第３１卷第７期
中国机械工程
V o l ．３１㊀N o ．７２０２０年４月
C H I N A M E C HA N I C A LE N G I N E E R I N G
p p
刘㊀涛１,２
㊀邓朝晖１,２㊀葛智光１,２㊀吕黎曙１,２㊀刘㊀伟１,２㊀彭克立３
１．湖南科技大学难加工材料高效精密加工湖南省重点实验室，湘潭,４１１２０１
２．湖南科技大学智能制造研究院，湘潭,４１１２０１３．湖大海捷(湖南)工程技术研究有限公司，长沙,４１０２０５
摘要：在分析云制造模式下凸轮轴磨削加工特征和工艺智能决策需求的基础上，建立了凸轮轴磨削过程的智能决策云服务模式，设计了面向云服务的凸轮轴磨削工艺智能决策软件整体框架，构建了集成基础数据库㊁工艺知识库㊁工艺定义与决策优化等模块的工艺智能决策软件，搭建了面向凸轮轴磨削加工的智能决策云服务平台，并通过实例验证实现了工艺数据与智能决策的协同融合，为凸轮轴的高效智能磨削提供了新的思路和实现途径 .
关键词：凸轮轴；磨削加工；工艺智能决策；云服务中图分类号:T G ５８０
D O I :１０．３９６９/j ．i s s n ．１００４ １３２X．２０２０．０７．００２开放科学(资源服务)标识码(O S I D )
:I m p l e m e n t a t i o no f I n t e l l i g
e n tD e c i s i o nC l o u dS e r v i c e
f o rC a m s h a f t G r i n d i n
g P
r o c e s s e s L I U T a o １,
２㊀D E N GZ h a o h u i １,
２㊀G EZ h i g u a n g １,
２㊀L Y U L i s h u １,
２㊀L I U W e i １,
２㊀P E N G K e l i ３
１．H u n a nP r o v i n c i a lK e y L a b o r a t o r y o fH i g hE f f i c i e n c y a n dP r e c i s i o n M a c h i n i n g o
fD i f f i c u l t t o M a c h i n eM a t e r i a l ,H u n a nU n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y ,X i a n g
t a n ,H u n a n ,４１１２０１２．I n t e l l i g e n tM a n u f a c t u r i n g I n s t i t u t e ,H u n a nU n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y ,X i a n g
t a n ,H u n a n ,４１１２０１３．H u d aH a i j i e (H u n a n )E n g i n e e r i n g T e c h n o l o g y C o ．,L t d ．,C h a n g
s h a ,４１０２０５A b s t r a c t :C l o u d s e r v i c em o d e o f i n t e l l i g e n t d e c i s i o n i n t h e c a m s h a f t g r i n d i n g p
r o c e s s e sw a s e s t a b Ｇl i s h e do n t h e b a s i s o f a n a l y s e s o f c h a r a c t e r i s t i c s i n c a m s h a f t g r i n d i n g p r o c e s s e s a n d n e e d s o f i n t e l l i g e n t d e c i s i o n Ｇm a k i n g u n d e r t h e c l o u d m a n u f a c t u r i n g m o d e ．T h eo v e r a l l f r a m e w o r ko f s o f t w a r e f o r i n t e l l i Ｇg e n t d e c i s i o no f t h e c a m s h a f t g r i n d i n gp r o c e s s e sw a sd e s i g n e d ．T h e n t h e p r o c e s s i n t e l l i g
e n td e c i s i o n Ｇm a k i n g s o
f t w a r e w a sd e v e l o p e d ,w h i c hi n c l u d e d m o d u l e ss u c ha sf o u n d a t i o ni n t e g
r a t e dd a t a b a s e ,p r o c e s sk n o w l e d g e b a s e ,p r o c e s s d e f i n i t i o n a n dd e c i s i o n Ｇm a k i n g o p t i m i z a t i o n ．F i n a l l y
,t h e c l o u d s e r v Ｇi c e p l a t f o r mo f i n t e l l i g e n t d e c i s i o n f o r c a m s h a f t g r i n d i n gp r o c e s s e sw a sb u i l t a n de x a m p
l e v e r i f i c a t i o n w a s c a r r i e d o u t ,w h i c h r e a l i z e s t h e c o o p e r a t i v e d e v e l o p m e n tw i t h i n t e l l i g
e n t d e c i s i o n a n d p r o c e s s d a t a ,an e w w a y a n d t h e i m p l e m e n t a t i o na p p r o a c ha r e o
f f e r e d f o r e f f i c i e n t
g r i n d i n gp
r o c e s s e s o f c a m s h a f t s ．K e y w
o r d s :c a m s h a f t ;g r i n d i n g ;p r o c e s s i n t e l l i g e n t d e c i s i o n ;c l o u d s e r v i c e 收稿日期:２０１９０８３０
基金项目：国家自然科学基金浙江两化融合联合基金资助项目(U １８０９２２１)；国家重大科技专项(２０１８Z X ０４０３５００２Ｇ００５)；湖南省自然科学联合基金资助项目(２０１７J J ４００７)；湖南省研究生科研创新资助项目(C X ２０１９０７９２
)０㊀引言
凸轮轴作为内燃机和发动机的核心部件，在
其磨削加工过程中尤其是新产品的制造或更换不同型号零件的过程中，存在工艺决策困难㊁周期长㊁废品率高㊁资源利用率低等问题.在云制造快
速发展的背景下，根据云制造的基本原理[１Ｇ３
]，将
凸轮轴数控磨削领域工艺资源整合起来，开发相关工艺软件和知识库系统并进行虚拟化封装，提供凸轮轴磨削加工智能决策云服务，可大大提高
凸轮轴磨削加工效率和加工质量.
针对磨削加工工艺智能决策，国内外开展了
较多的研究[４Ｇ５]
，但针对云制造模式下凸轮轴磨削
加工中知识重用㊁智能决策和按需共享问题考虑很少.近年来，国内外针对 制造业服务化 开展
了大量研究[６Ｇ８].陶飞等[９
]在分析总结智能制造
发展趋势和典型特征的基础上，提出了面向服务
的智能制造；邓朝晖等[１０
]针对工业云和云制造的
特点，提出将云计算技术应用到磨削加工领域，建
立了智能磨削云平台;T H AM E S 等[１
１]提出了一种面向工业４．０的软件定义云制造体系框架.
结合目前凸轮轴磨削加工存在的问题及云制
造模式的发展趋势[１２Ｇ１３
]，本文针对云制造模式下
凸轮轴磨削加工的智能决策服务，通过分析云模
３７７
式下凸轮轴磨削加工特征和知识服务难点及智能决策需求，提出凸轮轴磨削过程的智能决策云服务模式，并给出了有效的实现方法.首先，设计面向云服务的凸轮轴磨削工艺智能决策软件整体框架，完成集成基础数据库㊁工艺知识库㊁工艺定义与决策优化等模块的智能决策软件的构建；然后，搭建面向凸轮轴磨削加工的智能决策云服务平台，实现工艺知识数据与智能决策的协同融合；最后，以典型凸轮轴的磨削加工为例，对智能决策服务模式进行示范应用.
１㊀凸轮轴磨削加工智能决策云服务需求分析
１．１㊀凸轮轴磨削加工特征
弧面凸轮凸轮轴的精度和质量稳定性直接影响发动机的运转稳定性㊁噪声和排放.全球排放法规日益严格和国家新凸轮轴设计标准的出台，促使燃油系统趋向于高压力㊁高转速以及快响应性的方向发展.为适应新的要求和标准，凸轮型式和轮廓也在不断更新变化，出现了装配式㊁中空式㊁集成式等多种变型和非对称式凸轮㊁平面过渡式凸轮㊁扇形凸轮㊁内凹弧面凸轮等新型凸轮轮廓，曲率误差一致性和表面质量要求更高.一方面，凸轮轴属于典型的细长轴类零件，加工尤其是磨削时易弯曲变形，并引起振动，加工工艺性较差；另一方面，凸轮的轮廓形状复杂，其轮廓面通常是由多段高次曲线组成的，加工难度较大，参与磨削加工的工艺因素诸多，如工件材料㊁工件线速度㊁磨削深度㊁砂轮性能㊁机床状态㊁冷却液㊁磨削条件等在加工过程中的行为显现出很大的不确定性.其主要存在的问题包括:①批量生产过程中，由于工作环境㊁机床边界条件的变化引起产品质量的不稳定;
②新产品的制造和更换不同型号零件时，工艺决策困难，周期长，废品率高.解决上述问题的途径是建立相应的工艺数据库和知识库，开发工艺智能决策优化软件，提高批量生产的稳定性和产品更新的决策能力.
随着云服务模式的完善以及云制造核心技术的发展，人们将机床制造㊁冷却液㊁砂轮㊁凸轮轴加工㊁凸轮轴精度轮廓测量企业㊁研究所等凸轮轴数控磨削领域工艺资源整合起来，开发相关工艺软件和知
识库系统并进行虚拟化封装，形成凸轮轴磨削加工智能决策云服务，为用户提供最优凸轮轴的磨削加工设备信息㊁加工方案㊁工艺参数等基础数据和知识，进一步提高凸轮轴磨削加工效率和加工质量.然而，云模式下凸轮轴磨削加工过程的工艺环境㊁加工方案㊁质量要求等均发生了变化，尤其是制造资源分散㊁知识异构多样等因素对凸轮轴磨削加工质量和效率的影响更为突出.１．２㊀面向云制造的工艺智能决策需求
基于云制造的凸轮轴磨削加工工艺智能决策服务主要为了满足凸轮轴磨削加工任务复杂多变的需求，包括工艺问题定义㊁工艺方案优选㊁工艺智能推理以及加工结果评价等.凸轮轴磨削加工过程是一个典型的复杂系统，具有多输入㊁多输出㊁非线性等特点.其中，输入参数有机床类型㊁磨削液特性㊁砂轮类型等，输出参数包含磨削过程现象和磨削结果，比如磨削力㊁磨削温度㊁表面质量等，每个参数之间都是非线性的关系，需要存储在不同异构系统中的工艺设备㊁工艺规范㊁经验参数等知识资源.因此，云制造模式下的智能决策服务，一方面需要将凸轮轴生产企业㊁机床制造商㊁科研院所等多领域知识资源数据整合起来，包括机床㊁材料㊁砂轮㊁磨削液㊁修整等基础数据，还有相配套的工艺知识库模块，存储凸轮轴磨削加工中的工艺实例㊁规则㊁模型与算法等工艺经验知识；另一方面，基于知识资源为满足新产品或新要求的生产提供智能决策服务，即能够基于基础数据库和工艺知识库对工艺方案进行决策推理.其主要功能需求如下.
(１)数据管理功能.凸轮轴磨削工艺智能决策服务需要建立基础工艺数据库，包含机床㊁砂轮㊁材料㊁
磨削液㊁砂轮修整等基础数据信息，以及包含凸轮轴磨削加工过程中工艺实例与工艺知识规则的经验数据.用户可以根据自身的实际需求便捷地查询和调用这些数据，同时也可以通过上传数据扩充数据库资源.合理整合上述基础工艺数据，是更好地实现凸轮轴磨削加工工艺智能决策服务的前提.
(２)数据安全性功能.凸轮轴磨削工艺智能决策知识数据信息主要存放在底层数据库中，因此，在调用底层数据库信息时需要对关键数据进行加密处理，确保数据信息的准确性和完整性.
(３)工艺决策功能.磨削工艺决策优化作为最核心的功能，主要以磨削效率和磨削精度为目标，最大限度地利用已有的工艺㊁加工信息，实现工艺㊁加工知识的重用，达到工艺方案决策的目的.
由于各种加工数据信息是抽象的，无法直接应用于凸轮轴磨削工艺智能决策服务，故需要一个中间媒介进行数据信息的转换，将实际的抽象需求转换为信息世界的基本架构.使用实体联系模型(e n t i t yＧr e l a t i o n s h i p m o d e l,EＧR)方法进行
４７７
中国机械工程第３１卷第７期２０２０年４月上半月
数据信息的建模，可以不受任何数据库管理系统(d a t a b a s e m a n a g e m e n ts y s t e m)的约束，该模型主要由实体集㊁联系集以及属性３部分组成，实体间各联系有３种类型，即一对一㊁一对
多以及多对多.面向凸轮轴磨削工艺智能决策云服务的EＧR 模型如图１所示.
图１㊀凸轮轴磨削工艺智能决策软件的EＧR模型
F i g．１㊀T h eEＧR m o d e l o f s o f t w a r e f o r i n t e l l i g e n t d e c i s i o n i n t h e g r i n d i n gp r o c e s s o f c a m s h a f t
２㊀面向凸轮轴磨削加工的智能决策云服务模式
２．１㊀面向云服务的智能决策软件框架设计
为了满足凸轮轴磨削加工过程智能决策服务需求，首先将动态异构㊁重用困难的凸轮轴磨削加工数据资源和交互耦合的加工任务进行规范化㊁标准化的组织与描述；然后采用基于客户端/服务器(c l i e n t/s e r v e r,C/S)的架构开发面向云制造的工艺智能决策软件，其总体框架如图２所示.凸轮轴磨削工艺智能决策软件采用多层次架构，主要有以下５个层次.
(１)数据存储层.数据存储层存储凸轮轴磨削工艺智能决策软件所需要的基础数据和工艺经验知识，主要通过以下３种途径采集：生产车间数据㊁文献资料数据和加工实验数据.采集的数据需通过审核才能存储于数据库中，以确保该数据的准确性.
(２)数据操作层.
数据操作层采用数据访问
图２㊀凸轮轴磨削工艺智能决策软件框架图
F i g．２㊀T h e f r a m e o f s o f t w a r e f o r i n t e l l i g e n t d e c i s i o n
i n t h e g r i n d i n gp r o c e s s o f c a m s h a f t
技术对数据存储的数据进行调用，为数据管理层服务.
(３)数据管理层.数据管理层作为凸轮轴磨
５７７
面向凸轮轴磨削加工的智能决策云服务实现 刘㊀涛㊀邓朝晖㊀葛智光等
削工艺智能决策软件里的主要部分，显示了该软件的大部分功能，也成为软件设计关键之所在.该层包括基础数据管理㊁经验数据管理㊁决策数据管理和数据安全管理等.
(４
)
系统算法层.系统算法层作为凸轮轴磨削工艺智能决策软件里的重要部分，利用实例优选算法和工艺推理算法，为数据管理层中结果输出提供算法支持.
(５
)用户层.用户层是数据库管理者或者企业技术人员对工艺软件使用的界面，使得用户通过人机交互界面的方式对工艺软件进行操作.２．２㊀智能决策关键技术
凸轮轴磨削工艺智能决策软件的决策优化功能是通过实例优选与工艺推理两个子模块来实现的，如图３所示.
图３㊀决策优化模块
F i g ．３㊀T h e d e c i s i o no p
t i m i z a t i o nm o d u l e 在磨削工艺实例优选过程中，实例特征权重的计算结果直接影响到实例推理决策的可靠性.针对凸轮轴磨削工艺特征属性，本文提出了一种基于C R I T I C (c r i t e r i a i m p o r t a n c et h o u g
hi n t e r Ｇc r i e r i a c o r r e l a t i o n )法和层次分析法(a n a l y
t i ch i Ｇe r a r c h yp r o c e s s ,A H P )相结合的主客观权重组合赋权法，其计算过程如下.
(１)基于C R I T I C 法计算客观权重:ωj ＝s j c j /ðn
j ＝１
(s
j c j )(１
)其中,s j 为对比强度,
其计算公式为s j ＝
ðn
j ＝１
(
y j
－y i j )
２
m －１
(２
)c j 反映的是第j 个指标和其他指标之间的冲突
性，其计算公式为
c j ＝
ðn
j ＝１
(
１－r i j
)
(３
)i ＝１,２, ,m
式中,m 为工艺实例个数;n 为特征属性个数; y j 为第j 个指标的样本均值;r i j 为指标间的相关系数.
(２
)为了使实例推理结果更加精准，在计算客观权重的同时引入主观赋权法，使用层次分析法进行主观权重计算.第i 个特征属性权重系数
ωi ＝(ᵑn j ＝１t i j )１/n /ðn i ＝１(ᵑn
j ＝１
t
i j )１/n
(４
)
其中,t i j 的取值是属性
i 对属性j 的重要度，通过向凸轮轴数控磨削领域专家进行咨询，并使用１Ｇ９比率标度法进行定义,
见表１.表１㊀比率标度法标度定义
T a b ．１㊀S c a l e d e f i n i t i o no f r a t i o s c a l em e t h o d
标度定义
１属性i ㊁j 的重要性相同３属性i 比j 稍微重要５属性i 比j 明显重要７
属性i 比j 重要得多９
属性i 比j 极端重要
２㊁４㊁６㊁８
１,３,５,７,９之间的重要性
㊀㊀(３)为了使凸轮轴磨削工艺特征属性权重值更加合理，根据线性加权的原理，针对以上两种方法计算出的权重系数计算综合权重.对于某一特征属性a i ,
其权重大小ωa i ＝x ωS a i ＋(１－x )ωO a i
(５)式中,ωa i
为特征属性i 的综合权重系数;ωS a i
为使用主观赋权法A H P 法求得的特征属性i 的权重系数;ωO a i 为使用客观赋权法C R I T I C 法求得的特征属性i 的权重系数;
x 为加权系数，一般取值１/２.
计算得到特征属性权重后，再利用实例推理
模型进行实例检索㊁修改㊁重用，匹配目前工艺问题最相似的实例，其算法流程图见图４.
图４㊀工艺优选子模块算法流程图
F i g ．４㊀T h e a l g
o r i t h mf l o wc h a r t o f p r o c e s s o p
t i m i z a t i o n s u b m o d u l e 若实例库中实例与该工艺问题的相似度过低，没有达到设定阈值，或者实例优选子模块无法推理出令操作人员满意的工艺实例集时，工艺智能决策软件将会自动进入磨削工艺智能推理子模块.磨削工艺智能推理子模块包含神经网络推理模型，用来推理凸轮轴磨削工艺参数.例如，凸轮轴磨削
６７７ 中国机械工程第３１卷第７期２０２０年４月上半月
余量㊁砂轮线速度㊁工件转速等参数均采用神经网络模型的非线性映射推理所得，如图５所示.
图５㊀神经网络模型F i g
．５㊀N e u r a l n e t w o r km o d e l ２．３㊀智能决策云服务模式的构建
云计算技术是凸轮轴磨削加工智能决策云服务实现的核心，目前它已从概念导入进入广泛普及㊁应用的阶段，带来了软件开发部署模式的革新，促进了资源配置优化，成为推动制造业和互联
网深度融合的重要力量[
１４
].云计算按服务模式可以分为基础设施即服务
(i n f r a s t r u c t u r ea sas e r v i c e ,I a a S )㊁平台即服务(p
l a t f o r ma s a s e r v i c e ,P a a S )和软件即服务(s o f t Ｇw a r e a s a s e r v i c e ,S a a S )
三类[１５]
.本文构建的凸轮轴磨削加工智能决策云服务平台系统采用
S a a S 服务模式,
即通过内部互联网提供软件服务，将凸轮轴磨削工艺智能决策软件的研究成果，通过内部互联网进行服务共享，开发云平台系统
前端交互网页，实现与用户的交互，通过前端交互页面调用服务器上的工艺软件功能，将工艺软件的各个模块变成服务提供给用户，实现数据与服务的共享.凸轮轴磨削工艺智能决策云服务平台的各个服务模块如图６所示.凸轮轴磨削工艺智能决策软件的基础数据库与知识库模块转变为凸轮轴磨削工艺方案智能磨削云服务平台的基础数据与经验知识浏览/下载服务，决策优化模块转变为决策优化服务
.
图６㊀凸轮轴磨削工艺智能决策磨削云服务平台F i g ．６㊀T h e c l o u d s e r v i c em o d u l e o f g r i n d i n gp
r o c e s s i n t e l l i g
e n t d e c i s i o n
f o r c a m s h a f t ３㊀智能决策云服务实现
３．１㊀智能决策云服务体系框架
凸轮轴磨削工艺智能决策云服务平台主要分为前端浏览器交互页面和后台服务器两个部分，并且该系统采用多层次架构，将工艺软件安装在服务器上，前端浏览器的交互页面通过内部互联网调用服务器上工艺软件的各个模块，用户通过内部互联网访问浏览器交互页面，实现数据与服务的共享.如图７所示，系统架构主要有以下３个层次
.
图７㊀凸轮轴磨削工艺智能决策磨削云服务平台总体框架
F i g ．７㊀T h e f r a m e w o r ko f g r i n d i n gp r o c e s s i n t e l l i g e n t d e c i s i o n c l o u d p l a t f o r ms y
s t e mf o r c a m s h a f t
７７７ 面向凸轮轴磨削加工的智能决策云服务实现
刘㊀涛㊀邓朝晖㊀葛智光等
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议