羅曉琳

(淄博職業(yè)學院，山東 淄博 255000)

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基于云計算的農(nóng)機部件數(shù)字化車間集成技術研究

羅曉琳

(淄博職業(yè)學院，山東 淄博 255000)

為了提高農(nóng)機加工的現(xiàn)代化和數(shù)字化水平，降低設計成本、縮短設計周期、提高農(nóng)機部件的加工質(zhì)量，結(jié)合復雜零件CAD/CAPP/CAM 集成系統(tǒng)，采用數(shù)字化虛擬仿真技術，提出了一種基于云計算平臺的農(nóng)機數(shù)字化車間集成技術，并提出了基于葉貝斯分類算法的云資源優(yōu)化配置算法。該技術平臺通過統(tǒng)一的零件模型信息源實現(xiàn)了零件幾何信息和非幾何信息的共享，改進了傳統(tǒng)的 CAD、CAPP、CAM 系統(tǒng)的不足，簡化了其數(shù)字化制造工作，大大提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率。以農(nóng)機部件的數(shù)字化加工虛擬仿真為例，對農(nóng)機部件加工刀具軌跡進行了平臺測試，結(jié)果表明：利用平臺的云搜索功能可以有效地確定刀具走刀方式，生成刀具軌跡，對農(nóng)機現(xiàn)代化加工水平的提高具有重要的意義。

農(nóng)機部件；數(shù)字化車間；集成系統(tǒng)；云計算；葉貝斯分類

0 引言

隨著農(nóng)機制造產(chǎn)業(yè)競爭的日益加劇，產(chǎn)品的更新?lián)Q代、設計周期的縮短和可以定制模式的形成，給農(nóng)機制造業(yè)帶來了巨大的競爭壓力，也促使數(shù)字化車間集成技術的產(chǎn)生。數(shù)字化農(nóng)機車間是在互聯(lián)網(wǎng)的支持下，采用計算機虛擬仿真技術，以群組協(xié)作的工作方式，從產(chǎn)品的設計制造到三維可視化展示，從用戶需求到交互式技術交流，來模擬和預測產(chǎn)品的功能、性質(zhì)和可加工性。數(shù)字化車間改變了傳統(tǒng)的農(nóng)機加工規(guī)劃設計理念，將設計的步驟規(guī)劃從云平臺共享資源著手，利用云平臺的計算機輔助軟件資源，提供精確可靠的加工工藝設計，在農(nóng)機加工時間、質(zhì)量和成本上，都具有無可比擬的優(yōu)越性。

1 云計算服務的農(nóng)機數(shù)字化車間模式

網(wǎng)絡集成IT服務是云計算的基本特征，包括云計算平臺的基礎服務設施(Infrastructure as a Service，IaaS)、平臺服務(Platform as a Service，PaaS)和軟件服務(Softwareas a Service，SaaS)3種服務模式。將傳統(tǒng)的農(nóng)機數(shù)字化產(chǎn)品設計利用互聯(lián)網(wǎng)服務交付給客戶，基本框架如圖1所示。IaaS利用互聯(lián)網(wǎng)為用戶提供基礎設施，是最底層的服務，并針對客戶對于農(nóng)機數(shù)字化設計的需求，提供存儲資源和服務器。SaaS應用軟件服務提供給數(shù)字化車間使用的用戶，用戶按照實際使用的服務資源支付費用。SaaS為用戶提供Web軟件租用服務，并負責服務的維護和管理，從而降低了數(shù)字化云車間企業(yè)用戶的成本。

圖1 云計算基本架構

本研究結(jié)合OpenGL構建農(nóng)機車間的三維數(shù)字化場景，通過對農(nóng)機部件加工信息的捕捉，利用OpenGL渲染技術，構建三維設計場景，并使用三維設計軟件建立農(nóng)機部件的三維模型，最后設計數(shù)字化車間的數(shù)據(jù)庫，供云平臺共享使用,如圖2所示。

圖2 農(nóng)機數(shù)字化車間系統(tǒng)組成框架

圖3表示農(nóng)機數(shù)字化車間設備集成的機床三維渲染場景，利用三維渲染軟件可對農(nóng)機加工設備進行合理的資源優(yōu)化配置。為了使資源進行有效的分類和優(yōu)化配置，引入了基于貝葉斯的農(nóng)機數(shù)字化云計算集成模型。

圖3 機床識別三維渲染

2 農(nóng)機數(shù)字化云計算集成模式

資源的有效分類可以較大程度地提高農(nóng)機云計算服務平臺的效率，貝葉斯算法是當前使用較多的一種智能分類算法，常用的貝葉斯判別決策算法有最大后延概率準則(MAP)和極大似然比準則(ML)。對于一個農(nóng)機數(shù)字化車間，其云存儲的資源數(shù)據(jù)庫可以共享，對于一個c類資源的分為問題，其分類的空間模型可以表示為

(1)

該分類的特性向量為

(2)

農(nóng)機數(shù)字化云資源的分類判別函數(shù)可以表示為

(j=1,2,…,c且j≠i→w∈wi)

(3)

(j=1,2,…,c且j≠i→w∈wi)

(4)

(j=1,2,…,c且j≠i→w∈wi)

(5)

(j=1,2,…,c,且j≠i→w∈wi)

(6)

假設某一數(shù)字化農(nóng)機制造車間一共有3組設計資源數(shù)據(jù)，每一組都是一個單獨的資源類別，每組有50個加工制造資源，每組的每個數(shù)據(jù)都是四維向量，則其分類空間為

Ω={w1,w2,w3}

(7)

表特性的向量為

(8)

將每個數(shù)據(jù)看作是一個具有4維特征的觀察樣本，則

(9)

假設每類數(shù)據(jù)的每維都的分別服從正態(tài)分布，即

(j=1,2,3,4;p=1,2,3)

(10)

根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計理論，樣本的修正值和均值分別為μ和σ2的無偏估計量，故可近似求得μ和σ2為

(11)

(j=1,2,3,4;p=1,2,3)

(12)

貝葉斯決策規(guī)則選取

(j=1,2,3,且j≠i→w∈wi)

(13)

由于不同維度數(shù)據(jù)兩兩獨立，則

(j,i=1,2,3,且j≠i)

(14)

設置門限值為

(15)

其中，Nj和Ni表示待分類樣本j類數(shù)據(jù)和i類的個數(shù)。通過比較門限值的大小來判斷所屬類別，最后計算分類的準確性。

數(shù)字化農(nóng)機車間的云計算平臺的基礎是數(shù)據(jù)庫的建立，本次采用UG NX對數(shù)據(jù)庫進行建設，并以農(nóng)機部件的加工刀具軌跡仿真模擬為條件，其步驟如下：

1)刀具路徑。刀具路徑可以采用UG-NX的POST后處理進行輸出，可以通過參數(shù)化輸入。

2)農(nóng)機部件的加工管理。加工管理器可以使用UG-NX提供事件驅(qū)動器，其流程如圖4所示。

圖4 農(nóng)機部件加工管理流程

農(nóng)機部件的加工管理流程基本步驟是將包含有刀具軌跡的文件輸入到事件生成器中，通過加工管理來對事件進行處理，并對機床進行定義，最后輸出加工刀具軌跡。

利用云平臺對農(nóng)機部件進行加工，構建數(shù)字化車間，首先要構建加工工藝系統(tǒng)的仿真環(huán)境，其具體流程如圖5所示。

圖5 基于云平臺的農(nóng)機部件加工流程

具體步驟為：

1)搜索云平臺共享資源。首先搜索云平臺共享數(shù)據(jù)，確定農(nóng)機部件加工使用的機床型號、結(jié)構尺寸、運動機理，確定刀具和夾具等。

2)建立用戶文件，設置CNC系統(tǒng)，建立機床的運動模型。

3)建立幾何模型。利用VERICUT建立機床模型，利用CAD建立農(nóng)機加工件的幾何模型。

4)建立刀具的數(shù)據(jù)庫。

5)在部件云資源中添加機床、夾具、刀具幾何模型，并進行相關定位。

6)定義控制系統(tǒng)。

7)編制程序進行調(diào)試。

8)對云平臺進行檢測。

9)完善云平臺系統(tǒng)。

通過以上步驟，便可以初步建立基于云計算的農(nóng)機數(shù)字化車間的虛擬仿真平臺。

3 農(nóng)機數(shù)字化車間虛擬仿真技術測試

以數(shù)字化設備集成車間為例，以農(nóng)機部件的刀具加工軌跡為研究對象，對基于云計算的農(nóng)機數(shù)字化車間虛擬仿真平臺進行了測試。農(nóng)機數(shù)字化設備車間如圖6所示。

圖6 農(nóng)機數(shù)字化設備集成車間

利用云計算資源平臺，可以對具有相似特性的加工內(nèi)容進行選擇，利用云平臺搜索得到的資源信息如表1所示。

表1 云平臺農(nóng)機部件加工信息列表

Table 1 The processing information list of agricultural machinery parts in cloud platform

機型銑農(nóng)機部件箱體上平面銑刀盤轉(zhuǎn)速/r·min-1進給/mm·min-1機床7S60銑農(nóng)機部件件箱下平面銑刀盤30060026M龍銑7S60粗鏜軸承孔鏜刀盤30060026M龍銑

續(xù)表1

通過對不同加工工序的云平臺資源搜索，可以得到結(jié)構復雜和工藝繁瑣的零部件加工工藝的相似特性，90%可以使用原來的工藝。最終確定刀軌的方式如圖7所示。

圖7 刀軌方式選擇

在云共享平臺對刀軌的類型進行選擇，通過選擇不同的刀軌類型，根據(jù)農(nóng)機部件模型的加工相似特性，直接選擇走刀方式，在三維零件上形成走刀軌跡，如圖8所示。

圖8 農(nóng)機部件加工走刀軌跡

圖8集合了不同的加工走刀方式，從而驗證了云共享平臺在農(nóng)機數(shù)字化車間設備集成技術中應用的可行性。

4 結(jié)討和討論

采用云平臺資源共享集成技術和CAD/CAPP/CAM 集成系統(tǒng)，結(jié)合數(shù)字化仿真技術，提出了一種現(xiàn)代數(shù)字化農(nóng)機加工集成車間技術，并設計了了基于葉貝斯分類算法的云資源優(yōu)化配置算法。平臺可以對零件和機床的資源進行共享，彌補了傳統(tǒng)的CAD、CAPP、CAM 系統(tǒng)的不足，有效地提高了企業(yè)數(shù)字化設計的工作效率。以農(nóng)機部件建工的刀具軌跡生成為測試對象，對平臺進行了測試，結(jié)果表明：平臺可有效地搜索加工資源數(shù)據(jù)，并生成刀具加工軌跡。該技術平臺還有待進一步的完善，由于時間和篇幅限制，只針對刀具加工軌跡對其進行了測試，今后的研究需要對其功能進行進一步測試，驗證其對不同農(nóng)機部件加工的適應性和可靠性，以便于其在農(nóng)機數(shù)字化車間設計過程中進行技術推廣。

[1] 巫佳.中小企業(yè)實施云計算ERP探析[J].中國包裝工業(yè),2012(9):49-50.

[2] 王煉,黃新,馬飛.中小物流企業(yè)云服務系統(tǒng)設計研究[J].物流技術,2013,32 (1):234-236.

[3] 呂琳.數(shù)字化制造技術國內(nèi)外發(fā)展研究現(xiàn)狀[J].產(chǎn)業(yè)透視,2009,76(3):2-4.

[4] 高群,董蕾.ERP 質(zhì)量管理模塊的設計[J].計量與測試技術,2013,40(3):55-58.

[5] 佚名.SaaS ERP:云計算下的光明前途[J].網(wǎng)絡與信息,2012,26 (7):51.

[6] 張云霞.基于云計算模式的ERP企業(yè)管理信息系統(tǒng)分析[J].信息安全與技術,2013,36(2):47-49.

[7] 賀瑤,王文慶,薛飛.基于云計算的海量數(shù)據(jù)挖掘研究[J].計算機技術與發(fā)展, 2013,23(2):69-72.

[8] 丁巖,楊慶平,錢煜明.基于云計算的數(shù)據(jù)挖掘平臺架構及其關鍵技術研究[J].中興通訊技術,2013,19(1): 53-60.

[9] 陳紅彬.淺談制造業(yè)從數(shù)字化制造到企業(yè)信息化[J].管理,2011, 24(11):1-2.

[10] 胡海明,呂琳.淺談數(shù)字化制造技術[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2009, 22(1):1-3.

[11] 康玲,陳桂松,王時龍,等.云制造環(huán)境下基于本體的加工資源發(fā)現(xiàn)[J].計算機集成制造系統(tǒng),2013,19(9):2325-2331.

[12] 尚欣,殷國富.基于動態(tài)云制造的定制加工系統(tǒng)組態(tài)分析及優(yōu)化[J].中國機械工程,2014(7):906-910.

[13] 劉強,王磊,陳新度,等.云制造服務平臺的資源使用及訪問控制[J].計算機集成制造系統(tǒng),2013,19(6): 1414-1422.

[14] 張曉娟,易明巍.基于云計算與SOA的企業(yè)集成架構及實現(xiàn)[J].計算機系統(tǒng)應用, 2011,20(9):1-6.

[15] 劉飛,雷琦,宋豫川.網(wǎng)絡化制造的內(nèi)涵及研究發(fā)展趨勢[J].機械工程學報,2003,39(8):l-6.

[16] 王愛民,范莉婭,肖田元,等.面向制造網(wǎng)格的應用平臺及虛擬企業(yè)建模研究[J].機械工程學報,2005, 2(41):176-181.

[17] 葉作亮,顧新建,錢亞東,等.制造網(wǎng)格—網(wǎng)格技術在制造業(yè)中的應用[J].中國機械工程,2004, 5(19):1717-1720.

[18] 楊男,李東波,童一飛.面向服務的云計算 ERP 體系結(jié)構研究[J].制造業(yè)自動化, 2012,34(19): 74-77.

[19] 葉世其.面向服務的云計算框架模型設計與實現(xiàn)[J].中國新技術新產(chǎn)品,2013(3):30-31.

[20] 白俊杰,龔毅光,王寧生,等.面向訂單制造的可重構制造系統(tǒng)中虛擬制造單元構建技術[J].計算機集成制造系統(tǒng),2009,15(2):313-320.

[21] 李淑霞 , 單鴻波.基于敏捷制造單元的車間動態(tài)重構[J].計算機集成制造系統(tǒng),2007,13(3):520-526.

[22] 冷晟,魏孝斌,王寧生.虛擬制造單元重構中資源選擇問題研究[J].計算機集成制造系統(tǒng),2006,12(11):1815-1831.

[23] 唐敦兵,楊雷,趙國安,等.面向可循環(huán)經(jīng)濟的物聯(lián)網(wǎng)技術應用研究[J].中國制造業(yè)信息化,2010,39(7):1-7.

[24] 余建軍,孫樹棟,王軍強,等.基于免疫算法的柔性制造單元動態(tài)調(diào)度研究[J].航空學報,2007, 28(2): 464-469.

[25] 包振強,李長儀,周鑫.基于知識的動態(tài)調(diào)度決策機制研究[J]. 中國機械工程,2006,17(13):1366-1370.

[26] 朱瓊,陳雪芳, 張潔.面向代理的車間動態(tài)調(diào)度方法[J].上海交通大學學報,2008,42(7):1046-1050.

[27] 井浩,張璟,李軍懷.基于WSRF的制造網(wǎng)格資源共享機制研究[J].微電子學與計算機,2007,24(7):13-19.

The Integration Technology of Digital Workshop of Agricultural Machinery Parts Based on Cloud Computing

Luo Xiaolin

(Zibo Vocational Institute, Zibo 255000, China)

In order to improve the modernization of agricultural processing and digital level, saving design cost, shorten the design cycle, improve the quality of agricultural machinery parts processing, combined with complex parts CAD / CAPP / CAM integrated system, using digital virtual simulation technology, presents a cloud based meter agricultural digital workshop integrated technology platform, and based on Bayesian classification algorithm of cloud resource allocation optimization algorithm. The technology platform through a unified information source of parts model the geometry information and non geometry information sharing, improved the shortage of the traditional CAD, CAPP and cam system, simplifying the digital manufacturing work, greatly improving the production efficiency of enterprises. Finally, machine parts, digital virtual simulation process, for example, of agricultural machinery parts machining tool path were test platform, test results show that using cloud platform search function can effectively tool to determine the tool path mode, efficient generation of tool path, to agricultural modernization level of processing have important

ignificance.

agricultural machinery parts; digital workshop; integrated system; cloud computing; ebers classification

2016-07-06

山東省青年教師成長計劃項目(2015-4)

羅曉琳(1980-)，女，山東淄博人,講師，碩士，(E-mail)uth3721@163.com。

S126；TG502

A

1003-188X(2017)10-0218-05