張寶玉 張志輝 任露泉

(吉林大學(xué) 工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,吉林 長(zhǎng)春130022)

1 概述

激光仿生制造作為融合傳統(tǒng)制造與生命(物)、信息、材料科學(xué)的交叉領(lǐng)域,是機(jī)械領(lǐng)域備受關(guān)注并亟待發(fā)展的制造理論方法和技術(shù)。實(shí)現(xiàn)仿生研究成果在工業(yè)生產(chǎn)制造中的流程化、自動(dòng)化和智能化是仿生領(lǐng)域中未來(lái)發(fā)展方向之一。迄今為止,一些仿生產(chǎn)品,如仿生制動(dòng)轂(盤)、仿生機(jī)床導(dǎo)軌、仿生軋輥、仿生模具、仿生齒輪等,其增效、耐用技術(shù)的相關(guān)研究已取得較大突破[1],急需與現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)融合,從而加快仿生制造的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。以往研究中,盡管針對(duì)仿生功能表面的激光制造技術(shù)和工藝的探索已取得明顯成效,但在工藝數(shù)據(jù)的穩(wěn)定、工藝規(guī)律的傳承等方面的工作仍需進(jìn)一步開(kāi)展。例如:工藝參數(shù)及其組合的多樣性使得研究人員在針對(duì)仿生制造目標(biāo)進(jìn)行參數(shù)選取中存在差異,進(jìn)而限制了以往有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)的重復(fù)利用；再則,傳統(tǒng)仿生功能表面制造過(guò)程中,不同工藝參數(shù)下仿生制備的材料性能往往需要進(jìn)行重復(fù)檢測(cè),既增加了成本,又延緩了產(chǎn)品研發(fā)的進(jìn)程[2]。為了解決上述問(wèn)題,本文探討了仿生耦合功能表面激光制備工藝數(shù)據(jù)庫(kù)及功能開(kāi)發(fā)實(shí)踐方法,以實(shí)現(xiàn)制備工藝數(shù)據(jù)的高效利用,與仿生功能表面的智能化激光制造接軌。

2 仿生耦合功能表面激光制備工藝數(shù)據(jù)庫(kù)模型設(shè)計(jì)

2.1 需求分析。結(jié)合以往研究資料、用戶咨詢以及仿生制造工藝相關(guān)信息,獲得仿生耦合功能表面激光制造工藝數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用需求如下:2.1.1 信息需求。在仿生耦合功能表面制造工藝數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用中,用戶希望通過(guò)在人機(jī)界面輸入基體材料的牌號(hào)和仿生表面或仿生耦合體的部分特征參量信息即可查詢到制備所需的激光參數(shù)信息。因此,數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)應(yīng)涵蓋如下內(nèi)容:耦合體的形態(tài)和結(jié)構(gòu)耦元以及平均硬度等特征參量數(shù)據(jù),嵌入金屬基體表面的仿生耦合體類型、分布、力學(xué)性能等特征參量,基體中影響工藝過(guò)程中制造結(jié)果的相關(guān)參數(shù),制造過(guò)程中所涉及的激光器及影響加工終端運(yùn)行軌跡和精度的工藝參數(shù)信息等等。此外,影響仿生表面/耦合體成型和成性結(jié)果的環(huán)境因素相關(guān)信息也應(yīng)考慮在內(nèi)。2.1.2工藝數(shù)據(jù)應(yīng)用需求。在工藝信息查詢中,需要可根據(jù)仿生表面或耦合體的特征信息對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行查詢；數(shù)據(jù)庫(kù)中各數(shù)據(jù)表中的主鍵應(yīng)保證唯一性,在向數(shù)據(jù)庫(kù)添加數(shù)據(jù)時(shí),其主鍵的值不能重復(fù)。2.1.3 完整性需求。工藝參數(shù)數(shù)據(jù)表中,脈沖能量、脈寬、離焦量為耦合體制備中的必需參數(shù),因此其屬性不能為空,且數(shù)據(jù)類型須為浮點(diǎn)型；激光頻率和掃描速度對(duì)搭接率有顯著影響,所以在堤壩型耦合體制備中,需要用戶輸入搭接率信息后系統(tǒng)即可自動(dòng)計(jì)算激光頻率和速度,因此其數(shù)據(jù)類型同樣須為浮點(diǎn)型。此外,在仿生功能表面和耦合體特征數(shù)據(jù)表中,耦合體的形貌寬度(直徑)、結(jié)構(gòu)寬度(直徑)、結(jié)構(gòu)深度以及橫截面積為不同類型耦合體的共有屬性,亦是仿生功能表面性能的重要影響因素,因此,上述特征參量的屬性均不能為空。材料牌號(hào)反映基體材料基本信息屬性,不能為空；且相同牌號(hào)的基材往往由于生產(chǎn)廠家、批次及工藝的不同,其化學(xué)成分可能存在差異,因此材料牌號(hào)不能作為唯一標(biāo)識(shí)基體材料數(shù)據(jù)表的主鍵,應(yīng)增加基材編號(hào)字段,用以區(qū)分相同牌號(hào)下的化學(xué)組成。

2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)模型的建立。依據(jù)需求分析,數(shù)據(jù)庫(kù)中應(yīng)含的實(shí)體包括基體材料、激光參數(shù)、加工終端、環(huán)境介質(zhì)和仿生功能表面。其中,由于耦合體為仿生表面中與激光直接發(fā)生關(guān)聯(lián)的最小單元,因此,將模型中的耦合體定義為獨(dú)立的實(shí)體,且與功能表面實(shí)體存在一定關(guān)聯(lián)屬性。因此,各實(shí)體及其屬性敘述如下:2.2.1 仿生表面。仿生表面的屬性主要表現(xiàn)為其在實(shí)際工況中影響機(jī)械零部件的力學(xué)、摩擦、疲勞等功能方面的因素。主要包括材料整體的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率等。2.2.2 耦合體。耦合體的屬性主要包括:形態(tài)的類型、尺度,結(jié)構(gòu)的尺度、輪廓、平均硬度等特征。其中,仿生設(shè)計(jì)中常用的幾種類型耦合體(樁釘型、堤壩型、網(wǎng)格型),它們之間存在一些相似或共同的屬性,因此,可將幾種類型的耦合體特征屬性進(jìn)行合并,只以形態(tài)類型屬性進(jìn)行區(qū)分。2.2.3 基體材料。金屬基材的許多屬性直接影響成型后耦合體的形態(tài)、結(jié)構(gòu)尺度及力學(xué)特征。如材料的化學(xué)組成、原始熱處理狀態(tài)、表面粗糙度、吸收率以及熱傳導(dǎo)特性等。2.2.4 激光束。對(duì)于特定的激光器,一些不可控的激光參數(shù)如光斑模型、波長(zhǎng)、發(fā)散角等在數(shù)據(jù)庫(kù)建模中可不予以考慮,可控參數(shù)如電流、能量、脈寬、平均峰值功率、頻率等需考慮在內(nèi)。2.2.5 加工終端。激光加工終端直接決定入射激光相對(duì)工件的入射角、離焦量及掃描速度的大小。在仿生制造中,一般保持激光入射方向與工件切平面相垂直,因此,入射角可不予以考慮。離焦量和掃描速度作為影響成型過(guò)程中耦合體間距或光斑搭接程度的重要參數(shù),在仿生表面的制造中不容忽視。2.2.6 環(huán)境因素。環(huán)境介質(zhì)因素主要包括環(huán)境溫度、保護(hù)氣氣壓大小等。環(huán)境溫度決定基材的初始溫度,保護(hù)氣的氣壓大小影響加工過(guò)程中基體表面與環(huán)境的對(duì)流換熱情況。在實(shí)際成型過(guò)程中,由于實(shí)體中的激光參數(shù)、加工終端以及環(huán)境因素的相關(guān)工藝信息均對(duì)成型或成性的耦合體形態(tài)、結(jié)構(gòu)、力學(xué)等特征有顯著或者不顯著的影響,因此可將三者合并為一個(gè)實(shí)體,即工藝信息(或工藝參數(shù))。綜上所述,制定實(shí)體-聯(lián)系模型(即E-R圖)如圖1 所示。

圖1 仿生功能表面激光成型E-R 圖

將E-R 模型轉(zhuǎn)換為關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)模型,使用范式理論[3]對(duì)關(guān)系模型進(jìn)行優(yōu)化、合并,獲得邏輯數(shù)據(jù)模型如圖2 所示,再根據(jù)以上邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的結(jié)果,即可進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的物理實(shí)現(xiàn),分別對(duì)各表的主鍵、外鍵,字段的數(shù)據(jù)類型、長(zhǎng)度等約束進(jìn)行設(shè)置。

圖2 邏輯數(shù)據(jù)模型

3 仿生耦合功能表面激光制備工藝數(shù)據(jù)庫(kù)的功能實(shí)現(xiàn)

在工藝參數(shù)查詢過(guò)程中,仿生功能表面或耦合體的加工結(jié)果信息在數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)中未必存在,而往往實(shí)際仿生特征的設(shè)計(jì)結(jié)果為四舍五入的參數(shù),因此數(shù)據(jù)庫(kù)查詢功能的實(shí)現(xiàn)需考慮這一關(guān)鍵問(wèn)題。為此,基于建立的數(shù)據(jù)庫(kù),結(jié)合仿生表面制備中工藝參數(shù)選取的實(shí)際問(wèn)題,開(kāi)發(fā)基于加工結(jié)果范圍要求的工藝參數(shù)檢索程序,其應(yīng)用界面如圖3 所示,本實(shí)踐方法可有效避免工藝參數(shù)精確查詢出現(xiàn)的查不到數(shù)據(jù)的現(xiàn)象,可保證數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)的有效利用；依據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì),建立工藝參數(shù)體系與仿生耦合體形態(tài)、結(jié)構(gòu)、力學(xué)特征參數(shù)的映射關(guān)系模型。在此基礎(chǔ)上,開(kāi)發(fā)工藝參數(shù)成型與成性結(jié)果預(yù)測(cè)應(yīng)用程序,其應(yīng)用界面如圖4 所示,可有效節(jié)約仿生產(chǎn)品研發(fā)的試驗(yàn)成本、縮短研發(fā)周期,為流程化、智能化仿生制造的實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。

圖3 工藝參數(shù)查詢界面

圖4 工藝參數(shù)成型結(jié)果的預(yù)測(cè)界面

4 結(jié)論

基于對(duì)仿生耦合功能表面、耦合體特征制造過(guò)程中的影響因素,分析總結(jié)整個(gè)成型與成性中所涉及的實(shí)體與聯(lián)系,運(yùn)用E-R 模型對(duì)工藝數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行概念設(shè)計(jì),使用范式理論對(duì)關(guān)系模型進(jìn)行優(yōu)化、合并,建立邏輯結(jié)構(gòu)模型,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)約束設(shè)置,進(jìn)而建立激光仿生制造工藝數(shù)據(jù)庫(kù)的物理模型。基于現(xiàn)有的激光制備工藝參數(shù)及數(shù)據(jù)庫(kù)框架,開(kāi)發(fā)基于范圍查詢的人機(jī)交互程序；并依據(jù)制備工藝的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?開(kāi)發(fā)仿生表面或耦合體制造結(jié)果的預(yù)測(cè)程序,可實(shí)現(xiàn)參數(shù)范圍內(nèi)制備結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè),進(jìn)而提高定向制造效率。