機(jī)床主軸智能磨削工藝軟件的研究與開發(fā)*

葛智光， 鄧朝暉， 劉 偉， 萬林林， 彭克立， 呂黎曙

(1. 湖南科技大學(xué) 難加工材料高效精密加工湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 湘潭 411201) (2. 湖南科技大學(xué) 智能制造研究院， 湖南 湘潭 411201) (3. 湖大海捷(湖南)工程技術(shù)研究有限公司, 長沙 410013)

主軸是機(jī)床的核心部件之一，應(yīng)用于幾乎所有的旋轉(zhuǎn)加工機(jī)床，包括磨床、車床、銑床、鏜床、加工中心等等。主軸的質(zhì)量直接決定了機(jī)床的工作精度，這就要求主軸要精度高、表面質(zhì)量好、質(zhì)量一致性好等[1]。但機(jī)床主軸具有轉(zhuǎn)速高、受力大、容易磨損失效等特點(diǎn)，在其整個(gè)加工過程中，每一道工序都將影響主軸最后的質(zhì)量。而磨削作為其終加工方法之一，是滿足其高精度和高表面質(zhì)量要求的重要手段[2]。

目前，主軸的磨削加工存在過于依賴操作人員經(jīng)驗(yàn)、手工編制數(shù)控加工程序等問題[3-4]，而制造企業(yè)對(duì)加工工藝效率和工件精度要求又高，因此研發(fā)帶有工藝數(shù)據(jù)庫和知識(shí)庫，支持工藝優(yōu)化決策的智能磨削工藝軟件，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化高效磨削成為必然趨勢。

運(yùn)用數(shù)據(jù)庫及應(yīng)用軟件技術(shù)管理機(jī)械加工數(shù)據(jù)，在工業(yè)發(fā)達(dá)國家最先得以應(yīng)用。如美國金屬切削聯(lián)合研究公司與美國空軍材料實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合開發(fā)的金屬切削數(shù)據(jù)庫CUTDATA[5]，德國切削數(shù)據(jù)情報(bào)中心的INFOS庫[6]，但美國CUTDATA和德國INFOS的磨削數(shù)據(jù)僅附加在通用切削數(shù)據(jù)庫中，磨削數(shù)據(jù)較少。由于磨削加工過程具有復(fù)雜、不穩(wěn)定等因素，而且磨削工藝參數(shù)龐雜，使得磨削數(shù)據(jù)庫的開發(fā)技術(shù)難度較大。目前，國外專門用于磨削的數(shù)據(jù)庫及工藝軟件中，英國的IGAC和美國的GIGAS最具有代表性。IGAC全稱為智能磨削輔助系統(tǒng)(Intelligent Grinding Assistant)，包含專門的智能磨削數(shù)據(jù)庫模塊，磨削數(shù)據(jù)較為齊全[7]；美國的廣義智能磨削咨詢系統(tǒng)(GIGAS)包含有豐富的磨削試驗(yàn)數(shù)據(jù)、模型、規(guī)則等，能適用于外圓磨削和平面磨削[8]。

國內(nèi)工藝數(shù)據(jù)庫及工藝軟件的發(fā)展相對(duì)較晚。典型的單位和個(gè)人有：國內(nèi)首個(gè)專門用于磨削的數(shù)據(jù)庫及應(yīng)用軟件由鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司研發(fā)，其功能包含磨削工藝方案自動(dòng)檢索與匹配、磨削加工故障與缺陷的智能診斷等[9]；中國機(jī)械科學(xué)研究院開發(fā)了包含有磨削工藝參數(shù)、磨料磨具、冷卻液及磨削缺陷抑制方法等信息的機(jī)械設(shè)計(jì)與制造通用技術(shù)支持系統(tǒng)[10]；陳修宇等對(duì)弧錐齒輪加工技術(shù)進(jìn)行研究，開發(fā)了刀條數(shù)控磨削機(jī)床軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了刀條的完全參數(shù)化加工[11]；鄧朝暉團(tuán)隊(duì)以凸輪軸為典型零件，開發(fā)的凸輪軸數(shù)控磨削工藝智能數(shù)據(jù)庫及磨削工藝智能應(yīng)用系統(tǒng)，高效地解決了凸輪軸加工的難題[12-14]。

但是，國內(nèi)的上述研究存在不少問題。如現(xiàn)有的工藝軟件多數(shù)都是獨(dú)立存在的，智能化程度相對(duì)較低；決策效率與精度存在問題，且在與數(shù)控系統(tǒng)兼容性、機(jī)床集成加工匹配性等功能上沒有形成突破；沒有與工藝軟件相配套的工藝知識(shí)庫，實(shí)用性較差等等?；诖耍覀儾捎脤?shí)例推理、規(guī)則推理以及人工智能算法的集成推理技術(shù)，開發(fā)了機(jī)床主軸智能磨削工藝軟件，并建立與之配套的數(shù)據(jù)庫和知識(shí)庫。開發(fā)的工藝軟件能與機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)相匹配，并與機(jī)床集成，對(duì)實(shí)際加工具有指導(dǎo)意義。

1 機(jī)床主軸智能磨削工藝軟件體系結(jié)構(gòu)

1.1 軟件開發(fā)技術(shù)路線

以Microsoft Visual Basic 6.0為開發(fā)平臺(tái)，Microsoft SQL Server 2008為數(shù)據(jù)庫管理工具，結(jié)合Visual Basic 6.0可視化的編程環(huán)境、SQL Server 2008強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫管理功能以及它們之間良好的接口性能，通過ODBC通信協(xié)議以及ADO控件與后臺(tái)的知識(shí)庫、工藝基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫相連，開發(fā)了支持機(jī)床主軸加工工藝參數(shù)優(yōu)化決策、數(shù)控自動(dòng)編程等功能的工藝軟件。圖1所示為機(jī)床主軸智能磨削工藝軟件開發(fā)的技術(shù)路線。

圖1 機(jī)床主軸智能磨削工藝軟件開發(fā)技術(shù)路線

1.2 軟件的結(jié)構(gòu)及功能

開發(fā)的軟件包括6個(gè)模塊：工藝問題定義、基礎(chǔ)工藝數(shù)據(jù)庫、知識(shí)庫、決策優(yōu)化、自動(dòng)編程和磨削應(yīng)用?；A(chǔ)數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)了機(jī)床、砂輪、材料、磨削液等大量數(shù)據(jù)信息；知識(shí)庫存儲(chǔ)了機(jī)床主軸智能磨削過程中所用到的工藝實(shí)例、模型、算法、規(guī)則以及圖表；工藝決策優(yōu)化模塊能幫助操作人員推理出高效率、高精度的工藝方案；自動(dòng)編程和磨削應(yīng)用模塊將軟件推理的工藝信息傳遞給機(jī)床，指導(dǎo)機(jī)床加工，實(shí)現(xiàn)智能制造。該軟件有完整的增、刪、改、查功能及高穩(wěn)定和高效率等特點(diǎn)，具有工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。圖2所示為機(jī)床主軸智能磨削工藝軟件的結(jié)構(gòu)體系。

圖2 機(jī)床主軸智能磨削工藝軟件的結(jié)構(gòu)體系

1.3 軟件的工作流程

機(jī)床主軸智能磨削軟件從工藝問題定義開始，以交互方式完成，結(jié)合工藝數(shù)據(jù)、工藝舊實(shí)例、工藝經(jīng)驗(yàn)知識(shí)/規(guī)則以及人工智能算法對(duì)新的工藝問題進(jìn)行求解，得到一個(gè)工藝解決方案;并對(duì)新工藝方案進(jìn)行自動(dòng)編程，以指導(dǎo)實(shí)際加工。

軟件工作流程如圖3所示:(1)用戶通過授權(quán)后，通過登錄界面進(jìn)入軟件主界面；(2)定義加工要求；(3)進(jìn)入實(shí)例優(yōu)選模塊獲取與新工藝問題相似的舊實(shí)例；(4)如果沒有滿足加工要求的相似舊實(shí)例則進(jìn)入工藝推理模塊，利用編寫的算法程序推理工藝參數(shù);(5)結(jié)合決策優(yōu)化模塊推理出的工藝方案，新工藝問題所定義的信息以及數(shù)控系統(tǒng)的信息，自動(dòng)編程模塊編譯出帶有工藝方案的標(biāo)準(zhǔn)文件傳遞給數(shù)控機(jī)床,然后進(jìn)行加工。

圖3 軟件工作流程圖

2 機(jī)床主軸智能磨削工藝軟件主要模塊

2.1 工藝問題定義

工藝問題定義是針對(duì)一個(gè)工藝問題的具體描述進(jìn)行“填空”，完成對(duì)一個(gè)工藝問題的完整描述，從而建立起工藝問題模型的實(shí)例。

工藝問題定義模塊用來規(guī)范化的定義待解決的磨削工藝問題，用戶通過該模塊輸入必要的基本工藝要素信息，如待加工主軸的基本物理特性、加工質(zhì)量要求、材質(zhì)種類、基本幾何要素等信息。用戶輸入完成基本原始要素信息后，該模塊將生成一個(gè)規(guī)范化的標(biāo)準(zhǔn)工藝問題定義文件，提供給軟件內(nèi)的其他模塊調(diào)用。該模塊用于待求解工藝問題的輸入、修改等實(shí)際操作，處理完畢之后定義為一個(gè)新的工藝問題，再交給后續(xù)模塊做工藝求解處理。

工藝問題定義模塊涉及的主要技術(shù)要領(lǐng)是如何準(zhǔn)確、全面、簡潔地表達(dá)主軸工藝問題信息。該模塊采用框架表示法來表達(dá)主軸的工藝問題信息。圖4所示為機(jī)床主軸智能磨削工藝問題定義模塊界面。

2.2 決策優(yōu)化模塊

決策優(yōu)化模塊中包含有實(shí)例優(yōu)選與工藝推理2個(gè)子模塊。磨削加工工藝問題定義完成后，軟件將首先啟動(dòng)決策優(yōu)化模塊下的磨削工藝實(shí)例優(yōu)選子模塊。

磨削工藝實(shí)例優(yōu)選子模塊使用CRITIC法進(jìn)行計(jì)算，獲得機(jī)床主軸磨削加工的特征屬性客觀權(quán)重大小，并使用層次分析法計(jì)算主觀特征屬性權(quán)重，最后綜合主、客觀權(quán)重，使用線性加權(quán)原理，組合賦權(quán)后得到最終的特征屬性權(quán)重大小。計(jì)算得到特征屬性權(quán)重后，再利用實(shí)例推理模型進(jìn)行實(shí)例檢索、重用、修改、評(píng)價(jià)，匹配與目前工藝問題最相似的實(shí)例，并且可通過智能判別來實(shí)現(xiàn)工藝實(shí)例的自動(dòng)擴(kuò)充與回收。圖5所示為磨削工藝實(shí)例優(yōu)選模塊界面。

若實(shí)例庫中實(shí)例與該工藝問題的綜合評(píng)價(jià)因子過低，沒有達(dá)到設(shè)定閾值時(shí)，實(shí)例優(yōu)選子模塊將無法推理出令操作人員滿意的工藝實(shí)例集，軟件將會(huì)自動(dòng)進(jìn)入磨削工藝智能推理子模塊。磨削工藝智能推理子模塊包含2種推理模型：即遺傳-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和基于規(guī)則的推理模型，分別用來智能推理主軸磨削工藝方案中的不同工藝參數(shù)。例如：主軸磨削余量、無火花磨削圈數(shù)、基圓轉(zhuǎn)速等參數(shù)采用遺傳-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的非線性映射推理所得；磨削液類型、砂輪修整方式、砂輪類型等參數(shù)，則采用規(guī)則推理模型來選擇。最后兩部分推理所得的磨削工藝參數(shù)相結(jié)合得到一個(gè)完整的工藝方案。圖6所示為磨削工藝智能推理模塊界面。

圖6 磨削工藝智能推理模塊

2.3 自動(dòng)編程模塊

自動(dòng)編程模塊基于主軸的幾何尺寸等參數(shù)，通過計(jì)算得到砂輪的運(yùn)動(dòng)軌跡。根據(jù)決策優(yōu)化模塊得到的工藝參數(shù)，將砂輪運(yùn)動(dòng)軌跡轉(zhuǎn)化成相應(yīng)機(jī)床軸的運(yùn)動(dòng)，并結(jié)合所選的機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的信息，進(jìn)行自動(dòng)編程，編譯出帶有工藝方案的標(biāo)準(zhǔn)文件傳遞給數(shù)控機(jī)床。圖7所示為機(jī)床主軸智能磨削工藝軟件自動(dòng)編程模塊界面。

圖7 機(jī)床主軸智能磨削工藝軟件自動(dòng)編程模塊

2.4 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫模塊

基于機(jī)床主軸零件的工藝問題信息模型，研究并設(shè)計(jì)符合工藝問題處理要求的工藝數(shù)據(jù)庫的庫結(jié)構(gòu)及具體的工藝數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。以機(jī)床主軸的基礎(chǔ)工藝加工過程和設(shè)備為研究對(duì)象，提出不同的生產(chǎn)狀況和條件下的工藝數(shù)據(jù)采集方案和量化方法，獲取基礎(chǔ)工藝綜合數(shù)據(jù)清單，建立機(jī)床庫、砂輪庫、磨削液庫、材質(zhì)庫等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

截至目前，機(jī)床主軸基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫中機(jī)床庫底層數(shù)據(jù)13條，砂輪庫20條，材料庫158條，磨削液庫6條，修整庫7條，共205條。圖8所示為機(jī)床主軸智能磨削基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫模塊界面。

圖8 機(jī)床主軸智能磨削基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫模塊

2.5 知識(shí)庫模塊

在工藝實(shí)例和工藝基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建立專家知識(shí)庫模型，研究其庫結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，建立相應(yīng)的規(guī)則庫和關(guān)聯(lián)度分析模型。結(jié)合實(shí)例庫和規(guī)則庫，建立整個(gè)工藝路線上的典型工藝專家知識(shí)庫模塊，研究專家知識(shí)庫的管理技術(shù)，解決工藝實(shí)例及知識(shí)重用等問題。

知識(shí)庫模塊用于機(jī)床主軸智能磨削知識(shí)信息存儲(chǔ)以及演示。知識(shí)庫模塊中包括4個(gè)子模塊：實(shí)例庫、模型庫、算法庫、規(guī)則庫。分別存儲(chǔ)了機(jī)床主軸智能磨削過程中所用到的實(shí)例、模型、算法、規(guī)則和相關(guān)圖表。圖9所示為機(jī)床主軸智能磨削工藝知識(shí)庫模塊界面。

圖9 機(jī)床主軸智能磨削工藝知識(shí)庫模塊

3 軟件應(yīng)用實(shí)踐

以機(jī)床主軸磨削加工過程為研究對(duì)象，成功開發(fā)了機(jī)床主軸智能磨削工藝軟件，集成了機(jī)床主軸的工藝經(jīng)驗(yàn)和工藝信息的知識(shí)規(guī)范化描述方法、工藝參數(shù)優(yōu)化與工藝實(shí)例優(yōu)選、自動(dòng)編程等技術(shù)。

開發(fā)的機(jī)床主軸智能磨削工藝軟件在湖南海捷精密工業(yè)有限公司生產(chǎn)的MKG1320超高速外圓磨床上成功試運(yùn)行，與該型機(jī)床配套使用效果良好。累計(jì)加工不同種類和不同結(jié)構(gòu)的主軸產(chǎn)品50種，其中48種產(chǎn)品的工藝參數(shù)決策滿足加工要求。部分加工結(jié)果如表1所示。

表1 主軸磨削加工結(jié)果表

主軸磨削加工結(jié)果中決策正確率達(dá)到96%，工藝決策時(shí)間由原來的3～4 h，縮短到1～2 h，縮短約50%的決策時(shí)間。實(shí)踐結(jié)果表明：開發(fā)的機(jī)床主軸智能磨削工藝軟件，能顯著提高主軸磨削工藝方案的決策正確率，減少工藝方案的決策時(shí)間，提高加工效率。圖10所示為機(jī)床主軸智能磨削工藝軟件與數(shù)控磨床集成匹配圖。

圖10 機(jī)床主軸智能磨削工藝軟件與數(shù)控磨床集成

4 結(jié)論

以機(jī)床主軸磨削加工過程為研究對(duì)象，將實(shí)例推理與規(guī)則推理以及人工智能算法推理相結(jié)合的混合推理機(jī)制，用于主軸磨削工藝方案的自動(dòng)選擇，確定了工藝實(shí)例的規(guī)范化描述，建立相應(yīng)的智能推理模型，建立了主軸磨削加工相配套的工藝專家知識(shí)庫及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。用Visual Basic 6.0軟件設(shè)計(jì)前臺(tái)操作界面，SQL Server 2008軟件設(shè)計(jì)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫，開發(fā)了機(jī)床主軸智能磨削的工藝軟件，實(shí)現(xiàn)工藝方案的智能推理，并將工藝軟件與主軸數(shù)控磨床的集成調(diào)用結(jié)合，指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。通過在主軸數(shù)控磨床上的應(yīng)用，證明所研發(fā)的主軸智能磨削工藝軟件，決策正確率達(dá)到96%，工藝決策時(shí)間縮短約50%，可以有效提高主軸的加工效率。