數據庫技術在仿生耦合功能表面激光制備中的應用實踐

張寶玉 張志輝 任露泉

(吉林大學 工程仿生教育部重點實驗室,吉林 長春130022)

1 概述

激光仿生制造作為融合傳統制造與生命(物)、信息、材料科學的交叉領域,是機械領域備受關注并亟待發展的制造理論方法和技術。實現仿生研究成果在工業生產制造中的流程化、自動化和智能化是仿生領域中未來發展方向之一。迄今為止,一些仿生產品,如仿生制動轂(盤)、仿生機床導軌、仿生軋輥、仿生模具、仿生齒輪等,其增效、耐用技術的相關研究已取得較大突破[1],急需與現代先進制造技術融合,從而加快仿生制造的產業化進程。以往研究中,盡管針對仿生功能表面的激光制造技術和工藝的探索已取得明顯成效,但在工藝數據的穩定、工藝規律的傳承等方面的工作仍需進一步開展。例如:工藝參數及其組合的多樣性使得研究人員在針對仿生制造目標進行參數選取中存在差異,進而限制了以往有效試驗數據的重復利用；再則,傳統仿生功能表面制造過程中,不同工藝參數下仿生制備的材料性能往往需要進行重復檢測,既增加了成本,又延緩了產品研發的進程[2]。為了解決上述問題,本文探討了仿生耦合功能表面激光制備工藝數據庫及功能開發實踐方法,以實現制備工藝數據的高效利用,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據庫模型設計

2.1 需求分析。結合以往研究資料、用戶咨詢以及仿生制造工藝相關信息,獲得仿生耦合功能表面激光制造工藝數據庫的應用需求如下:2.1.1 信息需求。在仿生耦合功能表面制造工藝數據庫的應用中,用戶希望通過在人機界面輸入基體材料的牌號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信息。因此,數據庫中的數據應涵蓋如下內容:耦合體的形態和結構耦元以及平均硬度等特征參量數據,嵌入金屬基體表面的仿生耦合體類型、分布、力學性能等特征參量,基體中影響工藝過程中制造結果的相關參數,制造過程中所涉及的激光器及影響加工終端運行軌跡和精度的工藝參數信息等等。此外,影響仿生表面/耦合體成型和成性結果的環境因素相關信息也應考慮在內。2.1.2工藝數據應用需求。在工藝信息查詢中,需要可根據仿生表面或耦合體的特征信息對工藝參數進行查詢；數據庫中各數據表中的主鍵應保證唯一性,在向數據庫添加數據時,其主鍵的值不能重復。2.1.3 完整性需求。工藝參數數據表中,脈沖能量、脈寬、離焦量為耦合體制備中的必需參數,因此其屬性不能為空,且數據類型須為浮點型；激光頻率和掃描速度對搭接率有顯著影響,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即可自動計算激光頻率和速度,因此其數據類型同樣須為浮點型。此外,在仿生功能表面和耦合體特征數據表中,耦合體的形貌寬度(直徑)、結構寬度(直徑)、結構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。材料牌號反映基體材料基本信息屬性,不能為空；且相同牌號的基材往往由于生產廠家、批次及工藝的不同,其化學成分可能存在差異,因此材料牌號不能作為唯一標識基體材料數據表的主鍵,應增加基材編號字段,用以區分相同牌號下的化學組成。

2.2 數據庫模型的建立。依據需求分析,數據庫中應含的實體包括基體材料、激光參數、加工終端、環境介質和仿生功能表面。其中,由于耦合體為仿生表面中與激光直接發生關聯的最小單元,因此,將模型中的耦合體定義為獨立的實體,且與功能表面實體存在一定關聯屬性。因此,各實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為其在實際工況中影響機械零部件的力學、摩擦、疲勞等功能方面的因素。主要包括材料整體的屈服強度、抗拉強度、延伸率等。2.2.2 耦合體。耦合體的屬性主要包括:形態的類型、尺度,結構的尺度、輪廓、平均硬度等特征。其中,仿生設計中常用的幾種類型耦合體(樁釘型、堤壩型、網格型),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行合并,只以形態類型屬性進行區分。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、結構尺度及力學特征。如材料的化學組成、原始熱處理狀態、表面粗糙度、吸收率以及熱傳導特性等。2.2.4 激光束。對于特定的激光器,一些不可控的激光參數如光斑模型、波長、發散角等在數據庫建模中可不予以考慮,可控參數如電流、能量、脈寬、平均峰值功率、頻率等需考慮在內。2.2.5 加工終端。激光加工終端直接決定入射激光相對工件的入射角、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程中耦合體間距或光斑搭接程度的重要參數,在仿生表面的制造中不容忽視。2.2.6 環境因素。環境介質因素主要包括環境溫度、保護氣氣壓大小等。環境溫度決定基材的初始溫度,保護氣的氣壓大小影響加工過程中基體表面與環境的對流換熱情況。在實際成型過程中,由于實體中的激光參數、加工終端以及環境因素的相關工藝信息均對成型或成性的耦合體形態、結構、力學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實體,即工藝信息(或工藝參數)。綜上所述,制定實體-聯系模型(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 模型轉換為關系數據庫模型,使用范式理論[3]對關系模型進行優化、合并,獲得邏輯數據模型如圖2 所示,再根據以上邏輯結構設計的結果,即可進行數據庫的物理實現,分別對各表的主鍵、外鍵,字段的數據類型、長度等約束進行設置。

圖2 邏輯數據模型

3 仿生耦合功能表面激光制備工藝數據庫的功能實現

在工藝參數查詢過程中,仿生功能表面或耦合體的加工結果信息在數據庫的數據中未必存在,而往往實際仿生特征的設計結果為四舍五入的參數,因此數據庫查詢功能的實現需考慮這一關鍵問題。為此,基于建立的數據庫,結合仿生表面制備中工藝參數選取的實際問題,開發基于加工結果范圍要求的工藝參數檢索程序,其應用界面如圖3 所示,本實踐方法可有效避免工藝參數精確查詢出現的查不到數據的現象,可保證數據庫中數據的有效利用；依據試驗設計,建立工藝參數體系與仿生耦合體形態、結構、力學特征參數的映射關系模型。在此基礎上,開發工藝參數成型與成性結果預測應用程序,其應用界面如圖4 所示,可有效節約仿生產品研發的試驗成本、縮短研發周期,為流程化、智能化仿生制造的實現奠定基礎。

圖3 工藝參數查詢界面

圖4 工藝參數成型結果的預測界面

4 結論

基于對仿生耦合功能表面、耦合體特征制造過程中的影響因素,分析總結整個成型與成性中所涉及的實體與聯系,運用E-R 模型對工藝數據庫進行概念設計,使用范式理論對關系模型進行優化、合并,建立邏輯結構模型,在此基礎上進行數據約束設置,進而建立激光仿生制造工藝數據庫的物理模型。基于現有的激光制備工藝參數及數據庫框架,開發基于范圍查詢的人機交互程序；并依據制備工藝的經驗模型,開發仿生表面或耦合體制造結果的預測程序,可實現參數范圍內制備結構的預測,進而提高定向制造效率。