徐志鵬，王俊陽，劉佳林

1.昌河飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 江西景德鎮(zhèn) 333002

2.北京航空航天大學(xué) 北京 100083

1 序言

工藝過程和工藝參數(shù)的優(yōu)化是智能制造重要的研究和應(yīng)用內(nèi)容。工藝過程、工藝參數(shù)不夠優(yōu)化是制造企業(yè)生產(chǎn)效率低、經(jīng)濟(jì)效益差和競(jìng)爭(zhēng)力差的原因之一。如何在不改變工人、設(shè)備等資源的情況下獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益，成為未來企業(yè)改革的重要方向，進(jìn)行流程和參數(shù)優(yōu)化顯然是其中最為行之有效的方法，意義重大[1]。通過構(gòu)建基于智能生產(chǎn)線的切削參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)車間智能生產(chǎn)線與數(shù)據(jù)庫(kù)的互聯(lián)互通，數(shù)據(jù)庫(kù)可進(jìn)行參數(shù)的自主更新和進(jìn)化。開發(fā)生產(chǎn)線與數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)交互功能，實(shí)現(xiàn)切削參數(shù)數(shù)據(jù)和工藝過程數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集，具備人工采集質(zhì)量數(shù)據(jù)、精度數(shù)據(jù)和刀具磨損數(shù)據(jù)等功能。同時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)還基于CATIA開發(fā)了能夠與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行互聯(lián)互通的功能界面，支持加工特征定義，支持切削參數(shù)的一鍵存儲(chǔ)、查詢與調(diào)用，使工藝人員能夠在不打開數(shù)據(jù)庫(kù)界面的情況下，方便地查詢和調(diào)用相關(guān)的切削參數(shù)數(shù)據(jù)[2]。另外還有利于指導(dǎo)開展工藝工作，持續(xù)優(yōu)化切削加工工藝參數(shù)，提高產(chǎn)品加工質(zhì)量和效率，為工藝技術(shù)人員培養(yǎng)提供平臺(tái)。

2 開發(fā)思路

根據(jù)智能車間實(shí)際需求，研制一種基于智能生產(chǎn)線的自進(jìn)化式切削參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)，并利用智能化車間網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建立工藝參數(shù)數(shù)據(jù)收集和提取系統(tǒng)，建立切削參數(shù)數(shù)據(jù)的自進(jìn)化機(jī)制，最終實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)工藝參數(shù)的“高效歸集—科學(xué)評(píng)價(jià)—自主進(jìn)化—智能推送”?？傮w業(yè)務(wù)流程關(guān)系如圖1所示，主要開發(fā)思路如下。

圖1 總體業(yè)務(wù)流程關(guān)系

1）參數(shù)管理：支持經(jīng)驗(yàn)型、優(yōu)化型參數(shù)并存，支持手動(dòng)輸入、批量導(dǎo)入、CAM端采集和MES端采集等多來源的數(shù)據(jù)高效歸集，支持刀具廠商推薦參數(shù)、范圍型經(jīng)驗(yàn)參數(shù)、公式型經(jīng)驗(yàn)參數(shù)及案例型經(jīng)驗(yàn)參數(shù)等多類型經(jīng)驗(yàn)參數(shù)存儲(chǔ)、查詢和調(diào)用。

2）數(shù)據(jù)自動(dòng)采集：可以通過CAM軟件進(jìn)行基于特征的切削參數(shù)錄入，也可以通過現(xiàn)場(chǎng)刀軌文件預(yù)處理+現(xiàn)場(chǎng)采集提取，獲得加工閉環(huán)的切削參數(shù)。

3）數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)：管理人員通過對(duì)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則、評(píng)價(jià)公式和排序規(guī)則進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝參數(shù)的自動(dòng)評(píng)價(jià)和排序，實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝人員的貢獻(xiàn)度和活躍度監(jiān)控與評(píng)價(jià)，將管理理念滲透進(jìn)日常工作中，驅(qū)動(dòng)技術(shù)人員水平提升和數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)化。

4）開發(fā)了獨(dú)創(chuàng)性的編程系統(tǒng)查詢接口，面向工藝編程人員，可以在CATIA編程過程中直接訪問數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)控編程時(shí)的參數(shù)自動(dòng)推送，通過少量的查詢條件設(shè)置，進(jìn)行參數(shù)查詢和智能推送，實(shí)現(xiàn)一鍵修改程序中的參數(shù)；對(duì)于已下發(fā)的NC程序，通過同名XML文件搭載下發(fā)，可從現(xiàn)場(chǎng)MES獲取真正執(zhí)行驗(yàn)證的加工工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)閉環(huán)管理，掌握切削參數(shù)的應(yīng)用驗(yàn)證情況。

3 數(shù)據(jù)庫(kù)開發(fā)

3.1 經(jīng)驗(yàn)型切削參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)開發(fā)

針對(duì)經(jīng)驗(yàn)型切削參數(shù)、優(yōu)化型切削參數(shù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、模板管理、數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出、資源管理、數(shù)據(jù)查詢、系統(tǒng)設(shè)置以及系統(tǒng)管理等功能界面設(shè)計(jì)了圖形化用戶界面，并且支持錄入、查詢、存儲(chǔ)和顯示模板的自定義調(diào)整，支持?jǐn)?shù)據(jù)表格字段的增刪查改，保障了數(shù)據(jù)的完備性。

（1）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 此次研發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)支持加工方式、刀具裝夾方式、刀具結(jié)構(gòu)材料參數(shù)、機(jī)床基本參數(shù)、工件材料參數(shù)、切削參數(shù)數(shù)據(jù)和約束模型參數(shù)等的存儲(chǔ)和增刪查改，且支持用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)自定義，能夠覆蓋用戶需求，表單結(jié)構(gòu)完備。

（2）數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和增刪查改功能設(shè)計(jì) 如圖2所示分別進(jìn)入銑削、車削、鉆削和磨削等加工參數(shù)模塊，有新增、批量刪除按鈕；下方是查詢條件欄，可以輸入相應(yīng)的查詢條件進(jìn)行查詢；再下方是符合查詢條件的數(shù)據(jù)列表顯示，每條數(shù)據(jù)最右側(cè)會(huì)顯示對(duì)應(yīng)的編輯、刪除和詳情按鈕。

圖2 加工參數(shù)管理界面

3.2 基于結(jié)構(gòu)特征的切削參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)開發(fā)

開發(fā)切削參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)與CATIA軟件數(shù)據(jù)接口模塊，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向互傳，能夠利用查得的工藝參數(shù)修改或設(shè)定文件的工藝參數(shù)。

在CATIA軟件中進(jìn)行基于結(jié)構(gòu)特征的切削參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)二次開發(fā)，形成3項(xiàng)關(guān)鍵軟件模塊，即工藝參數(shù)獲取、工藝參數(shù)優(yōu)選與結(jié)構(gòu)特征編碼。

（1）工藝參數(shù)獲取 基于CATIA CAA[3，4]技術(shù)開發(fā)，嵌入到CATIA編程平臺(tái)中，在CATIA加工編程界面實(shí)現(xiàn)批量加工工藝數(shù)據(jù)的獲取，如圖3所示。

圖3 工藝參數(shù)獲取

由用戶指定工藝資源節(jié)點(diǎn)，可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)資源節(jié)點(diǎn)下用戶要求的工藝參數(shù)提取，標(biāo)識(shí)符如下。

（2）工藝參數(shù)優(yōu)選 基于CATIA CAA技術(shù)開發(fā)，嵌入到CATIA編程平臺(tái)中，在CATIA加工編程過程實(shí)現(xiàn)與加工工藝數(shù)據(jù)庫(kù)的互聯(lián)互通。用戶輸入工藝檢索詞，可實(shí)現(xiàn)加工工藝參數(shù)的快速檢索、推送與覆蓋，如圖4所示。

圖4 工藝參數(shù)優(yōu)選開發(fā)

該模塊其主要功能如下。

1）支持手動(dòng)選擇加工模型工藝資源信息節(jié)點(diǎn)。

2）支持用戶輸入加工工藝檢索詞。

3）支持與加工數(shù)據(jù)庫(kù)的互聯(lián)互通。

4）支持推送與覆蓋加工模型編程操作工藝參數(shù)信息，具體推送參數(shù)包括兩類，①重要參數(shù)信息：零件圖號(hào)、機(jī)床型號(hào)、材料牌號(hào)、特征類型、刀具類型、刀具型號(hào)、轉(zhuǎn)速、進(jìn)給、切深、切寬、特征尺寸1、特征尺寸2、特征尺寸3以及刀具長(zhǎng)度（懸長(zhǎng)）。②其他信息：nominal diameter（公稱直徑）、corner radius（轉(zhuǎn)角半徑）、overall length（全長(zhǎng)）和cutting length（切割長(zhǎng)度）等。

（3）結(jié)構(gòu)特征編碼 針對(duì)結(jié)構(gòu)特征的自動(dòng)編碼需求，基于CATIA CAA技術(shù)開發(fā)，嵌入到CATIA編程平臺(tái)中，可與用戶交互實(shí)現(xiàn)所編程特征的自動(dòng)編碼，如圖5所示。

圖5 結(jié)構(gòu)特征編碼開發(fā)

在該模塊中，用戶可便捷實(shí)現(xiàn)如下信息的選擇，從而依據(jù)預(yù)設(shè)編碼規(guī)則對(duì)加工程序節(jié)點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)特征指定。①結(jié)構(gòu)特征類型：支持外輪廓、平面、孔和臺(tái)階孔等。②結(jié)構(gòu)特征剛性：好、中、差，或具體剛度值。③結(jié)構(gòu)特征尺寸：長(zhǎng)度、寬度和深度。④結(jié)構(gòu)特征公差：表面粗糙度、輪廓精度的定義。

3.3 切削過程數(shù)據(jù)自動(dòng)分析、采集與存儲(chǔ)功能開發(fā)

實(shí)現(xiàn)了車間智能生產(chǎn)線與數(shù)據(jù)庫(kù)的互聯(lián)互通，開發(fā)了生產(chǎn)線與數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)交互功能，實(shí)現(xiàn)了切削參數(shù)數(shù)據(jù)和工藝過程數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集，可基于網(wǎng)絡(luò)采集加工程序信息和程序中的切削參數(shù)數(shù)據(jù)，并可借助人工采集質(zhì)量數(shù)據(jù)、精度數(shù)據(jù)和刀具磨損數(shù)據(jù)。通過這種方式，改變了以往經(jīng)驗(yàn)性切削參數(shù)數(shù)據(jù)僅存在于工藝人員頭腦中，記錄完全依賴個(gè)人習(xí)慣和手動(dòng)記錄的現(xiàn)狀。

（1）車間智能化生產(chǎn)線與工藝數(shù)據(jù)庫(kù)的互聯(lián)互通 首先通過MES調(diào)用智能分析發(fā)送查詢接口請(qǐng)求參數(shù)，請(qǐng)求類型為post請(qǐng)求，參數(shù)為instId。

根據(jù)參數(shù)查詢工藝信息接口，查詢工藝信息，根據(jù)返回工藝信息字段“programIssue”查詢NC文件信息，返回文件流。根據(jù)返回的NC文件，解析出內(nèi)部的XML工藝參數(shù)文件，實(shí)現(xiàn)與MES的互聯(lián)互通。查詢工藝信息接口get請(qǐng)求示例如下。

（2）基于網(wǎng)絡(luò)采集加工程序信息和程序中的切削參數(shù)數(shù)據(jù) 支持通過RestFul API[5，6]進(jìn)行新數(shù)據(jù)自動(dòng)錄入、數(shù)據(jù)應(yīng)用反饋。接口URL：http://xxx.xxx.xxx.xxx:8080/mq-line/saveData、http://xxx.xxx.xxx.xxx:8080/mq-line/appFeedback。請(qǐng)求方式：POST。Content-Type（內(nèi)容類型）：application/json。請(qǐng)求參數(shù)與返回參數(shù)說明見表1、表2。

表1 請(qǐng)求參數(shù)說明

表2 返回參數(shù)說明

（3）質(zhì)量數(shù)據(jù)與精度數(shù)據(jù)采集 質(zhì)量數(shù)據(jù)與精度數(shù)據(jù)采用人工采集的方式，即零件加工質(zhì)量記錄模塊，界面布局與加工參數(shù)管理界面基本一致。

（4）刀具磨損數(shù)據(jù)采集 刀具磨損數(shù)據(jù)采用人工采集的方式，刀具磨損情況記錄模塊界面布局與加工參數(shù)管理界面基本一致。

3.4 切削參數(shù)價(jià)值評(píng)價(jià)機(jī)制設(shè)計(jì)

建立面向單元切削過程的單位時(shí)間利潤(rùn)率目標(biāo)函數(shù)，將成本、效率和投入的資金總量妥善結(jié)合在了一起；建立面向單元切削過程的優(yōu)化模型；建立面向技術(shù)人員的價(jià)值計(jì)算機(jī)制。

（1）建立切削參數(shù)數(shù)據(jù)量化評(píng)價(jià)模型 為評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)的優(yōu)劣，并為數(shù)據(jù)的進(jìn)化提供基本依據(jù)，數(shù)據(jù)庫(kù)針對(duì)優(yōu)化型數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)了多種數(shù)據(jù)量化評(píng)價(jià)模型，包括最低生產(chǎn)成本評(píng)價(jià)模型、最大切削效率評(píng)價(jià)模型、最大利潤(rùn)率評(píng)價(jià)模型和主觀評(píng)價(jià)模型。

（2）建立面向單元切削過程的單位時(shí)間利潤(rùn)率目標(biāo)函數(shù) 在優(yōu)化流程中，用戶可以選擇目標(biāo)函數(shù)為最大利潤(rùn)率模型，通過填入相應(yīng)的價(jià)值系數(shù)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成針對(duì)該單元切削過程的利潤(rùn)率優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。

（3）建立面向單元切削過程的優(yōu)化模型 用戶可以創(chuàng)建、存儲(chǔ)、編輯和刪除優(yōu)化案例，支持選擇工藝資源，如刀具、機(jī)床和冷卻方式等，支持根據(jù)選擇的工藝資源代入相應(yīng)的約束條件，也可以自行設(shè)定機(jī)床、刀具材料等對(duì)應(yīng)的常用切削參數(shù)范圍?？梢赃x擇特定的目標(biāo)函數(shù)，支持加工效率目標(biāo)、利潤(rùn)率目標(biāo)等，目標(biāo)函數(shù)算法可以自行編輯，選定好約束條件和目標(biāo)函數(shù)后，可以啟動(dòng)優(yōu)化算法[7，8]，通過計(jì)算能夠得到最優(yōu)的切削參數(shù)，并可將整個(gè)流程保存下來。

（4）建立面向技術(shù)人員的價(jià)值計(jì)算機(jī)制 無論是經(jīng)驗(yàn)型參數(shù)還是優(yōu)化型參數(shù)，均會(huì)附帶“工藝員”標(biāo)簽，且數(shù)據(jù)具有評(píng)價(jià)指標(biāo)和下載量指標(biāo)，可以通過統(tǒng)計(jì)特定工藝員所編制數(shù)據(jù)的評(píng)價(jià)指標(biāo)值或數(shù)據(jù)下載量來為技術(shù)人員建立價(jià)值計(jì)算機(jī)制。

（5）建立切削參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)持續(xù)進(jìn)化機(jī)制 通過評(píng)價(jià)函數(shù)在生產(chǎn)過程中不斷改進(jìn)參數(shù)，評(píng)價(jià)值高的參數(shù)會(huì)得到更優(yōu)先的推薦，以此不斷提高數(shù)據(jù)的優(yōu)化程度。

隨著技術(shù)水平和設(shè)備的升級(jí)，優(yōu)化模型的參數(shù)和約束條件不斷得到調(diào)整，并重新進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，得到新的優(yōu)化數(shù)據(jù)，并給出評(píng)價(jià)。

4 應(yīng)用效果

數(shù)據(jù)庫(kù)獲取了超過8000條切削參數(shù)數(shù)據(jù)，具備數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)工藝參數(shù)的快速查詢和調(diào)閱以及CATIA自動(dòng)推送等功能，并能夠與智能生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，實(shí)時(shí)采集生產(chǎn)線數(shù)據(jù)并進(jìn)行自動(dòng)更新，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)自進(jìn)化。數(shù)據(jù)庫(kù)通過10項(xiàng)典型零件的應(yīng)用驗(yàn)證和工藝參數(shù)優(yōu)化，證明優(yōu)化參數(shù)可實(shí)現(xiàn)加工效率提高20%以上。部分驗(yàn)證產(chǎn)品模型如圖6所示，提效情況驗(yàn)證結(jié)果如圖7所示。

圖6 部分驗(yàn)證產(chǎn)品模型

圖7 提效情況驗(yàn)證結(jié)果

5 結(jié)束語

該數(shù)據(jù)庫(kù)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速查詢和調(diào)閱，能通過與CATIA二次開發(fā)的接口，實(shí)現(xiàn)在工藝編程階段的工藝參數(shù)自動(dòng)推送，指導(dǎo)開展工藝方案的制定。同時(shí)，該數(shù)據(jù)庫(kù)還能夠與智能生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，切削參數(shù)能夠自動(dòng)采集和更新，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的自進(jìn)化。該數(shù)據(jù)庫(kù)為智能生產(chǎn)線的建設(shè)和運(yùn)行提供了有力支撐，為工藝制造水平提供了強(qiáng)力抓手。