葛智光， 鄧朝暉， 劉 偉， 萬林林， 彭克立， 呂黎曙

(1. 湖南科技大學 難加工材料高效精密加工湖南省重點實驗室， 湖南 湘潭 411201) (2. 湖南科技大學 智能制造研究院， 湖南 湘潭 411201) (3. 湖大海捷(湖南)工程技術研究有限公司, 長沙 410013)

主軸是機床的核心部件之一，應用于幾乎所有的旋轉加工機床，包括磨床、車床、銑床、鏜床、加工中心等等。主軸的質量直接決定了機床的工作精度，這就要求主軸要精度高、表面質量好、質量一致性好等[1]。但機床主軸具有轉速高、受力大、容易磨損失效等特點，在其整個加工過程中，每一道工序都將影響主軸最后的質量。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驗、手工編制數(shù)控加工程序等問題[3-4]，而制造企業(yè)對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)據庫和知識庫，支持工藝優(yōu)化決策的智能磨削工藝軟件，實現(xiàn)自動化高效磨削成為必然趨勢。

運用數(shù)據庫及應用軟件技術管理機械加工數(shù)據，在工業(yè)發(fā)達國家最先得以應用。如美國金屬切削聯(lián)合研究公司與美國空軍材料實驗室聯(lián)合開發(fā)的金屬切削數(shù)據庫CUTDATA[5]，德國切削數(shù)據情報中心的INFOS庫[6]，但美國CUTDATA和德國INFOS的磨削數(shù)據僅附加在通用切削數(shù)據庫中，磨削數(shù)據較少。由于磨削加工過程具有復雜、不穩(wěn)定等因素，而且磨削工藝參數(shù)龐雜，使得磨削數(shù)據庫的開發(fā)技術難度較大。目前，國外專門用于磨削的數(shù)據庫及工藝軟件中，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)據庫模塊，磨削數(shù)據較為齊全[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數(shù)據、模型、規(guī)則等，能適用于外圓磨削和平面磨削[8]。

國內工藝數(shù)據庫及工藝軟件的發(fā)展相對較晚。典型的單位和個人有：國內首個專門用于磨削的數(shù)據庫及應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檢索與匹配、磨削加工故障與缺陷的智能診斷等[9]；中國機械科學研究院開發(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械設計與制造通用技術支持系統(tǒng)[10]；陳修宇等對弧錐齒輪加工技術進行研究，開發(fā)了刀條數(shù)控磨削機床軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)了刀條的完全參數(shù)化加工[11]；鄧朝暉團隊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)據庫及磨削工藝智能應用系統(tǒng)，高效地解決了凸輪軸加工的難題[12-14]。

但是，國內的上述研究存在不少問題。如現(xiàn)有的工藝軟件多數(shù)都是獨立存在的，智能化程度相對較低；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庫，實用性較差等等?；诖耍覀儾捎脤嵗评?、規(guī)則推理以及人工智能算法的集成推理技術，開發(fā)了機床主軸智能磨削工藝軟件，并建立與之配套的數(shù)據庫和知識庫。開發(fā)的工藝軟件能與機床數(shù)控系統(tǒng)相匹配，并與機床集成，對實際加工具有指導意義。

1 機床主軸智能磨削工藝軟件體系結構

1.1 軟件開發(fā)技術路線

以Microsoft Visual Basic 6.0為開發(fā)平臺，Microsoft SQL Server 2008為數(shù)據庫管理工具，結合Visual Basic 6.0可視化的編程環(huán)境、SQL Server 2008強大的數(shù)據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控件與后臺的知識庫、工藝基礎數(shù)據庫相連，開發(fā)了支持機床主軸加工工藝參數(shù)優(yōu)化決策、數(shù)控自動編程等功能的工藝軟件。圖1所示為機床主軸智能磨削工藝軟件開發(fā)的技術路線。

圖1 機床主軸智能磨削工藝軟件開發(fā)技術路線

1.2 軟件的結構及功能

開發(fā)的軟件包括6個模塊：工藝問題定義、基礎工藝數(shù)據庫、知識庫、決策優(yōu)化、自動編程和磨削應用?；A數(shù)據庫存儲了機床、砂輪、材料、磨削液等大量數(shù)據信息；知識庫存儲了機床主軸智能磨削過程中所用到的工藝實例、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；自動編程和磨削應用模塊將軟件推理的工藝信息傳遞給機床，指導機床加工，實現(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，具有工業(yè)應用價值。圖2所示為機床主軸智能磨削工藝軟件的結構體系。

圖2 機床主軸智能磨削工藝軟件的結構體系

1.3 軟件的工作流程

機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，結合工藝數(shù)據、工藝舊實例、工藝經驗知識/規(guī)則以及人工智能算法對新的工藝問題進行求解，得到一個工藝解決方案;并對新工藝方案進行自動編程，以指導實際加工。

軟件工作流程如圖3所示:(1)用戶通過授權后，通過登錄界面進入軟件主界面；(2)定義加工要求；(3)進入實例優(yōu)選模塊獲取與新工藝問題相似的舊實例；(4)如果沒有滿足加工要求的相似舊實例則進入工藝推理模塊，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，自動編程模塊編譯出帶有工藝方案的標準文件傳遞給數(shù)控機床,然后進行加工。

圖3 軟件工作流程圖

2 機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一個工藝問題的具體描述進行“填空”，完成對一個工藝問題的完整描述，從而建立起工藝問題模型的實例。

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、加工質量要求、材質種類、基本幾何要素等信息。用戶輸入完成基本原始要素信息后，該模塊將生成一個規(guī)范化的標準工藝問題定義文件，提供給軟件內的其他模塊調用。該模塊用于待求解工藝問題的輸入、修改等實際操作，處理完畢之后定義為一個新的工藝問題，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要領是如何準確、全面、簡潔地表達主軸工藝問題信息。該模塊采用框架表示法來表達主軸的工藝問題信息。圖4所示為機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)化模塊中包含有實例優(yōu)選與工藝推理2個子模塊。磨削加工工藝問題定義完成后，軟件將首先啟動決策優(yōu)化模塊下的磨削工藝實例優(yōu)選子模塊。

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

若實例庫中實例與該工藝問題的綜合評價因子過低，沒有達到設定閾值時，實例優(yōu)選子模塊將無法推理出令操作人員滿意的工藝實例集，軟件將會自動進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-神經網絡模型和基于規(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)、基圓轉速等參數(shù)采用遺傳-神經網絡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)相結合得到一個完整的工藝方案。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 自動編程模塊

自動編程模塊基于主軸的幾何尺寸等參數(shù)，通過計算得到砂輪的運動軌跡。根據決策優(yōu)化模塊得到的工藝參數(shù)，將砂輪運動軌跡轉化成相應機床軸的運動，并結合所選的機床數(shù)控系統(tǒng)的信息，進行自動編程，編譯出帶有工藝方案的標準文件傳遞給數(shù)控機床。圖7所示為機床主軸智能磨削工藝軟件自動編程模塊界面。

圖7 機床主軸智能磨削工藝軟件自動編程模塊

2.4 基礎數(shù)據庫模塊

基于機床主軸零件的工藝問題信息模型，研究并設計符合工藝問題處理要求的工藝數(shù)據庫的庫結構及具體的工藝數(shù)據結構。以機床主軸的基礎工藝加工過程和設備為研究對象，提出不同的生產狀況和條件下的工藝數(shù)據采集方案和量化方法，獲取基礎工藝綜合數(shù)據清單，建立機床庫、砂輪庫、磨削液庫、材質庫等基礎數(shù)據庫。

截至目前，機床主軸基礎數(shù)據庫中機床庫底層數(shù)據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所示為機床主軸智能磨削基礎數(shù)據庫模塊界面。

圖8 機床主軸智能磨削基礎數(shù)據庫模塊

2.5 知識庫模塊

在工藝實例和工藝基礎數(shù)據的基礎上，建立專家知識庫模型，研究其庫結構及數(shù)據結構，建立相應的規(guī)則庫和關聯(lián)度分析模型。結合實例庫和規(guī)則庫，建立整個工藝路線上的典型工藝專家知識庫模塊，研究專家知識庫的管理技術，解決工藝實例及知識重用等問題。

知識庫模塊用于機床主軸智能磨削知識信息存儲以及演示。知識庫模塊中包括4個子模塊：實例庫、模型庫、算法庫、規(guī)則庫。分別存儲了機床主軸智能磨削過程中所用到的實例、模型、算法、規(guī)則和相關圖表。圖9所示為機床主軸智能磨削工藝知識庫模塊界面。

圖9 機床主軸智能磨削工藝知識庫模塊

3 軟件應用實踐

以機床主軸磨削加工過程為研究對象，成功開發(fā)了機床主軸智能磨削工藝軟件，集成了機床主軸的工藝經驗和工藝信息的知識規(guī)范化描述方法、工藝參數(shù)優(yōu)化與工藝實例優(yōu)選、自動編程等技術。

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

表1 主軸磨削加工結果表

主軸磨削加工結果中決策正確率達到96%，工藝決策時間由原來的3～4 h，縮短到1～2 h，縮短約50%的決策時間。實踐結果表明：開發(fā)的機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間，提高加工效率。圖10所示為機床主軸智能磨削工藝軟件與數(shù)控磨床集成匹配圖。

圖10 機床主軸智能磨削工藝軟件與數(shù)控磨床集成

4 結論

以機床主軸磨削加工過程為研究對象，將實例推理與規(guī)則推理以及人工智能算法推理相結合的混合推理機制，用于主軸磨削工藝方案的自動選擇，確定了工藝實例的規(guī)范化描述，建立相應的智能推理模型，建立了主軸磨削加工相配套的工藝專家知識庫及基礎數(shù)據庫。用Visual Basic 6.0軟件設計前臺操作界面，SQL Server 2008軟件設計后臺數(shù)據庫，開發(fā)了機床主軸智能磨削的工藝軟件，實現(xiàn)工藝方案的智能推理，并將工藝軟件與主軸數(shù)控磨床的集成調用結合，指導生產實踐。通過在主軸數(shù)控磨床上的應用，證明所研發(fā)的主軸智能磨削工藝軟件，決策正確率達到96%，工藝決策時間縮短約50%，可以有效提高主軸的加工效率。