基于云计算的农机部件数字化车间集成技术研究

罗晓琳

(淄博职业学院，山东 淄博 255000)



基于云计算的农机部件数字化车间集成技术研究

罗晓琳

(淄博职业学院，山东 淄博 255000)

为了提高农机加工的现代化和数字化水平，降低设计成本、缩短设计周期、提高农机部件的加工质量，结合复杂零件CAD/CAPP/CAM 集成系统，采用数字化虚拟仿真技术，提出了一种基于云计算平台的农机数字化车间集成技术，并提出了基于叶贝斯分类算法的云资源优化配置算法。该技术平台通过统一的零件模型信息源实现了零件几何信息和非几何信息的共享，改进了传统的 CAD、CAPP、CAM 系统的不足，简化了其数字化制造工作，大大提高了企业的生产效率。以农机部件的数字化加工虚拟仿真为例，对农机部件加工刀具轨迹进行了平台测试，结果表明：利用平台的云搜索功能可以有效地确定刀具走刀方式，生成刀具轨迹，对农机现代化加工水平的提高具有重要的意义。

农机部件；数字化车间；集成系统；云计算；叶贝斯分类

0 引言

随着农机制造产业竞争的日益加剧，产品的更新换代、设计周期的缩短和可以定制模式的形成，给农机制造业带来了巨大的竞争压力，也促使数字化车间集成技术的产生。数字化农机车间是在互联网的支持下，采用计算机虚拟仿真技术，以群组协作的工作方式，从产品的设计制造到三维可视化展示，从用户需求到交互式技术交流，来模拟和预测产品的功能、性质和可加工性。数字化车间改变了传统的农机加工规划设计理念，将设计的步骤规划从云平台共享资源着手，利用云平台的计算机辅助软件资源，提供精确可靠的加工工艺设计，在农机加工时间、质量和成本上，都具有无可比拟的优越性。

1 云计算服务的农机数字化车间模式

网络集成IT服务是云计算的基本特征，包括云计算平台的基础服务设施(Infrastructure as a Service，IaaS)、平台服务(Platform as a Service，PaaS)和软件服务(Softwareas a Service，SaaS)3种服务模式。将传统的农机数字化产品设计利用互联网服务交付给客户，基本框架如图1所示。IaaS利用互联网为用户提供基础设施，是最底层的服务，并针对客户对于农机数字化设计的需求，提供存储资源和服务器。SaaS应用软件服务提供给数字化车间使用的用户，用户按照实际使用的服务资源支付费用。SaaS为用户提供Web软件租用服务，并负责服务的维护和管理，从而降低了数字化云车间企业用户的成本。

图1 云计算基本架构

本研究结合OpenGL构建农机车间的三维数字化场景，通过对农机部件加工信息的捕捉，利用OpenGL渲染技术，构建三维设计场景，并使用三维设计软件建立农机部件的三维模型，最后设计数字化车间的数据库，供云平台共享使用,如图2所示。

图2 农机数字化车间系统组成框架

图3表示农机数字化车间设备集成的机床三维渲染场景，利用三维渲染软件可对农机加工设备进行合理的资源优化配置。为了使资源进行有效的分类和优化配置，引入了基于贝叶斯的农机数字化云计算集成模型。

图3 机床识别三维渲染

2 农机数字化云计算集成模式

资源的有效分类可以较大程度地提高农机云计算服务平台的效率，贝叶斯算法是当前使用较多的一种智能分类算法，常用的贝叶斯判别决策算法有最大后延概率准则(MAP)和极大似然比准则(ML)。对于一个农机数字化车间，其云存储的资源数据库可以共享，对于一个c类资源的分为问题，其分类的空间模型可以表示为

(1)

该分类的特性向量为

(2)

农机数字化云资源的分类判别函数可以表示为

(j=1,2,…,c且j≠i→w∈wi)

(3)

(j=1,2,…,c且j≠i→w∈wi)

(4)

(j=1,2,…,c且j≠i→w∈wi)

(5)

(j=1,2,…,c,且j≠i→w∈wi)

(6)

假设某一数字化农机制造车间一共有3组设计资源数据，每一组都是一个单独的资源类别，每组有50个加工制造资源，每组的每个数据都是四维向量，则其分类空间为

Ω={w1,w2,w3}

(7)

表特性的向量为

(8)

将每个数据看作是一个具有4维特征的观察样本，则

(9)

假设每类数据的每维都的分别服从正态分布，即

(j=1,2,3,4;p=1,2,3)

(10)

根据数理统计理论，样本的修正值和均值分别为μ和σ2的无偏估计量，故可近似求得μ和σ2为

(11)

(j=1,2,3,4;p=1,2,3)

(12)

贝叶斯决策规则选取

(j=1,2,3,且j≠i→w∈wi)

(13)

由于不同维度数据两两独立，则

(j,i=1,2,3,且j≠i)

(14)

设置门限值为

(15)

其中，Nj和Ni表示待分类样本j类数据和i类的个数。通过比较门限值的大小来判断所属类别，最后计算分类的准确性。

数字化农机车间的云计算平台的基础是数据库的建立，本次采用UG NX对数据库进行建设，并以农机部件的加工刀具轨迹仿真模拟为条件，其步骤如下：

1)刀具路径。刀具路径可以采用UG-NX的POST后处理进行输出，可以通过参数化输入。

2)农机部件的加工管理。加工管理器可以使用UG-NX提供事件驱动器，其流程如图4所示。

图4 农机部件加工管理流程

农机部件的加工管理流程基本步骤是将包含有刀具轨迹的文件输入到事件生成器中，通过加工管理来对事件进行处理，并对机床进行定义，最后输出加工刀具轨迹。

利用云平台对农机部件进行加工，构建数字化车间，首先要构建加工工艺系统的仿真环境，其具体流程如图5所示。

图5 基于云平台的农机部件加工流程

具体步骤为：

1)搜索云平台共享资源。首先搜索云平台共享数据，确定农机部件加工使用的机床型号、结构尺寸、运动机理，确定刀具和夹具等。

2)建立用户文件，设置CNC系统，建立机床的运动模型。

3)建立几何模型。利用VERICUT建立机床模型，利用CAD建立农机加工件的几何模型。

4)建立刀具的数据库。

5)在部件云资源中添加机床、夹具、刀具几何模型，并进行相关定位。

6)定义控制系统。

7)编制程序进行调试。

8)对云平台进行检测。

9)完善云平台系统。

通过以上步骤，便可以初步建立基于云计算的农机数字化车间的虚拟仿真平台。

3 农机数字化车间虚拟仿真技术测试

以数字化设备集成车间为例，以农机部件的刀具加工轨迹为研究对象，对基于云计算的农机数字化车间虚拟仿真平台进行了测试。农机数字化设备车间如图6所示。

图6 农机数字化设备集成车间

利用云计算资源平台，可以对具有相似特性的加工内容进行选择，利用云平台搜索得到的资源信息如表1所示。

表1 云平台农机部件加工信息列表

Table 1 The processing information list of agricultural machinery parts in cloud platform

机型铣农机部件箱体上平面铣刀盘转速/r·min-1进给/mm·min-1机床7S60铣农机部件件箱下平面铣刀盘30060026M龙铣7S60粗镗轴承孔镗刀盘30060026M龙铣

续表1

通过对不同加工工序的云平台资源搜索，可以得到结构复杂和工艺繁琐的零部件加工工艺的相似特性，90%可以使用原来的工艺。最终确定刀轨的方式如图7所示。

图7 刀轨方式选择

在云共享平台对刀轨的类型进行选择，通过选择不同的刀轨类型，根据农机部件模型的加工相似特性，直接选择走刀方式，在三维零件上形成走刀轨迹，如图8所示。

图8 农机部件加工走刀轨迹

图8集合了不同的加工走刀方式，从而验证了云共享平台在农机数字化车间设备集成技术中应用的可行性。

4 结讨和讨论

采用云平台资源共享集成技术和CAD/CAPP/CAM 集成系统，结合数字化仿真技术，提出了一种现代数字化农机加工集成车间技术，并设计了了基于叶贝斯分类算法的云资源优化配置算法。平台可以对零件和机床的资源进行共享，弥补了传统的CAD、CAPP、CAM 系统的不足，有效地提高了企业数字化设计的工作效率。以农机部件建工的刀具轨迹生成为测试对象，对平台进行了测试，结果表明：平台可有效地搜索加工资源数据，并生成刀具加工轨迹。该技术平台还有待进一步的完善，由于时间和篇幅限制，只针对刀具加工轨迹对其进行了测试，今后的研究需要对其功能进行进一步测试，验证其对不同农机部件加工的适应性和可靠性，以便于其在农机数字化车间设计过程中进行技术推广。

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The Integration Technology of Digital Workshop of Agricultural Machinery Parts Based on Cloud Computing

Luo Xiaolin

(Zibo Vocational Institute, Zibo 255000, China)

In order to improve the modernization of agricultural processing and digital level, saving design cost, shorten the design cycle, improve the quality of agricultural machinery parts processing, combined with complex parts CAD / CAPP / CAM integrated system, using digital virtual simulation technology, presents a cloud based meter agricultural digital workshop integrated technology platform, and based on Bayesian classification algorithm of cloud resource allocation optimization algorithm. The technology platform through a unified information source of parts model the geometry information and non geometry information sharing, improved the shortage of the traditional CAD, CAPP and cam system, simplifying the digital manufacturing work, greatly improving the production efficiency of enterprises. Finally, machine parts, digital virtual simulation process, for example, of agricultural machinery parts machining tool path were test platform, test results show that using cloud platform search function can effectively tool to determine the tool path mode, efficient generation of tool path, to agricultural modernization level of processing have important

ignificance.

agricultural machinery parts; digital workshop; integrated system; cloud computing; ebers classification

2016-07-06

山东省青年教师成长计划项目(2015-4)

罗晓琳(1980-)，女，山东淄博人,讲师，硕士，(E-mail)uth3721@163.com。

S126；TG502

A

1003-188X(2017)10-0218-05