俞希偉，江吉彬，黃旭，周夢寧，周井鑫

(福建工程學(xué)院 機械與汽車工程學(xué)院，福建 福州 350118)

由于新能源汽車減速器與傳統(tǒng)汽車變速箱在結(jié)構(gòu)與材料上有所不同，其加工工藝與傳統(tǒng)的減速器有較大區(qū)別，導(dǎo)致切削數(shù)據(jù)使用程度低、殘品廢品率高等問題，生產(chǎn)效率難以提高[1-2]。國內(nèi)外對切削加工工藝系統(tǒng)的研究已有很多年，1964年，美國Machining Data Center研究機構(gòu)開發(fā)并投入使用世界上第一個金屬切削數(shù)據(jù)庫CUTDATA，可以為3 000多種的工件材料、20多種的加工方式提供切削參數(shù)[3-4]；德國阿亨工業(yè)大學(xué)在1971年開發(fā)INFOS數(shù)據(jù)庫，采用DBFS數(shù)據(jù)類型，有50多家單位聯(lián)合為其提供加工數(shù)據(jù)。在國內(nèi)，哈爾濱理工大學(xué)2004年開發(fā)的PCEN刀具多媒體切削數(shù)據(jù)庫[5]，將VB的數(shù)據(jù)接口技術(shù)與數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)軟件相結(jié)合，使其存儲性能再次提升；山

東大學(xué)2010年開發(fā)的難加工材料切削數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)[6]，建立了車、銑、鉆和鏜4種加工方式實例數(shù)據(jù)庫以及優(yōu)選方案，實現(xiàn)了加工信息初步的優(yōu)化推送。

制造業(yè)中如果直接采用傳統(tǒng)的加工數(shù)據(jù)庫，缺乏模擬人類專家解決工藝決策問題的專家系統(tǒng)，應(yīng)用靈活性有限,效率較低，難以滿足現(xiàn)代生產(chǎn)需求。因此，研究和開發(fā)專業(yè)化、智能化和高效的新能源汽車減速器切削加工數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，對企業(yè)生產(chǎn)水平和效率的提高、企業(yè)競爭力的增強，具有非常重要的意義[7-8]。本文針對新能源汽車減速器零部件生產(chǎn)加工的切削加工工藝智能決策系統(tǒng)，建立一個基于實例推理和規(guī)則推理相結(jié)合的混合推理技術(shù)，為減速器零部件加工工藝的快速設(shè)計制造提供有力的支持。

1 決策系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 決策系統(tǒng)設(shè)計思想

為了建立公司內(nèi)部設(shè)計加工的統(tǒng)一操作流程，設(shè)計了企業(yè)型新能源汽車減速器零部件切削加工工藝系統(tǒng)，其思路是將切削過程中所涉及的機床加工設(shè)備、零件材料、切削刀具、零件結(jié)構(gòu)等信息進(jìn)行集中管理。加工工藝數(shù)據(jù)來源于實際生產(chǎn)零件時所獲得的數(shù)據(jù)積累，以及結(jié)合參考文獻(xiàn)手冊、知識經(jīng)驗、國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等形成的規(guī)則數(shù)據(jù)。

1.2 決策系統(tǒng)軟件框架

減速器零部件切削加工工藝決策系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)庫技術(shù)，把減速器零件信息和切削加工時所需要的加工數(shù)據(jù)相結(jié)合，工作形式是通過人機及數(shù)據(jù)庫接口將工藝設(shè)計人員與數(shù)據(jù)庫聯(lián)系起來。其中，數(shù)據(jù)庫主要向用戶提供切削源數(shù)據(jù)以及為工藝決策提供支持的工藝推薦規(guī)則；用戶對數(shù)據(jù)的操作主要為讀取、增加、刪除和修改等；數(shù)據(jù)庫接口將應(yīng)用程序與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫分開，使用統(tǒng)一的接口進(jìn)行連接，可實現(xiàn)多個端口共同訪問數(shù)據(jù)庫，便于數(shù)據(jù)庫管理；人機接口則采用windows窗口交互界面向操作人員提供可視化的服務(wù)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)模型Fig.1 System model

設(shè)計開發(fā)的數(shù)據(jù)庫采用C/S模式，即用戶在電腦客戶端上操作登入程序，通過合法登入驗證后訪問減速器零部件切削工藝系統(tǒng)，所有切削工藝相關(guān)的數(shù)據(jù)集中存放在企業(yè)共享服務(wù)器中[9-10]。由于該決策系統(tǒng)為企業(yè)提供工藝數(shù)據(jù)服務(wù)，所以選擇了具有良好的可靠性、可擴(kuò)展性、可編程性的MicrosoftSQLserver數(shù)據(jù)庫軟件。管理系統(tǒng)采用MicrosoftVisualStudio2017軟件，基于.NET Framework進(jìn)行應(yīng)用程序開發(fā)，可進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)服務(wù)及智能化設(shè)備應(yīng)用服務(wù)程序的創(chuàng)建。

1.3 決策系統(tǒng)功能模塊

減速器切削工藝決策系統(tǒng)分成系統(tǒng)管理模塊、基礎(chǔ)信息管理模塊和工藝參數(shù)管理模塊。

(1)系統(tǒng)管理模塊。主要職能為用戶信息及權(quán)限管理、數(shù)據(jù)庫信息存儲、備份及系統(tǒng)操作信息等。用戶信息及權(quán)限管理主要是為用戶注冊、等級歸類與用戶的權(quán)限設(shè)置。工藝決策系統(tǒng)對操作人員設(shè)置了3個級別的權(quán)限，分別為普通用戶、管理員以及超級管理員。普通用戶權(quán)限范圍為瀏覽基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息獲得數(shù)據(jù)推薦，進(jìn)行零件加工工藝的編輯。管理員主要負(fù)責(zé)刀具、零件材料以及零件結(jié)構(gòu)的特征信息、工藝實例信息等常規(guī)工藝數(shù)據(jù)的更新維護(hù)。超級管理員擁有最高權(quán)限，負(fù)責(zé)對系統(tǒng)的全面管理，不僅能夠賦予用戶權(quán)限級別，而且擁有普通用戶及管理員的所有功能。數(shù)據(jù)庫信息存儲與備份主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫的安全控制，對數(shù)據(jù)進(jìn)行日常備份，以保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的有效性及安全性。

(2)基礎(chǔ)信息管理模塊。主要是對工藝決策系統(tǒng)的相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，包含機床、刀具、零件材料等信息。基礎(chǔ)信息管理模塊將根據(jù)企業(yè)的實際生產(chǎn)情況進(jìn)行調(diào)整，及時增加新工藝數(shù)據(jù)，刪除冗余工藝，以保證數(shù)據(jù)信息的有效性。

(3)工藝參數(shù)管理模塊。是數(shù)據(jù)庫的核心模塊，主要為系統(tǒng)存儲專家知識庫，包括工藝實例信息、規(guī)則信息、結(jié)構(gòu)特征信息等。為系統(tǒng)實現(xiàn)多條件與模糊查詢，綜合運用實例推理及規(guī)則推理等為工作提供支持。

建立新能源汽車減速器零部件加工工藝智能決策系統(tǒng)的目的是為減速器制造車間在切削加工過程中提供切削數(shù)據(jù)支持，切削加工是一個復(fù)雜的過程，切削過程環(huán)環(huán)相扣，對決策系統(tǒng)來說，需要有一個完整明確的解決方案，因此每一個因素都必須考慮進(jìn)切削工藝決策系統(tǒng)的設(shè)計中，并且考慮系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，通過對系統(tǒng)功能需求分析，得到如圖2所示的系統(tǒng)功能流程圖。

圖2 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)功能圖Fig.2 Function diagram of the database system

1.4 數(shù)據(jù)庫邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計

新能源汽車減速器零部件加工工藝決策系統(tǒng)采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)。各項切削因素在切削過程中對結(jié)果有不同的影響，因此對切削加工的主要影響因素進(jìn)行參數(shù)化轉(zhuǎn)變。系統(tǒng)的主要構(gòu)成有零件材料及結(jié)構(gòu)特征、機床、刀具、潤滑方式、加工參數(shù)等，每個實體都有對應(yīng)的屬性，根據(jù)實體的固有屬性建立切削加工工藝決策系統(tǒng)的E-R模型，如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)庫源數(shù)據(jù)E-R圖Fig.3 E-R chart of the database source data

根據(jù)數(shù)據(jù)庫的關(guān)系型原理將E-R圖模型在數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行邏輯轉(zhuǎn)換，建立新能源汽車減速器零部件加工的數(shù)據(jù)表，并確定表中的主鍵以及各項的選填和必填屬性。該工藝決策系統(tǒng)中的表根據(jù)各自實現(xiàn)的功能情況分為基礎(chǔ)信息庫、專家?guī)煲约澳Ｐ蛿?shù)據(jù)庫?；A(chǔ)信息庫提供各實體的基本信息，包括零件結(jié)構(gòu)類型表、工件材料表、機床表、刀具表、夾具表、切削參數(shù)表和刀具磨損表等; 專家?guī)鞛楦鲗嶓w建立關(guān)聯(lián)，把實例推理和規(guī)則推理的專家數(shù)據(jù)進(jìn)行一定規(guī)律的存儲管理；模型數(shù)據(jù)庫則儲存了減速器零件加工切削中的數(shù)學(xué)模型，包括切削力模型表、表面粗糙度模型表等。

2 減速器切削工藝數(shù)據(jù)庫專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)技術(shù)是通過模擬工藝設(shè)計人員的思維邏輯判斷過程來完成工藝決策的[11]。系統(tǒng)根據(jù)實際問題的分析，通過決策系統(tǒng)中實例推理及規(guī)則推理庫中相關(guān)數(shù)據(jù)區(qū)搜索比對，完成一系列工藝決策后，輸出最符合當(dāng)前實際加工過程的切削數(shù)據(jù)或工藝方案。專家系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 專家系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)Fig.4 Basic structure of the expert system

專家系統(tǒng)技術(shù)是新能源汽車減速器零部件切削加工工藝決策系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)智能化的關(guān)鍵所在。工藝設(shè)計人員通過人機操作界面將減速器零件的名稱、材料、加工形狀、尺寸精度和表面粗糙度等信息輸入系統(tǒng)，進(jìn)而決策系統(tǒng)將條件信息轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)庫中的遍歷查詢表達(dá)方式?；A(chǔ)數(shù)據(jù)庫中存放的基本切削數(shù)據(jù)，根據(jù)實際工況、標(biāo)準(zhǔn)要求等限制在較長時間內(nèi)不可變動。專家知識庫中主要存放工藝設(shè)計規(guī)則表及工藝決策知識表，隨著新工藝的不斷產(chǎn)生及迭代更新，此庫為動態(tài)數(shù)據(jù)庫。暫存數(shù)據(jù)庫用于存放零件工藝設(shè)計時產(chǎn)生的過渡設(shè)計結(jié)論、工藝決策，隨著推理過程不斷發(fā)生變化，暫時緩存最新工藝數(shù)據(jù)，后期由管理員將新產(chǎn)生的具有可行性的工藝決策信息轉(zhuǎn)存至專家知識庫。解釋模塊的作用在于為用戶推薦工藝或決策時給出相應(yīng)的解釋。

2.1 專家知識庫

專家知識庫是新能源汽車減速器零部件加工工藝決策系統(tǒng)的核心之一，主要功能是存儲和管理專家系統(tǒng)中的知識，這些知識主要來自文獻(xiàn)，以及各領(lǐng)域?qū)＜议L期以來在工作實踐中所獲得的有關(guān)減速器零部件切削加工的經(jīng)驗。在知識庫中，將所涉及的對象劃分為3種基本類型：產(chǎn)品零件、制造工藝、工藝決策等。根據(jù)零件結(jié)構(gòu)將產(chǎn)品零件分為回轉(zhuǎn)體類零件、箱體零件、支架零件等；制造工藝類分為加工方法、工步、工序等；在工藝決策類方面，根據(jù)決策屬性的不同，劃分為新建工藝決策、修訂式工藝決策。

2.2 系統(tǒng)推理機制

推理機制是工藝決策系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，采用基于實例—規(guī)則的混合推理策略。其工作是負(fù)責(zé)決策和調(diào)用整個數(shù)據(jù)庫，制定減速器零部件切削加工工藝時，按照設(shè)定的工藝推理策略對知識庫中的工藝數(shù)據(jù)和規(guī)則進(jìn)行遍歷搜索和調(diào)用，對當(dāng)前減速器零部件加工問題進(jìn)行求解。

2.2.1 實例推理

實例推理技術(shù)(CBR)就是通過以往相似問題的解決方法來解決新的問題，通過計算實例的整體相似度，在實例庫中找到與需求條件最相吻合的實例來給出解決方案[12]。實例推理的關(guān)鍵是計算出兩工藝之間的相似度，確定兩實例各對應(yīng)問題局部的相似度，再計算出整體的相似度。

在工藝決策系統(tǒng)中，切削過程影響最大的是工件結(jié)構(gòu)，將其設(shè)置為第一屬性，當(dāng)?shù)谝粚傩栽跊Q策系統(tǒng)中存在相關(guān)實例時，才繼續(xù)進(jìn)行實例相似度計算。刀具類型、工件材料等作為實例的其他屬性，通過加工工藝知識獲得其相似度。由于各屬性對輸出結(jié)果的影響不同，因此需要設(shè)置相應(yīng)的權(quán)值，通過局部相似度的計算以求得整體相似度。默認(rèn)定義的權(quán)重值為:零件結(jié)構(gòu)類型的權(quán)重值為5，尺寸誤差權(quán)值為3，表面粗糙度權(quán)值為3。用戶也可在軟件中自定義各屬性的權(quán)重。在獲取實例的所有局部相似度后，采用加權(quán)法計算實例的整體相似度，計算公式如下:

式中:G、X分別為所求實例與知識庫中的實例; Sim(gi，xi) 為所求實例與系統(tǒng)中實例各屬性的局部相似度;n為實例屬性個數(shù);ωi為屬性權(quán)值，系統(tǒng)搜索比對完所有實例后，會輸出與所求問題相似度最高的解決方案，提供用戶參考。

2.2.2 規(guī)則推理

規(guī)則推理技術(shù)(RBR) 是將大量相關(guān)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)作為專家知識進(jìn)行轉(zhuǎn)化,形成系統(tǒng)邏輯規(guī)則，通過模仿專家的推理邏輯能力進(jìn)行問題求解的方式[13]。在本工藝決策系統(tǒng)中，根據(jù)設(shè)置的推理順序，當(dāng)工件結(jié)構(gòu)的實例不存在于實例推理中時，將自動轉(zhuǎn)為規(guī)則推理，并由規(guī)則推理給出工藝推薦方案。在制定規(guī)則時，首先將規(guī)則轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)庫軟件中的插入語句，然后將定義的規(guī)則存儲至規(guī)則庫中，在使用規(guī)則推理時以數(shù)據(jù)庫的查詢語言作為其推理方法。匹配規(guī)則為工件結(jié)構(gòu)—刀具型號—切削參數(shù)，在決策系統(tǒng)中表達(dá)形式為:

IF工件結(jié)構(gòu) THEN可選刀具 + 切削參數(shù)范圍

2.2.3 混合推理的實現(xiàn)

在工藝智能決策系統(tǒng)中，混合推理通過實例推理與規(guī)則推理相結(jié)合實現(xiàn)，實例推理為主要方式，規(guī)則推理為輔助推理工具，屬于實例推理的支持模塊。具體工作流程如圖5所示，工藝設(shè)計人員選擇加工的零件，輸入其結(jié)構(gòu)、材料、加工要求等初始條件，系統(tǒng)開始篩選實例庫中是否有此工件結(jié)構(gòu)，當(dāng)實例庫中存在此結(jié)構(gòu)時，將進(jìn)一步開展實例的相似度計算，得出最相似的實例，并同時對其相關(guān)的匹配規(guī)則進(jìn)行規(guī)則推理驗證，若無問題，將輸出此解決方案。假若不存在此工件結(jié)構(gòu)，將直接進(jìn)入規(guī)則推理模式，由匹配規(guī)則推薦刀具和切削參數(shù)以供工藝人員參考。

圖5 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)混合推理流程圖Fig.5 Mixed reasoning flow chart of the database system

3 減速器切削工藝數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)功能的實現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)庫中表的建立

在Microsoft SQL Server2008 有兩種創(chuàng)建表的方式：(1)直接采用表設(shè)計器創(chuàng)建數(shù)據(jù)表；(2)采用代碼創(chuàng)建數(shù)據(jù)表。該減速器切削工藝數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)使用第一種方法，即直接采用表設(shè)計器。如圖6所示，為刀具信息庫的具體數(shù)據(jù)內(nèi)容。

圖6 刀具信息庫Fig.6 Tool information base

3.2 登入管理的實現(xiàn)

進(jìn)入減速器零部件切削加工工藝決策系統(tǒng)后，在客戶端軟件界面首頁會出現(xiàn)登錄對話窗體，讓用戶輸入登陸賬號和密碼，在正確輸入賬號和密碼后，跳轉(zhuǎn)進(jìn)入系統(tǒng)主界面，即主控制界面，根據(jù)人員類型不同，登錄后用戶將具有不同的操作權(quán)限，包括下拉菜單欄和快捷按鈕欄。 系統(tǒng)所有的功能入口都在系統(tǒng)主界面內(nèi)，用戶通過這些菜單能夠進(jìn)入各級功能模塊，例如用戶進(jìn)入減速器零件加工工序編輯模塊，用戶可根據(jù)實際情況對工序卡進(jìn)行編輯，包括選擇材料、刀具、加工設(shè)備。

基于實例推理與規(guī)則推理的新能源汽車減速器加工工藝系統(tǒng)對操作信息完成優(yōu)化后，經(jīng)操作人員確認(rèn)無誤，工序卡將以PDF的格式輸出，同時在獲得質(zhì)檢結(jié)果后，將工藝參數(shù)與量化的實際加工效果以新實例保存至專家知識數(shù)據(jù)庫中，進(jìn)一步完善專家?guī)鞌?shù)據(jù)。采用減速器加工工藝系統(tǒng)，運用新工藝參數(shù)，零件生產(chǎn)合格率達(dá)到99.3%以上，工藝設(shè)計效率提高90%。

3.3 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)與數(shù)據(jù)源的連接

該系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的 C/S 結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)主界面和服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫通過ODBC進(jìn)行連接，具體為ODBC的ADO(activeX data objects)數(shù)據(jù)訪問接口。本數(shù)據(jù)庫運用了ADO庫中3個基本接口：ConnectonPtr、CommandPt和RecordsetPtr接口，以完成數(shù)據(jù)源的訪問。

4 結(jié)語

以SQLServer為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，VS2017為開發(fā)工具，使用C#開發(fā)語言，設(shè)計開發(fā)了基于C/S結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)化新能源汽車減速器切削加工工藝信息系統(tǒng)。該數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)利用實例推理、加工結(jié)構(gòu)特征匹配、規(guī)則推理等混合推理技術(shù)，實現(xiàn)了工藝參數(shù)的有效推薦，大幅提升工藝設(shè)計效率，減少工藝設(shè)計中人為錯誤，對企業(yè)的常規(guī)生產(chǎn)和新產(chǎn)品工藝設(shè)計提供技術(shù)支持，為其他重要零部件切削工藝智能決策系統(tǒng)的開發(fā)提供指導(dǎo)。