透平葉片變切削加工工藝數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)與開發(fā)*

（江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，無錫 214153）

透平葉片是透平機(jī)械的核心零件之一，因其復(fù)雜的曲面造型、高強(qiáng)度、硬度和剛度等難加工性為機(jī)械加工所重視[1]，但目前葉片加工體系不夠完善，切削用量的選用主要依靠以往經(jīng)驗(yàn)的積累，而且在葉片工藝流程中，應(yīng)對(duì)切削加工過程中葉片變剛度特點(diǎn)所采取的措施還有待加強(qiáng)。目前針對(duì)葉片加工中變剛性特點(diǎn)與切削力要求的關(guān)系所進(jìn)行的研究和生產(chǎn)實(shí)踐應(yīng)用較少。因此，通過對(duì)葉片剛性和切削力要求進(jìn)行研究，探討葉片加工的切削參數(shù)合理性，并建立面向葉片切削加工工藝過程的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，對(duì)葉片加工切削參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)性管理，對(duì)提高葉片加工效率和切削參數(shù)可靠度具有非常重要的意義[2-3]。因此，本文通過分析葉片的切削加工性，運(yùn)用Visual Basic編程語言開發(fā)了葉片變切削工藝數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

1 工藝數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)即系統(tǒng)在給定條件下需要達(dá)到的要求和實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。不論數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)如何復(fù)雜，其功能都可以簡(jiǎn)單地概括為:輸入已知因素，加入一些約束條件后得到未知信息。這種功能實(shí)現(xiàn)過程可以是簡(jiǎn)單的，也可以是由多個(gè)簡(jiǎn)單功能過程復(fù)合而成的復(fù)雜過程。例如對(duì)于葉片切削工藝數(shù)據(jù)庫，輸入刀具某個(gè)屬性信息，刀具編號(hào)或刀具名稱等查詢條件進(jìn)行精確或模糊查找，可以輸出相應(yīng)刀具的更多詳細(xì)信息，這是簡(jiǎn)單功能的實(shí)現(xiàn)過程。如果輸入工件材料和加工方式等信息，得到切削用量的輸出結(jié)果，這個(gè)過程則需要工件材料信息、刀具信息和加工要求等簡(jiǎn)單功能的互相輔助才能實(shí)現(xiàn)，因而是復(fù)合功能[4-5]。系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)示意圖如1所示。

圖1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)示意圖Fig.1 Schematic diagram of system function design

對(duì)于本系統(tǒng)而言，輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)在不同條件下可以互相轉(zhuǎn)化，即作為某個(gè)功能的輸入條件也可以是另一個(gè)功能實(shí)現(xiàn)的輸出條件。簡(jiǎn)單功能模塊包括數(shù)據(jù)查詢、用戶管理和數(shù)據(jù)管理功能。在復(fù)合功能模塊中，主要是相似切削力計(jì)算、切削參數(shù)智能推薦、相似實(shí)例推薦和工藝卡片的輸出。具體功能設(shè)計(jì)如下[6]:

（1）通過已知條件的輸入，對(duì)葉片加工中基礎(chǔ)設(shè)備和參數(shù)信息進(jìn)行查詢和管理。

（2）通過試驗(yàn)得到基準(zhǔn)刀具的切削力規(guī)律，利用相似理論和銑削力模型進(jìn)行相似材料刀具的切削力計(jì)算，實(shí)現(xiàn)未知刀具的切削力預(yù)測(cè)。

（3）根據(jù)切削力公式模型，分析切削參數(shù)的推薦方法，研究葉片的剛性變化特點(diǎn)，通過切削力和葉片加工變形的關(guān)系分析，對(duì)葉片進(jìn)行變剛性區(qū)域劃分，實(shí)現(xiàn)智能化區(qū)域推薦變切削參數(shù)。

（4）利用推理技術(shù)查找實(shí)例庫中相似的加工工藝，查看匹配程度，根據(jù)是否符合需要進(jìn)行數(shù)據(jù)庫實(shí)例的修改和保存，更新實(shí)例庫工藝實(shí)例，實(shí)現(xiàn)加工工藝的調(diào)用。

（5）輸出葉片工藝卡片功能，包括工藝工序卡片，含有程序單代號(hào)、刀具明細(xì)等細(xì)節(jié)程序單，實(shí)現(xiàn)將工藝單輸出到數(shù)控加工工藝卡片和程序單中，以完成工藝的順利調(diào)用。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

從功能模塊和信息之間的聯(lián)系性來說，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)需要進(jìn)行兩個(gè)部分的設(shè)計(jì)，分別為數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)和知識(shí)庫設(shè)計(jì)[7-10]，如圖2所示。一般數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的大量信息只是對(duì)數(shù)據(jù)信息的單純存儲(chǔ)，如通過各個(gè)數(shù)據(jù)表對(duì)加工方式、工件材料和機(jī)床信息的存儲(chǔ)，這些數(shù)據(jù)表針對(duì)各實(shí)體進(jìn)行信息存儲(chǔ)，而彼此之間沒有明確的規(guī)則和推理性。知識(shí)庫則是針對(duì)工件、刀具、機(jī)床和切削用量等信息之間的聯(lián)系性，把具有規(guī)則和推理性的專家知識(shí)進(jìn)行一定規(guī)律的存儲(chǔ)管理。

圖2 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Database system structure

將宏觀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行具體細(xì)化，可以得到功能子模塊以及由各個(gè)子模塊組成的總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.3 System structure design

登錄:輸入登錄信息，驗(yàn)證通過后可以進(jìn)入系統(tǒng)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)登錄信息的用戶權(quán)限賦予其相應(yīng)的功能。作為部門管理員可以對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的葉片切削參數(shù)信息進(jìn)行更新處理，但普通用戶則無此權(quán)限，只能對(duì)葉片基本信息查看和調(diào)用。這里的登錄信息由用戶管理模塊進(jìn)行管理，高級(jí)管理員可以對(duì)一般管理員和普通用戶進(jìn)行信息增刪和權(quán)限設(shè)置。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù):這是后臺(tái)數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，主要來源于企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)、刀具廠商提供的刀具手冊(cè)、書本理論的切削手冊(cè)和試驗(yàn)中積累的數(shù)據(jù)。雖然目前的數(shù)據(jù)來源是以各類手冊(cè)為主，但最終會(huì)不斷通過完全可靠的生產(chǎn)實(shí)踐數(shù)據(jù)來源進(jìn)行更新，完善數(shù)據(jù)可靠性。

數(shù)據(jù)管理:該模塊中包括對(duì)工件材料、機(jī)床、刀具、規(guī)則庫和實(shí)例庫等各個(gè)基礎(chǔ)庫的管理功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)基本信息查詢、增加和刪除等，維護(hù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與實(shí)際的一致性，并盡可能避免基礎(chǔ)庫中數(shù)據(jù)的冗余和不一致性，否則在進(jìn)行數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)其他功能實(shí)現(xiàn)時(shí)，會(huì)因?yàn)閿?shù)據(jù)冗余而造成運(yùn)行緩慢，因?yàn)閿?shù)據(jù)不一致和不完整造成運(yùn)行錯(cuò)誤和系統(tǒng)漏洞。所以基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫是復(fù)合功能準(zhǔn)確有效實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，必須保證其準(zhǔn)確度。

參數(shù)智能推薦:該模塊涵蓋切削力計(jì)算和切削參數(shù)推薦，即相似定理實(shí)現(xiàn)相似材料刀具切削力的計(jì)算和利用銑削力公式推薦切削參數(shù)。變切削參數(shù)推薦是葉片銑削加工中基于葉片變剛性特點(diǎn)，對(duì)葉片結(jié)構(gòu)變剛性分析后進(jìn)行區(qū)域劃分，通過輸入葉片參數(shù)，得到類似結(jié)構(gòu)葉片。根據(jù)用戶限制的葉片加工變形量要求，實(shí)現(xiàn)基于剛性條件約束的智能推薦變切削參數(shù)，改善葉片薄弱環(huán)節(jié)的加工精度。

葉片工藝推薦:葉片工藝推薦模塊采用規(guī)則和實(shí)例混合推理的方法對(duì)葉片相似工藝實(shí)現(xiàn)推薦，根據(jù)葉片實(shí)體整體相似度，為用戶推薦最相似的工藝實(shí)例，同時(shí)包含工序卡片和程序單輸出的附加模塊，使工藝調(diào)用更加方便。

2 葉片相識(shí)度計(jì)算

實(shí)例相似度包括局部相似度和整體相似度。整體相似度是對(duì)局部相似度分配加權(quán)系數(shù)得到。局部相似度是指兩個(gè)葉片工藝實(shí)例的某個(gè)屬性在不同屬性值域時(shí)的相似度，數(shù)學(xué)符號(hào)記為sim(x,y)，其中x和y是葉片某屬性的取值。局部相似度常見的分類方法有無關(guān)型、數(shù)值型、枚舉型等。本文以葉片為例，葉片屬性相似度計(jì)算多為枚舉型，枚舉型屬性局部相似度通過枚舉函數(shù)得到:

為了使計(jì)算更加可靠，本文對(duì)枚舉類型的屬性通過對(duì)定性值域進(jìn)行定量轉(zhuǎn)變，如對(duì)葉片加工精度和加工型面進(jìn)行賦值后再進(jìn)行枚舉函數(shù)計(jì)算。通過上述計(jì)算方法，對(duì)切削數(shù)據(jù)庫的實(shí)例屬性進(jìn)行主要局部相似度計(jì)算:

（1）加工精度要求。葉片加工過程中的加工精度要求有3種屬性值域，粗加工、半精加工和精加工。該屬性的局部相似度計(jì)算屬于枚舉型。為達(dá)到通過函數(shù)計(jì)算相似度的目標(biāo)，分別給屬性取值賦實(shí)數(shù)數(shù)值，粗加工賦值為1，半精加工賦值為2，精加工賦值為3，然后通過公式（2）計(jì)算相似度，結(jié)果如表1所示。

式中，M表示所有屬性賦值中的最大值，根據(jù)實(shí)際賦值的大小確定，此處的值是指精加工賦值3。

表1 加工精度要求局部相似度

（2）加工型面要求。加工型面相似度的確定依據(jù)兩方面信息:一是葉片不同加工型面位置（主要是葉身部分）抵抗變形的能力；二是對(duì)葉片各型面進(jìn)行加工時(shí)換刀的交叉性。表2為葉片加工型面相似度的計(jì)算結(jié)果。

3 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的開發(fā)與運(yùn)行

3.1 開發(fā)與運(yùn)行環(huán)境選擇

數(shù)據(jù)庫開發(fā)與運(yùn)行環(huán)境選擇影響到數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)，本文的數(shù)據(jù)庫開發(fā)與運(yùn)行的環(huán)境為:

開發(fā)環(huán)境:操作系統(tǒng)為windows 7，32位

表2 加工型面局部相似度

開發(fā)語言:Visual Basic 6.0

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng):Oracle11g

3.2 系統(tǒng)的登陸

進(jìn)入系統(tǒng)的主窗體運(yùn)行界面，點(diǎn)擊登陸會(huì)進(jìn)入身份驗(yàn)證模塊，系統(tǒng)根據(jù)用戶的身份類型進(jìn)行權(quán)限分配，授予不同功能模塊的權(quán)限。

3.3 數(shù)據(jù)查詢模塊運(yùn)行

對(duì)切削工藝數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)功能主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)查詢模塊，上述已經(jīng)概括性敘述了系統(tǒng)功能各個(gè)子模塊的實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。數(shù)據(jù)查詢功能的子模塊包括刀具、機(jī)床、加工方式和工件材料庫的查詢功能。

3.4 數(shù)據(jù)庫管理模塊運(yùn)行

數(shù)據(jù)管理模塊是對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的添加和刪除等更新操作，需要管理員的權(quán)限才可以進(jìn)行數(shù)據(jù)更改。該模塊包含對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫中4個(gè)子模塊的管理，同時(shí)因?yàn)橐?guī)則和實(shí)例推理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是以數(shù)據(jù)庫的形式進(jìn)行存儲(chǔ)的，所以需要相應(yīng)的增加規(guī)則庫和實(shí)例庫的管理功能。

3.5 切削參數(shù)智能推薦

切削參數(shù)智能推薦包含相似材料刀具的切削力計(jì)算、基于切削力和葉片變形擬合進(jìn)行葉片不同位置切削力推薦，最后實(shí)現(xiàn)切削參數(shù)的智能推薦。

相似切削力功能只需要輸入刀具的密度、硬度、強(qiáng)度參數(shù)和切削力要求便可以實(shí)現(xiàn)切削力計(jì)算。由于刀具物理性能參數(shù)一般不容易獲得，所以只需要幾何結(jié)構(gòu)相同的兩刀具的編號(hào)即可從數(shù)據(jù)庫調(diào)用參數(shù)計(jì)算。

基于葉片剛性變化的變切削力和切削參數(shù)推薦功能，根據(jù)輸入葉片型線、尺寸規(guī)格類型和不同位置的刀具選擇，智能調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的切削力和變形量擬合公式以及切削力模型，推薦合理的參數(shù)。程序運(yùn)行過程如圖4所示。

3.6 相似工藝推薦

圖4 切削參數(shù)智能推薦Fig.4 Cutting parameters intelligent recommendation

運(yùn)用規(guī)則和實(shí)例相結(jié)合的推理技術(shù)，根據(jù)輸入條件，進(jìn)行葉片工藝實(shí)例庫的相似推薦，查詢最相似的實(shí)例，并顯示對(duì)應(yīng)的相似度。由于運(yùn)行時(shí)采用刀具編號(hào)選擇的方法，為了更加方便和直觀查看具體的刀具信息，提供刀具詳細(xì)信息查看功能，滿足用戶查找時(shí)對(duì)結(jié)果的直觀判斷。實(shí)例推薦只要是刀具—工件—精度—型面輸入條件后通過整體相似進(jìn)行對(duì)比查找得出切削用量值。對(duì)于相似度不滿足要求的實(shí)例，可以利用切削參數(shù)推薦的功能模塊進(jìn)行實(shí)例修改，實(shí)現(xiàn)不斷更新解決方案的目的。工藝實(shí)例則是針對(duì)葉片—工件材料—類型，提供工藝流程和數(shù)控程序段代碼的推薦，提高實(shí)際生產(chǎn)工藝制定的效率和準(zhǔn)確度。

實(shí)例推薦會(huì)給出相應(yīng)的相似度，提供實(shí)例修改和保存功能。實(shí)例修改和保存比較復(fù)雜，目前提供的是當(dāng)相似實(shí)例刀具和工件材料不完全匹配，而數(shù)據(jù)庫中存在目標(biāo)刀具的切削力模型時(shí)，可以進(jìn)行相關(guān)參數(shù)修改和保存，運(yùn)行界面如圖5所示。

圖5 實(shí)例修改和保存Fig.5 Example modification and preservation

3.7 工藝卡片輸出

對(duì)查詢到的工藝提供輸出工藝卡片功能，包括工藝過程卡、每個(gè)工序的工序卡片和對(duì)應(yīng)數(shù)控程序段的數(shù)控加工程序單輸出，數(shù)控加工工序卡的運(yùn)行舉例如圖6葉身綜合銑工序所示。

圖6 數(shù)控加工工序卡Fig.6 CNC machining process card

4 結(jié)論

本文通過對(duì)葉片加工工藝和數(shù)據(jù)庫開發(fā)技術(shù)的學(xué)習(xí)，在Oracle數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，通過Visual Basic編程語言進(jìn)行葉片切削工藝數(shù)據(jù)庫的開發(fā)，在功能上實(shí)現(xiàn)面向葉片工藝變切削參數(shù)智能推薦、相似工藝實(shí)例推理和數(shù)控加工工序卡片、程序清單的輸出，提高葉片加工工藝的制定效率和準(zhǔn)確性。

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