基于云計(jì)算的智能磨削云平臺(tái)的研究與應(yīng)用

鄧朝暉 劉 偉 吳錫興 曾 宇 謝智明

1.湖南科技大學(xué)，湘潭，411201 2.湖南大學(xué)，長(zhǎng)沙，410082

3.中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)生產(chǎn)工程分會(huì)，北京，100102

4.北京市科學(xué)技術(shù)研究院，北京，100089 5.北京大學(xué)，北京，100871

0 引言

制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，而磨削加工技術(shù)是制造技術(shù)中的重要內(nèi)容，是現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)實(shí)現(xiàn)精密加工、超精密加工中最有效、應(yīng)用最廣的工藝技術(shù)［1］。制造業(yè)服務(wù)化和信息化是當(dāng)前制造業(yè)發(fā)展的兩大趨勢(shì)。制造業(yè)服務(wù)化是向產(chǎn)品產(chǎn)生過程和使用過程所提供的各種形式服務(wù)的總稱，制造企業(yè)是服務(wù)的主體或客體之一［2］。制造業(yè)信息化的范疇涉及產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)和營(yíng)銷過程等價(jià)值鏈的各個(gè)方面，它經(jīng)歷了從低級(jí)到高級(jí)、從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的發(fā)展過程；信息技術(shù)對(duì)制造業(yè)服務(wù)化的影響很大，信息技術(shù)的發(fā)展使服務(wù)越來越便利，并使過去許多不可能的服務(wù)成為可能。制造業(yè)服務(wù)化將信息化作為提供服務(wù)的平臺(tái)和工具，并借助信息化手段把服務(wù)向業(yè)務(wù)鏈的前端和后端延伸，從而擴(kuò)大了服務(wù)范圍，拓展了服務(wù)群體，且能夠快速地獲得用戶的反饋信息，不斷地優(yōu)化服務(wù)內(nèi)容，持續(xù)改進(jìn)服務(wù)質(zhì)量［2］。

縱觀國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)報(bào)道，雖然信息技術(shù)和制造技術(shù)的融合迄今已經(jīng)取得了眾多進(jìn)展，在企業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)（如CAD、CAPP、CAM等）的研究開發(fā)與集成方面已經(jīng)取得了很大成績(jī)，但在信息化制造理論和方法方面進(jìn)行系統(tǒng)的研究尚不多見，目前還存在以下幾個(gè)方面的問題：①制造企業(yè)信息化發(fā)展不均衡，企業(yè)間差距較大，應(yīng)用技術(shù)水平參差不齊，部分中小企業(yè)信息化建設(shè)能力較弱；②雖然個(gè)別制造企業(yè)信息化單元技術(shù)的應(yīng)用已有一定的水平，但集成應(yīng)用度不高，信息化的應(yīng)用還有待深化；③企業(yè)對(duì)信息的安全性認(rèn)識(shí)不夠，信息安全系統(tǒng)建設(shè)欠缺，信息安全工作需進(jìn)一步加強(qiáng)［3］。

近年來，一種新的服務(wù)化計(jì)算模式——云計(jì)算（cloud computing）正在興起［4］。云計(jì)算的理念是，由專業(yè)計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)公司搭建計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)和計(jì)算服務(wù)中心，把資源虛擬化為“云”后集中存儲(chǔ)起來，為用戶提供服務(wù)。云計(jì)算為解決當(dāng)前信息化制造存在的問題提供了新的思路和契機(jī)。

本文介紹了工業(yè)云和云制造的特點(diǎn)，提出將云計(jì)算應(yīng)用到磨削加工領(lǐng)域的思想，構(gòu)建了智能磨削云平臺(tái)，介紹了其關(guān)鍵技術(shù)，以及運(yùn)用云計(jì)算技術(shù)開發(fā)的相關(guān)磨削云軟件的應(yīng)用情況，并展望了智能磨削云平臺(tái)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 工業(yè)云和云制造

工業(yè)云是在云計(jì)算模式下對(duì)工業(yè)企業(yè)提供軟件服務(wù)，使工業(yè)企業(yè)的社會(huì)資源實(shí)現(xiàn)共享化的一種新的概念。工業(yè)云有望成為我國(guó)中小型工業(yè)企業(yè)進(jìn)行信息化建設(shè)的另外一個(gè)理想選擇，因?yàn)楣I(yè)云的出現(xiàn)將大大降低我國(guó)制造業(yè)信息建設(shè)的門檻［5］。

云制造，是在“制造即服務(wù)”理念的基礎(chǔ)上，借鑒云計(jì)算思想發(fā)展起來的一個(gè)新概念［6］。云制造是先進(jìn)的信息技術(shù)、制造技術(shù)以及新興物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等交叉融合的產(chǎn)品，是“制造即服務(wù)”理念的體現(xiàn)。云制造采取包括云計(jì)算在內(nèi)的當(dāng)代信息技術(shù)前沿理念，支持制造業(yè)在廣泛的網(wǎng)絡(luò)資源環(huán)境下，為產(chǎn)品提供高附加值、低成本和全球化制造的服務(wù)，實(shí)現(xiàn)制造資源的高度共享。云制造通過建立共享制造資源的公共服務(wù)平臺(tái)，將巨大的社會(huì)制造資源池連接在一起，提供各種制造服務(wù)，以實(shí)現(xiàn)制造資源與服務(wù)的開放協(xié)作以及社會(huì)資源的高度共享。企業(yè)用戶無需再投入高昂的成本來購(gòu)買加工設(shè)備等資源，可以通過咨詢公共平臺(tái)來租賃制造資源。在理想情況下，云制造將實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)、銷售、使用等全生命周期的相關(guān)資源的整合，提供標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、可共享的制造服務(wù)模式［7］。這種制造模式可以使制造業(yè)用戶像用水、電、煤氣一樣便捷地使用各種制造服務(wù)。

制造資源包括制造全生命周期活動(dòng)中的各類制造設(shè)備（如機(jī)床、加工中心、計(jì)算設(shè)備）及制造過程中的各種模型、數(shù)據(jù)、軟件、領(lǐng)域知識(shí)等。為了實(shí)現(xiàn)制造資源的虛擬化、優(yōu)化調(diào)度和協(xié)同互聯(lián)，可融合語(yǔ)義Web、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、高效能計(jì)算等新技術(shù)［8］。另外，高性能計(jì)算機(jī)的應(yīng)用和高性能計(jì)算技術(shù)的發(fā)展為求解復(fù)雜的制造問題和開展大規(guī)模協(xié)同制造提供了可能。云制造的運(yùn)行原理如圖1所示。

圖1 云制造的運(yùn)行原理圖

智能磨削云平臺(tái)是工業(yè)云和云制造技術(shù)在磨削加工領(lǐng)域的應(yīng)用，它結(jié)合云計(jì)算技術(shù)、云制造技術(shù)、磨削工藝智能化技術(shù)，以分布式高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備和互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境等資源為基礎(chǔ)，為各大磨床制造廠商提供基于各類磨削裝備的磨削數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)數(shù)據(jù)的積累，另外，該平臺(tái)也給磨削加工企業(yè)提供各類加工制造方面的技術(shù)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)磨削加工信息查詢、工藝方案智能優(yōu)選、工藝優(yōu)化、誤差分析與補(bǔ)償、磨削加工過程仿真、自動(dòng)編程等功能，充分發(fā)揮現(xiàn)有磨床的潛在性能。智能磨削云平臺(tái)是聯(lián)合國(guó)內(nèi)各大磨床制造廠商和磨削加工企業(yè)共同開發(fā)而成的，網(wǎng)絡(luò)終端用戶能夠方便快捷地連接上它而獲得服務(wù)。

2 智能磨削云平臺(tái)的構(gòu)建

基于以上分析，本文在研究智能磨削的基礎(chǔ)上，引入工業(yè)云及云制造技術(shù)，建立集成云制造與磨削工藝智能化的智能磨削云平臺(tái)（圖2），為各大磨床制造廠商提供基于各類磨削裝備的磨削數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，給磨削加工企業(yè)提供各類加工制造方面的技術(shù)服務(wù)。該智能磨削云平臺(tái)可提供遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)有效的加工指導(dǎo)，具有很強(qiáng)的開拓性和前瞻性。

圖2 智能磨削云平臺(tái)

智能磨削云平臺(tái)的結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括三個(gè)部分：基于云計(jì)算的磨削數(shù)據(jù)服務(wù)客戶端、云計(jì)算服務(wù)管理平臺(tái)、分布式磨削工藝數(shù)據(jù)庫(kù)管理平臺(tái)。

圖3 智能磨削云平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

基于云計(jì)算的磨削數(shù)據(jù)服務(wù)客戶端根據(jù)具體的需求對(duì)磨削云服務(wù)進(jìn)行自主選擇，如圖4所示。磨削云服務(wù)的主要功能包括工藝實(shí)例智能推理決策、3D加工仿真、磨削工藝預(yù)報(bào)、誤差分析與補(bǔ)償、數(shù)控代碼自動(dòng)生成以及對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的擴(kuò)充維護(hù)等。這些服務(wù)均是通過智能磨削云端服務(wù)來完成的。

數(shù)據(jù)庫(kù)資源池通過數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)磨削工藝數(shù)據(jù)庫(kù)的檢索、重用、修改、存儲(chǔ)、刪除、更新等操作，以此保證磨削工藝數(shù)據(jù)庫(kù)知識(shí)的完備實(shí)時(shí)準(zhǔn)確，從而正確地指導(dǎo)磨削云的服務(wù)工作。

圖4 智能磨削云服務(wù)模式結(jié)構(gòu)框圖

云計(jì)算服務(wù)管理平臺(tái)采用虛擬化技術(shù)將分散的制造資源和制造能力虛擬地接入到磨削云平臺(tái)中，形成虛擬資源并聚集在虛擬資源池中，從而隱藏底層資源的復(fù)雜性和動(dòng)態(tài)性，為智能磨削云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)面向服務(wù)的資源高效共享與協(xié)同支持。云計(jì)算服務(wù)管理平臺(tái)運(yùn)營(yíng)商將智能磨削云平臺(tái)的服務(wù)功能通過網(wǎng)絡(luò)傳遞給遠(yuǎn)程用戶，并將結(jié)果文件進(jìn)行反饋以實(shí)現(xiàn)智能磨削云平臺(tái)的更新。云計(jì)算服務(wù)管理平臺(tái)涉及的主要技術(shù)包括資源虛擬和分布式并行計(jì)算架構(gòu)兩大核心技術(shù)，以及數(shù)據(jù)傳輸安全技術(shù)、認(rèn)證與鑒權(quán)體系等。

分布式磨削工藝數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。該數(shù)據(jù)庫(kù)將磨削加工過程中的各生產(chǎn)要素、工藝參數(shù)（主要包括機(jī)床、冷卻液、材質(zhì)、磨料磨具、實(shí)例、規(guī)則、模型圖表、工藝參數(shù)等）有機(jī)集成，并根據(jù)這些要素和參數(shù)之間內(nèi)在的邏輯映射規(guī)則以及數(shù)學(xué)拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行異構(gòu)，最終形成一個(gè)有機(jī)結(jié)合的磨削工藝數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。

圖5 分布式磨削工藝數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)框圖

3 智能磨削云平臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)

智能磨削云平臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下內(nèi)容：

（1）磨削工藝數(shù)據(jù)庫(kù)。該數(shù)據(jù)庫(kù)集成了機(jī)床庫(kù)、磨料磨具庫(kù)、材料庫(kù)、冷卻液庫(kù)、實(shí)例庫(kù)、規(guī)則庫(kù)、模型庫(kù)、圖表庫(kù)、工藝參數(shù)庫(kù)等，涵蓋了磨削工藝領(lǐng)域的各重要環(huán)節(jié)，并存儲(chǔ)了大量的工藝數(shù)據(jù)。

（2）磨削加工工藝方案智能決策技術(shù)。制訂基于實(shí)例推理和規(guī)則推理的混合推理模式，以及遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能優(yōu)化算法的磨削加工工藝方案，發(fā)展磨料磨具設(shè)計(jì)制備與選用的智能決策技術(shù)，采用粗糙集理論、層次分析法、組合賦權(quán)法、分層過濾機(jī)制等實(shí)現(xiàn)基于實(shí)例推理技術(shù)，并建立不同方案的效用評(píng)價(jià)體系及自動(dòng)評(píng)價(jià)實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

（3）磨削加工工藝優(yōu)化技術(shù)。針對(duì)磨削加工過程中零件輪廓復(fù)雜性，考慮其質(zhì)量要求和工藝系統(tǒng)的加工能力，并結(jié)合磨削質(zhì)量預(yù)報(bào)技術(shù)，進(jìn)行加工軌跡與速度加速度的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)加工精度和加工效率的同步提高。

（4）磨削加工誤差分析與補(bǔ)償技術(shù)。通過對(duì)加工后的實(shí)際輪廓表面測(cè)量來提取誤差信息并進(jìn)行科學(xué)分析，將其與理論輪廓線或（和）虛擬加工仿真輪廓線進(jìn)行匹配，通過誤差分析了解誤差的變化情況，并根據(jù)誤差變化進(jìn)行預(yù)測(cè)，以調(diào)整整個(gè)磨削工藝系統(tǒng)的補(bǔ)償誤差。

（5）磨削加工過程幾何仿真技術(shù)。建立數(shù)控磨削加工的虛擬環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜輪廓零件的虛擬數(shù)控磨削加工，在虛擬磨削加工過程中提取磨具、頭架、尾架、中心架、工作臺(tái)、夾具等模型之間的相對(duì)位置，檢查碰撞、干涉及撞刀現(xiàn)象。

（6）磨削質(zhì)量預(yù)報(bào)技術(shù)。對(duì)經(jīng)智能優(yōu)化的工藝方案的磨削結(jié)果進(jìn)行預(yù)報(bào)，在優(yōu)化工藝方案正式實(shí)施前了解其磨削加工結(jié)果。復(fù)雜輪廓零件的磨削幾何形狀通過幾何仿真了解，加工表面質(zhì)量（主要指輪廓精度、表面粗糙度等）主要采用遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法來進(jìn)行預(yù)報(bào)（預(yù)測(cè)）。

（7）磨削加工的自動(dòng)編程技術(shù)。針對(duì)特定零件的結(jié)構(gòu)特征，將測(cè)量數(shù)據(jù)通過模型轉(zhuǎn)換為實(shí)際加工數(shù)據(jù)，并利用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)控代碼的自動(dòng)編制。

（8）云計(jì)算技術(shù)。該技術(shù)主要基于資源虛擬和分布式并行架構(gòu)兩大核心技術(shù)，同時(shí)也利用互聯(lián)網(wǎng)上的大量開源軟件為用戶提供支撐。虛擬化技術(shù)主要分為兩個(gè)層面：物理資源池化和資源池管理。其中，物理資源池化是把物理設(shè)備由大化小的過程，即將一個(gè)物理設(shè)備虛擬為多個(gè)性能可配的最小資源單位；資源池管理是對(duì)集群中虛擬化后的最小資源單位進(jìn)行管理，即根據(jù)資源的使用情況和用戶對(duì)資源的申請(qǐng)情況，按照一定的策略對(duì)資源進(jìn)行靈活分配和調(diào)度，實(shí)現(xiàn)資源的按需分配。

4 基于智能磨削云平臺(tái)已開發(fā)的軟件應(yīng)用產(chǎn)品

磨削加工輔助軟件CGAS和典型零件高效精密磨削工藝數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)FCGDB。其中，CSIDB、GPDB和FCGDB是基于Interbase的三層分布式應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)開發(fā)的，集成了機(jī)床庫(kù)、磨料磨具庫(kù)、材質(zhì)庫(kù)、冷卻液庫(kù)、實(shí)例庫(kù)、規(guī)則庫(kù)、模型庫(kù)、圖表庫(kù)、工藝參數(shù)庫(kù)等，涵蓋了磨削工藝領(lǐng)域的各重要環(huán)節(jié)，存儲(chǔ)了大量的相關(guān)工藝數(shù)據(jù)。CSGIA在CSIDB的基礎(chǔ)之上，針對(duì)凸輪軸的磨削加工增加了工藝問題定義、專家系統(tǒng)推理、誤差分析與補(bǔ)償、工藝智能優(yōu)化、工藝預(yù)報(bào)、自動(dòng)數(shù)控編程、工藝系統(tǒng)3D運(yùn)動(dòng)仿真、工藝結(jié)果輸出等8項(xiàng)重要功能。

CSGIA V1.0于2009年11月12日經(jīng)湖南省軟件評(píng)測(cè)中心進(jìn)行全面測(cè)試，成功通過測(cè)評(píng)，可應(yīng)用于指導(dǎo)實(shí)踐加工。

該系統(tǒng)于2011年9月進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試：利用計(jì)算機(jī)“遠(yuǎn)程桌面連接”功能，遠(yuǎn)程登錄北京市云計(jì)算關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的虛擬機(jī)，對(duì)其進(jìn)行操作控制，在虛擬機(jī)上進(jìn)行軟件安裝和功能測(cè)試，各功能模塊都能正常運(yùn)行。

CSIDB、CSGIA成功應(yīng)用于湖大海捷制造技術(shù)有限公司開發(fā)的CNC8312A型數(shù)控高速凸輪軸磨床上，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，凸輪軸數(shù)控磨削工藝系統(tǒng)的操作時(shí)間縮短了20%以上，生產(chǎn)效率提高了25%，生產(chǎn)過程中凸輪軸的廢品率顯著降低。

基于無心磨床和軸承磨床的GPDB已經(jīng)成功應(yīng)用于無錫機(jī)床股份有限公司。該系統(tǒng)提高了無心磨削與軸承磨削的加工精度和加工效率，增強(qiáng)了磨削加工的柔性。該系統(tǒng)操作界面簡(jiǎn)潔，具有良好的人機(jī)交互性，為無錫機(jī)床股份有限公司進(jìn)一步提高無心磨床和軸承磨床的質(zhì)量指標(biāo)提供了有力的技術(shù)支撐。

基于浙江玉環(huán)傳動(dòng)機(jī)械有限公司現(xiàn)有的凸輪軸磨床開發(fā)的CGAS，對(duì)30多種型號(hào)的凸輪軸進(jìn)行加工，所獲得產(chǎn)品的精度完全達(dá)到了客戶的要求，而且人力資本、固定資本大幅降低，這些優(yōu)勢(shì)幫助該公司打開了中小凸輪軸生產(chǎn)企業(yè)的凸輪軸數(shù)控磨床市場(chǎng)。

FCGDB是針對(duì)國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）資助重點(diǎn)項(xiàng)目中典型零件開發(fā)的處理其高效精密磨削復(fù)雜工藝的智能化工藝管理系統(tǒng)。

近來，筆者基于智能磨削云平臺(tái)成功開發(fā)了凸輪軸數(shù)控磨削工藝智能專家數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)CSIDB、凸輪軸數(shù)控磨削工藝智能應(yīng)用系統(tǒng)CSGIA、磨削工藝數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)GPDB、凸輪軸數(shù)控

5 智能磨削云平臺(tái)發(fā)展趨勢(shì)

未來，智能磨削云平臺(tái)將致力于以下領(lǐng)域的研究與應(yīng)用：

（1）為各大磨床、磨料磨具制造廠商提供基于各類磨削裝備及磨料磨具的磨削工藝智能專家數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)磨削工藝知識(shí)數(shù)據(jù)的積累與重用。

（2）為磨削加工企業(yè)提供各類磨削加工制造方面的整體工藝方案技術(shù)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)磨削加工信息查詢、工藝方案智能優(yōu)選（磨削加工和磨料磨具設(shè)計(jì)制備方案）、工藝優(yōu)化、誤差分析與補(bǔ)償、磨削加工過程仿真、自動(dòng)編程等功能。

（3）配套應(yīng)用于中小型數(shù)控磨床制造企業(yè)或嵌入數(shù)控系統(tǒng)，提高數(shù)控磨床的智能化水平和加工柔性。

（4）深入研究并集成云制造與磨削工藝智能化技術(shù)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)磨削加工的服務(wù)化與信息化。

（5）將智能磨削云平臺(tái)擴(kuò)展應(yīng)用到其他加工和信息化服務(wù)領(lǐng)域。

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