（江蘇信息職業(yè)技術學院，無錫 214153）

透平葉片是透平機械的核心零件之一，因其復雜的曲面造型、高強度、硬度和剛度等難加工性為機械加工所重視[1]，但目前葉片加工體系不夠完善，切削用量的選用主要依靠以往經(jīng)驗的積累，而且在葉片工藝流程中，應對切削加工過程中葉片變剛度特點所采取的措施還有待加強。目前針對葉片加工中變剛性特點與切削力要求的關系所進行的研究和生產(chǎn)實踐應用較少。因此，通過對葉片剛性和切削力要求進行研究，探討葉片加工的切削參數(shù)合理性，并建立面向葉片切削加工工藝過程的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，對葉片加工切削參數(shù)進行系統(tǒng)性管理，對提高葉片加工效率和切削參數(shù)可靠度具有非常重要的意義[2-3]。因此，本文通過分析葉片的切削加工性，運用Visual Basic編程語言開發(fā)了葉片變切削工藝數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

1 工藝數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)總體設計

1.1 系統(tǒng)功能設計

系統(tǒng)功能設計即系統(tǒng)在給定條件下需要達到的要求和實現(xiàn)的目標。不論數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)如何復雜，其功能都可以簡單地概括為:輸入已知因素，加入一些約束條件后得到未知信息。這種功能實現(xiàn)過程可以是簡單的，也可以是由多個簡單功能過程復合而成的復雜過程。例如對于葉片切削工藝數(shù)據(jù)庫，輸入刀具某個屬性信息，刀具編號或刀具名稱等查詢條件進行精確或模糊查找，可以輸出相應刀具的更多詳細信息，這是簡單功能的實現(xiàn)過程。如果輸入工件材料和加工方式等信息，得到切削用量的輸出結果，這個過程則需要工件材料信息、刀具信息和加工要求等簡單功能的互相輔助才能實現(xiàn)，因而是復合功能[4-5]。系統(tǒng)功能設計示意圖如1所示。

圖1 系統(tǒng)功能設計示意圖Fig.1 Schematic diagram of system function design

對于本系統(tǒng)而言，輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)在不同條件下可以互相轉(zhuǎn)化，即作為某個功能的輸入條件也可以是另一個功能實現(xiàn)的輸出條件。簡單功能模塊包括數(shù)據(jù)查詢、用戶管理和數(shù)據(jù)管理功能。在復合功能模塊中，主要是相似切削力計算、切削參數(shù)智能推薦、相似實例推薦和工藝卡片的輸出。具體功能設計如下[6]:

（1）通過已知條件的輸入，對葉片加工中基礎設備和參數(shù)信息進行查詢和管理。

（2）通過試驗得到基準刀具的切削力規(guī)律，利用相似理論和銑削力模型進行相似材料刀具的切削力計算，實現(xiàn)未知刀具的切削力預測。

（3）根據(jù)切削力公式模型，分析切削參數(shù)的推薦方法，研究葉片的剛性變化特點，通過切削力和葉片加工變形的關系分析，對葉片進行變剛性區(qū)域劃分，實現(xiàn)智能化區(qū)域推薦變切削參數(shù)。

（4）利用推理技術查找實例庫中相似的加工工藝，查看匹配程度，根據(jù)是否符合需要進行數(shù)據(jù)庫實例的修改和保存，更新實例庫工藝實例，實現(xiàn)加工工藝的調(diào)用。

（5）輸出葉片工藝卡片功能，包括工藝工序卡片，含有程序單代號、刀具明細等細節(jié)程序單，實現(xiàn)將工藝單輸出到數(shù)控加工工藝卡片和程序單中，以完成工藝的順利調(diào)用。

1.2 系統(tǒng)結構設計

從功能模塊和信息之間的聯(lián)系性來說，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)需要進行兩個部分的設計，分別為數(shù)據(jù)庫設計和知識庫設計[7-10]，如圖2所示。一般數(shù)據(jù)庫中存儲的大量信息只是對數(shù)據(jù)信息的單純存儲，如通過各個數(shù)據(jù)表對加工方式、工件材料和機床信息的存儲，這些數(shù)據(jù)表針對各實體進行信息存儲，而彼此之間沒有明確的規(guī)則和推理性。知識庫則是針對工件、刀具、機床和切削用量等信息之間的聯(lián)系性，把具有規(guī)則和推理性的專家知識進行一定規(guī)律的存儲管理。

圖2 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結構Fig.2 Database system structure

將宏觀系統(tǒng)結構進行具體細化，可以得到功能子模塊以及由各個子模塊組成的總體系統(tǒng)結構圖，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)結構設計Fig.3 System structure design

登錄:輸入登錄信息，驗證通過后可以進入系統(tǒng)，系統(tǒng)會根據(jù)登錄信息的用戶權限賦予其相應的功能。作為部門管理員可以對系統(tǒng)內(nèi)的葉片切削參數(shù)信息進行更新處理，但普通用戶則無此權限，只能對葉片基本信息查看和調(diào)用。這里的登錄信息由用戶管理模塊進行管理，高級管理員可以對一般管理員和普通用戶進行信息增刪和權限設置。

基礎數(shù)據(jù):這是后臺數(shù)據(jù)庫的基礎數(shù)據(jù)，主要來源于企業(yè)的實際生產(chǎn)經(jīng)驗、刀具廠商提供的刀具手冊、書本理論的切削手冊和試驗中積累的數(shù)據(jù)。雖然目前的數(shù)據(jù)來源是以各類手冊為主，但最終會不斷通過完全可靠的生產(chǎn)實踐數(shù)據(jù)來源進行更新，完善數(shù)據(jù)可靠性。

數(shù)據(jù)管理:該模塊中包括對工件材料、機床、刀具、規(guī)則庫和實例庫等各個基礎庫的管理功能，實現(xiàn)對基本信息查詢、增加和刪除等，維護基礎數(shù)據(jù)與實際的一致性，并盡可能避免基礎庫中數(shù)據(jù)的冗余和不一致性，否則在進行數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)其他功能實現(xiàn)時，會因為數(shù)據(jù)冗余而造成運行緩慢，因為數(shù)據(jù)不一致和不完整造成運行錯誤和系統(tǒng)漏洞。所以基礎數(shù)據(jù)庫是復合功能準確有效實現(xiàn)的基礎，必須保證其準確度。

參數(shù)智能推薦:該模塊涵蓋切削力計算和切削參數(shù)推薦，即相似定理實現(xiàn)相似材料刀具切削力的計算和利用銑削力公式推薦切削參數(shù)。變切削參數(shù)推薦是葉片銑削加工中基于葉片變剛性特點，對葉片結構變剛性分析后進行區(qū)域劃分，通過輸入葉片參數(shù)，得到類似結構葉片。根據(jù)用戶限制的葉片加工變形量要求，實現(xiàn)基于剛性條件約束的智能推薦變切削參數(shù)，改善葉片薄弱環(huán)節(jié)的加工精度。

葉片工藝推薦:葉片工藝推薦模塊采用規(guī)則和實例混合推理的方法對葉片相似工藝實現(xiàn)推薦，根據(jù)葉片實體整體相似度，為用戶推薦最相似的工藝實例，同時包含工序卡片和程序單輸出的附加模塊，使工藝調(diào)用更加方便。

2 葉片相識度計算

實例相似度包括局部相似度和整體相似度。整體相似度是對局部相似度分配加權系數(shù)得到。局部相似度是指兩個葉片工藝實例的某個屬性在不同屬性值域時的相似度，數(shù)學符號記為sim(x,y)，其中x和y是葉片某屬性的取值。局部相似度常見的分類方法有無關型、數(shù)值型、枚舉型等。本文以葉片為例，葉片屬性相似度計算多為枚舉型，枚舉型屬性局部相似度通過枚舉函數(shù)得到:

為了使計算更加可靠，本文對枚舉類型的屬性通過對定性值域進行定量轉(zhuǎn)變，如對葉片加工精度和加工型面進行賦值后再進行枚舉函數(shù)計算。通過上述計算方法，對切削數(shù)據(jù)庫的實例屬性進行主要局部相似度計算:

（1）加工精度要求。葉片加工過程中的加工精度要求有3種屬性值域，粗加工、半精加工和精加工。該屬性的局部相似度計算屬于枚舉型。為達到通過函數(shù)計算相似度的目標，分別給屬性取值賦實數(shù)數(shù)值，粗加工賦值為1，半精加工賦值為2，精加工賦值為3，然后通過公式（2）計算相似度，結果如表1所示。

式中，M表示所有屬性賦值中的最大值，根據(jù)實際賦值的大小確定，此處的值是指精加工賦值3。

表1 加工精度要求局部相似度

（2）加工型面要求。加工型面相似度的確定依據(jù)兩方面信息:一是葉片不同加工型面位置（主要是葉身部分）抵抗變形的能力；二是對葉片各型面進行加工時換刀的交叉性。表2為葉片加工型面相似度的計算結果。

3 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的開發(fā)與運行

3.1 開發(fā)與運行環(huán)境選擇

數(shù)據(jù)庫開發(fā)與運行環(huán)境選擇影響到數(shù)據(jù)庫設計，本文的數(shù)據(jù)庫開發(fā)與運行的環(huán)境為:

開發(fā)環(huán)境:操作系統(tǒng)為windows 7，32位

表2 加工型面局部相似度

開發(fā)語言:Visual Basic 6.0

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng):Oracle11g

3.2 系統(tǒng)的登陸

進入系統(tǒng)的主窗體運行界面，點擊登陸會進入身份驗證模塊，系統(tǒng)根據(jù)用戶的身份類型進行權限分配，授予不同功能模塊的權限。

3.3 數(shù)據(jù)查詢模塊運行

對切削工藝數(shù)據(jù)庫的基礎功能主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)查詢模塊，上述已經(jīng)概括性敘述了系統(tǒng)功能各個子模塊的實現(xiàn)目標。數(shù)據(jù)查詢功能的子模塊包括刀具、機床、加工方式和工件材料庫的查詢功能。

3.4 數(shù)據(jù)庫管理模塊運行

數(shù)據(jù)管理模塊是對基礎數(shù)據(jù)庫的添加和刪除等更新操作，需要管理員的權限才可以進行數(shù)據(jù)更改。該模塊包含對基礎數(shù)據(jù)庫中4個子模塊的管理，同時因為規(guī)則和實例推理的基礎數(shù)據(jù)是以數(shù)據(jù)庫的形式進行存儲的，所以需要相應的增加規(guī)則庫和實例庫的管理功能。

3.5 切削參數(shù)智能推薦

切削參數(shù)智能推薦包含相似材料刀具的切削力計算、基于切削力和葉片變形擬合進行葉片不同位置切削力推薦，最后實現(xiàn)切削參數(shù)的智能推薦。

相似切削力功能只需要輸入刀具的密度、硬度、強度參數(shù)和切削力要求便可以實現(xiàn)切削力計算。由于刀具物理性能參數(shù)一般不容易獲得，所以只需要幾何結構相同的兩刀具的編號即可從數(shù)據(jù)庫調(diào)用參數(shù)計算。

基于葉片剛性變化的變切削力和切削參數(shù)推薦功能，根據(jù)輸入葉片型線、尺寸規(guī)格類型和不同位置的刀具選擇，智能調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的切削力和變形量擬合公式以及切削力模型，推薦合理的參數(shù)。程序運行過程如圖4所示。

3.6 相似工藝推薦

圖4 切削參數(shù)智能推薦Fig.4 Cutting parameters intelligent recommendation

運用規(guī)則和實例相結合的推理技術，根據(jù)輸入條件，進行葉片工藝實例庫的相似推薦，查詢最相似的實例，并顯示對應的相似度。由于運行時采用刀具編號選擇的方法，為了更加方便和直觀查看具體的刀具信息，提供刀具詳細信息查看功能，滿足用戶查找時對結果的直觀判斷。實例推薦只要是刀具—工件—精度—型面輸入條件后通過整體相似進行對比查找得出切削用量值。對于相似度不滿足要求的實例，可以利用切削參數(shù)推薦的功能模塊進行實例修改，實現(xiàn)不斷更新解決方案的目的。工藝實例則是針對葉片—工件材料—類型，提供工藝流程和數(shù)控程序段代碼的推薦，提高實際生產(chǎn)工藝制定的效率和準確度。

實例推薦會給出相應的相似度，提供實例修改和保存功能。實例修改和保存比較復雜，目前提供的是當相似實例刀具和工件材料不完全匹配，而數(shù)據(jù)庫中存在目標刀具的切削力模型時，可以進行相關參數(shù)修改和保存，運行界面如圖5所示。

圖5 實例修改和保存Fig.5 Example modification and preservation

3.7 工藝卡片輸出

對查詢到的工藝提供輸出工藝卡片功能，包括工藝過程卡、每個工序的工序卡片和對應數(shù)控程序段的數(shù)控加工程序單輸出，數(shù)控加工工序卡的運行舉例如圖6葉身綜合銑工序所示。

圖6 數(shù)控加工工序卡Fig.6 CNC machining process card

4 結論

本文通過對葉片加工工藝和數(shù)據(jù)庫開發(fā)技術的學習，在Oracle數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，通過Visual Basic編程語言進行葉片切削工藝數(shù)據(jù)庫的開發(fā)，在功能上實現(xiàn)面向葉片工藝變切削參數(shù)智能推薦、相似工藝實例推理和數(shù)控加工工序卡片、程序清單的輸出，提高葉片加工工藝的制定效率和準確性。

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