復(fù)雜零件云制造知識服務(wù)研究

郭宗祥

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 數(shù)控工程學(xué)院，陜西 西安 710300)

0 引言

云制造是一種面向網(wǎng)絡(luò)化制造的新模式，其共享與服務(wù)的理念可以完成企業(yè)知識資源由傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分類存儲與檢索到知識服務(wù)的轉(zhuǎn)變[1]。知識服務(wù)是以專業(yè)知識內(nèi)容和互聯(lián)網(wǎng)信息進(jìn)行搜索查詢?yōu)榛A(chǔ)，為用戶提供有用的信息和知識。復(fù)雜零件研發(fā)周期長，研發(fā)過程涉及學(xué)科領(lǐng)域廣泛，所需知識資源眾多，迫切需要對產(chǎn)品研制過程中的知識進(jìn)行有效管理以實(shí)現(xiàn)共享和重用。云制造環(huán)境下的知識服務(wù)基于海量的制造知識資源，可以較好地解決共享和重用問題。

劉運(yùn)通等[2]為了將知識服務(wù)主動地提供給產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程，提出了一種產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程知識服務(wù)系統(tǒng)構(gòu)建方法[3]；李錄等[4]為了解決機(jī)械零件設(shè)計(jì)知識資源難發(fā)現(xiàn)、獲取率不高的問題，提出一種關(guān)聯(lián)知識檢索服務(wù)方法；李穎新等[5]為提高個性化知識服務(wù)能力、增強(qiáng)用戶黏度，提出一種云制造環(huán)境下的個性化知識服務(wù)方法；何二寶等[6]針對云知識服務(wù)問題，給出了產(chǎn)品知識服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)，設(shè)計(jì)了知識服務(wù)實(shí)現(xiàn)過程；劉俊等[7]為解決集團(tuán)企業(yè)制造資源和制造能力的共享與協(xié)同問題，提出了一種基于知識整合的集團(tuán)企業(yè)云制造服務(wù)平臺；陰艷超等[8]為解決云制造環(huán)境下知識服務(wù)能力評估問題，建立了知識服務(wù)能力評估體系。

復(fù)雜零件云制造知識服務(wù)是指在復(fù)雜零件云制造過程中，根據(jù)服務(wù)需求，主動檢索推送相應(yīng)的知識資源，實(shí)現(xiàn)企業(yè)有效知識資源與業(yè)務(wù)流程的緊密耦合，從而達(dá)到重復(fù)利用、按需獲取、高效配置、充分共享知識資源與制造能力的目標(biāo)[9]。本文以葉輪云制造為例，對復(fù)雜零件云制造知識服務(wù)實(shí)現(xiàn)途徑進(jìn)行研究。

1 復(fù)雜零件云制造知識資源

復(fù)雜零件產(chǎn)品多由集團(tuán)企業(yè)各單位以產(chǎn)品研發(fā)任務(wù)流程為主線協(xié)同研發(fā)制造。云制造環(huán)境下，協(xié)同過程中的某個業(yè)務(wù)活動可能同時需要多部門的參與，也可能涉及到其他多個業(yè)務(wù)活動。在交互協(xié)作的過程中，需要大量的知識資源，同時也會產(chǎn)生新的知識資源。為了更精準(zhǔn)地描述、存儲、管理知識資源，從而方便知識資源的檢索，以提供更精確、更有效的知識服務(wù)，根據(jù)知識資源類型的不同，可將制造知識資源分為靜態(tài)和動態(tài)兩大類[10]。

靜態(tài)知識資源主要指專利、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、操作手冊、仿真測試數(shù)據(jù)等不可隨意更改的、以文本數(shù)據(jù)表形式存在的、供用戶參閱的知識資源。靜態(tài)知識服務(wù)主要是抽取和組織專利、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、操作手冊、仿真測試數(shù)據(jù)中隱含的、有用的制造知識資源，建立復(fù)雜零件加工知識資源索引庫，向用戶提供可用的服務(wù)。主要有知識資源檢索服務(wù)和知識資源主動推送服務(wù)。

動態(tài)知識資源主要指設(shè)計(jì)模型、仿真模型、網(wǎng)格劃分模板、工藝設(shè)計(jì)模板、軟件工具等具有特定功能的、具有參數(shù)化特性的、通過輸入數(shù)據(jù)或進(jìn)行部分修改就能夠重復(fù)使用的知識資源。云制造環(huán)境下，產(chǎn)品的研發(fā)制造過程需要多個功能軟件進(jìn)行建模、仿真、優(yōu)化、測試。企業(yè)動態(tài)知識資源繁多，采用相關(guān)技術(shù)對這些功能進(jìn)行服務(wù)化描述和封裝，使用戶可以便捷地使用，即稱為動態(tài)知識服務(wù)[9]。

2 復(fù)雜零件云制造知識服務(wù)流程

葉輪是一種典型的通道類復(fù)雜零件，廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工等行業(yè)領(lǐng)域[11]。葉輪葉片多，流道扭曲且狹窄，造型復(fù)雜，加工精度要求高，加工過程復(fù)雜，其研發(fā)制造過程涉及多個領(lǐng)域及專業(yè)學(xué)科的知識，需要大量的知識資源的支撐。將云制造及知識服務(wù)理念引入葉輪加工過程，為產(chǎn)品研發(fā)制造全生命周期提供精準(zhǔn)、可靠、安全的知識服務(wù)，能夠極大地提升產(chǎn)品的研發(fā)效率，縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，提升企業(yè)產(chǎn)品競爭力。因此，以葉輪為例構(gòu)建復(fù)雜零件云制造知識服務(wù)流程如圖1所示。

圖1 葉輪云制造知識服務(wù)流程

相關(guān)產(chǎn)品研發(fā)人員獲取下發(fā)的任務(wù)后，讀取任務(wù)類型、專業(yè)領(lǐng)域、任務(wù)要求、完成日期等任務(wù)信息，通過基于本體的分詞處理，獲取任務(wù)需求。以半開式葉輪數(shù)控加工為例，將“半開式葉輪數(shù)控加工”任務(wù)經(jīng)過分詞處理，分解為“半開式葉輪”、“數(shù)控加工”、“數(shù)控”、“加工”等詞句，語義擴(kuò)展后獲得“半開式葉輪”、“數(shù)控編程”、“數(shù)控加工仿真”、“加工工藝”等領(lǐng)域本體術(shù)語，形成知識服務(wù)檢索的關(guān)鍵詞。在靜態(tài)知識服務(wù)方面，可以檢索葉輪葉片的分類、葉輪加工工藝設(shè)計(jì)、切削參數(shù)選取、葉片刀具軌跡生成等知識，將這些知識主動、準(zhǔn)確地提供給用戶，減少了研發(fā)技術(shù)人員搜索知識資源的時間，而且能夠充分地參考企業(yè)已有的技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)知識，提高了研發(fā)效率和知識資源重復(fù)使用率。在動態(tài)知識服務(wù)方面，用戶可以調(diào)用葉輪零件參數(shù)化建模、CAE分析、工藝設(shè)計(jì)、切削參數(shù)優(yōu)化、刀具軌跡計(jì)算與生成、彈性變形預(yù)測等動態(tài)知識服務(wù)組件，完成葉輪產(chǎn)品建模、工藝設(shè)計(jì)、刀軌計(jì)算等加工仿真任務(wù)。值得注意的是，靜態(tài)知識和動態(tài)知識并沒有嚴(yán)格的界限，用戶在調(diào)用動態(tài)知識服務(wù)時，必然需要對應(yīng)靜態(tài)知識的輔助，而靜態(tài)知識中也包含著動態(tài)知識的一些結(jié)論。通過靜態(tài)和動態(tài)知識資源的協(xié)作，可以準(zhǔn)確、高效地完成葉輪產(chǎn)品研發(fā)制造任務(wù)。

3 復(fù)雜零件云制造知識服務(wù)的實(shí)現(xiàn)

3.1 工藝設(shè)計(jì)靜態(tài)知識服務(wù)

采用UG、CATIA等CAD/CAM軟件進(jìn)行數(shù)控編程時，除第一道工序開粗選擇整個零件幾何體進(jìn)行加工外，后續(xù)各工序一般都以目標(biāo)零件上的點(diǎn)、線、面等特征為單位進(jìn)行刀具軌跡的設(shè)計(jì)。因此，可以基于加工特征進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)。

采用以下五元組來描述一個加工特征(machining feature，MF)：

MF=

其中：FT為特征類型，如平面、曲面、型腔等；FD為特征尺寸信息；FC為特征外形描述；FB為特征邊界描述；MR為特征加工要求，如加工精度、表面質(zhì)量等。

采用以下二元組來描述一個特征對應(yīng)的加工工藝(Manufacturing Process)：

MP=

其中MT為該特征對應(yīng)的加工方法。

基于單個特征的描述，一個零件的加工工藝路線(Process Route)可描述如下：

PR=

其中：Blank為毛坯的相關(guān)信息描述；MPi為第i個加工特征對應(yīng)的加工工藝；R為加工特征間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

采用上述描述方法以本體術(shù)語對典型零件的典型工藝路線進(jìn)行描述，形成典型工藝路線庫，當(dāng)進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)時，根據(jù)當(dāng)前零件的MF在典型工藝路線庫中檢索匹配相關(guān)的PR，可以快速地進(jìn)行工藝規(guī)程的制定。

3.2 切削參數(shù)優(yōu)化動態(tài)知識服務(wù)

切削參數(shù)對加工效率和加工質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響，實(shí)際加工中多依靠加工經(jīng)驗(yàn)或參考手冊來確定。出于安全原則，一般取值都相對保守，因此所用的切削參數(shù)并非是最優(yōu)的[12]。云制造奉行綠色制造的理念，高能源利用率、低能源消耗是其目標(biāo)之一，因此有必要對切削參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)化定制。

采用文獻(xiàn)[13]中的方法，建立以每齒進(jìn)給量fz、銑削速度v、切削深度ap、切削寬度ae為待優(yōu)化切削參數(shù)，以銑削力F、機(jī)床有效功率P、零件表面粗糙度Ra為非線性約束條件，以生產(chǎn)效率最高(加工時間Tm最短)、生產(chǎn)成本Cp最低為目標(biāo)的切削參數(shù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，并以粒子群算法對模型進(jìn)行求解。以MATLAB編制求解算法，并以M文件保存。采用動態(tài)知識資源服務(wù)化描述封裝方法，將該M文件封裝為知識服務(wù)組件并發(fā)布到云知識平臺形成切削參數(shù)優(yōu)化動態(tài)知識服務(wù)。切削參數(shù)優(yōu)化動態(tài)知識服務(wù)組件結(jié)構(gòu)如圖2所示，當(dāng)用戶進(jìn)行切削參數(shù)選取時，直接遠(yuǎn)程調(diào)用該服務(wù)，輸入相關(guān)參數(shù)即可完成切削參數(shù)的優(yōu)化，從而達(dá)到提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、提高加工表面質(zhì)量的目標(biāo)。

圖2 切削參數(shù)優(yōu)化動態(tài)知識服務(wù)組件結(jié)構(gòu)

3.3 刀軌計(jì)算靜態(tài)知識服務(wù)

復(fù)雜零件尤其是復(fù)雜曲面零件數(shù)控加工刀具軌跡計(jì)算需要設(shè)置多項(xiàng)加工參數(shù)，這些參數(shù)設(shè)置得是否合理直接影響到最終加工出來零件的質(zhì)量，甚至有可能因?yàn)樵O(shè)置不當(dāng)加工出廢品，或損壞機(jī)床刀具。因此，在刀軌計(jì)算參數(shù)設(shè)置過程中必須參考已有技術(shù)成果、專家經(jīng)驗(yàn)等知識資源。以CATIA數(shù)控加工為例，進(jìn)退刀設(shè)置時技術(shù)人員一方面要熟悉數(shù)控加工常用進(jìn)退刀方式，同時還必須熟悉相應(yīng)的進(jìn)退刀方式在CATIA中的設(shè)置方法；在走刀方式設(shè)置中，技術(shù)人員必須掌握不同走刀方式(往復(fù)式、單向、環(huán)切等)對加工表面質(zhì)量的影響以及經(jīng)濟(jì)性，掌握加工不同特征時刀軸的控制方式，掌握軸向進(jìn)給和徑向進(jìn)給量的設(shè)定原則及進(jìn)給量大小對表面質(zhì)量的影響等知識。通過歸納整理與刀軌計(jì)算有關(guān)的文獻(xiàn)、專利、專家經(jīng)驗(yàn)等知識資源，基于本體進(jìn)行統(tǒng)一描述，形成刀軌計(jì)算靜態(tài)知識資源池。當(dāng)系統(tǒng)檢測到有刀具軌跡計(jì)算活動或用戶向系統(tǒng)發(fā)出刀具軌跡計(jì)算知識服務(wù)請求時，系統(tǒng)對當(dāng)前任務(wù)進(jìn)行解析，獲取用戶需求內(nèi)容，通過對“刀軌計(jì)算”進(jìn)行語義擴(kuò)展，從各索引庫中檢索匹配與刀具軌跡生成有關(guān)的知識資源。例如切削參數(shù)設(shè)置、刀軸控制、進(jìn)退刀設(shè)置、碰撞檢測、走刀步長計(jì)算、刀具等以文檔、表格、文獻(xiàn)存在的靜態(tài)知識，將這些知識資源按照一定的排序方式推送給用戶。用戶通過學(xué)習(xí)刀軌計(jì)算相關(guān)知識可以快速了解刀軌計(jì)算的內(nèi)容和工作，同時用戶在使用刀軌計(jì)算動態(tài)知識服務(wù)時，也需要使用靜態(tài)知識指導(dǎo)刀具軌跡計(jì)算及刀軌的生成。

3.4 刀軌計(jì)算動態(tài)知識服務(wù)

對于某個企業(yè)來說，其研發(fā)的產(chǎn)品類型相對比較固定。因此，可以將零件加工過程所有典型特征進(jìn)行歸納整理，并給出企業(yè)經(jīng)過多年積累的針對該特征的典型加工方法，將這些加工方法封裝成模板構(gòu)成典型特征加工工藝庫。當(dāng)進(jìn)行數(shù)控編程時，可以直接使用模板對相應(yīng)的特征進(jìn)行刀具軌跡計(jì)算，從而大大提高編程效率，提高數(shù)控程序的質(zhì)量，從而加工出質(zhì)量更高、經(jīng)濟(jì)更優(yōu)的產(chǎn)品。CATIA等CAM軟件為數(shù)控加工模塊提供了相應(yīng)的二次開發(fā)接口構(gòu)架，可基于該構(gòu)架對錄制的宏進(jìn)行二次開發(fā)。

針對不同的典型特征采用平面銑削(facing)、型腔銑削(pocketing)、輪廓銑削(profile contouring)等加工方法，以企業(yè)積累的經(jīng)典加工策略對該特征進(jìn)行加工，設(shè)置進(jìn)退刀方式、走刀方式、加工精度、刀軸控制等刀具軌跡控制信息，并對該過程進(jìn)行宏錄制，然后采用二次開發(fā)技術(shù)對錄制的宏進(jìn)行修改，形成平面、型腔、曲面等特征的特征加工模板，存儲在宏庫中。當(dāng)遇到類似的特征時，可直接調(diào)用對應(yīng)的特征模板進(jìn)行刀具軌跡計(jì)算，從而減少重復(fù)勞動，提高效率。

4 應(yīng)用實(shí)例

以Eclipse4.5作為集成開發(fā)環(huán)境(IDE)，利用SQL Sever2012搭建服務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，利用Java、XML、JavaScript語言開發(fā)復(fù)雜零件云制造知識服務(wù)平臺中知識服務(wù)的部分功能。以圖3所示多孔型腔零件云制造為例，說明知識服務(wù)的實(shí)現(xiàn)。

某企業(yè)主要生產(chǎn)圖3所示的多孔型腔類零件，為提高工藝設(shè)計(jì)效率，基于加工特征，對此類典型零件進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，形成典型工藝路線庫，放入知識服務(wù)平臺。采用文獻(xiàn)[14]中的方法，對CATIA二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)對零件加工特征的識別。根據(jù)特征間的約束關(guān)系(幾何定位約束、基準(zhǔn)約束、先主后次約束等)，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對特征排序，將工藝路線庫中滿足要求的工藝路線推薦給當(dāng)前特征序列，為用戶提供工藝設(shè)計(jì)靜態(tài)知識服務(wù)。

圖3 多孔型腔零件

完成工藝路線的設(shè)計(jì)后，對于每個加工特征，需要確定具體的切削參數(shù)。調(diào)用圖4所示切削參數(shù)優(yōu)化動態(tài)知識服務(wù)頁面，輸入刀具直徑、經(jīng)驗(yàn)切削參數(shù)、所要求的加工表面粗糙度等參數(shù)，完成切削參數(shù)的優(yōu)化，以達(dá)到提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、提高加工表面質(zhì)量的目標(biāo)。

圖4 切削參數(shù)優(yōu)化動態(tài)知識服務(wù)頁面

在進(jìn)行走刀路徑設(shè)計(jì)時，刀軸控制、進(jìn)退刀方式、碰撞檢測等的設(shè)置對于加工路徑有著重要影響。通過圖5所示刀軌計(jì)算靜態(tài)知識服務(wù)頁面，快速訪問專利、專家經(jīng)驗(yàn)等知識資源，可獲得相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)知識，完成相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。最后，將切削參數(shù)、刀軸控制、進(jìn)退刀方式、碰撞檢測等相關(guān)參數(shù)輸入圖6所示刀軌計(jì)算動態(tài)知識服務(wù)模塊中完成刀具軌跡的計(jì)算，輸出刀位文件(CL file)，通過前置處理獲得G/M代碼，在VERICUT中驗(yàn)證無誤后進(jìn)行零件加工。初步運(yùn)行表明，該系統(tǒng)可有效提高制造知識資源的共享和重用，提高產(chǎn)品研發(fā)效率。

圖5 刀軌計(jì)算靜態(tài)知識服務(wù)頁面

圖6 刀軌計(jì)算動態(tài)知識服務(wù)模塊

5 結(jié)語

為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件制造過程中制造知識資源的共享及重用，提高生產(chǎn)效率，在對制造知識資源梳理分類的基礎(chǔ)上，以葉輪云制造為例構(gòu)建了復(fù)雜零件云制造知識服務(wù)流程?；诩庸ぬ卣鳂?gòu)建了工藝設(shè)計(jì)靜態(tài)知識服務(wù)；基于綠色制造理念建立了切削參數(shù)優(yōu)化動態(tài)知識服務(wù)；基于文獻(xiàn)、專利、專家經(jīng)驗(yàn)庫建立了刀軌計(jì)算靜態(tài)知識服務(wù)；基于CATIA二次開發(fā)構(gòu)建了刀軌計(jì)算靜態(tài)知識服務(wù)，對復(fù)雜零件云制造關(guān)鍵過程知識服務(wù)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了探索。最后，以多孔型腔零件云制造為例，實(shí)現(xiàn)了部分功能。初步運(yùn)行表明，該系統(tǒng)可有效提高制造知識資源的共享和重用，提高產(chǎn)品研發(fā)效率。