基于全生命周期的數控機床軸承數據模型研究

楊曉英　徐嚴冬　隋　新　馬　偉

河南科技大學，洛陽， 471003

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基于全生命周期的數控機床軸承數據模型研究

楊曉英徐嚴冬隋新馬偉

河南科技大學，洛陽， 471003

摘要：針對數控機床軸承的全生命周期數據管理缺少統一模型的問題，分析了數控機床軸承全生命周期數據關系和集成管理需求，建立了全生命周期數據管理模式；應用多維度建模方法，從數據屬性、數據結構、組織約束和操作機制等方面構建了軸承集成設計、制造和運行維護三個階段的多維度數據模型，并結合實例應用，設計了數控機床軸承全生命數據管理系統，實現了預期效果，為實現數控機床軸承全生命周期數據集成管理系統研發奠定了理論基礎。

關鍵詞：軸承；數據模型；全生命周期；數控機床

0引言

數控機床軸承是數控機床的關鍵部件，直接關系到主軸的精度和速度，對其進行全生命周期數據管理研究對提高數控機床的性能、質量和可靠性具有重要意義。數控機床軸承全生命周期數據管理是指對軸承設計、制造與運行維護三個階段所有數據的集成和整合[1-2]。

目前，我國數控機床軸承全生命周期管理還處于初級階段，雖然實現了部分數據采集分析功能，但數據還處于孤島狀態，設計、制造、運營服務的數據不能實現信息共享，不利于軸承的優化設計和制造服務。這也使數控機床的軸承選型、故障預測、綠色制造得不到基礎數據的支撐[3]。因此，對軸承全生命周期數據進行管理有助于實現軸承的優化設計和綠色制造，有助于推動軸承制造業工業化與信息化的深度融合。軸承全生命周期數據模型是軸承數據管理信息化的理論基礎，對其進行研究具有重要的理論意義和實用價值。

當前，針對數控機床軸承的全生命周期數據統一模型還缺少研究。Stark[4]對全生命周期管理進行了闡釋，說明了產品全生命周期管理(product life-cycle management, PLM)對制造企業的重要性；Srinivasan[5]分析了全生命周期管理的集成框架，將集成概念運用于企業管理中；許承東等[6]借助于互聯網的PLMS體系結構對產品全生命周期的各個階段進行層次設計，實現了層次中各生命階段數據的共享；趙曉莉等[7]以BOM為主線來貫穿全生命周期的各個階段，并通過BOM實現設計、制造、運營服務階段的信息交互；馬明旭等[8]基于生產產品的自身結構對其全生命周期進行分析，完成了全生命周期模型的建立和對各個產品生命階段的分析；江偉光等[9]通過建立產品元模型對全生命周期數據進行多層次分析，構建產品全生命周期信息模型。以上研究成果對建立數控機床軸承的全生命周期數據集成模型具有一定的借鑒意義。

鑒于以上背景和研究現狀，本文采用系統集成理念對數控機床軸承全生命周期數據管理模型進行研究，運用多維度建模方法，從數據屬性、結構、組織約束和操作機制等方面構建軸承集成設計、制造和運行維護三個階段的多維度數據模型。

1數控機床軸承數據管理需求分析

1.1數控機床軸承概述

數控機床軸承作為數控機床的基礎件，包含軸承內圈、軸承外圈、保持架、滾動體等基本結構。

數控機床系列軸承可涵蓋典型數控車床主軸軸承、高速銑床主軸軸承、高速精密磨床主軸軸承、精密鏜銑加工中心主軸軸承、高速車銑加工中心主軸軸承、重型數控立車工作轉臺或臥車主軸軸承、數控回轉臺精密分度圓軸承、數控機床滾珠絲杠支撐軸承、數控磨齒機回轉臺軸承及高速精密數控機床電主軸軸承。軸承主要型號包括雙列圓柱滾子軸承、雙向推力角接觸球軸承、角接觸球軸承、圓錐滾子軸承、大型推力滾子軸承、大型角接觸球軸承、大型圓柱滾子軸承、精密交叉圓錐滾子軸承、精密交叉圓柱滾子軸承等。

隨著精密制造業的發展，高速精密數控機床軸承已經成為數控機床軸承的主流，反映其高速性能的dmN值(軸承節圓直徑×旋轉速度)達100萬(mm·r/min)以上，對其全生命周期數據進行集成管理并實現各階段數據交互，有助于高速精密數控機床軸承的優化設計和工藝改進，也有助于提高制造的可靠性、減少產品廢品率。

1.2數控機床軸承全生命周期數據需求

數控機床軸承全生命周期管理可分為設計、制造、運行維護三個階段，各司其職地完成對軸承全生命過程的狀態監督、過程控制和數據信息搜集的功能。數控機床軸承的全生命周期數據管理，需要實現設計階段、制造階段、運行維護階段的數據集成管理和信息共享。

(1)設計階段數據包括軸承基本信息、軸承設計信息等。該階段數據可以通過對軸承設計BOM的整合分析進行采集，設計數據對后期階段的行為提供基礎數據支持，設計階段數據多為靜態數據。該階段數據決定了產品性能、成本和制造難度等。

(2)制造階段數據包括制造基本信息(物料、工藝、設備、人員)和質量信息等。制造基本數據多為靜態數據，制造質量信息需要實時采集，及時反饋，所以制造質量信息為動態數據。該階段數據反映了產品制造過程與質量控制狀況等。

(3)運行維護階段數據包括軸承使用基本信息、軸承使用狀態信息、軸承故障信息。運行維護階段的數據要實時采集、實時傳輸與存儲，為設計數據和制造數據提供最新的依據，所以運行維護階段信息以動態數據為主。該階段數據反映了軸承運行狀態，為數控機床維護提供依據等。

軸承各階段數據整合與管理是實現優化設計和可靠性制造的重要基礎，其數據管理模式如圖1所示。

圖1　軸承全生命周期數據管理模式

2多維度軸承全生命周期數據模型

多維度模型是一種立體思維設計，是解決問題的一種系統結構。它類似于一個多維數據壓縮包，是以某個事物為切入點建立起來的囊括與其相關聯的多種維度考量的結構性思維框架，是將多維度設計思路、各自運作機制相互影響的關系整合起來的一種設計思維的框架結構，它反映了多維度系統的結構特點和因果關系以及系統各個變量之間的關系[10]。

目前，一般的多維度數據模型大多應用于數據評估方面，很少在制造企業的全生命周期中得以應用，本文基于數控機床軸承數據構建了一個三維度數據模型，以實現軸承全生命周期數據的數據集成和共享。

2.1軸承數據分析

本文采用三維度模型的方法來建立數控機床軸承的多維數據模型，三維數據模型的結構包括軸承對象、周期活動、數據粒度。

2.1.1軸承對象

對數控機床軸承進行拆解分析，并研究軸承主體和各個部件。軸承對象分為對象1：數控機床軸承；對象2：軸承內圈、軸承外圈、保持架、滾動體、中隔圈、密封裝置；對象3：……。

2.1.2周期活動

周期活動分為設計階段、制造階段、運行維護階段的信息數據集。設計階段部分信息包括軸承代號、原代號、軸承名稱、基本尺寸、額定載荷、極限轉速、原始游隙、安裝相關尺寸、質量、潤滑方式、溫升范圍、保持架等。例如，額定載荷包括徑向基本額定動負荷(Cr)、徑向基本額定靜負荷(Cor)、軸向基本額定動載荷(Ca)、軸向基本額定靜載荷(Coa)；原始游隙包括徑向游隙(ur)、軸向游隙(ua)、角游隙(uangle)；保持架包括保持架內徑(Dcin)、保持架外徑(Dcout)、保持架寬度(Bc)、保持架板厚(S)、材質(CZ)等。

制造階段部分信息包括軸承代號、原代碼、軸承名稱、制造商、制造日期、尺寸精度、表面粗糙度、旋轉精度、材質、精度等級、安裝游隙等。例如，尺寸精度包括套圈寬度變動量、兩端面平行度、直徑變動量、外徑圓形偏差、平面度、錐度、圓度、裝配角、壁厚差、平行差、垂直差；旋轉精度包括內圈徑向跳動(Kia)、外圈徑向跳動(Kea)、內圈軸向跳動(Sia)、外圈軸向跳動(Sea)、內圈端面對內孔的垂直度(Sd)、外圈表面對端面的垂直度(SD)、同軸度(Kia)。安裝游隙包括：徑向游隙(ur)、軸向游隙(ua)、角游隙等。

運行維護階段部分信息包括軸承代號、原代號、軸承名稱、工作游隙、跳動(mm)、振動頻率、振動加速度(位移)、轉速、溫升(T)、失效形式、安裝設備、使用年限等。例如，工作游隙包括徑向游隙(ur)、軸向游隙(ua)、角游隙(uangle)；跳動包括徑向跳動、軸向跳動等。

2.1.3數據粒度

數據粒度是指數據倉庫中數據的細化和綜合程度。數據倉庫的數據單位中保存數據的細化程度越高，粒度級就越小；相反，細化程度越低，粒度級就越大。數據集成環境中粒度是主要的設計問題，因為它影響存放在數據集成系統中的數據量的大小，同時影響數據集成系統所能回答的查詢類型。粒度的大小需要在設計數據倉庫時在數據量大小與查詢的詳細程度之間作出權衡[11]。

對于多維度軸承全生命周期數據模型，可將數據粒度劃分為屬性集、方法集、消息集，通過對這三方面的聯系和約束的分析和理解，可以促進整個數據模型的綜合程度和層次化表達。

屬性集是軸承全生命周期數據中產品本身所固有的若干個特性集合，如軸承名稱、原始尺寸、質量、原始游隙等，該集合可以實現對產品的基本刻畫。

方法集是軸承的設計、制造、運行維護各階段數據對象的若干個行為集合。

消息集是在軸承全生命周期數據之間進行交互作用和通信的若干個數據信息的集合，可以實現數據對象行為的表達及所有數據對象之間可能的信息交互。

2.2數據模型結構

模型結構為三維度數據模型，表示為j軸、k軸、i軸，分別代表不同的維度數據，形成一個完整的立體集合模型。

j軸維度數據為對象維度，是該三維度數據模型所針對的主體對象及其主體分層的n層次對象。

k軸維度數據為數據粒度維，主要研究的是該數據模型中數據的綜合程度和層次化表達，可以用于分析模型中數據的集合狀況。

i軸維度數據為全生命周期階段活動維，主要分析的是全生命周期的過程演進，以及各階段的信息、信息之間的約束和聯系。

j、k、i軸數據維形成一個較完整的數據庫，為企業以及最終用戶提供數據。一般的數據模型專注于特定的主題域、特定的部門或特定的業務功能需要，而三維度數據模型在某些方面與一般數據模型不同，該數據模型專注于建立一個集成的產品全生命周期數據模型，以滿足整個產品各個階段的業務需求。

2.3數據模型搭建

基于對數控機床軸承全生命周期數據的總結，提出從對象維、全生命周期階段活動維和數據粒度維三個維度來構建多維度軸承數據模型，它集軸承對象分析、軸承生命周期信息過程化和多層次信息表達為一體，形成一個模型集成的三維狀態空間，如圖2所示。

該三維狀態空間可表示為

BDM ∷=BDM(ST,O,G)=

其中，ST、O、G分別表示全生命周期階段活動維、對象維和數據粒度維的劃分，BDM(sti,oj,gk)表示全命周期階段活動i的第j個對象k粒度上的單元子模型。對象維和全生命周期階段活動維主要用于描述軸承對象與全生命周期過程特性，粒度維是利用面向對象建模思想構建軸承全生命周期信息的層級化表達、存儲和擴展[12]。

該模型以數控機床軸承的基本構造為基礎，分析了數控機床軸承的全生命周期的設計、制造、運行維護階段的信息，并使得三個階段的信息相互交流、匯聚，在統一的規則約束下，實現三個階段信息層的集成與共享。

2.4模型組織約束

圖2　數控機床軸承多維度數據模型

三維度信息模型，數據信息隨全生命周期階段活動的不斷演進反映其管理數據之間的關系，數據信息隨軸承的不斷分解反映數據信息的過程特性。為更好地組織數控機床軸承數據信息層相關信息，構建了以全生命周期階段活動為核心的組織結構，其表示方式如圖2橢圓中的信息層組織模式所示，軸承數據信息層結構BLS可抽象為

BLS ∷={Des,Nodes,Rules}

其中，Des是對象維的具體描述，如信息層所屬對象命名規則以及數據；Nodes是信息集中全生命周期活動階段信息描述；Rules是信息集中的規則約束集。三方面內容體現于一個維度平面中，相互聯系、相互制約，將各個數據層集合成一個整體系統。

規則Rules表示作用于全生命周期階段活動信息層的規則、約束集，是用以描述信息層中與業務邏輯密切相關的各種動態不確定性條件、規則、判斷準則或事件。

在多維度軸承全生命周期數據模型中，規則約束主要建立于全生命周期階段活動維度和對象維度中，表示為

主鍵約束rulespr在全生命周期階段活動維中，設置軸承代碼、軸承名稱為主鍵約束，因軸承代碼和軸承名稱必須出現在每個生命周期階段活動中，且不能為空，否則活動維度數據將不能運用，所以將軸承代碼、軸承名稱設置為主鍵約束。

唯一約束rulesun在設計階段活動維中，設置基本尺寸為唯一約束；在制造階段活動維中不存在唯一約束；在運行維護階段活動維中，設置失效形式為唯一約束。因唯一約束只隨主鍵約束的改變而改變，不受其他表中行列的改變而改變，故設置基本尺寸及失效形式為唯一約束。

檢查約束rulesch在全生命周期階段活動維中，設置制造出廠日期和使用期限為檢查約束，以制造出廠日期為準，以使用期限為標尺，超出期限則視為報廢，不再進入全生命周期活動。

2.5模型操作機制

圖3　數控機床軸承模型用例圖

多維度軸承數據模型主要是通過對象維和生命階段活動維的關系來實現模型運作，粒度維用于描述階段數據信息的存儲粒度，由于階段數據信息本身的多樣與復雜性且其在不斷演進過程中需要并產生大量的數據，所以其數據表達能力、容納能力以及擴展能力是軸承數據模型的關鍵。為滿足該需求，需要利用基于“對象-生命周期階段”的數據存儲模式來實現數據信息的構建和交互、集成信息的保留與跟蹤來滿足演進過程中階段相關數據對象的修訂、增添與屬性擴展等各方面的需求，如圖3所示。由圖3可知，根據“對象-生命周期階段”的數據存儲模式，可以實現全生命周期數據的系統集成操作，完成數據的修訂、增添，數據的導入、導出及分類查詢和綜合查詢操作，為數控機床軸承全生命周期數據管理系統結構的搭建提供了依據。

3應用實例及評價

3.1實例模型構建

某數控機床軸承的三維模型構建主要以設計、制造、運行維護為主線，分為階段i1、階段i2、階段i3，分別代表軸承設計階段信息、制造階段信息、運行維護階段信息，它們之間可實現信息的完整交互和集成，同時軸承產品v及零件分解v1、v2，…分別存在于全生命周期的各個階段，最終建立一個數控機床軸承全生命周期集成系統，如圖4所示。

圖4　某數控機床軸承模型

以上數控機床軸承模型是多維度軸承數據模型的平面體現，它使數控機床軸承設計、制造、運行維護階段的信息實現共享，互通有無。同時軸承主體及零件信息也分別集成于全生命周期的各個階段，便于信息分析和處理。集成信息最終匯入數據集成系統，形成軸承全生命周期的完整集成。

3.2實例應用——數據管理信息系統

根據多維度軸承數據模型，對某企業的軸承全生命周期數據集成管理系統進行了設計，如圖5所示。其中軸承BOM、基本信息及設計信息可以從企業PDM或PLM軟件中直接導入。軸承全生命周期數據集成管理系統可根據多維度軸承數據，實現系統管理、設計階段信息管理、制造階段信息管理、運行維護階段信息管理以及用戶查詢統一信息共享，是一個統一數據化管理、信息共享、數據集成的軸承全生命周期管理系統。

在系統總體規劃與設計的基礎上，對系統的數據庫進行設計，主要完成了參數設計、邏輯結構設計、概念模型結構設計和物理模型結構設計等內容，實現了參數類型劃分，在數據庫設計規范理論和異構數據映射模型的基礎上，建立了基于SQL Server 2008的數據庫，使用Visual Studio 2010和SQL Server 2008，按照三層開發模式，完成了高速精密數控機床軸承全生命周期數據管理系統BLDMS的設計。其登錄界面如圖6所示。

操作員認證成功后進入BLDMS主窗體，主窗體不僅是軸承數據管理系統的基本架構，還是用戶與子系統的溝通橋梁。BLDMS系統共包括系統管理、基礎數據管理、軸承設計信息、軸承生產信息、軸承運行信息、軸承故障信息以及幫助等一系列子系統。操作員在授權范圍內操作業務。

為了使系統各窗體管理起來更方便，使用開發工具進行MDI(multiple-document interface)多文檔窗體開發，子菜單的窗體在主窗體內部打開而不會溢出主窗體。

3.3效果評價

圖5　數控機床軸承全生命周期數據管理系統結構

圖6　BLDMS登陸界面

軸承全生命周期數據集成系統是一個以多維度軸承數據模型為基礎的集成系統，可實現軸承的概念設計、產品工程設計、生產準備和制造、售后服務等整個過程的產品全生命周期的管理，具體如下：①實現了數控機床軸承全生命周期各個階段之間數據的整合與交互，為軸承數據與資源的共享奠定了基礎；②實現了設計人員根據制造與運行維護數據對數控機床軸承產品與工藝的優化設計，并為改進產品設計提供依據；③實現了制造質量信息及運行維護階段信息的實時采集、實時監控與質量追溯，完善了質量監控體系，提高了用戶滿意度；④可幫助企業由生產型制造向服務型制造轉型，減少資源浪費，促進制造業綠色化與可持續發展。

4結語

本文分析了數控機床軸承全生命周期數據關系和集成管理需求，建立了數控機床軸承全生命周期數據管理模式；應用多維度建模方法，從數據屬性、結構、組織約束和操作機制等方面構建了軸承集成設計、制造和運行維護三個階段的多維度數據模型，并結合實例應用，設計了數控機床軸承全生命數據管理系統，取得了預期效果，為實現數控機床軸承全生命周期數據集成管理奠定了基礎。

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(編輯蘇衛國)

Data Model of Bearings for CNC Machine Based on Life-cycle

Yang XiaoyingXu YandongSui XinMa Wei

Henan University of Science and Technology , Luoyang, Henan, 471003

Abstract：In view of a unified mode absent of the CNC machine bearing life-cycle date management, the demands for data relationships and integrated management of the CNC machine bearing life-cycle were analyzed herein, and the life-cycle data management mode was established. Using the method of multidimensional modeling, three stages of multidimensional data model about the bearings integrated design, manufacturing and operations were set up from aspects of data attributes, data structure, organizational constraints and the operation mechanism. Combined with the application examples, the CNC machine bearing life data management system was designed and the expected effectivenesses were achieved, which lays a theoretical foundation for data integration management of life-cycle of the CNC machine bearings.

Key words：bearing; data model; life-cycle; CNC machine

收稿日期：2015-07-02

基金項目：國家科技重大專項(2012ZX04004011)

中圖分類號：TH128；TH166

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.10.008

作者簡介：楊曉英，女，1965年生。河南科技大學機電工程學院教授。研究方向為工業工程與制造業信息化。徐嚴冬，男，1990年生。河南科技大學機電工程學院碩士研究生。隋新，男，1982年生。河南科技大學機電工程學院講師。馬偉，男，1955年生。河南科技大學機電工程學院教授。