀具及使用特征，以便作出制造决策和执行制造加工[7]。该功能在业务流程设计上具有相似性(见图1)。

图1 产品全生命周期数据表达交换标准化体系

通过标准化数据接口编译由形式化语言EXPRRESS构成的.step文件成为该领域的重要研究内容。德国LKSOFT公司开发的JSDAI软件和美国STEP Tools公司的ST-Developer软件是目前应用范围最广的两款软件。

JSDAI软件是德国LKSOFT公司开发的应用程序编程接口软件(API)，用于读取、写入和运行时操作基于EXPRESS的数据模型定义的面向对象的数据。此类模型广泛用于STEP(ISO 10303)、PLIB(ISO 13584)和其它ISO、IEC、DIN标准。JSDAI软件的重要用途是根据EXPRESS模式中定义的规则验证数据[8]。其主页面见图2。

图2 JSDAI主页面

目前，JSDAI软件已经实现并可以提供的现成COTS产品有EXPRESS语言编译器、STEP库、STEP-Book AP203、STEP-Book AP210、JSDAI-SQL桥以及STEP-Book AP214。涵盖装配结构、三维形状表示、二维绘图、PDM、工艺规划和运动学等领域。由于JSDAI软件的开源特点，瑞典山特维克可乐满开发的CoroPlus软件、成都伊高智能科技有限公司开发的Tools Era刀具智能选用平台以及Machining Cloud等软件在数据信息模型的建设上均采用了该软件。

ST-Developer是美国STEP Tools公司面向STEP标准和VC+ +开发环境所开发的集成工具包(见图3)。该软件的主要功能是支持JAVA和C+ +等高级编程语言与EXPRESS语言进行联编和二次开发，将STEP数据转化为物理交换文件格式，供其它软件读取EXPRESS信息模型中定义的内容。ST-Developer集成工具包中包含的模块及功能有：可以查看、编辑STEP Part21格式文件的Part21 文件浏览器；将EXPRESS格式文件转化为相应的C+ +类，以方便在VC+ +环境下通过程序的二次开发来实例化EXPRESS文件里实体信息的EXPRESS编译器，该模块是ST-Developer的核心功能[9]；可以查看、修改但无法编辑EXPRESS-G格式文件的EXPRESS-G编辑器；对文件格式进行转换的EXPRESS-G转换器、DXF与STEP格式互转器、IGES与STEP格式互转工具等各类转换器。

图3 ST-Developer

大部分三维建模软件在生成STEP交互文件时均采用该软件，具备三维几何模型浏览和下载功能的平台或生成三维几何模型的交互文件时也采用了该软件，例如瑞典山特维克可乐满开发的CoroPlus软件和成都伊高智能科技有限公司开发的ToolsEra刀具智能选用平台及Machining Cloud等软件。

2.3 具备在线个性化定制功能

在线个性化定制通过产品供应商和终端用户在线协同完成。目前主流是使用在线参数化设计的方法完成此过程，部分企业是在用户使用时通过调用远程服务器上的UG、SolidWorks及AutoCAD等二维、三维建模软件来达到效果。通过在线参数化设计实现该功能的开发周期较长，针对不同产品需开发多套参数化程序，用户操作简单，支持多个用户同时操作且响应迅速，新迪3D零件库、米思米、伊高和山特维克都采用了该方法；通过远程服务器所需的开发周期短，用户使用友好度更高，但响应慢、同时间段只允许一名用户使用是其不足之处。

目前，在线参数化设计主要通过两种方式实现，一是利用开源的三维底层技术通过自主开发的方式实现，开发者具有独立的知识产权，但开发周期长、难度大；二是对已有的商业软件二次开发，相较于利用三维底层技术自主开发，此方法开发周期短且难度低，但开发者不具备独立的知识产权，极易受其影响。

山特维克和米思米等软件分别采用了对UG和SolidWorks软件的二次开发来实现在线个性化定制功能。成都伊高智能开发的Tools Era则通过开源的几何造型内核Open CASCADE，利用Cad Query中描述的三维图形函数表达式，在这些函数表达式中置入ISO 13399参考词典库中的类与特性标识符，利用Python编程调取数据库中的源数据值，经过参考词典的标识识别从而实现三维驱动；同时，Open CASCADE支持ISO 10303 STEP数据接口，可满足产品三维模型与其它CAD/CAM软件交互的需求；同理，在Visual Studio软件中采用共用绘图程序包可生成产品二维DXF文件，以上是后台驱动过程，用户端通过填写必要的参数即可实现在线个性化定制(见图4)。

图4 在线个性化定制

2.4 具备自适应装配模拟功能

具有在线自适应模拟装配功能的软件或平台大多参考了ISO 13399标准中的方法。该标准对不同产品之间的连接接口特征进行了定义：一个工具通常两端或至少一端具有此类连接接口。两端分别被定义为机床侧(CCMS)和工件侧(CCWS)，接口连接机床方向时，被称为机床侧；连接工件方向时，被称为工件侧。为所有产品的信息模型绑定参考词典中的连接代码，以便分析其装配关系，当两个产品不同接口侧具有相同连接代码时，即可完成这组产品的装配关系。通过对具有装配关系的两个或多个三维模型进行几何变换，即可完成装配过程。不同软件有不同的三维模型可视化业务流程，根据其业务流程将装配体展示出来，可实现在线装配。装配体模型通过执行ISO 10303三维模型数据交互规范，使装配体文件可导出并导入至相关CAD软件中进行下一步处理。实现过程见图5。

图5 自适应装配

2.5 具备刀具智能选用功能

刀具智能选用属于专业性非常强的功能，需要在系统中建立专业性极高的核心数据库，包括数控机床数据库、通用夹具数据库、工件模型数据库、工件材料数据库、切削刀具数据库、刀具材料数据库、涂层材料数据库和切削液数据库等，通过专业知识建立切削要素关联关系数学模型及专家模型，从而建立工具智能选用系统的核心算法。

CoroPlus、ITA、Machining Cloud及Tools Era等软件均具备此功能，其业务流程大同小异，用户输入加工需求数据后，核心算法帮助系统自动获取决策信息并输出加工解决方案，包含最优刀具组合和最佳切削参数，还可通过标准化数据接口将方案打包导入CAM系统中作碰撞仿真，最后输出NC代码并通过评价体系反馈加工数据，也能通过标准化数据接口将方案打包导入CAE系统并进行切削仿真，其不同点在于核心数据库的内容和切削要素关系数据模型的精确程度。成都伊高智能科技研发的Tools Era还考虑到通过方案评价体系收集用户的切削试验和切削仿真等反馈数据，而后通过反馈数据对原有经验数据不断进行优化，形成数据反哺数据的良性循环，为未来“加工优化解决方案”的优化系统奠定基础。实际流程见图6。

图6 刀具智能选用

2.6 具备行业信息统计服务功能

随着社会的不断发展，机床工具行业企业对信息的收集、分析和发布的及时性与实效性要求越来越高，对行业信息统计服务工作提出了更高要求。移动互联网智能终端已经得到普遍应用，在科技期刊移动互联技术开发的前景下，网络服务平台具有发布信息及时、快捷、准确和清晰的功能特点，且可即时建立编辑与作者在文字、图片及视频等方面的进一步联系，是实现科技期刊同步推送信息和交流的桥梁[10]。

3 平台研究进展和趋势

瑞典山特维克可乐满CoroPlus软件是对工业4.0进行探索的最新成果之一。该软件基于C/S架构，需要用户自行下载安装。在CoroPlus软件中包含Tool Guide、Tool Library及Tool Path三种功能模块。CoroPlus Tool Guide功能模块通过人机交互，基于加工任务、加工材料和机床帮助终端用户推荐适合当前工况的刀具和切削参数等工艺信息，并能直接与用户的CAM或刀具管理软件对接；CoroPlus Tool Library是山特维克可乐满自身产品的刀具数据库，通过开放式应用程序接口(API)连接到用户现有软件环境中，提供双向连接。它为终端用户提供了基于ISO 13399国际标准的数字化信息，包括二维、三维及纯文本信息，同时，用户也能利用CoroPlus Tool Library将任何符合ISO 13399标准的刀具数据信息模型导入其中，从而创建刀具组装模型；Tool Path是针对特定加工特征的模块化软件，可快速生成高效的NC代码[11]。为满足多种用户需求，山特维克可乐满也将CoroPlus软件部分功能集成于B/S架构中，通过浏览器即可访问(见图7)。类似的还有伊斯卡(ISCAR)基于自身产品开发的切削刀具选用软件。

图7 coroplus ToolLibrary软件主界面

上述切削刀具选用软件均基于自身产品开发，其数据库中仅有公司自身的产品数据，很难满足终端用户不同的需求。Machining Cloud是美国加利福尼亚州Machining Cloud Gmbh开发的一款专门提供刀具产品数据的软件，由肯纳金属提供技术支持(见图8)。其功能模块与CoroPlus相似，包含刀具数据库、智能选刀和在线装配等功能，最大的不同之处是Machining Cloud集成了若干供应商的刀具数据，包括山高、威迪亚、瓦尔特、肯纳和伊斯卡等知名刀具企业。该软件最开始以C/S架构进行研发，用户可下载桌面应用程序自行安装使用，目前已将部分功能集成至云端，用户可通过浏览器访问。

图8 Machining Cloud主界面

MISUMI-VONA是由日本企业米思米推出的工业品电商平台，以电商思维整合服务商资源，通过提供一站式采购解决方案来提高用户采购效率和降低采购成本，通过与服务商的协力合作保证服务质量，但缺少如智能选刀功能等领域内的技术支持(见图9)。

图9 MISUMI-VONA主界面

国内特定细分领域内的智能选刀、在线参数化设计及平台研发等功能因专用性较强，需要开发众多数学模型，故对其进行研究主要集中在高等院校。而大部分企业着眼于刀具销售平台的研发，产品多样但缺乏技术支持，部分企业则依托阿里巴巴、京东等电商平台进行纯贸易活动。成都工具研究所有限公司开发的中国工具信息网和中国工具集市等与切削刀具相关的网站，可查看各种切削刀具产品信息、产品图片、生产厂家信息和参考价格等贸易信息(见图10和图11)。

图10 中国工具信息网主界面

图11 中国工具集市网主界面

国家科技基础条件平台项目“先进制造与自动化科学数据共享网”是机械科学研究总院联合国内17家原机械部的科研院所开发的B/S架构网络平台，其中“先进切削技术”是子集，其资源体系设计见图12。

图12 先进切削技术网络平台架构

207XX(资源集合层1)-XX(资源集合层2)-XX(资源集合层3)-XX(资源集合层4)-XX(资源对象层)。资源集合层最多可有4层，第5层为资源对象层，即含有具体数据对象的层。

先进切削技术科学数据共享体系涵盖切削技术研究和应用的各个领域，涉及材料、工艺、方法、设备、标准、安全及设计制造等方面，既包含基础理论研究数据，又有具体的切削方法与工艺参数实例，并给切削技术新发展方面的内容留有一定空间。

网站包含的资源文件格式有：html网页文件、Word文档资料文件、jpeg图片文件、DB数据库文件和动画文件等多种形式。

PCD刀具智能选用平台是江苏大学研发的一款PCD车削刀具智能选用系统(见图13)，建立了加工效率、表面粗糙度和切削力多目标优选模型，并完成约束条件处理，基于遗传算法对多目标进行优选计算，基于试验结果得出Pareto解集，平台会根据输入信息从Pareto解集中选择出最佳切削参数，并给出适合的加工刀具[12]。

图13 PCD刀具智能选用平台主界面

刀具管理数据库是上海交通大学利用开源数据库等开源软件实现的基于B/S架构的刀具管理数据库系统，提供包括出入库和工具系统自适应组合等功能[13]。

刀具联盟是由温岭某刀具经销商创建的电商B2B平台。利用温岭刀具聚散地的优势，通过网络低价销售各品牌刀具产品(见图14)。通过整合上下游资源开展纯贸易业务，无刀具技术支持。

图14 刀具联盟系统主界面

Tools Era刀具智能选用服务平台是依托国家科技重大专项并联合成都工具研究所有限公司、成都成量工具集团公司、四川大学、上海交通大学及成都飞机工业(集团)有限责任公司等国内知名企业和高校开发的具备精密工具产品数据表达交换功能、在线个性化定制功能、自适应装配模拟功能、刀具智能选用功能和行业信息统计服务功能的B/S架构平台(见图15)。

图15 Tools Era刀具智能选用服务平台主界面

4 结语

通过建立切削刀具网络智能选用服务平台，使用Java程序开发网络版本的切削刀具智能选取，可在网络平台上将与切削刀具有关的信息数据以图文并茂的方式展现在网页上，并协同其它设计制造软件对其进行灵活调用，以达到数控刀具智能选用的目的，为开发其它网络应用起到抛砖引玉的作用。

综上所述，研发刀具智能选用服务平台涉及多个学科，需要不同领域的专家通力合作。我国在刀具管理、选用系统研究和开发层次上还远落后于国外企业，绝大多数企业只是着眼一个点，功能单一，加上没有实现数据接口的统一，使得刀具管理系统和选用系统等单个系统间无法互联，很难连接到用户现有CAD/CAM/PDF等软件环境中。但随着市场需求和国家对该领域的重视程度不断提高，已有部分企业正在着力追赶国外企业。