基于云计算的智能磨削云平台的研究与应用

2012-09-08邓朝晖吴锡兴谢智明

中国机械工程 2012年1期

关键词：磨床凸轮轴加工

邓朝晖刘伟吴锡兴曾宇谢智明

1.湖南科技大学，湘潭，411201 2.湖南大学，长沙，410082

3.中国机械工程学会生产工程分会，北京，100102

4.北京市科学技术研究院，北京，100089 5.北京大学，北京，100871

0 引言

制造业是国民经济的支柱产业，而磨削加工技术是制造技术中的重要内容，是现代机械制造业实现精密加工、超精密加工中最有效、应用最广的工艺技术［1］。制造业服务化和信息化是当前制造业发展的两大趋势。制造业服务化是向产品产生过程和使用过程所提供的各种形式服务的总称，制造企业是服务的主体或客体之一［2］。制造业信息化的范畴涉及产品开发、生产和营销过程等价值链的各个方面，它经历了从低级到高级、从简单到复杂的发展过程；信息技术对制造业服务化的影响很大，信息技术的发展使服务越来越便利，并使过去许多不可能的服务成为可能。制造业服务化将信息化作为提供服务的平台和工具，并借助信息化手段把服务向业务链的前端和后端延伸，从而扩大了服务范围，拓展了服务群体，且能够快速地获得用户的反馈信息，不断地优化服务内容，持续改进服务质量［2］。

纵观国内外文献报道，虽然信息技术和制造技术的融合迄今已经取得了众多进展，在企业应用系统（如CAD、CAPP、CAM等）的研究开发与集成方面已经取得了很大成绩，但在信息化制造理论和方法方面进行系统的研究尚不多见，目前还存在以下几个方面的问题：①制造企业信息化发展不均衡，企业间差距较大，应用技术水平参差不齐，部分中小企业信息化建设能力较弱；②虽然个别制造企业信息化单元技术的应用已有一定的水平，但集成应用度不高，信息化的应用还有待深化；③企业对信息的安全性认识不够，信息安全系统建设欠缺，信息安全工作需进一步加强［3］。

近年来，一种新的服务化计算模式——云计算（cloud computing）正在兴起［4］。云计算的理念是，由专业计算机和网络公司搭建计算机存储和计算服务中心，把资源虚拟化为“云”后集中存储起来，为用户提供服务。云计算为解决当前信息化制造存在的问题提供了新的思路和契机。

本文介绍了工业云和云制造的特点，提出将云计算应用到磨削加工领域的思想，构建了智能磨削云平台，介绍了其关键技术，以及运用云计算技术开发的相关磨削云软件的应用情况，并展望了智能磨削云平台的发展趋势。

1 工业云和云制造

工业云是在云计算模式下对工业企业提供软件服务，使工业企业的社会资源实现共享化的一种新的概念。工业云有望成为我国中小型工业企业进行信息化建设的另外一个理想选择，因为工业云的出现将大大降低我国制造业信息建设的门槛［5］。

云制造，是在“制造即服务”理念的基础上，借鉴云计算思想发展起来的一个新概念［6］。云制造是先进的信息技术、制造技术以及新兴物联网技术等交叉融合的产品，是“制造即服务”理念的体现。云制造采取包括云计算在内的当代信息技术前沿理念，支持制造业在广泛的网络资源环境下，为产品提供高附加值、低成本和全球化制造的服务，实现制造资源的高度共享。云制造通过建立共享制造资源的公共服务平台，将巨大的社会制造资源池连接在一起，提供各种制造服务，以实现制造资源与服务的开放协作以及社会资源的高度共享。企业用户无需再投入高昂的成本来购买加工设备等资源，可以通过咨询公共平台来租赁制造资源。在理想情况下，云制造将实现对产品开发、生产、销售、使用等全生命周期的相关资源的整合，提供标准、规范、可共享的制造服务模式［7］。这种制造模式可以使制造业用户像用水、电、煤气一样便捷地使用各种制造服务。

制造资源包括制造全生命周期活动中的各类制造设备（如机床、加工中心、计算设备）及制造过程中的各种模型、数据、软件、领域知识等。为了实现制造资源的虚拟化、优化调度和协同互联，可融合语义Web、嵌入式系统技术、物联网、高效能计算等新技术［8］。另外，高性能计算机的应用和高性能计算技术的发展为求解复杂的制造问题和开展大规模协同制造提供了可能。云制造的运行原理如图1所示。

图1 云制造的运行原理图

智能磨削云平台是工业云和云制造技术在磨削加工领域的应用，它结合云计算技术、云制造技术、磨削工艺智能化技术，以分布式高性能计算机系统、大容量数据存储设备和互联网环境等资源为基础，为各大磨床制造厂商提供基于各类磨削装备的磨削数据库系统，实现知识数据的积累，另外，该平台也给磨削加工企业提供各类加工制造方面的技术服务，实现磨削加工信息查询、工艺方案智能优选、工艺优化、误差分析与补偿、磨削加工过程仿真、自动编程等功能，充分发挥现有磨床的潜在性能。智能磨削云平台是联合国内各大磨床制造厂商和磨削加工企业共同开发而成的，网络终端用户能够方便快捷地连接上它而获得服务。

2 智能磨削云平台的构建

基于以上分析，本文在研究智能磨削的基础上，引入工业云及云制造技术，建立集成云制造与磨削工艺智能化的智能磨削云平台（图2），为各大磨床制造厂商提供基于各类磨削装备的磨削数据库系统，给磨削加工企业提供各类加工制造方面的技术服务。该智能磨削云平台可提供远程实时有效的加工指导，具有很强的开拓性和前瞻性。

图2 智能磨削云平台

智能磨削云平台的结构如图3所示，主要包括三个部分：基于云计算的磨削数据服务客户端、云计算服务管理平台、分布式磨削工艺数据库管理平台。

图3 智能磨削云平台结构图

基于云计算的磨削数据服务客户端根据具体的需求对磨削云服务进行自主选择，如图4所示。磨削云服务的主要功能包括工艺实例智能推理决策、3D加工仿真、磨削工艺预报、误差分析与补偿、数控代码自动生成以及对数据库系统的扩充维护等。这些服务均是通过智能磨削云端服务来完成的。

数据库资源池通过数据仓库、数据挖掘等技术实现对磨削工艺数据库的检索、重用、修改、存储、删除、更新等操作，以此保证磨削工艺数据库知识的完备实时准确，从而正确地指导磨削云的服务工作。

图4 智能磨削云服务模式结构框图

云计算服务管理平台采用虚拟化技术将分散的制造资源和制造能力虚拟地接入到磨削云平台中，形成虚拟资源并聚集在虚拟资源池中，从而隐藏底层资源的复杂性和动态性，为智能磨削云平台实现面向服务的资源高效共享与协同支持。云计算服务管理平台运营商将智能磨削云平台的服务功能通过网络传递给远程用户，并将结果文件进行反馈以实现智能磨削云平台的更新。云计算服务管理平台涉及的主要技术包括资源虚拟和分布式并行计算架构两大核心技术，以及数据传输安全技术、认证与鉴权体系等。

分布式磨削工艺数据库的结构框图如图5所示。该数据库将磨削加工过程中的各生产要素、工艺参数（主要包括机床、冷却液、材质、磨料磨具、实例、规则、模型图表、工艺参数等）有机集成，并根据这些要素和参数之间内在的逻辑映射规则以及数学拓扑关系进行异构，最终形成一个有机结合的磨削工艺数据库系统。

图5 分布式磨削工艺数据库结构框图

3 智能磨削云平台的关键技术

智能磨削云平台的关键技术主要包括以下内容：

（1）磨削工艺数据库。该数据库集成了机床库、磨料磨具库、材料库、冷却液库、实例库、规则库、模型库、图表库、工艺参数库等，涵盖了磨削工艺领域的各重要环节，并存储了大量的工艺数据。

（2）磨削加工工艺方案智能决策技术。制订基于实例推理和规则推理的混合推理模式，以及遗传神经网络等智能优化算法的磨削加工工艺方案，发展磨料磨具设计制备与选用的智能决策技术，采用粗糙集理论、层次分析法、组合赋权法、分层过滤机制等实现基于实例推理技术，并建立不同方案的效用评价体系及自动评价实现技术。

（3）磨削加工工艺优化技术。针对磨削加工过程中零件轮廓复杂性，考虑其质量要求和工艺系统的加工能力，并结合磨削质量预报技术，进行加工轨迹与速度加速度的优化，实现加工精度和加工效率的同步提高。

（4）磨削加工误差分析与补偿技术。通过对加工后的实际轮廓表面测量来提取误差信息并进行科学分析，将其与理论轮廓线或（和）虚拟加工仿真轮廓线进行匹配，通过误差分析了解误差的变化情况，并根据误差变化进行预测，以调整整个磨削工艺系统的补偿误差。

（5）磨削加工过程几何仿真技术。建立数控磨削加工的虚拟环境，实现对复杂轮廓零件的虚拟数控磨削加工，在虚拟磨削加工过程中提取磨具、头架、尾架、中心架、工作台、夹具等模型之间的相对位置，检查碰撞、干涉及撞刀现象。

（6）磨削质量预报技术。对经智能优化的工艺方案的磨削结果进行预报，在优化工艺方案正式实施前了解其磨削加工结果。复杂轮廓零件的磨削几何形状通过几何仿真了解，加工表面质量（主要指轮廓精度、表面粗糙度等）主要采用遗传神经网络的方法来进行预报（预测）。

（7）磨削加工的自动编程技术。针对特定零件的结构特征，将测量数据通过模型转换为实际加工数据，并利用计算机技术实现数控代码的自动编制。

（8）云计算技术。该技术主要基于资源虚拟和分布式并行架构两大核心技术，同时也利用互联网上的大量开源软件为用户提供支撑。虚拟化技术主要分为两个层面：物理资源池化和资源池管理。其中，物理资源池化是把物理设备由大化小的过程，即将一个物理设备虚拟为多个性能可配的最小资源单位；资源池管理是对集群中虚拟化后的最小资源单位进行管理，即根据资源的使用情况和用户对资源的申请情况，按照一定的策略对资源进行灵活分配和调度，实现资源的按需分配。

4 基于智能磨削云平台已开发的软件应用产品

磨削加工辅助软件CGAS和典型零件高效精密磨削工艺数据库系统FCGDB。其中，CSIDB、GPDB和FCGDB是基于Interbase的三层分布式应用体系结构开发的，集成了机床库、磨料磨具库、材质库、冷却液库、实例库、规则库、模型库、图表库、工艺参数库等，涵盖了磨削工艺领域的各重要环节，存储了大量的相关工艺数据。CSGIA在CSIDB的基础之上，针对凸轮轴的磨削加工增加了工艺问题定义、专家系统推理、误差分析与补偿、工艺智能优化、工艺预报、自动数控编程、工艺系统3D运动仿真、工艺结果输出等8项重要功能。

CSGIA V1.0于2009年11月12日经湖南省软件评测中心进行全面测试，成功通过测评，可应用于指导实践加工。

该系统于2011年9月进行了网络化测试：利用计算机“远程桌面连接”功能，远程登录北京市云计算关键技术及应用重点实验室的虚拟机，对其进行操作控制，在虚拟机上进行软件安装和功能测试，各功能模块都能正常运行。

CSIDB、CSGIA成功应用于湖大海捷制造技术有限公司开发的CNC8312A型数控高速凸轮轴磨床上，结果发现，凸轮轴数控磨削工艺系统的操作时间缩短了20%以上，生产效率提高了25%，生产过程中凸轮轴的废品率显著降低。

基于无心磨床和轴承磨床的GPDB已经成功应用于无锡机床股份有限公司。该系统提高了无心磨削与轴承磨削的加工精度和加工效率，增强了磨削加工的柔性。该系统操作界面简洁，具有良好的人机交互性，为无锡机床股份有限公司进一步提高无心磨床和轴承磨床的质量指标提供了有力的技术支撑。

基于浙江玉环传动机械有限公司现有的凸轮轴磨床开发的CGAS，对30多种型号的凸轮轴进行加工，所获得产品的精度完全达到了客户的要求，而且人力资本、固定资本大幅降低，这些优势帮助该公司打开了中小凸轮轴生产企业的凸轮轴数控磨床市场。

FCGDB是针对国家高技术研究发展计划（863计划）资助重点项目中典型零件开发的处理其高效精密磨削复杂工艺的智能化工艺管理系统。

近来，笔者基于智能磨削云平台成功开发了凸轮轴数控磨削工艺智能专家数据库系统CSIDB、凸轮轴数控磨削工艺智能应用系统CSGIA、磨削工艺数据库系统GPDB、凸轮轴数控