在柔性制造系統(tǒng)中，被加工零件的品種較多，零件加工工藝比較復雜，且工序高度集中，需要的刀具種類、規(guī)格、數(shù)量是很多的。隨著被加工零件的變化和刀具磨損、破損，需要定時強制性換刀和隨機換刀。系統(tǒng)運行過程中，刀具頻繁的在各機床之間、機床與刀庫之間進行交換，刀具流的運輸、管理和監(jiān)控是很復雜的。因此，需要有一個先進、實用、功能完善的刀具管理系統(tǒng)，以實現(xiàn)柔性制造系統(tǒng)中刀具的調(diào)度、儲存及信息管理等任務。

1 刀具管理系統(tǒng)應具備的性能 

    刀具管理系統(tǒng)應具備的性能：一是管理數(shù)量龐大的刀具，通常是數(shù)百把至幾千把刀具；二是刀具輸送自動化程度高，具有高性能、智能化的機器人作為刀具流動的傳送工具；三是自動、準確地采集刀具信息；四是借助大型數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)對刀具的調(diào)度及動靜態(tài)最優(yōu)化管理；五是自動在線檢測刀具壽命及刀具磨損、破損管理，并能實現(xiàn)在線換刀功能。為此，以某一關(guān)鍵零部件的柔性加工系統(tǒng)中的刀具管理系統(tǒng)為例進行說明。

2 刀具管理系統(tǒng)的組成 

    該系統(tǒng)采用 VB6.0 編程系統(tǒng)軟件作為開發(fā)平臺，由 6 個程序塊及 5 個外存文件組成。

2.1 程序塊 

    2.1.1 用戶登錄模塊主要實現(xiàn)對系統(tǒng)的保護措施，防止非法用戶進入系統(tǒng)，確保系統(tǒng)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)運行的安全。 
    2.1.2 系統(tǒng)運行控制模塊主要實現(xiàn)系統(tǒng)的初始化，以完成對在線刀具管理各種模塊的起停控制、任務排隊及接口管理，確認加工中心刀庫及中央刀庫的信息。 
    2.1.3 刀具離線管理模塊主要實現(xiàn)刀具庫的管理，進行刀具需求分析，刀具裝配計劃編制，刀具的刃磨和預調(diào)，刀具的編碼生成、粘貼及信息輸入，刀具的組件管理，生成刀具購買清單，及時向線內(nèi)提供所需刀具。 
    2.1.4 刀具在線管理模塊主要實現(xiàn)柔性制造系統(tǒng)內(nèi)的刀具活動的管理，保證加工中心在正確的時間得到正確的刀具，完成對加工中心刀具的需求與供給，運用適當?shù)牟呗詫崿F(xiàn)刀具的合理選擇、調(diào)度以及刀具運送指令的下達和刀具剩余壽命的計算。 
    2.1.5 系統(tǒng)信息管理模塊主要完成缺刀檢查，刀具入庫管理（包括新刀入庫和從柔性自動線上返回的刀具入庫），刀具出庫管理，磨損、破損刀具的管理以及數(shù)據(jù)庫管理。 
    2.1.6 系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控模塊主要實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)刀具、設(shè)備故障的監(jiān)控以及為刀具管理系統(tǒng)實時管理提供必要的資源狀況信息。這 6 個程序塊是系統(tǒng)的主要組成部分，它們按照一定的邏輯順序相互調(diào)用，使系統(tǒng)具有完善、合理的刀具管理功能，同時又是結(jié)構(gòu)相互獨立的子程序模塊，子程序間通過數(shù)據(jù)傳遞而相互聯(lián)系。

2.2 外數(shù)據(jù)庫文件 

    2.2.1 刀具文件、存放所有刀具的主要參數(shù)，每 1 把刀具的參數(shù)作為 1 個記錄。 
    2.2.2 機床文件 
    存放機床的主要參數(shù)，一種型號的機床參數(shù)作為 1 個記錄。 
    2.2.3 工藝數(shù)據(jù)文件 
    存放各種與加工有關(guān)的工藝數(shù)據(jù)，一種加工方法的數(shù)據(jù)作為 1 個記錄。 
    2.2.4 切削條件系數(shù)文件 
    存放決定切削條件的各種系數(shù)。 
    2.2.5 磨損、破損刀具文件 
    存放磨損、破損刀具的主要參數(shù)，每 1 把刀具的參數(shù)作為 1 個記錄。

3 刀具磨損和破損的在線檢測 

    刀具磨損和破損在線檢測的方法很多，主要有功率檢測、聲發(fā)射檢測、學習模式、力檢測等。在此介紹一種利用神經(jīng)網(wǎng)絡對柔性制造系統(tǒng)中的刀具的檢測方法。

3.1 刀具負載模型的建立 

    切削加工過程中刀具所受的負載與很多因素有關(guān)，根據(jù)在線檢測的要求，僅考慮幾個較大的影響因素，即主軸轉(zhuǎn)速、進給速度、切削深度、加工材料的切削性能 4 個因素，則刀具負載的模型為 

    F = f (s, v, h,m) 

    式中： 
    F —負載向量； 
    h —切削深度； 
    s —主軸轉(zhuǎn)速； 
    m —材料的切削性能； 
    v —進給量。 

    很明顯，上式僅能說明負載與各個影響因素有關(guān)，可以用微分幾何的數(shù)學方法或?qū)嶒灥姆椒ń⑾鄳年P(guān)系式，但應用于在線檢測效果并不理想。在此，應用神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)處理該刀具的負載模型。

3.2 神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù) 

    本刀具負載自適應控制的神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)采用3層的BP 結(jié)構(gòu)。根據(jù)上面的分析，顯然輸入層有4個節(jié)點，輸出層有3 個節(jié)點，即負載在XYZ 方向的大小。考慮到本負載自適應控制系統(tǒng)的特性，可以認為負載是進給速度的連續(xù)函數(shù)，根據(jù)Kolmogorov定理，中間隱層的節(jié)點數(shù)應為2 倍的輸入點數(shù)再加1。因此，本神經(jīng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)為輸入層4 個節(jié)點，中間層9 個節(jié)點，輸出層3 個節(jié)點。根據(jù)上面的分析，采取每個節(jié)點給定4 個值，以它們的不同組合作為樣本輸入數(shù)據(jù)，這樣可得256 個樣本。具體做法是：將各個輸入量在可能的變化范圍內(nèi)大體分為4 等份，并用實驗的方法測出在每種輸入情況下的負載值。在得到256 個樣本后，采用離線進行學習，得出每個節(jié)點的權(quán)值，這樣經(jīng)過學習的神經(jīng)網(wǎng)絡就建立了相應的刀具負載模型，為刀具的在線檢測提供條件。

3.3 刀具在線檢測原理