面向用戶的滾磨光整加工數據庫平臺構建及工序模板設計

高 煒，楊勝強，田建艷，李文輝，高云松

(1.太原理工大學 a.機械與運載工程學院，b.電氣與動力工程學院，c.航空航天學院，太原 030024； 2.廊坊市北方天宇機電技術有限公司，河北 廊坊 065000)

滾磨光整加工是一種在裝備制造業中使用廣泛且需求強勁的先進基礎制造工藝，能夠通過提高零件表面質量進而改善零件使用性能，屬于精密和超精密加工的范疇，是先進制造技術之成型制造的一個重要組成部分。其主要優點是：1) 可以實現不同大小、不同形狀和不同材質的零件的批量加工；2) 可以一次性全方位加工到各種零件的幾乎所有復雜結構部位；3) 可以同時對影響零件表面質量的多指標綜合改善；4) 對加工設備的制造精度要求低，相應的設備維護和滾拋介質消耗總體費用相對較低[1]。權威專家CARIAPA et al[2]指出，世界范圍內機器加工零件中約有50%采用不同的滾磨光整加工工藝提高零件表面質量，改善零件表面完整性。值得注意的是：1) 其應用已從早期的面向中低端裝備逐步升級到面向高端裝備制造，如航空發動機、高端變速箱、高端液壓元器件、機器人、兵器裝備等[3-7]；2) 高端裝備制造企業應用滾磨光整加工的規模大(設備種類多，加工對象多，現場操作人員多)，零件加工要求及批次質量穩定性要求高；3) 針對不同零件的不同要求，滾磨光整加工執行工藝制定涉及因素多，長期以來以經驗加試驗的辦法來確定，對現場操作人員專業水平要求高，工藝規程編制費時費力；4) 歷史上積累的工藝數據管理無序，不便在新的應用中合理使用；5) 實際加工成功的工藝數據及方案應該有序積累，有利于工藝及應用的數字化、智能化升級發展。

隨著國際國內制造業發展趨勢的變化，近年來，國內某大型航空發動機生產企業面向國內外市場需求制造的零件種類(如機匣類、盤類、葉片類、軸類及結構件等)與數量日漸增多，但零件表面質量及表面完整性欠缺的問題越來越突出，這樣就不同程度地影響了交付進度、經濟效益乃至企業國內外聲譽。有針對性地使用滾磨光整加工技術后，解決了特定產品的加工質量問題。截止目前，在該企業多個分廠擁有不同國家、不同生產廠家、不同類型、不同規格型號的滾磨光整加工設備50余臺(套)，加工介質種類有百余種之多。在企業制造零件材質、結構、形狀、大小及加工要求不斷變化的情況下，如何用好分散布置的滾磨光整加工設備并保證現場操作人員高質量實施滾磨光整加工工藝是企業提質增效的實際需求。

數據庫(Database)是長期儲存在計算機內、有組織的、可共享的數據集合。關系數據庫由于其結構簡單、使用方便、邏輯性強、物理性少等優點，在目前工業應用行業占據數據庫領域的主導地位，能充分有效地管理和利用各類信息資源，是進行科學研究和決策管理的重要技術手段。

在綜合分析的基礎上，本文提出通過構建滾磨光整加工數據庫平臺并自動生成工序模板實現工藝統一管理的研發思路。基于微軟公司Microsoft Visual Studio.net 2015基礎平臺，使用功能強大、兼容性好、升級方便的C#語言，采用國際最流行、應用最廣泛的標準關系數據庫Oracle系統，數據庫平臺既有成功案例的收集整理入庫，還可實現持續的生產數據的實時入庫，又能依據加工過程規范化操作要素形成包含設備確定、介質優選及工藝操作流程等內容的工序模板。

1 滾磨光整加工數據庫平臺的構建

1.1 平臺目標需求及功能模塊設計

依據企業實際情況，擬定滾磨光整加工數據庫平臺目標需求為：

1) 前期企業積累的大量滾磨光整加工工藝案例可以規范入庫；

2) 工藝案例包括：加工對象、加工要求、所用設備及參數、選用磨塊及用量、選用化學劑類型及添加量、中水條件及用量、工裝夾具、加工時間、加工效果等內容；

3) 工藝案例描述的數據類型包括：數字、文字、圖片；

4) 新產生的工藝案例可以實時規范入庫；

5) 多目標實現工藝案例查詢與統計；

6) 以數據庫為基礎，可以有針對性地生成可供實際操作使用的工序模板；

7) 三級用戶權限設置與管理，即科研人員、企業工藝技術人員和生產現場操作人員；

8) 平臺運維環境為基于現有企業內部局域網運行，確保數據安全。

依據平臺目標需求和滾磨光整加工工藝案例特點，在分析借鑒機械制造類及其他專業類典型數據庫架構基礎上，綜合現有技術發展趨勢，構建面向用戶的滾磨光整加工工藝數據庫平臺。其主要功能模塊如圖1所示。

圖1 滾磨光整加工數據庫平臺功能模塊Fig.1 Function module of barrel finishing process database platform

由圖1可知，數據庫平臺由系統設置、基礎信息維護、試驗子數據庫和光整子數據庫4個功能模塊組成。

1) 系統設置。該模塊主要完成系統的管理。主要由系統參數管理、系統權限管理、系統用戶管理和系統日志管理4部分組成。

2) 基礎信息維護。該模塊主要負責光整加工過程中各種基礎數據信息的錄入與維護。包括人員信息維護、零件技術信息維護、磨塊信息維護、化學劑信息維護、設備信息維護5部分。

3) 試驗子數據庫。該模塊有試驗數據錄入和試驗數據分析兩部分，可實現試驗數據錄入的規范化，以確保試驗數據的統一性和準確性，并可實現數據的分析對比，同時把專家和技術人員分析后可以用于實際加工的數據信息推送至光整子數據庫，形成案例。

4) 光整子數據庫。包括案例查詢、案例匹配、案例集分析與評價和工序模板4部分。該模塊用于存儲案例數據，可供使用人員進行查詢與統計，并可根據新的加工需求對案例進行修正，結合案例推理技術進行案例集分析與評價，自動生成對應的工序模板，以指導實際生產。

1.2 數據庫概念設計

E-R圖(entity relationship diagram)也稱實體-聯系圖[8]，提供了表示實體類型、屬性和聯系的方法，用來描述現實世界的概念模型。

在實際生產中，依據被加工零件的材質、總體尺寸、類型、被加工零件表面技術狀態及加工要求，首先選定不同類別和結構參數的滾磨光整加工設備，重要的是匹配加工過程中的加工介質和工藝參數，其中包括磨塊的類型、材質、大小和形狀；化學劑既要注重基本液體的合理選定，又要依據不同零件特征和加工要求選擇化學劑的類型及用量。實際加工時設備運動參數及加工時間和過程循環控制也十分重要，須為這些復雜的工藝參數關系建立有效的概念模型。

本文利用E-R模型作為數據庫概念設計的數據模型。在滾磨光整加工中，主要有被加工零件、滾磨設備、磨塊、化學劑及基本液體等5大類實體，并且各個實體的屬性繁多，實體間關系復雜。本文遵循從局部E-R圖到全局E-R圖設計原則，嚴格消除潛在的沖突和冗余，獲得的滾磨光整加工數據庫平臺全局E-R模型如圖2所示，表示了滾磨光整加工過程中的各個實體及其相互關系。

1.3 數據庫邏輯設計

根據選用的數據庫管理系統，結合滾磨光整加工工藝邏輯，把E-R圖轉換為邏輯結構。首先將概念結構轉換為關系模型，其次是轉換的關系模型向數據模型轉換，并以規范化理論為指導，用模式分解方法對關系模式進行規范化，形成邏輯結構。

圖2 滾磨光整加工數據庫平臺全局E-R圖Fig.2 Global E-R diagram of barrel finishing process database platform

本文基于主鍵PK(primary key)和外鍵FK(foreign key)約束來建立初始關聯[9]，定義了所有表的主鍵和外鍵，維護了關系數據庫的完整性。主鍵是能確定一條記錄的唯一標識，比如，工藝家族表的一條記錄包括工藝家族代碼、名稱、零件類型代碼、使用部位、結構特征、材料和毛坯制備方法。工藝家族代碼是唯一能確定被加工零件的工藝家族，其他都可能有重復，所以，工藝家族代碼是主鍵。外鍵用于與另一張表的關聯，是能夠確定另一張表的記錄的字段，用于保持數據的一致性。比如，加工技術要求表中的加工部位代碼是加工部位表的主鍵，同時也是加工技術要求表的外鍵，用于與加工部位表的關聯和保持數據的一致性。

以工藝家族模式的被加工零件邏輯設計為例，其物理結構模型如圖3所示。

圖3 基于工藝家族模式的被加工零件物理結構模型Fig.3 Physical structure model of machined parts based on process family pattern

2 基于數據庫的滾磨光整加工工序模板設計

2.1 數據庫基礎信息及試驗數據的收集錄入

數據庫基礎信息及試驗數據的收集錄入邏輯主要由3部分組成(見圖4).第1部分為基礎資源維護，第2部分為試驗數據維護，第3部分為加工數據維護。

圖4 數據庫基礎信息及試驗數據的收集錄入邏輯Fig.4 Collection and input logic of basic database information and test data

1) 基礎資源。平臺須進行人員信息、零件技術信息、磨塊信息、化學劑信息和設備信息等5部分數據的維護。以零件技術信息維護為例，分為10個維護頁面：零件類型、工藝家族、零件材料、零件規格、加工部位、加工部位規格、加工前技術狀態、加工技術要求、加工前加工方式、加工過程。

2) 試驗報告。工藝試驗人員依據項目、流水、生產廠需求、上級下達等任務，進行光整試驗，完成光整試驗后，將試驗記錄錄入“試驗報告”模塊形成試驗數據，“試驗報告”中的零件分類、加工部位、加工前技術狀態等零件技術信息，以及設備、磨塊、化學劑等資源信息，只能從零件技術狀態分類表和生產資源表中選擇，不得隨意填寫。

3) 光整試驗數據庫。它的數據框架，是按照“試驗報告”中的數據自動生成的，“試驗報告”中的試驗數據信息，經過專家和技術人員分析，根據加工效果和實際生成需求形成不同的數據庫案例，并保存到“光整加工數據庫模塊”，供數據庫用戶調用。

4) 光整加工數據庫。加工數據庫中的工藝案例可提供給科研人員、工藝人員查詢、匹配和進行評價，并提供生產廠進行實際應用。

圖5為工藝數據信息維護界面，科研人員、企業工藝技術人員和生產現場操作人員將科研試驗中的成功案例或生產過程中典型的工藝案例錄入數據庫系統。

2.2 光整加工工序模板的確定及輸出

2.2.1工序模板的設計

工序模板的設計是以數據庫資源、技術標準、技術說明書和生產控制要求為依據，通過輸入被加工零件特征信息和加工要求：即根據零件特征分類，按零件的家族類型、結構、規格、加工部位、光整前狀態、光整后狀態進行用戶(生產廠使用方)選擇性的信息錄入，之后在數據庫中進行案例匹配，得到加工設備、加工介質和控制參數來實現工序模板的輸出。

圖5 工藝數據信息維護界面Fig.5 Process data information maintenance interface

本文采用變權重案例推理方法，根據零件信息及加工要求參數的特征進行權重調整，從而優選出最佳案例[10-11]。在案例匹配過程中，利用檢索信息從源案例庫中檢索并選擇潛在的可用的案例，并判斷新案例與庫中案例間的相似度，匹配到最佳案例后輸出工序模板，形成成熟批產工藝；如未匹配到最佳案例，則進行案例修正后再進行匹配，并根據匹配到的案例形成工序模板，工藝人員參考工序模板進行工藝試驗，將試驗數據錄入數據庫平臺。所設計的工序模板可一次提供多項設備、多種磨塊和多類化學劑，實現多工序工藝，同時可對關鍵參數提出控制要求，滿足不同用戶的現場工藝能力情況。生成工序模板邏輯框架如圖6所示。

圖6 生成工序模板邏輯框架Fig.6 Logical framework of generating process template

2.2.2案例匹配

生成工序模板的核心是匹配到最佳案例，在系統中錄入零件信息及加工要求后，根據案例特征進行檢索，依據匹配到的案例的相似度值進行判定。

相似度計算方法采用帶權值的最近鄰居法[12]，計算公式如下：

(1)

式中：sim(T,S)為兩案例的整體相似度；T為用戶新錄入的加工問題；S為光整加工案例庫中的案例；Ti為加工問題的第i個特征的值；Si為案例庫中案例的第i個特征的值；n為案例特征的個數；sim(Ti,Si)為T和S的第i個案例特征的相似度；wi為第i個案例特征的權值。

新錄入問題的特征不僅僅有數值型數據，還包含邏輯型和二值型[13]。其中，數值型特征相似度的計算公式[14]為：

(2)

σi=σ×(imax-imin) .

(3)

式中：d(Ti，Si)為絕對值距離；σi為撓曲點；imax，imin分別為第i個特征的最大值與最小值；σ為常數，取值范圍為[0,1].

案例特征中的“光亮度”是以不同的等級來表征的，故屬于邏輯型特征，其相似度的計算公式為：

(4)

式中：M為案例特征的最大取值。

案例特征中的“毛刺”通常用“有/無”來表征，故屬于二值型特征，其相似度的計算公式為：

(5)

2.2.3仿真驗證

案例匹配過程中，核心是選取最優的磨塊，并根據磨塊與設備的關聯獲取相關工藝控制參數。本文采用案例庫中“已有的案例”“相似的案例”和“差異較大零件的案例”3種情況分別做仿真驗證。以齒輪類零件的為例，根據企業現有生產數據分析并綜合專家經驗，齒輪類零件相似度閾值設置為0.7[15]，滿足次閾值的案例可作為匹配案例指導生產應用，如圖7所示。

其中圖7(a)為已有案例仿真，由圖可知，16號案例作為新問題匹配，案例相似度為1，匹配到了最佳案例。圖7(b)為相似的案例仿真，如圖所示以13號案例作為新問題，11號和10號案例相似度都大于0.7，滿足案例匹配要求。圖7(c)為差異較大零件的案例仿真，圖中作為新問題的6號鑄鋼齒輪案例在庫中匹配到相似度最高的案例為2號案例，但無法滿足閾值。此時進行案例修正，調整被加工零件加工前粗糙度、加工后粗糙度、加工前毛刺的特征權重，結果如圖7(d)所示，案例修正后，根據新的特征權重，2號案例的相似度達到要求，其他案例的相似度值也有了較大變化，采用該案例生成的工序模板進行試驗驗證，滿足零件加工要求。

圖7 齒輪類零件案例匹配仿真結果Fig.7 Case matching simulation results of gear parts

2.2.4工序模板的輸出

本文研發的滾磨光整加工數據庫平臺已規模應用于生產，各生產廠能根據新的零件加工要求，按照平臺操作規范，從案例庫中匹配最佳案例，自動生成對應的光整加工數據鏈。生產廠選擇產生的光整加工數據鏈，完全實現自動嵌入對應的工序模板。

平臺設置的滾磨光整加工數據鏈框架如圖8所示，按照零件類型、工藝家族、零件材料、零件規格、加工部位、加工部位規格、加工前技術狀態和加工技術要求的規范步驟輸入數據，輸出的光整加工工藝信息包括加工過程、加工設備、磨塊、化學劑和加工

圖8 滾磨光整加工數據鏈框架Fig.8 Data link framework of barrel finishing process

參數。

平臺工序模板界面生成的工序模板為有加工參數的光整加工工序圖表，包括工藝流程中的重要技術參數、主要加工步驟和工作內容等，實現了生產廠現場規范應用。以整體葉盤類FSKS01家族為例，生成的工序模板如圖9所示，嚴格控制了生產廠操作人員的加工步驟和工步要求，流道粗糙度從1.0提升到0.8，不僅滿足了加工要求，更實現了操作規范與工作流標準化，提高了零件加工質量與生產效率。

圖9 滾磨光整加工工序模板Fig.9 Barrel finishing process template

3 結束語

依據國內某大型航空發動機制造企業規模性使用滾磨光整加工技術的生產實際，基于企業產品標準數據管理體系和光整工藝邏輯關系，采用Oracle數據庫并結合C#編程語言建立了基于Web的滾磨光整加工數據庫平臺。平臺數據結構完善、擴展方便，數據安全可靠，在企業應用一年以來有效梳理了該企業歷史積累的大量工藝數據、工藝方案，實現了設備、磨塊、化學劑對不同零件加工性能的對比分析，整合了航空發動機各類零件結構與不同光整加工機理的作用關系，形成了案例豐富的資源庫。在實際生產應用中，面對持續產生的新加工問題，平臺給出了有高度參考價值的加工方案，基于此生成的工序模板，統一規范了光整加工各環節的控制要求，為企業內各類零件光整加工質量的穩定性和一致性提供了強力保障。

在此數據庫平臺基礎上，按新工藝研發、新設備研制和新介質生產等邏輯關系進一步拓展完善，可以構建面向滾磨光整加工技術全產業鏈適用的行業數據庫平臺，可以有效促進滾磨光整加工技術數字化、智能化升級。更重要的是可以在充分應用數據庫積累大量有序數據的基礎上，對滾磨光整加工技術升級換代的研發提供參考依據。