農(nóng)機(jī)數(shù)字化車間制造過(guò)程研究——基于物聯(lián)網(wǎng)和智能大數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)

張自敏，樊艷英，陳冠萍，李碧青

(賀州學(xué)院，廣西 賀州 542899)

0 引言

數(shù)字化技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)的結(jié)合，給我國(guó)的制造業(yè)帶來(lái)巨大的沖擊，前景無(wú)限光明。數(shù)字化設(shè)計(jì)制造主要包括設(shè)計(jì)數(shù)字化、制造數(shù)字化和制造裝備數(shù)字化。其中，設(shè)計(jì)數(shù)字化可以設(shè)計(jì)農(nóng)機(jī)零部件的基本模型，還可以在虛擬的環(huán)境中對(duì)零部件進(jìn)行裝配整合，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和強(qiáng)度分析等；制造數(shù)字化可以規(guī)劃加工路線，并對(duì)加工路線進(jìn)行仿真和優(yōu)化；裝備數(shù)字化主要是采用數(shù)控加工設(shè)備，利用編程的方式自動(dòng)加工。物聯(lián)網(wǎng)和智能大數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)技術(shù)可以將設(shè)計(jì)數(shù)字化、制造數(shù)字化和裝備數(shù)字化緊密的結(jié)合到一起，形成數(shù)字化加工管理方案。如果將其使用在農(nóng)機(jī)數(shù)字化車間管理學(xué)系統(tǒng)中，可以有效提高農(nóng)機(jī)部件加工的效率和質(zhì)量，對(duì)于提升車間的作業(yè)生產(chǎn)能力和創(chuàng)新能力具有重要的作用。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的智能數(shù)字化加工技術(shù)

隨著智能數(shù)字化加工技術(shù)的出現(xiàn)，機(jī)械制造行業(yè)面臨著前所未有的挑戰(zhàn)，當(dāng)然也給機(jī)械設(shè)計(jì)制造行業(yè)帶來(lái)了無(wú)限契機(jī)。農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)制造行業(yè)在機(jī)械行業(yè)中占有重要的地位，隨著農(nóng)業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的不斷提升，越來(lái)越多的農(nóng)業(yè)機(jī)械被使用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，極大地促進(jìn)了農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)制造行業(yè)的發(fā)展。農(nóng)機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)制造過(guò)程中，為了提高設(shè)計(jì)效率，往往會(huì)采用數(shù)字化仿真軟件和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，而要保證數(shù)字化設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)資源的共享和協(xié)同性，將海量數(shù)據(jù)分享給每個(gè)設(shè)計(jì)師，并保持實(shí)時(shí)互動(dòng)，則需要一個(gè)大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和物聯(lián)網(wǎng)通信的服務(wù)平臺(tái)。其主要解決以下問(wèn)題：

1)設(shè)計(jì)制造過(guò)程的建模與仿真。建模和仿真是農(nóng)機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，建模和仿真是指采用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)加工零部件進(jìn)行建模，然后通過(guò)擬合加工路徑得到刀位軌跡曲線，最后進(jìn)行試加工，以調(diào)整加工誤差，優(yōu)化加工工藝參數(shù)，確保得到性價(jià)比最好的符合要求的機(jī)械零部件。

2)網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)與制造。網(wǎng)絡(luò)化敏捷設(shè)計(jì)與制造重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域應(yīng)包括敏捷信息基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、敏捷產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)、敏捷工藝設(shè)計(jì)技術(shù)、基于網(wǎng)絡(luò)的研究開(kāi)發(fā)和敏捷生產(chǎn)技術(shù)。為了使設(shè)計(jì)制造的工程師之間和各個(gè)部門之間能夠協(xié)同工作，可以引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)通信和共享。

3)虛擬產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。虛擬產(chǎn)品開(kāi)發(fā)有4個(gè)核心要素，包括數(shù)字化產(chǎn)品和過(guò)程模型、產(chǎn)品信息管理、高性能計(jì)算與通訊和組織及管理的改變。通過(guò)開(kāi)發(fā)虛擬產(chǎn)品可以預(yù)先得到加工產(chǎn)品的模型，利用優(yōu)化手段使模型達(dá)到最優(yōu)后進(jìn)行產(chǎn)品的加工制造。

采用數(shù)字化加工技術(shù)可以有效地提高農(nóng)機(jī)零部件設(shè)計(jì)加工的效率，將物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)引入更加能夠提高數(shù)據(jù)的共享和存儲(chǔ)效率，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字化車間的自動(dòng)化生產(chǎn)。

2 農(nóng)機(jī)數(shù)字化車間核心技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)智能云平臺(tái)

從一般意義上來(lái)說(shuō)，整個(gè)數(shù)字化設(shè)計(jì)制造過(guò)程主要包括計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助制造、快速成型、三坐標(biāo)測(cè)量和數(shù)控加工等。其中，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助制造是兩個(gè)密不可分的整體，在模具或者單件小批量加工時(shí)，CAD/CAM表現(xiàn)出了強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。CAD/CAM一般是指利用計(jì)算機(jī)硬件和軟件手段進(jìn)行產(chǎn)品的三維造型、圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、虛擬裝配仿真、加工工藝仿真和數(shù)控編程等。其中，三維造型是非常重要的，因?yàn)閺娜S造型到數(shù)控加工可以自動(dòng)化生成加工程序。產(chǎn)品的三維造型可以通過(guò)兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)：一是正向設(shè)計(jì)，從產(chǎn)品的概念到數(shù)字模型的產(chǎn)生都是由工程師獨(dú)立設(shè)計(jì)；二是逆向設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)已有產(chǎn)品實(shí)物的測(cè)量和外形分析，反求出原始的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，并在次數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，從而可以大大縮短設(shè)計(jì)周期，降低產(chǎn)品的設(shè)計(jì)成本。目前，最常用的CAD/CAM設(shè)計(jì)工具有UG、Pro/E、CATIA等大型通用軟件。以拖拉機(jī)齒輪的加工為例，其流程如圖1所示。

圖1 拖拉機(jī)變速箱齒輪數(shù)字化加工流程

在拖拉機(jī)變速箱數(shù)字化加工過(guò)程中，可以利用數(shù)字化設(shè)計(jì)加工和仿真軟件進(jìn)行模型的成型和刀具軌跡的規(guī)劃。刀具軌跡具體可以采用曲線擬合的手段，通過(guò)擬合型值點(diǎn)，反求加工刀具的走刀控制點(diǎn)，最終形成完整的數(shù)控加工路線。為了使各模塊順利運(yùn)行，還需要車間集成管理系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 車間數(shù)字化集成管理系統(tǒng)

根據(jù)數(shù)字化加工流程，為了實(shí)現(xiàn)車間的數(shù)字化加工還需要對(duì)車間進(jìn)行集成化管理，主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊和信息管理模塊。各部分功能的實(shí)現(xiàn)可以由軟件系統(tǒng)來(lái)協(xié)調(diào)，如圖3所示。

圖3 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)數(shù)字化車間集成管理的服務(wù)需求，可以架構(gòu)系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)。從總體來(lái)說(shuō)，主要分為3個(gè)層次，包括管理層、數(shù)據(jù)層和底層設(shè)備層。這3個(gè)層次可以根據(jù)具體的應(yīng)用需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，其基礎(chǔ)是基于物聯(lián)網(wǎng)的通信，如圖4所示。

圖4 基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)通信模塊

數(shù)據(jù)通信模塊主要包括人機(jī)互動(dòng)模塊、任務(wù)管理模塊、設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊和數(shù)據(jù)的上傳與通信模塊，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)和云平臺(tái)可以架構(gòu)數(shù)字化車間的智能服務(wù)系統(tǒng)，如圖5所示?；谠破脚_(tái)技術(shù)可以構(gòu)建數(shù)字化車間的智能服務(wù)系統(tǒng)，云服務(wù)系統(tǒng)主要由3大模塊組成，包括軟件即服務(wù)SaaS、平臺(tái)(即服務(wù)PaaS)和基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)IaaS，通過(guò)3大模塊可以有效地提高數(shù)字化車間的自動(dòng)化管理水平和效率。

圖5 基于云平臺(tái)的智能服務(wù)系統(tǒng)

3 基于物聯(lián)網(wǎng)和云服務(wù)平臺(tái)的農(nóng)機(jī)車間數(shù)字化設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證云服務(wù)平臺(tái)方案在數(shù)字化車間使用的可行性，以農(nóng)機(jī)變速箱的齒輪設(shè)計(jì)制造為例，對(duì)智能化云服務(wù)平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證。齒輪是各種農(nóng)機(jī)變速箱必有的機(jī)械零部件其外形毛坯，如圖6、圖7所示。

圖6 變速箱齒輪

當(dāng)前直齒輪的設(shè)計(jì)已經(jīng)趨于成熟，但隨時(shí)農(nóng)機(jī)功率和運(yùn)行速度的增加，斜齒輪和渦輪更多地被應(yīng)用到變速箱。斜齒輪和渦輪的設(shè)計(jì)和加工過(guò)程較為復(fù)雜，而采用數(shù)字化設(shè)計(jì)將有效地提高設(shè)計(jì)效率。

圖7 數(shù)字化設(shè)計(jì)零部件毛坯模型

在數(shù)字化設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以利用云服務(wù)平臺(tái)對(duì)零部件的模型進(jìn)行創(chuàng)建，利用物聯(lián)網(wǎng)共享數(shù)據(jù)庫(kù)信息和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以對(duì)刀具等參數(shù)進(jìn)行選擇，設(shè)計(jì)效率較高。刀具的選擇如圖8所示。為了保證數(shù)控加工的準(zhǔn)確性和高效性，可以在數(shù)控加工之前進(jìn)行加工仿真，調(diào)整加工誤差，再生成加工程序，根據(jù)刀具的需求參數(shù)可以選擇相應(yīng)的數(shù)控加工刀具的相應(yīng)參數(shù)，如圖9所示。

刀具選擇好之后，利用云服務(wù)系統(tǒng)仿真軟件對(duì)加工路徑進(jìn)行了擬合，然后通過(guò)提取點(diǎn)得到刀位的軌跡圖；最后，自動(dòng)生成了加工程序，將利用數(shù)字化車間加工方法和傳統(tǒng)加工方法進(jìn)行了對(duì)比，得到了如表1所示的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表。

圖8 刀具數(shù)字化選擇

圖9 刀具數(shù)字化參數(shù)選擇

加工工序編號(hào)傳統(tǒng)加工方法周期/d數(shù)字化加工方法周期/d13.52.824.23.634.63.943.82.953.32.662.11.5

為了驗(yàn)證基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)在農(nóng)機(jī)數(shù)字化加工車間使用的可行性，對(duì)數(shù)字化加工方法和傳統(tǒng)加工方法的效率進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明：數(shù)字化加工方法可以有效地提高加工效率，縮短加工周期。由此驗(yàn)證了方案的可行性。

4 結(jié)論

在現(xiàn)代化農(nóng)機(jī)裝備的生產(chǎn)設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)車間的數(shù)字化生產(chǎn)過(guò)程，提高自動(dòng)化作業(yè)能力，將物聯(lián)網(wǎng)和智能大數(shù)據(jù)云平臺(tái)引入到了數(shù)字化車間，使數(shù)字化車間具有建模、仿真、工藝規(guī)劃和數(shù)據(jù)共享等功能。為了驗(yàn)證方案的可行性，以農(nóng)機(jī)齒輪的加工為例，進(jìn)行了數(shù)字化加工實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并將不同加工工序的工期和傳統(tǒng)加工方法進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明：采用本次設(shè)計(jì)的數(shù)字化加工方案可以有效地提高加工效率，縮短加工周期，對(duì)于農(nóng)機(jī)車間加工能力和加工水平的提升具有重要的作用。