基于NEI的通用淬火機(jī)床全生命周期智能CAD設(shè)計(jì)

梁良，董慶偉，楊黎鵬

(河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南洛陽(yáng) 471003)

基于NEI的通用淬火機(jī)床全生命周期智能CAD設(shè)計(jì)

梁良，董慶偉，楊黎鵬

(河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南洛陽(yáng) 471003)

目前我國(guó)淬火機(jī)床制造企業(yè)存在的普遍問(wèn)題是淬火機(jī)床設(shè)計(jì)制造過(guò)程缺乏系統(tǒng)性、模塊化，也沒(méi)有針對(duì)機(jī)床整個(gè)全生命周期的設(shè)計(jì)平臺(tái)。針對(duì)此問(wèn)題，建構(gòu)了通用淬火機(jī)床全生命周期智能設(shè)計(jì)平臺(tái)。該平臺(tái)能夠?qū)φ麄€(gè)淬火機(jī)床全生命周期進(jìn)行把握與控制，并在機(jī)床設(shè)計(jì)CAD系統(tǒng)模塊上運(yùn)用了NEI的生物網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)資源與設(shè)計(jì)知識(shí)的自動(dòng)發(fā)現(xiàn)、協(xié)商和組合，生成自組織、自進(jìn)化、自聚集、自協(xié)作的智能設(shè)計(jì)環(huán)境，突破傳統(tǒng)機(jī)床設(shè)計(jì)的封閉性與局限性，解決了淬火機(jī)床制造業(yè)的缺乏系統(tǒng)性、模塊化的問(wèn)題。

淬火機(jī)床;NEI;全生命周期;智能設(shè)計(jì)平臺(tái)

0 前言

目前我國(guó)有關(guān)淬火機(jī)床的設(shè)計(jì)依然缺乏系統(tǒng)性和模塊化，設(shè)計(jì)方法以經(jīng)驗(yàn)、試湊、靜態(tài)和定性為核心，在“設(shè)計(jì)—制造—修改”的多次循環(huán)中求得高質(zhì)量的產(chǎn)品，從而導(dǎo)致設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)。同時(shí)，對(duì)于淬火機(jī)床的生產(chǎn)，仍然停留在單純的設(shè)計(jì)制造階段，對(duì)于售后維修缺乏管理，在機(jī)床報(bào)廢后也不實(shí)行回收，造成資源的浪費(fèi)。針對(duì)上述問(wèn)題，在河南省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目基金支持下，以通用淬火機(jī)床為研究對(duì)象，在深入分析基于NEI的通用淬火機(jī)床設(shè)計(jì)技術(shù)基礎(chǔ)上，綜合考慮全生命周期設(shè)計(jì)、基于Web協(xié)同設(shè)計(jì)等技術(shù)，對(duì)基于NEI的淬火機(jī)床協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)及應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行深入研究，構(gòu)建了基于NEI的淬火機(jī)床智能設(shè)計(jì)平臺(tái)，詳細(xì)闡述了機(jī)床設(shè)計(jì)模塊CAD 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法［1－3］。

1 智能設(shè)計(jì)平臺(tái)的構(gòu)建

1.1 整體框架的設(shè)計(jì)

針對(duì)淬火機(jī)床的整個(gè)全生命周期構(gòu)建了基于NEI的智能設(shè)計(jì)平臺(tái)，該平臺(tái)的整體框架包括7大模塊，即顧客需求模塊、機(jī)床設(shè)計(jì)模塊、模擬仿真模塊、機(jī)床評(píng)估模塊、信息共享模塊、售后維修模塊、報(bào)廢回收模塊［4］。智能設(shè)計(jì)平臺(tái)框架圖如圖1所示，其中顧客需求模塊主要功能是采集顧客對(duì)于淬火機(jī)床的各項(xiàng)要求，例如淬火加工的零件尺寸和機(jī)床整體尺寸的要求，電機(jī)的特殊要求，零件淬火深度、加熱時(shí)間的要求等;機(jī)床設(shè)計(jì)模塊是整個(gè)全生命周期中最重要的部分，它直接關(guān)系著淬火機(jī)床功能的實(shí)現(xiàn)、質(zhì)量、壽命、成本等重要因素。在機(jī)床設(shè)計(jì)模塊中，該平臺(tái)運(yùn)用了NEI生物網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使得機(jī)床設(shè)計(jì)更加方便與快捷;模擬仿真模塊針對(duì)設(shè)計(jì)出的淬火機(jī)床，可以模擬淬火機(jī)床在加工過(guò)程中周圍的磁場(chǎng)和熱場(chǎng)，通過(guò)分析可以得出淬火零件的受熱情況與可能發(fā)生的變形。模擬仿真模塊能夠讓設(shè)計(jì)人員提前掌握淬火機(jī)床加工過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題，提前做出回應(yīng)，使得有效減少不合格的淬火機(jī)床;機(jī)床評(píng)估模塊利用對(duì)數(shù)線性比例強(qiáng)度模型 (Log-linear Proportional Intensity Model，LPIM)對(duì)淬火機(jī)床的可靠性進(jìn)行評(píng)估。該模型能夠像廣義更新過(guò)程一樣，在評(píng)估時(shí)考慮到維修活動(dòng)的影響，所不同的是模型參數(shù)求解容易，并且能夠直接給出機(jī)床的可靠性指標(biāo)［5］;信息共享模塊是為各設(shè)計(jì)人員的信息交換搭建一個(gè)交流平臺(tái)，滿足不同地域設(shè)計(jì)人員能夠協(xié)同工作，共同探討問(wèn)題，提出修改意見(jiàn)，完善淬火機(jī)床的設(shè)計(jì);售后維修模塊記錄了出廠的各個(gè)機(jī)床在使用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，不僅可以讓設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)參考機(jī)床可能會(huì)出現(xiàn)的故障，也可使維修人員在第二次維修時(shí)提前了解該淬火機(jī)床的使用情況;報(bào)廢處理模塊是針對(duì)已退休的機(jī)床，拆解機(jī)床分成可回收的零件部分與已報(bào)廢的零件部分，把可回收的零件部分標(biāo)示記錄然后入庫(kù)，方便下次循環(huán)使用，減少資源浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)綠色生產(chǎn)。

圖1 智能設(shè)計(jì)平臺(tái)框架圖

1.2 智能設(shè)計(jì)平臺(tái)的工作流程

該平臺(tái)能夠呈現(xiàn)出淬火機(jī)床全生命周期各階段的信息，使得整個(gè)全生命周期的數(shù)據(jù)都清晰可見(jiàn)，有據(jù)可循，便于信息的管理與控制。其流程如圖2所示。

圖2 智能設(shè)計(jì)平臺(tái)流程圖

利用顧客需求VOC獲取模塊，收集整理市場(chǎng)信息，得出顧客需求報(bào)告。根據(jù)顧客需求報(bào)告，進(jìn)入機(jī)床設(shè)計(jì)模塊，設(shè)計(jì)出最優(yōu)機(jī)床。然后進(jìn)行全生命周期產(chǎn)品方案評(píng)價(jià)與決策，最后保存輸出文檔。機(jī)床售出后，售后維修信息與報(bào)廢處理信息將通過(guò)編輯知識(shí)模塊被保存在中央數(shù)據(jù)庫(kù)中，以備技術(shù)人員查閱。不同技術(shù)人員與設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)參與機(jī)床的整個(gè)全生命周期設(shè)計(jì)與控制。

2 機(jī)床設(shè)計(jì)模塊CAD系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

機(jī)床設(shè)計(jì)是整個(gè)全生命周期中最重要的階段，它直接關(guān)系著淬火機(jī)床功能的實(shí)現(xiàn)、質(zhì)量與壽命、成本等重要因素。該智能設(shè)計(jì)平臺(tái)重點(diǎn)在淬火機(jī)床設(shè)計(jì)模塊，在該模塊中運(yùn)用了先進(jìn)的NEI生物網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

2.1 NEI生物網(wǎng)絡(luò)與CAD系統(tǒng)的融合

根據(jù)生物界近年來(lái)的系統(tǒng)研究表明，人體三大生理調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)神經(jīng)系統(tǒng)，內(nèi)分泌系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)之間存在著相互的控制協(xié)調(diào)關(guān)系。已經(jīng)證實(shí)神經(jīng)內(nèi)分泌免疫系統(tǒng) (NEI)之間是一個(gè)有機(jī)的智能生物網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，存在細(xì)胞因子和受體構(gòu)成交互的生物網(wǎng)絡(luò)通用語(yǔ)言，通過(guò)雙向信息傳遞機(jī)制和相互作用，可使整體生物系統(tǒng)體現(xiàn)突出、自組織、自適應(yīng)、自擴(kuò)展、協(xié)同等重要特征。其中，神經(jīng)系統(tǒng)(ANN)是調(diào)節(jié)人體內(nèi)所有器官的系統(tǒng)，有很強(qiáng)的信息處理功能和同意調(diào)配功能。內(nèi)分泌系統(tǒng)(AES)在維持機(jī)體內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定方面起著不可替代的作用。免疫系統(tǒng) (AIS)是保護(hù)人體免受外部病原體侵害的一個(gè)復(fù)雜自適應(yīng)系統(tǒng)［6］。

淬火機(jī)床全生命周期的智能設(shè)計(jì)平臺(tái)利用NEI的基本理論和方法，針對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程在創(chuàng)新性和智能性方面的發(fā)展要求，探索研究基于NEI生物網(wǎng)絡(luò)模型的產(chǎn)品CAD設(shè)計(jì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，借鑒神經(jīng)內(nèi)分泌免疫網(wǎng)絡(luò)整體智能系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)計(jì)算方法，抽象出可以優(yōu)化機(jī)床設(shè)計(jì)的生物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其智能協(xié)同服務(wù)計(jì)算模型。

2.2 CAD系統(tǒng)子模塊的設(shè)計(jì)

在淬火機(jī)床的設(shè)計(jì)模塊中，包含3個(gè)子模塊:信息采集與處理模塊，相似案例修正模塊以及零件重組輸出模塊。

在信息采集部分，通過(guò)VOC顧客需求的信息采集模塊，采集顧客的待淬火零件的基本要求與各部分權(quán)重值。在零件信息采集時(shí)，輸入?yún)?shù)為:形狀，外形尺寸，淬火深度，淬火硬度，主要參數(shù)的權(quán)重值等。信息采集后，進(jìn)入質(zhì)量功能配置 (Quality Function Deployment，QFD)產(chǎn)品規(guī)劃模塊，QFD是把顧客或市場(chǎng)要求轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)要求、零部件特性、工藝要求、生產(chǎn)要求的多層次演繹分析方法。根據(jù)用戶提供的待淬火零件的外形尺寸以及淬火質(zhì)量要求，利用ANN計(jì)算方法來(lái)求解與之相匹配的淬火機(jī)床床身長(zhǎng)度、主軸尺寸、主軸轉(zhuǎn)動(dòng)速度和滑動(dòng)導(dǎo)軌長(zhǎng)度等主要參數(shù)，信息采集模塊內(nèi)部數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換圖如圖3所示。

圖3 信息采集模塊內(nèi)部數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換圖

在相似案例修正模塊中，主要完成的任務(wù)是搜索出與設(shè)計(jì)機(jī)床相似的現(xiàn)有機(jī)床，然后修改。實(shí)例數(shù)據(jù)庫(kù)中，每個(gè)案例都有自己的標(biāo)示，其中包括主要參數(shù)，主要特征以及特殊要求。在數(shù)據(jù)庫(kù)中搜索對(duì)比QFD模塊給出的機(jī)床主要參數(shù)，選取最優(yōu)相似的實(shí)例。案例搜索按照顧客需求的權(quán)重值進(jìn)行逐步搜索，以求最貼切的滿足顧客需求。

零件重組輸出模塊是把修改過(guò)后的零件通過(guò)AES系統(tǒng)控制方法自動(dòng)化的重組整合，組成完整的機(jī)床輸出機(jī)床整體圖并保存在數(shù)據(jù)庫(kù)里。

2.3 CAD系統(tǒng)中造型圖形庫(kù)的建立與搜索

為了便于搜索，在造型圖形庫(kù)中，以整個(gè)機(jī)床為基礎(chǔ)按照淬火機(jī)床的構(gòu)造分為床身、移動(dòng)傳動(dòng)總成、夾具總成、上頂尖滑移總成、下頂尖旋轉(zhuǎn)總成、配重總成五部分。每個(gè)大部分下面又分為各個(gè)零件，形成以整體為基礎(chǔ)的屬性樹(shù)，每個(gè)部分有各自的標(biāo)示，每個(gè)零件有各自的特性與數(shù)據(jù)。搜索時(shí)按照顧客需求的權(quán)重值進(jìn)行匹配搜索，先整體搜索，當(dāng)相似值在一定范圍內(nèi)，可直接得到;當(dāng)相似值超出范圍，則按部分進(jìn)行搜索，跟據(jù)屬性樹(shù)，層層搜索，然后得出最相似的各部分［7］。

3 協(xié)同設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)

3.1 異構(gòu)三維造型軟件模型的轉(zhuǎn)換

各個(gè)設(shè)計(jì)者采用的三維造型軟件不同，導(dǎo)致在線交流圖形顯示存在障礙。在協(xié)同設(shè)計(jì)模塊中，為了可以顯示不同三維造型軟件的模型，需要建立異構(gòu)三維造型軟件的模型轉(zhuǎn)換接口。應(yīng)用三維造型軟件所提供的API函數(shù)訪問(wèn)源，讀取源模型特征樹(shù)、特征參數(shù)、幾何數(shù)據(jù)等信息，并將讀到的模型信息轉(zhuǎn)換成目標(biāo)系統(tǒng)可以接受的格式，通過(guò)目標(biāo)協(xié)同提供的API函數(shù)寫入到目標(biāo)系統(tǒng)的模型，最終實(shí)現(xiàn)異構(gòu)三維造型軟件模型的轉(zhuǎn)換［8］。

3.2 交流窗口圖像的實(shí)時(shí)呈現(xiàn)

在協(xié)同工作平臺(tái)上，交流窗口可應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)造型語(yǔ)言 (Virtual Reality Language，VRML)實(shí)現(xiàn)圖形實(shí)時(shí)呈現(xiàn)。VRML是一種用在Internet和Web超鏈上的，多用戶交互的，獨(dú)立于計(jì)算機(jī)平臺(tái)的，網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言。VRML使用場(chǎng)景圖 (Scene Graph)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)建立3D實(shí)境，這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是以SGI開(kāi)發(fā)的Open Inventor 3D工具包為基礎(chǔ)的一種數(shù)據(jù)格式。VRML的場(chǎng)景圖包含所有3D世界靜態(tài)特征的節(jié)點(diǎn)等級(jí):幾何關(guān)系、質(zhì)材、紋理、幾何轉(zhuǎn)換、光線、視點(diǎn)以及嵌套結(jié)構(gòu)。幾乎所有生產(chǎn)廠商，無(wú)論是建模、動(dòng)畫、VR還是VRML，他們的結(jié)構(gòu)核心都有場(chǎng)景圖。

4 結(jié)論

該設(shè)計(jì)平臺(tái)借鑒神經(jīng)內(nèi)分泌免疫網(wǎng)絡(luò)的整體智能機(jī)制，生物網(wǎng)絡(luò)研究的基礎(chǔ)上，提出基于NEI的生物網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品智能設(shè)計(jì)方法，突破傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法的封閉性和局限性，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)資源與設(shè)計(jì)知識(shí)的自動(dòng)發(fā)現(xiàn)、協(xié)商和組合，最終生成了自組織、自進(jìn)化、自聚集、自協(xié)作的智能設(shè)計(jì)環(huán)境，解決了淬火機(jī)床制造業(yè)的缺乏系統(tǒng)性、模塊化的問(wèn)題。同時(shí)，通過(guò)對(duì)整個(gè)淬火機(jī)床全生命周期的把握與控制，縮短了設(shè)計(jì)周期，使資源循環(huán)利用，在保護(hù)環(huán)境的同時(shí)也提高了企業(yè)自主開(kāi)發(fā)能力，為企業(yè)帶來(lái)更大的收益。

［1］劉新寧，茍衛(wèi)東，劉濤.面向機(jī)床全生命周期的協(xié)同開(kāi)發(fā)體系研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2014(5):260 －261，266.

［2］周堅(jiān)，董慶偉，梁良.轉(zhuǎn)盤軸承套圈感應(yīng)加熱間隙的自動(dòng)跟蹤控制［J］.軸承，2014(5):19－23.

［3］馬永昌，代榮，張建軍.小型農(nóng)機(jī)智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2011，33(4).

［4］Luo Minzhi，KAMEL A EL，GONG Ganghong.UML-based Design of Intelligent Vehicles Virtual Reality Platform［C］//Systems，Man，and Cybernetics(SMC)，2011 IEEE International Conference，2011(10):9 －12

［5］張根保，李冬英，劉杰，柳劍.面向不完全維修的數(shù)控機(jī)床可靠性評(píng)估［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2013，49(23):136－141.

［6］丁永生，劉寶，任立紅，等.基于生物網(wǎng)絡(luò)的智能控制與優(yōu)化［M］.北京:科學(xué)出版社，2010.

［7］魏峰，王宗彥，吳淑芳.基于實(shí)例推理的機(jī)械產(chǎn)品智能設(shè)計(jì)平臺(tái)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010(11):253－255.

［8］施凱東.異構(gòu)三維CAD軟件轉(zhuǎn)換接口技術(shù)［D］.南京:南京理工大學(xué)，2010.

Intelligent CAD Design for Quenching Machine Tool Based on NEI in Full Lifecycle

LIANG Liang，DONG Qingwei，YANG Lipeng
(School of Mechatronics Engineering，Henan University of Science and Technology，Luoyang Henan 471003，China)

At present，the common problems of the quenching machine toolmanufacturing enterprises in our country is lack of systematic，modular and quenchingmachine tool design andmanufacturing process and no platform for thewhole life cycle of thewhole machine tool design.Aiming at this problem，the whole life cycle of general quenching machine tool intelligent design platform was constructed.The platform could be used to grasp the whole life cycle of the whole quenchingmachine tool and to control，and on the machine tool computer aided design(CAD)system module using NEIbiological network technology，which realized automatic discovery of the design resources and design knowledge，negotiation and combination，to generate the self-organization，self-evolution，selfaggregation and the collaborative intelligent design environment，and to breakthrough the closeness and the limitations of the traditional machine tool design.It solves lack of systematic and modular problems in quenchingmachine toolmanufacturing industry.

Quenchingmachine tool;NEI;The full lifecycle;Intelligent design platform

TP273

A

1001－3881－ (2015)21－153－3

10.3969/j.issn.1001 －3881.2015.21.037

2014－09－17

河南省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目 (13A 460233;13A520232)

梁良 (1989—)，女，碩士研究生，主要從事機(jī)械電子工程方面的研究。E－mial:258024062@qq.com。