CN109799787B - 基于数控系统的凸轮轴智能磨削工艺软件数据库系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数控系统的凸轮轴智能磨削工艺软件数据库系统，其包括工艺问题定义模块、工艺综合数据库模块、专家知识库模块、决策优化模块、自动编程模块、磨削应用模块；工艺问题定义模块依据通用化的工艺问题定义信息模型规范化要求存储若干工艺实例信息，并通过该工艺问题定义模块构建了具有数据与知识挖掘、规则知识自学习能力的其它模块；其通过西门子OEM系统开发通讯接口程序，完成整套软件的集成嵌入。本发明解决当前凸轮轴磨削加工环境复杂多变、工艺参数优化、决策困难和数控程序复杂、相似零件决策、编程效率低下等问题，可显著缩短凸轮轴零件的决策加工时间，提高加工效率，充分发挥数控机床的性能。

Description

基于数控系统的凸轮轴智能磨削工艺软件数据库系统

技术领域

本发明涉及一种基于数控系统的凸轮轴智能磨削工艺软件数据库系统。

背景技术

凸轮轴是发动机的关键零部件之一，凸轮轴的精度和质量稳定性直接影响发动机的运转稳定性、噪声和排放。目前国内制造企业虽然引进各种先进数控设备，但在数控磨削加工过程中凸轮轴的加工精度对操作人员的经验依赖比较严重，其工艺方案的确定方式绝大多数仍以传统的“试切”法和“经验”法为主，这就使得零件的加工质量在很大程度上受人工的技能和技术水平的制约，难以保证凸轮轴的加工精度的一致性和加工效率的提高。

另外加工新型材料或新零件时，需要进行大批量的磨削试验，找出一组最佳的砂轮和加工工艺参数，盲目性较大，而且凸轮轴种类繁多，在批量生产过程中，由于不同的材料、技术要求及边界条件，操作人员无法快速确定既能满足要求、又具有经济性的加工程序和加工工艺参数，使得新产品的制造和更换不同零件时，工艺参数优化和决策困难，周期长，废品率高，成本高。以上的这些问题对企业的生产、加工及创新均有非常大影响，如何把工程技术人员的丰富经验及专业知识进行归纳总结并形成规范指导生产加工，是企业迫切需要解决的问题。

为了解决这一问题，国内外对数据库和工艺软件展开了大量研究。目前国外成功应用于工业生产的大型切削/磨削工艺数据库只有以下五个：美国切削研究联合企业METCUT的MDC、德国马格德堡大学的SWS、德国切削数据情报中心的INFOS、英国约翰莫尔斯大学的IGA和美国普渡大学的GIGAS。其中前三者均为内含部分磨削工艺数据的通用切削工艺数据库，专门面向磨削加工而建立的数据库为IGA和GIGAS。

另外，上海交通大学以轴类零件为研究对象，将形象智能的理念引入到CAPP系统加工工艺设计的研究中，设计并建立了适用于加工工艺推理生成的工艺数据库。

北京工业大学对工艺软件的各种需求进行了分析，利用COM技术将数据库与设计软件进行链接，为制造业企业开发了一种通用管理CAPP系统。

兰州理工大学对西门子数控二次开发有较多的研究，开发了基于西门子840D并适用于M84125轧辊磨床的系统，其缺点是没有集成工艺经验，加工方法不能完全满足实际要求。

陕西科技大学对基于NUM的磨齿机数控系统进行了二次开发，针对YKA7232型磨齿机，通过MMITOOL软件完成了系统显示界面及控制界面的设计，并实现了图形界面与数控系统的通讯。

综上所述，目前工艺软件和数据库仍存在以下问题：

1.磨削加工数据来源较多，结构复杂，数据研究标准化规范化欠缺：数据研究分散性大、可靠性与规范性差，导致数据的可靠性和通用性不够。

2.现有工艺软件与知识库的加工工艺条件咨询/辅助系统推理机制过于单一，求解能力不强，难以用于实际指导生产。

如何提高加工工艺软件的适用性，提高机床在不同条件下工艺参数选择正确率，提高批量生产的稳定性，是目前凸轮轴制造亟需解决的难题之一。

现有的加工数据库、知识库与工艺软件大都是独立存在，与数控系统兼容性较差，更不具备与机床集成加工的功能，没有与工艺软件相配套的模型库、算法库，实用性较差。大部分工艺软件只针对数控车床和铣床开发，且模块较少，功能单一；针对数控磨削加工的集成多功能模块的工艺软件还处在研究和发展阶段。

目前的加工数据库、知识库缺乏有效的工艺数据与知识挖掘、推理技术，较难实现知识的自动更新，缺乏对规则知识的自学习能力，一旦加工环境改变，原有的工艺数据与知识不能很好地指导新工艺问题的决策。

因此，为了解决当前凸轮轴磨削加工环境复杂多变、工艺参数优化、决策困难和数控程序复杂、相似零件决策、编程效率低下等的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题之一在于针对现有技术所存在的上述不足而提供一种基于数控系统的凸轮轴智能磨削工艺软件数据库系统。

本发明所要解决的技术问题可以通过以下技术方案来实现:

一种基于数控系统的凸轮轴智能磨削工艺软件数据库系统，包括工艺问题定义模块、工艺综合数据库模块、专家知识库模块、决策优化模块、自动编程模块、磨削应用模块；其针对凸轮轴零件的加工技术要求，其工艺问题定义模块依据通用化的工艺问题定义信息模型规范化要求存储若干工艺实例信息，并通过该工艺问题定义模块构建了具有数据与知识挖掘、规则知识自学习能力的工艺综合数据库模块、专家知识库模块、决策优化模块、自动编程模块、磨削应用模块；所述凸轮轴智能磨削工艺软件数据库系统通过西门子OEM系统开发通讯接口程序，完成整套软件的集成嵌入。

在本发明的一个优选实施例中,所述工艺综合数据库模块包括实例库模块和基础数据库模块。

在本发明的一个优选实施例中,所述专家知识库模块包括凸轮轴相应的规则库和关联度分析模块。

在本发明的一个优选实施例中,所述磨削应用模块包括磨削工艺实例优选模块磨削工艺智能推理模块。

由于采用了如上的技术方案，本发明的有益效果在于：

本发明首先建立凸轮轴智能磨削工艺软件，主要包括工艺问题定义、工艺综合数据库、专家知识库、决策优化、自动编程、磨削应用等模块。然后针对凸轮轴零件的加工技术要求，建立了具有通用化的工艺问题定义信息模型规范化存储了大量工艺实例信息，构建了具有数据与知识挖掘、规则知识自学习能力的磨削工艺数据库、知识库和工艺智能决策、自动编程能力的工艺软件；最后基于西门子OEM系统开发通讯接口程序，完成整套软件的集成嵌入。解决当前凸轮轴磨削加工环境复杂多变、工艺参数优化、决策困难和数控程序复杂、相似零件决策、编程效率低下等的问题，与现有技术相比，本发明可显著缩短凸轮轴零件的决策加工时间，提高加工效率，充分发挥数控机床的性能。

附图说明

图1为本发明工艺软件的设计思路图。

图2为本发明工艺软件的体系结构图。

图3是本发明工艺数据库架构图。

图4是本发明凸轮轴智能制造工艺知识库系统架构图。

图5是本发明模型库及相应算法库研究路线图。

图6是本发明工艺智能优选与推理图。

图7是本发明工艺软件操作流程图。

图8是本发明工艺软件和数控系统及机床的集成与匹配应用流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

1.凸轮轴智能磨削工艺软件的总体设计

针对凸轮轴工艺数据源信息量大、数据频繁交叉使用的特点，构建支持机床主轴和船舶凸轮轴加工工艺参数优化决策、数控自动编程的工艺软件，其研究思路如图1所示。软件的框架包括六个模块：工艺问题定义、基础数据库、知识库、决策优化、自动编程和磨削应用。基础数据库中存储了机床、砂轮、材料、磨削液等大量数据信息；知识库中存储了机床主轴和船舶凸轮轴智能磨削过程中所用到的实例、模型、算法、规则以及图表；决策优化模块能帮助操作人员决策推理出高效率、高精度的工艺方案；自动编程磨削应用模块能将软件推理的工艺信息传递给机床，指导机床进行加工，实现智能制造。软件的体系结构如图2所示。

2.工艺综合数据库的建立

基于凸轮轴零件的工艺问题信息模型，研究并设计符合工艺问题处理要求的工艺数据库的库结构及具体的工艺数据结构。以凸轮轴的基础工艺加工过程和设备为研究对象，提出不同的生产状况和条件下的工艺数据采集方案和量化方法，获取基础工艺综合数据清单。

工艺综合数据库主要包括工艺基础数据库和零件磨削工艺实例库，其中工艺基础数据库又设计分为机床库、砂轮库、冷却液库、材料库、修整库和工艺参数库六大类字库，实例库则主要是各种典型零件的磨削实例工艺数据。工艺综合数据库模型如图3所示。

数据库的研发内容主要包括后台数据库的建立和维护以及前端应用程序的开发等两个部分。数据库的建立要求数据的一致性、完整性较强，数据安全性较好。前端应用程序的开发则要求应用程序功能相对比较完备，界面清晰，易使用等特点。

本数据库软件将采用Microsoft SQL Server来进行数据库的设计和建立、用Microsoft Visual Basic来进行软件界面的设计。

Microsoft SQL Server是一个全面的数据库平台，使用集成的商业智能(BI)工具提供了企业级的数据管理。Microsoft SQL Server数据库引擎为关系型数据和结构化数据提供了更安全可靠的存储功能，是可以构建和管理用于业务的高可用和高性能的数据应用程序。

Microsoft Visual Basic软件具有丰富的数据类型，是一种符合结构化程序设计思想的语言。编程者利用Microsoft Visual Basic软件经过界面设计、编写代码、调试程序，直至把应用程序编译成可在Windows、西门子数控系统中运行的可执行文件，并为它生成安装程序。

3.工艺综合数据库的开发与建立

在工艺实例库和基础数据库的基础上，建立基于凸轮轴的专家知识库系统模型，研究其库结构及数据结构，建立相应的规则库和关联度分析模型。结合实例库和规则库，建立整个工艺路线上的典型工艺专家知识库，研究专家知识库的管理技术，解决工艺实例及知识重用问题。

针对凸轮轴建立的专家数据库系统能够高效的实现加工工艺优化与实施。数据库中重要参数的数据来源可为生产厂家、机床厂家、砂轮厂家提供的相关参数，也可为磨削实验、磨削文献中的经验参数。同时还可以是在进行实例加工中，通过自学习工艺参数优化功能模块，积累的工艺数据。如图4所示。

在工艺数据库以及模型库、算法库的基础上，利用Visual Basic开发前台操作界面，通过ODBC通信协议以及ADOC控件与后台的数据库相连，建立凸轮轴的知识库系统，主要用于凸轮轴智能磨削知识信息存储以及演示。知识库系统的大体框架包括四个模块：实例库、模型库、算法库、规则库，存储了凸轮轴智能磨削过程中所用到的实例、模型、算法、规则以及图表，具有完整的增、删、改、查功能，具有高稳定性高效率等特点。

4.工艺参数优化模型库及算法库的建立

以磨削质量、磨削效率和加工成本等为不同约束目标，建立凸轮轴工艺参数优化模型，针对不同优化模型，研究最合适的优化算法。结合国内外现有相关工艺参数优化、磨削经验模型以及本项目建立的优化模型，建立模型库。基于模型库和推理机制，结合相关算法，建立相应的算法库，并开发通讯接口实现模型库和算法库的相互调用。

用VB程序语言对基于实例与规则的混合推理机制、数控自动编程技术、工艺参数优化决策等模型算法进行编制，再利用Access进行模型库、算法库的开发，并将其存储为过程输入到模型库、算法库中，研究路线如图5所示。

1)实例推理模型的建立：基于实例推理的方法本质是通过早前经验的重用来解决当前相似问题。即当需要解决一个新问题时，按照一定的匹配策略在实例库(旧问题集)中检索与新问题相似的旧实例，将其作为最适合新问题的建议解。经过适当的调整后，确保该建议解能够与新问题吻合，获得新问题的确认解。将确认解应用于实际加工过程，由确认解与新问题一起组成新的实例，并根据评判策略来判断该条实例是否满足更新到实例库的要求。若满足，则将其加入实例库中，实现实例库规模的自动扩充与解决新问题能力的提升。

2)遗传神经网络模型的建立：当实例推理模型无法为当前新工艺问题提供较为匹配的工艺实例时，采用分层过滤机制读取实例库中与当前工艺问题较为匹配的旧实例集，训练遗传神经网络模型。将当前工艺问题导入遗传神经网络输入层，非线性映射出与之对应的部分磨削工艺参数。

3)规则推理模型的建立：采用混合推理策略设计磨削工艺规则推理模型，由于目的规则的数量远远小于非目的规则的数量，若规则库中规则较为充分，首先进行反向推理，即可推理获得大部分结果。推理成功的规则其结论加入已知事实，同时该规则被激活，下一轮推理不再参与其中。规则推理停止推理的判断依据为，若在某一轮推理循环中，没有任何规则被激活，则推理循环终止。

5.磨削工艺智能优选与推理

在定义磨削加工工艺问题后，将待加工工件工艺问题予以编码。利用粗糙集理论得到最具分类能力的特征集。将最具分类能力特征集中的特征属性进行特征等级的划分，并与层次分析法综合应用后自动计算出各特征等级及其所包含特征属性所对应的权重大小。依据基于实例的推理方法，依次进行实例检索、重用、修改、评价，获得与当前工艺问题最为匹配的工艺实例集，最终智能判别当前工艺实例是否需要回收来实现实例库的自动扩充。若磨削工艺智能优选无法获得操作人员满意的工艺实例集(实例库中实例与该工艺问题的综合评价因子过低，没有达到设定阈值)，系统自动启动磨削工艺智能推理。具体过程如图6所示。

6.工艺软件的开发

利用VB开发前台操作界面，通过ODBC通信协议以及ADO控件与后台的数据库、知识库、工艺基础数据库相连，建立支持船舶凸轮轴加工工艺参数优化决策、数控自动编程的工艺软件，系统主要包括以下模块：基础数据库中存储了机床、砂轮、材料、磨削液等大量数据信息；知识库中存储了船舶凸轮轴智能磨削过程中所用到的实例、模型、算法、规则以及图表；决策优化模块能帮助操作人员决策推理出高效率、高精度的工艺方案。

围绕工艺软件的四大模块，建立了凸轮轴智能制造的工作流程，实现软件决策优化、自动编程等功能。如图7所示，整个过程主要包括：

(1)用户通过授权后，通过登录界面进入系统主界面；

(2)进行加工要求的定义；

(3)进入实例优选模块获取与新工艺问题相似的旧实例；

(4)如果得不到相似的旧实例则进入工艺推理模块，利用编写的算法程序得到优化的工艺参数；

(5)进入自动编程模块，生成带有决策优化后的工艺参数的中间文件；

(6)根据磨削加工环境、砂轮的型号及工艺参数，结合当前数控系统类型进行后置处理，生成NC代码，并传递给数控机床指导实际加工。

7.工艺软件与凸轮轴数控磨床的集成应用

为了提高工艺软件在凸轮轴数控磨床上的兼容性，利用VB软件对系统界面风格、变量访问、参数计算进行设计，利用VC++软件进行动态链接、语言转换支持、数控面板按键的开发，再利用OEM软件开发工艺软件与数控系统之间的数据通信接口程序，研究编制相应的配置文件，实现程序的嵌入和通讯，完成工艺软件与凸轮轴数控磨床的集成调用，如图8所示。针对船舶凸轮轴磨削加工的特点我们共开发研究工艺软件与西门子840d数控系统的集成应用。西门子840D数控系统通过VB语言开发磨削系统界面，根据使用的要求编制用于特殊复杂计算的子程序和开发特殊的图形界面；利用VC语言编制和西门子数控系统相联系的动态数据链接库，利用西门子数控系统开发环境和提供的VB、VC接口将我们开发的凸轮轴磨削工艺软件包集成到西门子系统。

(1)软件内部参数接口

NCU和PLC的的访问和修改通过NCDDE服务器进行通讯。

通过Label1控件读取数控机床1坐标轴程序：

Label1.LinkTopic＝"ncdde|ncu840d"

Label1.LinkItem＝"/channel/MachineAxis/actToolBasePos[1](""！d％11.4lf"")"

Label71.LinkMode＝1

通过Text1控件读取数控机床R1参数程序：

Text1.LinkTopic＝"ncdde|ncu840d"

Text1.LinkItem＝"/channel/parameter/R[1](""！d％11.0lf"")"

Text1.LinkMode＝2

上传：Text1.LinkRequest

修改：Text1.LinkPoke

(2)软件内部程序接口

软件可自动编程升程程序，生成好的程序后缀名为“.spf”,存储在"f:\dh\spf.dir\"文件夹下。通过数控系统可直接选择程序进行磨削。

(3)配置文件的说明与编写

软件嵌入到西门子840D数控系统上需配置以下6个文件:REGIE.INI，MMC.INI，oembsp1.INI(oembsp1为新建工程)，oembsp1.MDI，oembsp1.ZUS以及oembsp1.DLL。

REGIE.INI是对基本模块、应用程序、动态链接库以及VBX(Visual BasiceXtension)文件的柔性管理的控制文件，已经进行了标准化设置，进行凸轮轴磨床软件开发时，大部分可沿用标准界面框架控制，只需改动一些特殊的设置。Regie将开发的应用程序嵌入到Siemens标准的HMI(Human-Machine Inter-face)系统中，就可以实现OEM软件的二次开发。MMC.INI和oembsp1.INI为初始化文件。MMC.INI是整个人机通信部分的全局初始化文件，它包含用户所有的特定设定，可在此设定R参数的访问权限、颜色、语言、屏幕分辨率、系统时间以及一些附加信息，一般取其默认设置。oembsp1.INI是整个工程的初始化文件，负责工程文件的初始化。oembsp1.MDI用写字板编辑，包含了各子窗口的名字、子窗口的类型、预处理措施、注释等信息。oembsp1.ZUS状态表记录着应用程序的所有状态和行为，通过状态量的设置来对其进行控制。每一个状态的结构一般是一个17*8的矩阵表，每行对应着一个状态序号，由状态/动作、入口等级、水平键文本、垂直键文本、子窗口、返回值、标识符、注释组成。oembsp1.DLL是语言动态链接库文件,它是用VC++编辑的,语言动态链接库文件主要用来存储软件文本。

(4)相关文件存放位置

工艺软件存放在“OEM\HMI-Advanced\oem”目录下。相关配置文件OEMBSP1.INI存放在“OEM\HMI-environment\HMI-Environment\OEM Samples\oembsp1”下。OEMBSP161MDI、OEMBSP1.ZUS存放在“OEM\HMI-Advanced\oem\OEMBSP1”。OEMBSP1.INI存放在“OEM\HMI-Advanced\oem”。oembsp1.DLL存放在“OEM\HMI-Advanced\oem\LANGUAGE”

9.凸轮轴磨削加工工艺参数验证试验

以凸轮轴为对象，通过工艺试验对经过专家知识库和工艺软件决策优化的工艺参数及自动生成的数控代码进行验证，对试验过程中的加工精度、表面质量等加工结果进行检测。

采用凸轮轴智能磨削工艺软件的工艺优化决策与自动编程功能，用于生产玉柴6K系列凸轮轴、无锡动力WD系列凸轮轴、以及Man-DSC系列凸轮轴等三十余种类型的船舶发动机凸轮轴，极大的缩短了新产品的工艺参数决策调整时间，原来更换一个新产品，从工艺人员分析产品工艺特性，到初步制订工艺参数和磨削程序，再到试磨、检验、修改优化、再试磨、再优化，一般耗时1-2天，采用该工艺软件后，只需要输入相关技术参数，直接运用软件推导的工艺参数和磨削程序，就能够良好的加工效果，累计加工新产品31种，其中30种零件的推导数据正确，正确率达到96.8％，全过程只需要3-4小时，决策效率提高了2-4倍。对所有加工产品的工艺参数进行了优化，对加工程序进行调整，单件产品的加工效率提高20％以上，最多的提高效率35％，充分发挥了设备的工艺制造能力，实现了节能生效。

Claims (1)

1.一种基于数控系统的凸轮轴智能磨削工艺软件数据库系统，其特征在于，包括工艺问题定义模块、工艺综合数据库模块、专家知识库模块、决策优化模块、自动编程模块、磨削应用模块；其针对凸轮轴零件的加工技术要求，其工艺问题定义模块依据通用化的工艺问题定义信息模型规范化要求存储若干工艺实例信息，并通过该工艺问题定义模块构建了具有数据与知识挖掘、规则知识自学习能力的工艺综合数据库模块、专家知识库模块、决策优化模块、自动编程模块、磨削应用模块；所述凸轮轴智能磨削工艺软件数据库系统通过西门子OEM系统开发通讯接口程序，完成整套软件的集成嵌入；

所述工艺综合数据库模块包括实例库模块和基础数据库模块；

所述专家知识库模块包括凸轮轴相应的规则库和关联度分析模块；

所述磨削应用模块包括磨削工艺实例优选模块磨削工艺智能推理模块；

在定义磨削加工工艺问题后，将待加工工件工艺问题予以编码。利用粗糙集理论得到最具分类能力的特征集。将最具分类能力特征集中的特征属性进行特征等级的划分，并与层次分析法综合应用后自动计算出各特征等级及其所包含特征属性所对应的权重大小。依据基于实例的推理方法，依次进行实例检索、重用、修改、评价，获得与当前工艺问题最为匹配的工艺实例集，最终智能判别当前工艺实例是否需要回收来实现实例库的自动扩充。

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