新能源汽車減速器零部件切削工藝決策系統(tǒng)

俞希偉，江吉彬，黃旭，周夢(mèng)寧，周井鑫

(福建工程學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建 福州 350118)

由于新能源汽車減速器與傳統(tǒng)汽車變速箱在結(jié)構(gòu)與材料上有所不同，其加工工藝與傳統(tǒng)的減速器有較大區(qū)別，導(dǎo)致切削數(shù)據(jù)使用程度低、殘品廢品率高等問(wèn)題，生產(chǎn)效率難以提高[1-2]。國(guó)內(nèi)外對(duì)切削加工工藝系統(tǒng)的研究已有很多年，1964年，美國(guó)Machining Data Center研究機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)并投入使用世界上第一個(gè)金屬切削數(shù)據(jù)庫(kù)CUTDATA，可以為3 000多種的工件材料、20多種的加工方式提供切削參數(shù)[3-4]；德國(guó)阿亨工業(yè)大學(xué)在1971年開(kāi)發(fā)INFOS數(shù)據(jù)庫(kù)，采用DBFS數(shù)據(jù)類型，有50多家單位聯(lián)合為其提供加工數(shù)據(jù)。在國(guó)內(nèi)，哈爾濱理工大學(xué)2004年開(kāi)發(fā)的PCEN刀具多媒體切削數(shù)據(jù)庫(kù)[5]，將VB的數(shù)據(jù)接口技術(shù)與數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)軟件相結(jié)合，使其存儲(chǔ)性能再次提升；山

東大學(xué)2010年開(kāi)發(fā)的難加工材料切削數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)[6]，建立了車、銑、鉆和鏜4種加工方式實(shí)例數(shù)據(jù)庫(kù)以及優(yōu)選方案，實(shí)現(xiàn)了加工信息初步的優(yōu)化推送。

制造業(yè)中如果直接采用傳統(tǒng)的加工數(shù)據(jù)庫(kù)，缺乏模擬人類專家解決工藝決策問(wèn)題的專家系統(tǒng)，應(yīng)用靈活性有限,效率較低，難以滿足現(xiàn)代生產(chǎn)需求。因此，研究和開(kāi)發(fā)專業(yè)化、智能化和高效的新能源汽車減速器切削加工數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，對(duì)企業(yè)生產(chǎn)水平和效率的提高、企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的增強(qiáng)，具有非常重要的意義[7-8]。本文針對(duì)新能源汽車減速器零部件生產(chǎn)加工的切削加工工藝智能決策系統(tǒng)，建立一個(gè)基于實(shí)例推理和規(guī)則推理相結(jié)合的混合推理技術(shù)，為減速器零部件加工工藝的快速設(shè)計(jì)制造提供有力的支持。

1 決策系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 決策系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想

為了建立公司內(nèi)部設(shè)計(jì)加工的統(tǒng)一操作流程，設(shè)計(jì)了企業(yè)型新能源汽車減速器零部件切削加工工藝系統(tǒng)，其思路是將切削過(guò)程中所涉及的機(jī)床加工設(shè)備、零件材料、切削刀具、零件結(jié)構(gòu)等信息進(jìn)行集中管理。加工工藝數(shù)據(jù)來(lái)源于實(shí)際生產(chǎn)零件時(shí)所獲得的數(shù)據(jù)積累，以及結(jié)合參考文獻(xiàn)手冊(cè)、知識(shí)經(jīng)驗(yàn)、國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等形成的規(guī)則數(shù)據(jù)。

1.2 決策系統(tǒng)軟件框架

減速器零部件切削加工工藝決策系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，把減速器零件信息和切削加工時(shí)所需要的加工數(shù)據(jù)相結(jié)合，工作形式是通過(guò)人機(jī)及數(shù)據(jù)庫(kù)接口將工藝設(shè)計(jì)人員與數(shù)據(jù)庫(kù)聯(lián)系起來(lái)。其中，數(shù)據(jù)庫(kù)主要向用戶提供切削源數(shù)據(jù)以及為工藝決策提供支持的工藝推薦規(guī)則；用戶對(duì)數(shù)據(jù)的操作主要為讀取、增加、刪除和修改等；數(shù)據(jù)庫(kù)接口將應(yīng)用程序與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)分開(kāi)，使用統(tǒng)一的接口進(jìn)行連接，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)端口共同訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，便于數(shù)據(jù)庫(kù)管理；人機(jī)接口則采用windows窗口交互界面向操作人員提供可視化的服務(wù)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)模型Fig.1 System model

設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)庫(kù)采用C/S模式，即用戶在電腦客戶端上操作登入程序，通過(guò)合法登入驗(yàn)證后訪問(wèn)減速器零部件切削工藝系統(tǒng)，所有切削工藝相關(guān)的數(shù)據(jù)集中存放在企業(yè)共享服務(wù)器中[9-10]。由于該決策系統(tǒng)為企業(yè)提供工藝數(shù)據(jù)服務(wù)，所以選擇了具有良好的可靠性、可擴(kuò)展性、可編程性的MicrosoftSQLserver數(shù)據(jù)庫(kù)軟件。管理系統(tǒng)采用MicrosoftVisualStudio2017軟件，基于.NET Framework進(jìn)行應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)，可進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)服務(wù)及智能化設(shè)備應(yīng)用服務(wù)程序的創(chuàng)建。

1.3 決策系統(tǒng)功能模塊

減速器切削工藝決策系統(tǒng)分成系統(tǒng)管理模塊、基礎(chǔ)信息管理模塊和工藝參數(shù)管理模塊。

(1)系統(tǒng)管理模塊。主要職能為用戶信息及權(quán)限管理、數(shù)據(jù)庫(kù)信息存儲(chǔ)、備份及系統(tǒng)操作信息等。用戶信息及權(quán)限管理主要是為用戶注冊(cè)、等級(jí)歸類與用戶的權(quán)限設(shè)置。工藝決策系統(tǒng)對(duì)操作人員設(shè)置了3個(gè)級(jí)別的權(quán)限，分別為普通用戶、管理員以及超級(jí)管理員。普通用戶權(quán)限范圍為瀏覽基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息獲得數(shù)據(jù)推薦，進(jìn)行零件加工工藝的編輯。管理員主要負(fù)責(zé)刀具、零件材料以及零件結(jié)構(gòu)的特征信息、工藝實(shí)例信息等常規(guī)工藝數(shù)據(jù)的更新維護(hù)。超級(jí)管理員擁有最高權(quán)限，負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)的全面管理，不僅能夠賦予用戶權(quán)限級(jí)別，而且擁有普通用戶及管理員的所有功能。數(shù)據(jù)庫(kù)信息存儲(chǔ)與備份主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫(kù)的安全控制，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行日常備份，以保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的有效性及安全性。

(2)基礎(chǔ)信息管理模塊。主要是對(duì)工藝決策系統(tǒng)的相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，包含機(jī)床、刀具、零件材料等信息?；A(chǔ)信息管理模塊將根據(jù)企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)情況進(jìn)行調(diào)整，及時(shí)增加新工藝數(shù)據(jù)，刪除冗余工藝，以保證數(shù)據(jù)信息的有效性。

(3)工藝參數(shù)管理模塊。是數(shù)據(jù)庫(kù)的核心模塊，主要為系統(tǒng)存儲(chǔ)專家知識(shí)庫(kù)，包括工藝實(shí)例信息、規(guī)則信息、結(jié)構(gòu)特征信息等。為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多條件與模糊查詢，綜合運(yùn)用實(shí)例推理及規(guī)則推理等為工作提供支持。

建立新能源汽車減速器零部件加工工藝智能決策系統(tǒng)的目的是為減速器制造車間在切削加工過(guò)程中提供切削數(shù)據(jù)支持，切削加工是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，切削過(guò)程環(huán)環(huán)相扣，對(duì)決策系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，需要有一個(gè)完整明確的解決方案，因此每一個(gè)因素都必須考慮進(jìn)切削工藝決策系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，并且考慮系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)功能需求分析，得到如圖2所示的系統(tǒng)功能流程圖。

圖2 數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)功能圖Fig.2 Function diagram of the database system

1.4 數(shù)據(jù)庫(kù)邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新能源汽車減速器零部件加工工藝決策系統(tǒng)采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)。各項(xiàng)切削因素在切削過(guò)程中對(duì)結(jié)果有不同的影響，因此對(duì)切削加工的主要影響因素進(jìn)行參數(shù)化轉(zhuǎn)變。系統(tǒng)的主要構(gòu)成有零件材料及結(jié)構(gòu)特征、機(jī)床、刀具、潤(rùn)滑方式、加工參數(shù)等，每個(gè)實(shí)體都有對(duì)應(yīng)的屬性，根據(jù)實(shí)體的固有屬性建立切削加工工藝決策系統(tǒng)的E-R模型，如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)庫(kù)源數(shù)據(jù)E-R圖Fig.3 E-R chart of the database source data

根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)的關(guān)系型原理將E-R圖模型在數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行邏輯轉(zhuǎn)換，建立新能源汽車減速器零部件加工的數(shù)據(jù)表，并確定表中的主鍵以及各項(xiàng)的選填和必填屬性。該工藝決策系統(tǒng)中的表根據(jù)各自實(shí)現(xiàn)的功能情況分為基礎(chǔ)信息庫(kù)、專家?guī)煲约澳Ｐ蛿?shù)據(jù)庫(kù)。基礎(chǔ)信息庫(kù)提供各實(shí)體的基本信息，包括零件結(jié)構(gòu)類型表、工件材料表、機(jī)床表、刀具表、夾具表、切削參數(shù)表和刀具磨損表等; 專家?guī)鞛楦鲗?shí)體建立關(guān)聯(lián)，把實(shí)例推理和規(guī)則推理的專家數(shù)據(jù)進(jìn)行一定規(guī)律的存儲(chǔ)管理；模型數(shù)據(jù)庫(kù)則儲(chǔ)存了減速器零件加工切削中的數(shù)學(xué)模型，包括切削力模型表、表面粗糙度模型表等。

2 減速器切削工藝數(shù)據(jù)庫(kù)專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)技術(shù)是通過(guò)模擬工藝設(shè)計(jì)人員的思維邏輯判斷過(guò)程來(lái)完成工藝決策的[11]。系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際問(wèn)題的分析，通過(guò)決策系統(tǒng)中實(shí)例推理及規(guī)則推理庫(kù)中相關(guān)數(shù)據(jù)區(qū)搜索比對(duì)，完成一系列工藝決策后，輸出最符合當(dāng)前實(shí)際加工過(guò)程的切削數(shù)據(jù)或工藝方案。專家系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 專家系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)Fig.4 Basic structure of the expert system

專家系統(tǒng)技術(shù)是新能源汽車減速器零部件切削加工工藝決策系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)智能化的關(guān)鍵所在。工藝設(shè)計(jì)人員通過(guò)人機(jī)操作界面將減速器零件的名稱、材料、加工形狀、尺寸精度和表面粗糙度等信息輸入系統(tǒng)，進(jìn)而決策系統(tǒng)將條件信息轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)庫(kù)中的遍歷查詢表達(dá)方式?；A(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)中存放的基本切削數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)際工況、標(biāo)準(zhǔn)要求等限制在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不可變動(dòng)。專家知識(shí)庫(kù)中主要存放工藝設(shè)計(jì)規(guī)則表及工藝決策知識(shí)表，隨著新工藝的不斷產(chǎn)生及迭代更新，此庫(kù)為動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)。暫存數(shù)據(jù)庫(kù)用于存放零件工藝設(shè)計(jì)時(shí)產(chǎn)生的過(guò)渡設(shè)計(jì)結(jié)論、工藝決策，隨著推理過(guò)程不斷發(fā)生變化，暫時(shí)緩存最新工藝數(shù)據(jù)，后期由管理員將新產(chǎn)生的具有可行性的工藝決策信息轉(zhuǎn)存至專家知識(shí)庫(kù)。解釋模塊的作用在于為用戶推薦工藝或決策時(shí)給出相應(yīng)的解釋。

2.1 專家知識(shí)庫(kù)

專家知識(shí)庫(kù)是新能源汽車減速器零部件加工工藝決策系統(tǒng)的核心之一，主要功能是存儲(chǔ)和管理專家系統(tǒng)中的知識(shí)，這些知識(shí)主要來(lái)自文獻(xiàn)，以及各領(lǐng)域?qū)＜议L(zhǎng)期以來(lái)在工作實(shí)踐中所獲得的有關(guān)減速器零部件切削加工的經(jīng)驗(yàn)。在知識(shí)庫(kù)中，將所涉及的對(duì)象劃分為3種基本類型：產(chǎn)品零件、制造工藝、工藝決策等。根據(jù)零件結(jié)構(gòu)將產(chǎn)品零件分為回轉(zhuǎn)體類零件、箱體零件、支架零件等；制造工藝類分為加工方法、工步、工序等；在工藝決策類方面，根據(jù)決策屬性的不同，劃分為新建工藝決策、修訂式工藝決策。

2.2 系統(tǒng)推理機(jī)制

推理機(jī)制是工藝決策系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，采用基于實(shí)例—規(guī)則的混合推理策略。其工作是負(fù)責(zé)決策和調(diào)用整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，制定減速器零部件切削加工工藝時(shí)，按照設(shè)定的工藝推理策略對(duì)知識(shí)庫(kù)中的工藝數(shù)據(jù)和規(guī)則進(jìn)行遍歷搜索和調(diào)用，對(duì)當(dāng)前減速器零部件加工問(wèn)題進(jìn)行求解。

2.2.1 實(shí)例推理

實(shí)例推理技術(shù)(CBR)就是通過(guò)以往相似問(wèn)題的解決方法來(lái)解決新的問(wèn)題，通過(guò)計(jì)算實(shí)例的整體相似度，在實(shí)例庫(kù)中找到與需求條件最相吻合的實(shí)例來(lái)給出解決方案[12]。實(shí)例推理的關(guān)鍵是計(jì)算出兩工藝之間的相似度，確定兩實(shí)例各對(duì)應(yīng)問(wèn)題局部的相似度，再計(jì)算出整體的相似度。

在工藝決策系統(tǒng)中，切削過(guò)程影響最大的是工件結(jié)構(gòu)，將其設(shè)置為第一屬性，當(dāng)?shù)谝粚傩栽跊Q策系統(tǒng)中存在相關(guān)實(shí)例時(shí)，才繼續(xù)進(jìn)行實(shí)例相似度計(jì)算。刀具類型、工件材料等作為實(shí)例的其他屬性，通過(guò)加工工藝知識(shí)獲得其相似度。由于各屬性對(duì)輸出結(jié)果的影響不同，因此需要設(shè)置相應(yīng)的權(quán)值，通過(guò)局部相似度的計(jì)算以求得整體相似度。默認(rèn)定義的權(quán)重值為:零件結(jié)構(gòu)類型的權(quán)重值為5，尺寸誤差權(quán)值為3，表面粗糙度權(quán)值為3。用戶也可在軟件中自定義各屬性的權(quán)重。在獲取實(shí)例的所有局部相似度后，采用加權(quán)法計(jì)算實(shí)例的整體相似度，計(jì)算公式如下:

式中:G、X分別為所求實(shí)例與知識(shí)庫(kù)中的實(shí)例; Sim(gi，xi) 為所求實(shí)例與系統(tǒng)中實(shí)例各屬性的局部相似度;n為實(shí)例屬性個(gè)數(shù);ωi為屬性權(quán)值，系統(tǒng)搜索比對(duì)完所有實(shí)例后，會(huì)輸出與所求問(wèn)題相似度最高的解決方案，提供用戶參考。

2.2.2 規(guī)則推理

規(guī)則推理技術(shù)(RBR) 是將大量相關(guān)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)作為專家知識(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)化,形成系統(tǒng)邏輯規(guī)則，通過(guò)模仿專家的推理邏輯能力進(jìn)行問(wèn)題求解的方式[13]。在本工藝決策系統(tǒng)中，根據(jù)設(shè)置的推理順序，當(dāng)工件結(jié)構(gòu)的實(shí)例不存在于實(shí)例推理中時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)為規(guī)則推理，并由規(guī)則推理給出工藝推薦方案。在制定規(guī)則時(shí)，首先將規(guī)則轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)庫(kù)軟件中的插入語(yǔ)句，然后將定義的規(guī)則存儲(chǔ)至規(guī)則庫(kù)中，在使用規(guī)則推理時(shí)以數(shù)據(jù)庫(kù)的查詢語(yǔ)言作為其推理方法。匹配規(guī)則為工件結(jié)構(gòu)—刀具型號(hào)—切削參數(shù)，在決策系統(tǒng)中表達(dá)形式為:

IF工件結(jié)構(gòu) THEN可選刀具 + 切削參數(shù)范圍

2.2.3 混合推理的實(shí)現(xiàn)

在工藝智能決策系統(tǒng)中，混合推理通過(guò)實(shí)例推理與規(guī)則推理相結(jié)合實(shí)現(xiàn)，實(shí)例推理為主要方式，規(guī)則推理為輔助推理工具，屬于實(shí)例推理的支持模塊。具體工作流程如圖5所示，工藝設(shè)計(jì)人員選擇加工的零件，輸入其結(jié)構(gòu)、材料、加工要求等初始條件，系統(tǒng)開(kāi)始篩選實(shí)例庫(kù)中是否有此工件結(jié)構(gòu)，當(dāng)實(shí)例庫(kù)中存在此結(jié)構(gòu)時(shí)，將進(jìn)一步開(kāi)展實(shí)例的相似度計(jì)算，得出最相似的實(shí)例，并同時(shí)對(duì)其相關(guān)的匹配規(guī)則進(jìn)行規(guī)則推理驗(yàn)證，若無(wú)問(wèn)題，將輸出此解決方案。假若不存在此工件結(jié)構(gòu)，將直接進(jìn)入規(guī)則推理模式，由匹配規(guī)則推薦刀具和切削參數(shù)以供工藝人員參考。

圖5 數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)混合推理流程圖Fig.5 Mixed reasoning flow chart of the database system

3 減速器切削工藝數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)庫(kù)中表的建立

在Microsoft SQL Server2008 有兩種創(chuàng)建表的方式：(1)直接采用表設(shè)計(jì)器創(chuàng)建數(shù)據(jù)表；(2)采用代碼創(chuàng)建數(shù)據(jù)表。該減速器切削工藝數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)使用第一種方法，即直接采用表設(shè)計(jì)器。如圖6所示，為刀具信息庫(kù)的具體數(shù)據(jù)內(nèi)容。

圖6 刀具信息庫(kù)Fig.6 Tool information base

3.2 登入管理的實(shí)現(xiàn)

進(jìn)入減速器零部件切削加工工藝決策系統(tǒng)后，在客戶端軟件界面首頁(yè)會(huì)出現(xiàn)登錄對(duì)話窗體，讓用戶輸入登陸賬號(hào)和密碼，在正確輸入賬號(hào)和密碼后，跳轉(zhuǎn)進(jìn)入系統(tǒng)主界面，即主控制界面，根據(jù)人員類型不同，登錄后用戶將具有不同的操作權(quán)限，包括下拉菜單欄和快捷按鈕欄。 系統(tǒng)所有的功能入口都在系統(tǒng)主界面內(nèi)，用戶通過(guò)這些菜單能夠進(jìn)入各級(jí)功能模塊，例如用戶進(jìn)入減速器零件加工工序編輯模塊，用戶可根據(jù)實(shí)際情況對(duì)工序卡進(jìn)行編輯，包括選擇材料、刀具、加工設(shè)備。

基于實(shí)例推理與規(guī)則推理的新能源汽車減速器加工工藝系統(tǒng)對(duì)操作信息完成優(yōu)化后，經(jīng)操作人員確認(rèn)無(wú)誤，工序卡將以PDF的格式輸出，同時(shí)在獲得質(zhì)檢結(jié)果后，將工藝參數(shù)與量化的實(shí)際加工效果以新實(shí)例保存至專家知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中，進(jìn)一步完善專家?guī)鞌?shù)據(jù)。采用減速器加工工藝系統(tǒng)，運(yùn)用新工藝參數(shù)，零件生產(chǎn)合格率達(dá)到99.3%以上，工藝設(shè)計(jì)效率提高90%。

3.3 數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)與數(shù)據(jù)源的連接

該系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的 C/S 結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)主界面和服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)ODBC進(jìn)行連接，具體為ODBC的ADO(activeX data objects)數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口。本數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)用了ADO庫(kù)中3個(gè)基本接口：ConnectonPtr、CommandPt和RecordsetPtr接口，以完成數(shù)據(jù)源的訪問(wèn)。

4 結(jié)語(yǔ)

以SQLServer為數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，VS2017為開(kāi)發(fā)工具，使用C#開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了基于C/S結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)化新能源汽車減速器切削加工工藝信息系統(tǒng)。該數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)利用實(shí)例推理、加工結(jié)構(gòu)特征匹配、規(guī)則推理等混合推理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了工藝參數(shù)的有效推薦，大幅提升工藝設(shè)計(jì)效率，減少工藝設(shè)計(jì)中人為錯(cuò)誤，對(duì)企業(yè)的常規(guī)生產(chǎn)和新產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持，為其他重要零部件切削工藝智能決策系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供指導(dǎo)。