凸輪軸數(shù)控磨削云平臺的研究與設(shè)計(jì)

謝智明　鄧朝暉　劉　偉　劉　濤　彭克立

1.湖南大學(xué)國家高效磨削工程技術(shù)研究中心，長沙，4100822.湖南科技大學(xué)難加工材料高效精密加工湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湘潭，4111053.湖南海捷精密工業(yè)有限公司，長沙，410082

凸輪軸數(shù)控磨削云平臺的研究與設(shè)計(jì)

謝智明1鄧朝暉2劉偉2劉濤2彭克立3

1.湖南大學(xué)國家高效磨削工程技術(shù)研究中心，長沙，4100822.湖南科技大學(xué)難加工材料高效精密加工湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湘潭，4111053.湖南海捷精密工業(yè)有限公司，長沙，410082

摘要：針對整合磨削加工領(lǐng)域資源的問題，借鑒云計(jì)算與云制造的思想，提出并開發(fā)了整合與利用磨削軟硬兩大類資源的磨削云平臺。提出了磨削云平臺體系架構(gòu)，設(shè)計(jì)了其軟件結(jié)構(gòu)，研究了其關(guān)鍵技術(shù)。利用人工智能技術(shù)，設(shè)計(jì)了磨削云平臺應(yīng)用需求模型及其工作流程與關(guān)鍵算法。開發(fā)了SaaS服務(wù)系統(tǒng)、PaaS服務(wù)系統(tǒng)、IaaS-to-PaaS分布式異構(gòu)數(shù)據(jù)庫同步復(fù)制系統(tǒng)、IaaS服務(wù)系統(tǒng)、用戶注冊登錄管理系統(tǒng)5個軟件子系統(tǒng)所組成的磨削云平臺，使得企業(yè)在資源利用上更為優(yōu)化便捷。將該磨削云平臺應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，有效提高了生產(chǎn)加工效率，降低了生產(chǎn)成本。

關(guān)鍵詞：磨削云平臺；應(yīng)用需求模型；系統(tǒng)架構(gòu)；磨削云引擎；人工智能；軟件系統(tǒng)

0引言

磨削云平臺是針對磨削制造加工領(lǐng)域[1]的具體實(shí)踐應(yīng)用需求，借鑒云計(jì)算和云制造的一些思想，運(yùn)用云計(jì)算技術(shù)[2]、磨削工藝智能化技術(shù)，以分布式高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、大容量數(shù)據(jù)存儲設(shè)備和互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境等資源為計(jì)算機(jī)硬件及網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)而建立的一個基礎(chǔ)制造信息化平臺[3]，為磨床制造廠家和磨削制造加工企業(yè)等用戶提供資源整合與共享平臺[4]，實(shí)現(xiàn)磨削制造知識數(shù)據(jù)的積累；同時也為磨削加工企業(yè)提供各類加工制造方面的技術(shù)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)磨削CAM系統(tǒng)軟件遠(yuǎn)程接入與使用，充分發(fā)揮軟件提供的諸如工藝方案智能優(yōu)選[5]、工藝優(yōu)化[6]、誤差分析與補(bǔ)償、磨削加工過程仿真[7]、自動編程[8]等作用，提升磨床的潛在性能。關(guān)于磨削云的研究與應(yīng)用，國內(nèi)研究較少，且不具體。本課題組首次聯(lián)合國內(nèi)各大磨床制造廠商和磨削加工企業(yè)共同開發(fā)磨削云平臺，讓用戶方便快捷地獲得各類服務(wù)。

磨削云平臺能夠?qū)崿F(xiàn)磨削制造資源與服務(wù)的開放協(xié)作、資源高度共享，提升磨削制造業(yè)加工效率及質(zhì)量，節(jié)省磨削企業(yè)設(shè)備投資，避免浪費(fèi)。本文設(shè)計(jì)與開發(fā)了磨削云平臺，建立整合磨削制造領(lǐng)域軟硬兩大類資源供需為一體的磨削云平臺，實(shí)現(xiàn)磨削裝備的增值，實(shí)現(xiàn)磨削知識數(shù)據(jù)的積累共享；同時也為磨削加工企業(yè)提供各類加工制造方面的信息技術(shù)服務(wù)，利用人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)磨削加工過程的智能化和咨詢服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)化[9]，提升數(shù)控磨床的性能。

1系統(tǒng)體系架構(gòu)

1.1系統(tǒng)基礎(chǔ)概述

磨削云是從資源整合與利用的實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，對磨削云平臺系統(tǒng)功能的總體需求進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)，形成一套磨削云平臺的設(shè)計(jì)思想與方案，磨削云平臺資源整合利用如圖1所示。

圖1　磨削云平臺資源整合利用示意圖

磨削云應(yīng)用需求模型是體系架構(gòu)的重要組成部分，該模型從磨削用戶需求和系統(tǒng)開發(fā)的角度出發(fā)，把系統(tǒng)功能按磨削用戶功能需求逐次分割成層次結(jié)構(gòu)，使每一部分實(shí)現(xiàn)一定功能且各個部分之間又保持一定的聯(lián)系。

磨削云平臺按照資源整合利用的需要把磨削云分為相對獨(dú)立的三個子系統(tǒng)：為磨削加工提供解決方案即服務(wù)(solutionforgrindingprocessasaservice，SaaS)、為磨削加工提供應(yīng)用軟件平臺即服務(wù)(platformofapplicationsoftwareforgrindingprocessasaservice，PaaS)、為磨削加工提供基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)(infrastructureforgrindingprocessasaservice，IaaS)。三個子系統(tǒng)構(gòu)成一個靈活的體系架構(gòu)，PaaS處于中間層，可以與上端SaaS和下端IaaS保持功能銜接，同時三個子系統(tǒng)相對獨(dú)立運(yùn)行，有利于實(shí)現(xiàn)PaaS平臺中磨削CAM系統(tǒng)軟件資源的無縫擴(kuò)展。

1.2系統(tǒng)應(yīng)用需求模型

磨削云應(yīng)用需求模型三層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進(jìn)行服務(wù)整合，設(shè)計(jì)符合磨削行業(yè)的個性化服務(wù)。本文提出了圖2所示的磨削云平臺應(yīng)用需求模型，分為以下5個部分。

圖2　磨削云應(yīng)用需求模型示意圖

(1)SaaS。磨削制造加工企業(yè)積累了大量的經(jīng)驗(yàn)、知識和磨削加工中遇到的技術(shù)難題及其解決方案，如何共享這些寶貴的磨削制造知識，讓磨削制造知識更好地為磨削制造企業(yè)所利用，節(jié)約磨削制造企業(yè)加工成本，提高加工效率，是磨削云SaaS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念。SaaS申請描述加工中遇到的技術(shù)難題，SaaS方案描述解決加工中遇到的技術(shù)難題所采取的技術(shù)解決方案。兩者都封裝成文字、圖片、視頻三位一體的多媒體信息包，提供磨削制造知識智能化信息服務(wù)，如智能檢索、模糊咨詢等。

(2)PaaS。現(xiàn)代磨削加工使用數(shù)控機(jī)床設(shè)備，計(jì)算機(jī)輔助制造應(yīng)用軟件能提升數(shù)控機(jī)床設(shè)備性能，PaaS采用公有云和私有云相結(jié)合的混合云計(jì)算接入技術(shù)，設(shè)計(jì)與開發(fā)了一個通用的、可擴(kuò)展的基于桌面云集群服務(wù)器與虛擬桌面技術(shù)的遠(yuǎn)程接入訪問平臺，這樣，磨削制造企業(yè)可以方便快捷且費(fèi)用低廉地使用磨削CAM系統(tǒng)軟件。桌面云集群服務(wù)器資源池中磨削應(yīng)用系統(tǒng)軟件的數(shù)量與類別可自動擴(kuò)充，用戶登錄使用的虛擬桌面資源可動態(tài)分配，虛擬桌面資源實(shí)現(xiàn)后臺集中管理與監(jiān)控，在后臺集中管理與監(jiān)控遠(yuǎn)程用戶對磨削CAM應(yīng)用系統(tǒng)軟件的使用情況。

(3)IaaS。磨削云基礎(chǔ)設(shè)施平臺為資源提供方將分散在不同磨削制造企業(yè)或磨削加工工廠內(nèi)的各種類型磨削制造資源統(tǒng)一注冊，封裝形成制造資源，由磨削云平臺統(tǒng)一進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)資源按需使用。

(4)云計(jì)算平臺。采用云計(jì)算技術(shù)保證三層結(jié)構(gòu)更好的移植性[10]，可以跨不同類型的云計(jì)算平臺工作，在多個服務(wù)器間進(jìn)行負(fù)載平衡[11]。設(shè)計(jì)與搭建云計(jì)算平臺硬件與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，將網(wǎng)絡(luò)虛擬成多個虛擬的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)[12]，配合虛擬機(jī)和虛擬存儲空間[13]為應(yīng)用提供云服務(wù)。

(5)磨削云人工智能引擎及集成接入。人工智能引擎是為SaaS、PaaS和IaaS提供智能算法的，比如系統(tǒng)用到的產(chǎn)生式系統(tǒng)、負(fù)載最小虛擬桌面優(yōu)先分配算法、標(biāo)準(zhǔn)CAM方案解析模塊、CAM-數(shù)控磨床聯(lián)機(jī)引擎、分布式異構(gòu)數(shù)據(jù)庫同步復(fù)制、資源供需模糊檢索及智能匹配、資源智能組合與優(yōu)化等。集成接入為磨削云服務(wù)系統(tǒng)的用戶提供統(tǒng)一的、集成的交互視圖和界面。

1.3系統(tǒng)工作原理

磨削云平臺工作原理如圖3所示。需求方通過SaaS提交磨削方案服務(wù)申請，提供方通過SaaS為需求方服務(wù)，提供解決方案。SaaS可以為供需方磨削加工方案提供智能匹配服務(wù)。

圖3　磨削云平臺工作原理

IaaS磨削制造設(shè)備子系統(tǒng)和IaaS磨削制造知識子系統(tǒng)將注冊的供需信息(磨削制造設(shè)備、制造知識、富余設(shè)備加工能力)提交給磨削云平臺進(jìn)行智能匹配，也可以對資源進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、挖掘和提取，將數(shù)據(jù)保存在IaaS-to-PaaS數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)提取數(shù)據(jù)表里，向PaaS提供有用的磨削制造設(shè)備和磨削制造知識基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。 同時，對IaaS需求方所需的資源進(jìn)行智能組合與優(yōu)化。

PaaS遠(yuǎn)程接入與訪問磨削CAM應(yīng)用軟件，同時可以為SaaS需求方提供諸如工件自動分析與特征建模、運(yùn)動曲線優(yōu)化、加工工藝質(zhì)量預(yù)報(bào)、磨削過程虛擬三維建模、誤差分析與補(bǔ)償、數(shù)控代碼自動生成[8]、精加工補(bǔ)償數(shù)控代碼自動生成、加工工藝結(jié)果輸出等服務(wù)方案。

PaaS采用桌面云分布式資源池服務(wù)器結(jié)構(gòu)，所以要保持資源池中數(shù)據(jù)庫表中的數(shù)據(jù)一致，必須對資源池服務(wù)器中的應(yīng)用軟件數(shù)據(jù)庫進(jìn)行同步復(fù)制或快照。

2系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)

磨削云平臺分為5個相對獨(dú)立又互相有數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的軟件系統(tǒng)：SaaS系統(tǒng)、PaaS系統(tǒng)、IaaS-to-PaaS分布式異構(gòu)數(shù)據(jù)庫同步復(fù)制系統(tǒng)、IaaS系統(tǒng)、用戶注冊登錄管理系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　磨削云平臺軟件系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)

磨削云平臺用戶主要有3種：資源提供方、磨削云運(yùn)營方、資源需求方。資源提供方為資源需求方在磨削制造過程中提供制造資源、制造能力和制造知識，資源需求方進(jìn)行檢索并選擇使用資源；磨削云運(yùn)營方主要實(shí)現(xiàn)對服務(wù)的高效管理、運(yùn)營等，可根據(jù)資源需求方的應(yīng)用請求，動態(tài)、靈活地為資源需求方提供服務(wù)；資源需求方能夠在磨削云平臺的支持下，動態(tài)按需地使用各類應(yīng)用服務(wù)，并能實(shí)現(xiàn)磨削制造企業(yè)多主體的協(xié)同交互。在磨削云運(yùn)行過程中，PaaS起著核心支撐作用，能夠?yàn)槟ハ鰿AM資源和制造能力的虛擬化接入和服務(wù)化封裝提供遠(yuǎn)程接入與訪問支持。

2.1凸輪軸數(shù)控磨削云SaaS系統(tǒng)

圖5　磨削云SaaS系統(tǒng)工作流程與算法

凸輪軸數(shù)控磨削云SaaS系統(tǒng)整個工作流程與算法如圖5所示。其核心算法采用產(chǎn)生式系統(tǒng)，產(chǎn)生式系統(tǒng)由全局?jǐn)?shù)據(jù)庫、產(chǎn)生式規(guī)則和控制策略3個部分組成，如圖6所示。

圖6　SaaS產(chǎn)生式系統(tǒng)原理

全局?jǐn)?shù)據(jù)庫又稱為上下文，用于存放SaaS申請求解磨削加工過程中各種當(dāng)前信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如工件及工藝初始狀態(tài)、加工過程事實(shí)、中間問題推理結(jié)論和最后加工結(jié)果等。

產(chǎn)生式規(guī)則是一個策略規(guī)則庫，用于存放與SaaS申請求解問題有關(guān)的磨削領(lǐng)域知識的規(guī)則之集合及其交換策略，產(chǎn)生式規(guī)則數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由 “策略+事實(shí)+變量” 的形式組成，如圖7所示。

圖7　產(chǎn)生式規(guī)則數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

(1)策略。策略表達(dá)了不同SaaS服務(wù)申請中的技術(shù)難題所對應(yīng)的SaaS服務(wù)方案中的解決方案，策略編號為唯一的索引，其余字段如策略類別、置信度及使用頻度等是對該條策略的注解，策略類型分為機(jī)床選型類、砂輪選型類、冷卻液選型類、工藝參數(shù)類、模型系數(shù)類、質(zhì)量評價類和精度預(yù)測類七類。

(2)事實(shí)。事實(shí)代表加工過程事實(shí)、中間問題推理結(jié)論和最后加工結(jié)果，事實(shí)編號定義為唯一的索引，其余字段是對事實(shí)的說明，如凸輪最大升程為11.5mm，材料狀態(tài)為滲碳等。

(3)變量。變量代表工件及加工工藝要求在各個階段的狀態(tài)，變量標(biāo)識符為唯一索引，其余字段均可認(rèn)為是對變量的說明，變量表等同于一個數(shù)據(jù)字典，如凸輪最大升程、無火花磨削圈數(shù)、材料牌號、材料狀態(tài)等。

在凸輪軸數(shù)控磨削加工過程修整參數(shù)的選擇中，已知砂輪修整方式為逆向修整，修整工具為金剛石滾輪，則滾輪修整量為0.008mm。用策略表示法可表示為：

<工藝參數(shù)類策略>IF：砂輪修整方式為逆修AND修整工具為金剛石滾輪

THEN：滾輪修整量為0.008mm

與滾輪修整量相關(guān)的滾輪修整次數(shù)、滾輪移動速度等工藝參數(shù)由其他策略予以推理確定。

控制策略的作用是針對注冊的凸輪軸工件及工藝要求，提出在凸輪軸數(shù)控磨削云SaaS系統(tǒng)上求解SaaS申請應(yīng)該選擇哪些合適的SaaS方案。

SaaS產(chǎn)生式系統(tǒng)根據(jù)需求方SaaS申請描述的凸輪軸及凸輪片工件及加工工藝要求，針對其加工過程中所遇到的技術(shù)難題提供SaaS方案給需求方參考使用，組合后生成完整的磨削加工參考解決方案，控制策略工作的核心算法如圖8所示。

圖8　控制策略核心算法

提供方可根據(jù)需求方的要求提供多個SaaS方案以滿足部分用戶更深層次的使用需求。策略控制系統(tǒng)針對凸輪軸工件及加工工藝的不同要求、不同參數(shù)，提供高效、動態(tài)的磨削工藝服務(wù)聚集及整合方法；同時針對同一類別服務(wù)，從全局和局部的角度來進(jìn)行服務(wù)提供者和服務(wù)需求者的智能匹配，從而降低服務(wù)過程中的服務(wù)搜索、匹配和組合成本，同時提高服務(wù)效率。

2.2凸輪軸數(shù)控磨削云PaaS系統(tǒng)

凸輪軸數(shù)控磨削工藝智能專家應(yīng)用系統(tǒng)系列軟件是國家863高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃的主要研究成果[8]，同時是磨削云PaaS系統(tǒng)中心層重要的CAM應(yīng)用軟件資源。磨削云PaaS系統(tǒng)主要匯集與對外發(fā)布凸輪軸數(shù)控磨削工藝智能應(yīng)用系統(tǒng)CSGIA、凸輪軸數(shù)控磨削工藝智能專家數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)CSIDB、凸輪軸數(shù)控磨削加工輔助軟件CGAS等CAM應(yīng)用軟件資源服務(wù)。

上述磨削CAM應(yīng)用系列軟件可以將凸輪軸加工信息、磨床、砂輪和冷卻液的選擇經(jīng)驗(yàn)以及生產(chǎn)實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)中積累的磨削工藝參數(shù)聚集起來，為制造企業(yè)推薦合理成熟的凸輪軸磨削工藝方案(工藝參數(shù))，選擇優(yōu)化磨削工藝參數(shù)，并且通過凸輪軸誤差補(bǔ)償與運(yùn)動曲線進(jìn)行優(yōu)化，以及工藝預(yù)報(bào)和運(yùn)動仿真檢測[6]，最后生成能夠直接用于凸輪軸數(shù)控磨床加工的數(shù)控代碼，主要功能涵蓋工件定義、工藝系統(tǒng)、工藝實(shí)例[5]、規(guī)則推理、工藝優(yōu)化、運(yùn)動仿真、誤差分析、質(zhì)量預(yù)報(bào)和數(shù)控代碼[8]等。

磨削云PaaS系統(tǒng)提供基于Intranet私有云和Internet公有云的混合接入訪問方式使用遠(yuǎn)程磨削CAM應(yīng)用系列軟件，是磨削云平臺應(yīng)用軟件服務(wù)及數(shù)據(jù)中心。凸輪軸數(shù)控磨削云PaaS系統(tǒng)整個工作流程與算法如圖9所示。

圖9　磨削云PaaS系統(tǒng)工作流程與算法

采用桌面云技術(shù)、服務(wù)器虛擬化技術(shù)[14],建立桌面服務(wù)器資源池，支持客戶端訪問服務(wù)器虛擬桌面上的磨削CAM應(yīng)用軟件,具有用戶驗(yàn)證功能，只有被許可的用戶才能進(jìn)行訪問，并能設(shè)定不同級別的用戶權(quán)限以便于實(shí)現(xiàn)分級管理。設(shè)計(jì)集成的虛擬桌面管理系統(tǒng)，提供單一且統(tǒng)一的圖形界面管理軟件。

針對數(shù)量龐大的虛擬桌面服務(wù)器集群的管理及集群內(nèi)服務(wù)器數(shù)量可自動擴(kuò)充的要求,本系統(tǒng)特設(shè)計(jì)負(fù)載最小虛擬桌面優(yōu)先分配算法來管理資源池服務(wù)器上虛擬桌面的動態(tài)加入、分配、回收。用虛擬桌面服務(wù)器負(fù)載評估函數(shù)load_value(i)來定量評價虛擬桌面負(fù)載。應(yīng)用負(fù)載最小虛擬桌面優(yōu)先分配算法選擇資源表上具有最小負(fù)載值的節(jié)點(diǎn)作為下一個要分配的虛擬桌面資源節(jié)點(diǎn)。虛擬桌面資源節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為

S(i)=(c,v,B,E,u,i,lv,p[n])

(1)

其中，c為客戶端IP地址、PORT端口號，v為虛擬桌面IP地址、PORT端口號，B為客戶登錄虛擬桌面時間，E為客戶退出虛擬桌面時間，u為虛擬桌面使用標(biāo)記，i為虛擬桌面資源編號,lv為虛擬桌面服務(wù)器負(fù)載值,p[n]為虛擬桌面節(jié)點(diǎn)指針存儲數(shù)組。虛擬桌面的動態(tài)加入、回收置使用標(biāo)記為空，虛擬桌面的動態(tài)分配置使用標(biāo)記為占用。

虛擬桌面服務(wù)器負(fù)載大小實(shí)時測算公式為

lv=load_value(i)=κM+λC+(1-κ-λ)N

(2)

其中，M為虛擬桌面服務(wù)器內(nèi)存占用比，C為虛擬桌面服務(wù)器CPU運(yùn)行時間占用比，N為虛擬桌面服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)帶寬占用比。κ、λ為虛擬桌面服務(wù)器內(nèi)存與CPU占用比對服務(wù)器負(fù)載的影響因子。

PaaS系統(tǒng)管理端使用負(fù)載最小虛擬桌面優(yōu)先分配算法為客戶分配虛擬桌面，同時對使用資源情況進(jìn)行監(jiān)控，動態(tài)平衡桌面服務(wù)器虛擬桌面的負(fù)載，優(yōu)化計(jì)算資源，這樣可以保證同時啟動數(shù)千個虛擬桌面而不會造成任何性能的下降。

凸輪軸數(shù)控磨削云PaaS系統(tǒng)客戶接入端軟件主界面如圖10所示，在客戶接入端軟件主界面上，用戶先設(shè)置資源管理端IP地址，選擇待啟動的應(yīng)用軟件，然后點(diǎn)擊桌面磨削云接入按鈕，即可分配獲得空閑虛擬桌面，這時桌面云遠(yuǎn)程接入訪問系統(tǒng)自動啟動，打開操作窗口，進(jìn)入遠(yuǎn)程虛擬桌面；在客戶接入端軟件主界面上，用戶點(diǎn)擊桌面應(yīng)用軟件啟動，啟動該虛擬桌面對應(yīng)的應(yīng)用軟件；完成上述動作后，就可以控制與使用遠(yuǎn)程虛擬桌面上的應(yīng)用軟件了。

圖10　PaaS平臺客戶接入端軟件界面

桌面云遠(yuǎn)程接入訪問系統(tǒng)負(fù)責(zé)連接桌面云資源池中某個指定的服務(wù)器上已分配給客戶端的空閑虛擬桌面，該窗口完全虛擬遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)上的軟件資源，完成信息的遠(yuǎn)程傳送和接收。在桌面云遠(yuǎn)程接入訪問系統(tǒng)窗口內(nèi)的任何操作就跟在遠(yuǎn)程服務(wù)器上操作使用軟件一樣。

磨削云PaaS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)從磨削云端通過互聯(lián)網(wǎng)到磨削云客戶端、從磨削云客戶端通過RS232通信接口到磨削設(shè)備(凸輪軸磨床)的三級互聯(lián)，如圖11所示。多個高清微型攝像頭安裝在凸輪軸磨床加工空間內(nèi)部，從多個有效角度實(shí)時監(jiān)控工件的加工過程，多路視頻處理器可以切換到不同角度的攝像頭，也可以把各路攝像頭視頻組合在一個監(jiān)控屏上，實(shí)現(xiàn)同時監(jiān)控各路攝像頭視頻。

圖11　磨削云PaaS系統(tǒng)三級互聯(lián)示意圖

多個高清微型攝像頭可以從不同角度拍攝凸輪軸工件的高清相片，多個高清相片拼接成凸輪軸上任何一個指定的凸輪片輪廓相片，對凸輪片輪廓相片進(jìn)行輪廓圖像識別處理，可以得到凸輪片輪廓數(shù)據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)凸輪片輪廓在線測量。

磨削云客戶端可以通過USB接口控制多路視頻處理器切換或組合等動作。多路視頻處理器的視頻信號通過磨削云客戶端PC機(jī)視頻接口輸入。這樣，凸輪軸磨床的操作人員可以遠(yuǎn)距離操控設(shè)備，保障操作人員的生產(chǎn)安全。

磨削云客戶端遠(yuǎn)程使用云端的磨削CAM應(yīng)用軟件，獲取標(biāo)準(zhǔn)CAM方案，把標(biāo)準(zhǔn)CAM方案中的工件加工數(shù)控代碼、工件誤差補(bǔ)償數(shù)控代碼、工件數(shù)據(jù)及機(jī)床參數(shù)通過標(biāo)準(zhǔn)CAM方案解析模塊提取出來以供機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)使用，標(biāo)準(zhǔn)CAM方案解析模塊算法如圖12所示。

圖12　標(biāo)準(zhǔn)CAM方案解析模塊算法

西門子數(shù)控系統(tǒng)840D提供了完備的用戶OEM二次開發(fā)軟件包以供上位機(jī)(PC機(jī))與下位機(jī)(機(jī)床數(shù)控系統(tǒng))互相通信，可實(shí)現(xiàn)上位機(jī)控制下位機(jī)工作。在客戶端本地機(jī)上使用CAM-數(shù)控磨床聯(lián)機(jī)引擎，客戶端本地機(jī)與凸輪軸磨床數(shù)控系統(tǒng)通過RS232通信接口連接， 然后在CAM-數(shù)控磨床聯(lián)機(jī)引擎中調(diào)用西門子數(shù)控系統(tǒng)用戶OEM二次開發(fā)軟件包，并通過RS232通信接口把數(shù)控代碼、工件數(shù)據(jù)及機(jī)床參數(shù)發(fā)送給凸輪軸磨床數(shù)控系統(tǒng)，這樣，CAM-數(shù)控磨床聯(lián)機(jī)引擎啟動執(zhí)行數(shù)控代碼指令，凸輪軸數(shù)控磨床就可以按PaaS服務(wù)系統(tǒng)生成的標(biāo)準(zhǔn)CAM方案執(zhí)行數(shù)控加工任務(wù)了，如圖13所示。

圖13　CAM-數(shù)控磨床聯(lián)機(jī)引擎原理圖

2.3凸輪軸數(shù)控磨削云IaaS-to-PaaS分布式異構(gòu)數(shù)據(jù)庫同步復(fù)制系統(tǒng)

磨削云分布式異構(gòu)數(shù)據(jù)庫同步復(fù)制系統(tǒng)工作流程與算法如圖14所示。磨削云IaaS-to-PaaS分布式異構(gòu)數(shù)據(jù)庫復(fù)制原理如圖15所示。

圖14　數(shù)據(jù)庫同步復(fù)制系統(tǒng)工作流程與算法

圖15　分布式異構(gòu)數(shù)據(jù)庫復(fù)制原理

設(shè)計(jì)與開發(fā)此數(shù)據(jù)庫復(fù)制系統(tǒng)的作用如下：

(1)保證桌面云集群服務(wù)器資源池中磨削應(yīng)用系統(tǒng)軟件數(shù)據(jù)及功能一致。對所有磨削CAM應(yīng)用軟件的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中維護(hù)與管理。

(2)IaaS系統(tǒng)將信息進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和提取，為PaaS服務(wù)系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造應(yīng)用軟件提供有用的制造資源與制造知識數(shù)據(jù)。

實(shí)現(xiàn)IaaS到PaaS數(shù)據(jù)分布式傳遞，即MySQL[15]數(shù)據(jù)庫到InterBase數(shù)據(jù)庫的分布式數(shù)據(jù)庫復(fù)制與快照問題，MySQL數(shù)據(jù)庫為建立基于數(shù)據(jù)庫的動態(tài)云網(wǎng)站[16]提供了強(qiáng)大動力。

IaaS系統(tǒng)提取的制造設(shè)備資源和制造知識資源信息從MySQL數(shù)據(jù)庫復(fù)制到InterBase數(shù)據(jù)庫，保證桌面云集群服務(wù)器資源池中磨削應(yīng)用系統(tǒng)軟件都能獲取與使用磨削制造基礎(chǔ)設(shè)施有用的數(shù)據(jù)。

2.4凸輪軸數(shù)控磨削云IaaS系統(tǒng)

凸輪軸數(shù)控磨削云IaaS系統(tǒng)包括制造資源子系統(tǒng)和制造知識子系統(tǒng)兩部分。采用軟件構(gòu)件及模板技術(shù)形成標(biāo)準(zhǔn)的磨削云資源構(gòu)件, 不同類型的資源可以不需要修改系統(tǒng)而實(shí)現(xiàn)無縫擴(kuò)充，以供不同需求方的匹配調(diào)用。凸輪軸數(shù)控磨削云IaaS系統(tǒng)整個工作流程與算法如圖16所示。

2.4.1制造資源供需模糊檢索及智能匹配

在模糊供需匹配關(guān)系中進(jìn)行智能精細(xì)匹配，計(jì)算每個供方和需方在磨削設(shè)備及設(shè)備閑置期富余加工生產(chǎn)能力的供需吻合度，對吻合度大小進(jìn)行排序，從而選擇吻合度最大的供需信息進(jìn)行撮合。供方和需方在磨削設(shè)備及設(shè)備閑置期富余加工生產(chǎn)能力檢索參數(shù)分為數(shù)值類、范圍類兩種。

數(shù)值類檢索參數(shù)其取值均為某一具體數(shù)值，見表1。

在模糊供需匹配關(guān)系R中依次檢索，計(jì)算供方和需方數(shù)值類檢索參數(shù)的吻合度，需方x與供方y(tǒng)中數(shù)值類檢索參數(shù)k的吻合度為

(3)

式中，akx、aky分別為需方x、y中數(shù)值類檢索參數(shù)k的取值；maxak、minak分別為數(shù)值類檢索參數(shù)k的最大值、最小值。

范圍類檢索參數(shù)取值用不同的數(shù)值范圍表示，見表2。

在模糊供需匹配關(guān)系R中依次檢索，計(jì)算供方和需方范圍類檢索參數(shù)的吻合度，需方x與供方y(tǒng)中范圍類檢索參數(shù)k的吻合度為

(4)

式中，M為范圍類k取值的最大差值。

圖16　磨削云IaaS系統(tǒng)工作流程與算法

檢索參數(shù)取值示例X軸最大行程(mm)300Z軸最大行程(mm)1000頭架最大轉(zhuǎn)速(r/min)200砂輪最高線速度(m/s)120最大加工直徑(mm)120最大加工長度(mm)1000加工凸輪軸最大升程(mm)20尾架頂尖移動量(mm)25分度精度(')2工件輪廓分度分辨率(')0.01砂輪架進(jìn)給分辨率(mm)0.001工作臺移動分辨率(mm)0.001X軸定位精度(mm)0.004Z軸定位精度(mm)0.01X軸重復(fù)定位精度(mm)0.002Z軸重復(fù)定位精度(mm)0.006

表2　制造資源范圍類檢索參數(shù)

最后計(jì)算供需方匹配關(guān)系的整體吻合度，確定吻合度最高的匹配關(guān)系。第i條供需方磨削設(shè)備及設(shè)備閑置期富余加工生產(chǎn)能力匹配關(guān)系的整體吻合度為

(5)

式中，Sk(x,yi)為第i條供需方磨削設(shè)備及設(shè)備閑置期富余加工生產(chǎn)能力匹配關(guān)系中檢索參數(shù)k的吻合度；ω(k)為檢索參數(shù)k的權(quán)重值。

l=1時代表采用曼哈頓距離來計(jì)算局部吻合度大小，而l=2時則為歐幾里得距離。

在智能精細(xì)匹配計(jì)算中，工件及工藝、加工生產(chǎn)等因素可以通過選擇和調(diào)整磨削設(shè)備及設(shè)備閑置期富余加工生產(chǎn)能力的ω(k)系數(shù)來改善匹配中供需方要求響應(yīng)特性。

2.4.2制造知識供需模糊檢索及智能匹配

需求方用戶采用智能模糊檢索、匹配的理論與算法技術(shù)，通過輸入的加工類型及工件信息檢索標(biāo)準(zhǔn)知識構(gòu)件，得到與之對應(yīng)的加工設(shè)備及輔件型號和加工工藝參數(shù)信息，以此應(yīng)用于生產(chǎn)中。

加工類型及工件信息檢索參數(shù)分為數(shù)值類、范圍類、相關(guān)類、無關(guān)類4種，取值見表3。①數(shù)值類檢索參數(shù)如C5代表毛坯硬度、Ar代表總磨削余量、C6代表升程最大誤差、C7代表最大相鄰誤差、Ra代表表面粗糙度、C10代表凸輪片數(shù)、r代表基圓半徑、C11代表最大升程，T代表凸輪軸總長。②范圍類檢索參數(shù)如C8代表波紋度、C9代表燒傷程度，用不同的數(shù)值范圍表示。③相關(guān)類檢索參數(shù)如C4代表材料熱處理狀態(tài)(淬火、退火、回火等)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)相關(guān)性越大則吻合度越大，取值范圍為[0,1]。④無關(guān)類檢索參數(shù)如C1代表凸輪軸類型、C2代表材料類別、C3代表材料牌號，數(shù)據(jù)一致吻合度為1，否則為0。

表3　加工類型及工件數(shù)據(jù)

同理，采用前文所述的智能精細(xì)匹配技術(shù)從提供方的標(biāo)準(zhǔn)知識構(gòu)件庫篩選出用戶最需要的標(biāo)準(zhǔn)知識構(gòu)件。

結(jié)合供需方加工類型及工件信息的吻合度及提供方標(biāo)準(zhǔn)知識構(gòu)件的可信程度，需方依上述模糊檢索匹配算法得到的標(biāo)準(zhǔn)知識構(gòu)件，然后計(jì)算此構(gòu)件可應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)的可行性因子λ(Y):

λ(Y)=(1-κ)ρ(Y)+κSIM(x1,y1)

(6)

式中，Y為提供域U中一條完整的標(biāo)準(zhǔn)知識構(gòu)件；SIM(x1,y1)為標(biāo)準(zhǔn)知識構(gòu)件中供需方加工類型及工件信息整體吻合度；ρ(Y)為提供方標(biāo)準(zhǔn)知識構(gòu)件Y的可信度；κ為重要性因子，表示吻合度與可信度對標(biāo)準(zhǔn)知識構(gòu)件重要程度比例。

2.4.3資源智能組合與優(yōu)化

凸輪軸數(shù)控磨削加工涉及的制造資源很廣，其制造成本的高低與諸多因素有關(guān)，包括：物流成本，單位時間加工量及成本，勞動力成本。物流成本由毛怌進(jìn)貨、砂輪及磨削液進(jìn)貨、凸輪軸成品出貨組成。單位時間加工量及成本由制造企業(yè)磨床數(shù)量、生產(chǎn)量等因素決定。勞動力成本由生產(chǎn)工人勞動報(bào)酬等因素決定。資源智能組合與優(yōu)化如圖17所示，設(shè)計(jì)理念就是要依據(jù)以上因素對制造資源進(jìn)行組合優(yōu)化，降低生產(chǎn)成本。

圖17　資源智能組合與優(yōu)化示意圖

2.5凸輪軸數(shù)控磨削云用戶注冊登錄管理系統(tǒng)

凸輪軸數(shù)控磨削云用戶注冊登錄管理系統(tǒng)為磨削用戶提供統(tǒng)一的注冊及密碼分配，建立了統(tǒng)一的磨削云平臺用戶注冊與管理機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對SaaS、PaaS、IaaS三大服務(wù)系統(tǒng)集中接入，保證磨削云運(yùn)營方統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)對服務(wù)的高效管理與運(yùn)營。

3開發(fā)成果行業(yè)實(shí)踐應(yīng)用

磨削云平臺完善了磨削資源系統(tǒng)整合，功能性強(qiáng)，對于實(shí)際磨削加工過程的服務(wù)性意義大，該系統(tǒng)可降低勞動力資本、大幅縮減設(shè)備固定資本，充分整合利用凸輪軸生產(chǎn)企業(yè)制造資源，從而大幅降低國內(nèi)凸輪軸制造生產(chǎn)成本。

湖南海捷精密工業(yè)有限公司運(yùn)營凸輪軸數(shù)控磨削云平臺，在操作、開發(fā)新產(chǎn)品上用戶反映通過遠(yuǎn)程登錄使用軟件更方便、快捷，更換產(chǎn)品比原來節(jié)約了50%的調(diào)整時間，針對30多種型號的凸輪軸，利用凸輪軸數(shù)控磨削云平臺生成的變轉(zhuǎn)速加工數(shù)控程序加工出的凸輪軸精度完全達(dá)到客戶的要求，在同等精度要求下，加工效率相對靠模加工效率提高了50%，相對恒轉(zhuǎn)速加工提高了30%。

要實(shí)現(xiàn)全國大多數(shù)企業(yè)應(yīng)用磨削云平臺整合與利用各自資源，達(dá)到磨削企業(yè)的優(yōu)勢互補(bǔ)，需要政府相關(guān)部門組織并推廣。至此，對于磨削云平臺應(yīng)用技術(shù)理論與實(shí)踐的研究尚屬開拓階段，磨削云平臺在磨削加工領(lǐng)域，為磨削制造企業(yè)提供基于各類磨削裝備和各類磨削工藝知識的綜合服務(wù)系統(tǒng)，為磨削加工制造企業(yè)提供各類加工制造方面的技術(shù)服務(wù)，有廣闊的發(fā)展前景。其他制造行業(yè)可以參考磨削云平臺的研究與設(shè)計(jì)，根據(jù)自身行業(yè)特點(diǎn)設(shè)計(jì)出諸如焊接云、切削云、銑削云等行業(yè)云。

4結(jié)語

磨床品種規(guī)格繁多，技術(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及機(jī)、電、液、信息等知識領(lǐng)域。設(shè)備的使用與維修都帶有很強(qiáng)的技術(shù)性，這對于制造企業(yè)是一個很大的技術(shù)負(fù)擔(dān)。磨床設(shè)備的更新與發(fā)展也日新月異，新技術(shù)、新材料、新工藝在磨削加工中的應(yīng)用層出不窮。凸輪軸數(shù)控磨削云SaaS系統(tǒng)、凸輪軸數(shù)控磨削云PaaS系統(tǒng)能夠提供較全面、系統(tǒng)的技術(shù)服務(wù)，使磨削制造企業(yè)能夠克服其中大部分技術(shù)上的困難。

磨床需求方購買設(shè)備投資額巨大，而一般磨床提供方自有設(shè)備的平均利用率都很低，這樣，磨床需求方靠自己的財(cái)力購置很多品種規(guī)格的磨床設(shè)備，顯然是不可取的，也是不必要的。只要磨床設(shè)備供需雙方制定好生產(chǎn)、租賃與供貨的協(xié)作計(jì)劃，借助凸輪軸數(shù)控磨削云IaaS系統(tǒng)就能滿足新興磨削制造企業(yè)的設(shè)備與知識的連帶配套需求，是解決高技術(shù)制造企業(yè)資金短板最便捷的一種方法。

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(編輯陳勇)

ResearchandDesignofCamshaftCNCGrindingCloudPlatform

XieZhiming1DengZhaohui2LiuWei2LiuTao2PengKeli3

1.NationalEngineeringResearchCenterforHighEfficiencyGrinding,HunanUniversity,Changsha，410082 2.HunanProvinceKeyLaboratoryofHighEfficiencyandPrecisionMachiningofDifficulttoMachineMaterials,HunanUniversityofScienceandTechnology,Xiangtan，Hunan,411105 3.HunanHaijiePrecisionIndustryCo.,Ltd.,Changsha，410082

Abstract：In view of integrating the grinding field resources, grinding cloud platform refered to the ideas from cloud computing and cloud manufacturing, which integrated and used two categories of resources in grinding domain. The structure of grinding cloud platform was proposed, research of its key technologies was used to design the software structure.Using artificial intelligence,the application requirement model was proposed,the work flow and key algorithm of the system were designed. Designing and developing grinding cloud platform system composed of five software subsystems, including the SaaS service system, the PaaS service system, the IaaS-to-PaaS replication system among distributed heterogeneous database, the IaaS service system, the user login and register management system, which made the enterprises more convenient optimization in resource utilization. The grinding cloud platform was applied to practical productions, which improves the production efficiency effectively and reduces the production cost.

Key words:grinding cloud platform; application requirement model;system architecture; grinding cloud engine;artificial intelligence; software system

收稿日期：2015-10-23

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51175163)；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目(20110161110032)；國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015BAF23B01)

中圖分類號：TG580

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.01.015

作者簡介：謝智明，男，1971年生。湖南大學(xué)國家高效磨削工程技術(shù)研究中心博士研究生。主要研究方向?yàn)樵朴?jì)算、云制造及磨削云、數(shù)字與智能制造。鄧朝暉(通信作者)，男，1968年生。湖南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。劉偉，男，1986年生。湖南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院博士。劉濤，男，1990年生。湖南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院碩士研究生。彭克立，男，1976年生。湖南海捷精密工業(yè)有限公司高級工程師。