專利名稱：一種基于數(shù)控機(jī)床的工業(yè)產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)控機(jī)床加工應(yīng)用、計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域。 現(xiàn)有技術(shù)
產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)(Product Service System, PSS)是在本世紀(jì)初由聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署 (UNEP)提出并推介的一種通過改變現(xiàn)有產(chǎn)品消費(fèi)(使用)模式以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的方法。 PSS方法的基本理念是產(chǎn)品的制造商或?qū)I(yè)的服務(wù)商整合產(chǎn)品和服務(wù)，為用戶提供產(chǎn)品的 工作能力以滿足用戶需求。以數(shù)控機(jī)床為例，其PSS的運(yùn)作模式可理解為數(shù)控機(jī)床的制造 商或?qū)I(yè)商將產(chǎn)品(數(shù)控機(jī)床及其附件)和技術(shù)服務(wù)(如機(jī)床的操作、維護(hù)等)整合在一 起，為用戶提供數(shù)控機(jī)床加工零件的加工能力，滿足用戶的需求。由于制造商或?qū)I(yè)服務(wù) 商在產(chǎn)品操作和維護(hù)方面具有豐富的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，因此PSS方法有利于更好地發(fā)揮產(chǎn)品性 能，實(shí)現(xiàn)物盡所能。從PSS提出到現(xiàn)在近IO年來，PSS方法成為一個(gè)研究熱點(diǎn)(特別是 在歐洲和日本)，現(xiàn)有的PSS方法的相關(guān)研究大都是從經(jīng)濟(jì)管理的角度研究PSS方法的增 值特性以及從環(huán)保的角度研究PSS方法的生態(tài)效益(Eco-efficiency)。僅有少數(shù)的參考 文獻(xiàn)涉及從工程技術(shù)的角度研究PSS的實(shí)現(xiàn)方法，這方面的現(xiàn)有技術(shù)可總結(jié)為以下幾個(gè)方 面
(1) 從企業(yè)戰(zhàn)略設(shè)計(jì)的角度，研究PSS的設(shè)計(jì)和規(guī)劃。如Manzini提出的基于PSS的 企業(yè)戰(zhàn)略設(shè)計(jì)模式；Morelli提出的PSS過程設(shè)計(jì)方法，并將其應(yīng)用于遠(yuǎn)程電訊中心PSS 的設(shè)計(jì)。
(2) 將PSS與產(chǎn)品生命周期管理聯(lián)系起來，采用系統(tǒng)工程的方法，實(shí)現(xiàn)PSS模式下的 產(chǎn)品生命周期管理。如Aurich等人提出了基于PSS的產(chǎn)品生命周期管理(PSS—PLM)的 方法，并將其應(yīng)用于鏟土機(jī)的生命周期維護(hù)中。
(3) 從案例研究的角度出發(fā)，研究支撐PSS運(yùn)作的技術(shù)。
從工程應(yīng)用的角度看，現(xiàn)有的PSS研究和實(shí)現(xiàn)方法存在明顯不足，主要包括以下兩個(gè) 方面
(1) 雖然有人提出PSS運(yùn)作過程建模的方法，但忽略了 PSS模型優(yōu)化的方法；
(2) PSS方法的核心是為用戶提供產(chǎn)品的加工能力，如何定量"產(chǎn)品的加工能力"是 評(píng)價(jià)PSS系統(tǒng)運(yùn)作質(zhì)量和效能最重要的環(huán)節(jié)之一，這方面現(xiàn)已文獻(xiàn)很少提及。
5針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中缺乏PSS模型優(yōu)化的方法，并且缺乏"產(chǎn)品的加工能力"的評(píng)價(jià)方法 的問題，本發(fā)明提出如下技術(shù)方案一種基于數(shù)控機(jī)床的工業(yè)產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)(mt-iPSS):包括mt-iPSS用戶需求輸入單元、 mt-iPSS實(shí)現(xiàn)單元、mt-iPSS輸出單元；mt-iPSS用戶需求輸入單元通過mt-iPSS實(shí)現(xiàn)單 元與mt-iPSS輸出單元連接，mt-iPSS用戶需求輸入單元提供用戶需求，mt-iPSS實(shí)現(xiàn)單 元根據(jù)用戶需求建立mt-iPSS過程并將結(jié)果輸出到mt-iPSS輸出單元；mt-iPSS實(shí)現(xiàn)單元 由mt-iPSS過程設(shè)計(jì)模塊、mt-iPSS加工能力建模模塊、mt-iPSS加工能力優(yōu)化模塊、 mt-iPSS加工能力維護(hù)與保有模塊和mt-iPSS過程優(yōu)化模塊組成；mt-iPSS過程設(shè)計(jì)模塊 設(shè)計(jì)加工過程，mt-iPSS加工能力建模模塊根據(jù)mt-iPSS過程設(shè)計(jì)模塊建立加工能力模型， 并對(duì)加工能力進(jìn)行定量，mt-iPSS加工能力優(yōu)化模塊對(duì)加工能力進(jìn)行優(yōu)化，mt-iPSS加工 能力維護(hù)與保有模塊連接在mt-iPSS過程設(shè)計(jì)模塊與mt-iPSS過程優(yōu)化模塊之間，用于對(duì) 加工能力維護(hù)與保有；mt-iPSS過程優(yōu)化模塊用于對(duì)過程進(jìn)行優(yōu)化。 一種基于數(shù)控機(jī)床的工業(yè)產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法1 )根據(jù)用戶需求，構(gòu)建mt-iPSS過程，mt-iPSS的輸入是用戶需求，包括加工任務(wù) 清單、加工精度要求、數(shù)量批次、交貨期及技術(shù)要求；輸出是提供滿足用戶需求的加工能 力，滿足用戶需求；2 )對(duì)過程中的加工節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加工能力建模對(duì)設(shè)計(jì)過程中的每一個(gè)具體加工活動(dòng)的 加工能力進(jìn)行評(píng)估，定量其加工能力；3 )對(duì)加工能力模型進(jìn)行優(yōu)化根據(jù)建立的加工能力模型，采用遺傳算法對(duì)其進(jìn)行優(yōu) 化，獲取優(yōu)化的切削參數(shù)組合，并據(jù)此計(jì)算出該組合下的加工時(shí)間、成本以及資源消耗；4) 對(duì)過程中的每一個(gè)維護(hù)活動(dòng)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)包括關(guān)鍵部件的故障預(yù)測(cè)和維護(hù)操作的快 速幫助，其目標(biāo)是對(duì)優(yōu)化的加工能力進(jìn)行維護(hù)保有；5) 獲取優(yōu)化的加工時(shí)間、成本和資源消耗，在mt-iPSS過程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行整 個(gè)過程優(yōu)化控制。所述步驟l)的過程是由組合節(jié)點(diǎn)、求解節(jié)點(diǎn)以及選擇節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的擴(kuò)展活動(dòng)模型，存 在串行結(jié)構(gòu)、并行結(jié)構(gòu)、選擇結(jié)構(gòu)以及反復(fù)耦合結(jié)構(gòu)四種基本結(jié)構(gòu)；將擴(kuò)展活動(dòng)模型轉(zhuǎn)換 為與或樹結(jié)構(gòu)以便于算法執(zhí)行，首先提出四種基本結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換規(guī)則，再在此基礎(chǔ)上將一個(gè) 完整的擴(kuò)展活動(dòng)模型轉(zhuǎn)換成與或樹，其轉(zhuǎn)換規(guī)則是:識(shí)別擴(kuò)展活動(dòng)圖中的并行和選擇結(jié)構(gòu)，并將其用組合節(jié)點(diǎn)替代，然后擴(kuò)展活動(dòng)圖變?yōu)橐粋€(gè)全串行的結(jié)構(gòu)，再采用串行結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換規(guī) 則進(jìn)行轉(zhuǎn)換，繼續(xù)轉(zhuǎn)換被替代的并行或選擇結(jié)構(gòu)的分支直至整個(gè)擴(kuò)展活動(dòng)圖被完全轉(zhuǎn)換為 與或樹結(jié)構(gòu)。所述步驟2)中的加工能力可以用時(shí)間、成本、質(zhì)量及與功能相關(guān)聯(lián)的零件特征度量:'夂①其中C代表加工能力，"和"分別代表加工給定特征的時(shí)間與成本，Q代表加工質(zhì)量，//是統(tǒng)一加工時(shí)間和成本量綱的系數(shù)，A ，A和^分別表示加工時(shí)間、成本和質(zhì)量的權(quán)重， ^是工件易加工的系數(shù)，受加工精度需求、工件材料硬度等的影響；。，"是實(shí)際加工時(shí)間，G是換刀時(shí)間，T是刀具壽命，G是輔助時(shí)間，^和r可分別用式③和④計(jì)算②這里/代表刀具加工路徑長度，K是進(jìn)給速度，G是刀具壽命系數(shù)，《、/和z分別代表切削速度K、進(jìn)給量/以及切削深度^對(duì)刀具壽命的影響系數(shù)，G、 x、 y和z的值可以從 手冊(cè)上査得；/和K可分別用式⑤和⑥計(jì)算/ = v,/" 這里^是刀具直徑，"是主軸轉(zhuǎn)速,結(jié)合式②、式③、式 、式⑤和式⑥，加工時(shí)間"可用式⑦來計(jì)算,w如畫:(/ 、⑦加工成本可用下式來計(jì)算:7 ⑧ 這里O)是單位時(shí)間內(nèi)的加工成本，"是單位刀具成本，因此，加工能力可以用下式來度量c =__ ⑨所述步驟3)中的加工能力優(yōu)化是通過優(yōu)化切削三要素、側(cè)吃刀量&以及及切削的層數(shù)/V來實(shí)現(xiàn)的，切削參數(shù)分為兩種類型， 一是加工最后一層的切削參數(shù)(V"^,^,^〉；二是加工其他不受加工精度約束的層的切削參數(shù)>/2,"2,^2,^2}，再加上加工的層數(shù)yV，由于加工余量"=(^-1) 1+^2，所以iV和"^可以界定^,，因此需要優(yōu)化8個(gè)變量；采用遺傳算法，以式⑨為目標(biāo)函數(shù)，獲取優(yōu)化的(v", ，&}、 {!;/2,"2,^2，^2}以及& 所述步驟4)中的加工能力維護(hù)與保有采用現(xiàn)有的在線幫助、故障診斷與預(yù)測(cè)、備件管理技術(shù)實(shí)現(xiàn)的加工能力的維護(hù)與保有。所述步驟5中)mt-iPSS過程控制必須根據(jù)活動(dòng)執(zhí)行的實(shí)時(shí)信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)的變更，由 于與或樹包含了并行和選擇結(jié)構(gòu)以及跳轉(zhuǎn)標(biāo)志，用深度優(yōu)先算法，再考慮時(shí)間、成本、資 源需求的約束，實(shí)現(xiàn)過程的實(shí)時(shí)決策和控制。系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)采用基于Java方案的"瀏覽器/服務(wù)器/數(shù)據(jù)庫"三層結(jié)構(gòu)，并采用JSP 和Java applet進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)mt-iPSS軟件系統(tǒng)的開發(fā)。mt-iPSS實(shí)現(xiàn)的具體步驟如下(附圖1所示) (1) mt-iPSS過程設(shè)計(jì)首先根據(jù)用戶需求進(jìn)行rat-iPSS過程設(shè)計(jì)，mt-iPSS過程設(shè) 計(jì)從宏觀層面上描述了完成用戶需求所需的活動(dòng)以及活動(dòng)與活動(dòng)之間的關(guān)系。過程中的活 動(dòng)不僅包括加工活動(dòng)，還包括維護(hù)活動(dòng)。(2) mt-iPSS加工能力建模對(duì)mt-iPSS過程設(shè)計(jì)中的每一個(gè)具體加工活動(dòng)的加工能力進(jìn)行評(píng)估，定量其加工能力。(3) mt-iPSS加工能力優(yōu)化根據(jù)建立的加工能力模型，采用遺傳算法對(duì)其進(jìn)行優(yōu) 化，獲取優(yōu)化的切削參數(shù)組合，并據(jù)此計(jì)算出該組合下的加工時(shí)間、成本以及資源消耗。(4) mt-iPSS加工能力維護(hù)與保有對(duì)過程中的每一個(gè)維護(hù)活動(dòng)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，其目標(biāo)8是對(duì)優(yōu)化的加工能力進(jìn)行維護(hù)保有。(5) mt-iPSS過程優(yōu)化在mt-iPSS過程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，獲取每個(gè)活動(dòng)優(yōu)化的加工 時(shí)間、成本以及資源消耗，進(jìn)行過程優(yōu)化控制；另一方面，過程控制模塊接受各活動(dòng)實(shí)際 的執(zhí)行數(shù)據(jù)(如時(shí)間、成本、資源消耗等)，并根據(jù)這些實(shí)際執(zhí)行數(shù)據(jù)對(duì)過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)的 優(yōu)化控制。mt-iPSS實(shí)現(xiàn)的步驟1: mt-iPSS過程建模過程模型由活動(dòng)及活動(dòng)之間的關(guān)系構(gòu)成，用圖e-(「，E)表示mt-iPSS的過程，其中 Z表示活動(dòng)，^表示活動(dòng)之間的順序關(guān)系。過程是由許多活動(dòng)(節(jié)點(diǎn))及其相互關(guān)系構(gòu)成 的，因此過程建模首先要對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行建模，節(jié)點(diǎn)的建模是對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的過程。對(duì)一 個(gè)節(jié)點(diǎn)V來說，其標(biāo)準(zhǔn)化可以表示為Z, " 」 (1)其中W代表活動(dòng)的名稱，"是活動(dòng)的詳細(xì)信息，C代表活動(dòng)的特征，主要包括完成該 活動(dòng)所需的時(shí)間、成本以及資源需求，^V是當(dāng)活動(dòng)完成后對(duì)完成情況的評(píng)價(jià)。由于在mt-iPSS過程中，活動(dòng)存在多種類型，因此對(duì)模型中表示活動(dòng)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)展， 以"〇"表示求解節(jié)點(diǎn)，以"□"表示組合節(jié)點(diǎn)，以" "表示選擇節(jié)點(diǎn)(見附圖2), 其中求解節(jié)點(diǎn)表示該活動(dòng)不能細(xì)分，組合節(jié)點(diǎn)表示該活動(dòng)可以細(xì)分為更小粒度的活動(dòng)，選 擇節(jié)點(diǎn)表示其多個(gè)后續(xù)節(jié)點(diǎn)中只有一個(gè)能被選中執(zhí)行。因此構(gòu)建過程的擴(kuò)展活動(dòng)圖模型其中K、 K、 K分別表示求解節(jié)點(diǎn)、組合節(jié)點(diǎn)以及選擇節(jié)點(diǎn)?！?= {0，1}，如果兩活動(dòng)i和J之間存在關(guān)聯(lián)關(guān)系，則&,厶否則A,仏相應(yīng)地設(shè)計(jì)過程存在四種基本結(jié)構(gòu)，分別是串行結(jié)構(gòu)、并行結(jié)構(gòu)、選擇結(jié)構(gòu)以及耦合 結(jié)構(gòu)(見附圖3)為了實(shí)現(xiàn)過程的控制，需要對(duì)過程的擴(kuò)展活動(dòng)圖進(jìn)行遍歷運(yùn)算，考慮到擴(kuò)展活動(dòng)圖 中存在選擇、并行、耦合等結(jié)構(gòu)不利于遍歷算法的執(zhí)行，將過程的擴(kuò)展活動(dòng)圖模型轉(zhuǎn)化為 一種特殊的與或樹結(jié)構(gòu)模型，從而方便程序算法的遍歷以支撐過程的運(yùn)行控制。擴(kuò)展活動(dòng)圖模型中存在四種基本結(jié)構(gòu)，分別是串行結(jié)構(gòu)、并行結(jié)構(gòu)、選擇結(jié)構(gòu)以及反復(fù)(耦合)結(jié)構(gòu)，首先將這四種基本結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成與或樹(見附圖4)，其轉(zhuǎn)換規(guī)則是-①開始后，識(shí)別反復(fù)的邊，并刪除他們，在反饋邊的起點(diǎn)做跳轉(zhuǎn)標(biāo)記；②識(shí)別所有的并行和選擇結(jié)構(gòu)，并用組合節(jié)點(diǎn)代替他們，這樣形成一個(gè)全串行的服務(wù)活動(dòng)流；(D用串行轉(zhuǎn)化 規(guī)則實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換；④選中一個(gè)被替代的并行或者選擇結(jié)構(gòu)；⑤識(shí)別它的開始節(jié)點(diǎn)，并用它去 替代與或樹中相應(yīng)的組合節(jié)點(diǎn)；⑥之后，將剩下其分支結(jié)構(gòu)，用組合節(jié)點(diǎn)去代替各個(gè)分支; ⑦然后用并行或選擇結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換規(guī)則去轉(zhuǎn)換；⑧選中一個(gè)被替換的分支；⑨是否被選中的 分支中的所有節(jié)點(diǎn)都被轉(zhuǎn)換了？是則轉(zhuǎn)入下一步，否則轉(zhuǎn)入步驟②；⑩是否被選中并行或 選擇結(jié)構(gòu)中的所有節(jié)點(diǎn)都被轉(zhuǎn)換了？是則繼續(xù)進(jìn)行，否則轉(zhuǎn)入步驟⑧；Q是否擴(kuò)展活動(dòng)圖 中的所有節(jié)點(diǎn)都被轉(zhuǎn)換了？是則結(jié)束程序，否則轉(zhuǎn)入步驟④，繼續(xù)執(zhí)行程序。mt-iPSS實(shí)現(xiàn)的步驟2: mt-iPSS加工能力建模從數(shù)控機(jī)床的功能和性能兩個(gè)方面去闡釋mt-iPSS加工能力，數(shù)控機(jī)床的功能如車削 功能，可以細(xì)分為車外圓、車內(nèi)圓、車螺紋等子功能，數(shù)控機(jī)床的性能是對(duì)功能實(shí)現(xiàn)的度 量，如車外圓功能的時(shí)間、成本、質(zhì)量等。因此加工能力可以用時(shí)間、成本、質(zhì)量及與功 能相關(guān)聯(lián)的零件特征去度量，如下式c =^ (3)這里c代表加工能力，G和"分別代表加工給定特征的時(shí)間和成本，^代表加工質(zhì)量，。 用加工該特征的合格率來定量，//是一個(gè)統(tǒng)一加工時(shí)間和成本量綱的系數(shù)，A,&和A分別表示加工時(shí)間、成本和質(zhì)量的權(quán)重，A是反映工件是否易加工的系數(shù)，A主要受到 工件硬度、加工精度及加工特征復(fù)雜度約束。CW,爭(zhēng)+ G (4)這里4是實(shí)際加工時(shí)間即工序時(shí)間，^是換刀時(shí)間，T是刀具壽命，^是輔助時(shí)間如裝 夾、卸下工件的時(shí)間等。4和T可分別用式(5)和(6)計(jì)算 /m=〃V/ (5)r= Cr (6)這里/代表刀具加工路徑長度，^是進(jìn)給速度，G是刀具壽命系數(shù)，義、/和^分別代表切削速度K、進(jìn)給量/以及切削深度4對(duì)刀具壽命的影響系數(shù)。G、 x、 y和z的值可以從 相關(guān)手冊(cè)上查得。/和K可分別用式(7)和(8)計(jì)算<formula>formula see original document page 11</formula> (7)(8)<formula>formula see original document page 11</formula>這里4是刀具直徑，/7是主軸轉(zhuǎn)速。結(jié)合式(4)、 (5)、 (6)、 (7)和(8)，加工時(shí)間t,可用式(9)來計(jì)算:<formula>formula see original document page 11</formula>(9)另外，加工成本可用下式來計(jì)算<formula>formula see original document page 11</formula> (io)這里c。是單位時(shí)間內(nèi)的加工成本，c 是單位刀具成本. 因此，加工能力可以用下式來度量
<formula>formula see original document page 11</formula>(11)mt-iPSS實(shí)現(xiàn)的步驟3: mt-iPSS加工能力優(yōu)化通過優(yōu)化切削三要素(Kf、 /7和3》以及側(cè)吃到量&，同時(shí)還要考慮切削的層數(shù)W的 影響，這是多目標(biāo)優(yōu)化求解的問題?？紤]到當(dāng)加工余量較大時(shí)，要分多層銑削，切削三要 素分為兩種類型， 一是加工最后一層的(v",A,fl^,^h 二是加工其他不受加工精度約束的層的切削三要素^/2,"2， 2,"62},再加上加工的層數(shù)7K —共9個(gè)設(shè)計(jì)變量。由于加工余量"=(^-1)^1+^2，所以W和"^可以界定^，因此只需優(yōu)化8個(gè)變量。采用遺傳算法，以式(9)為目標(biāo)函數(shù)，獲取優(yōu)化的(v","p ，fl^、 (v，"2,a^,aJ以及N。mt-iPSS實(shí)現(xiàn)的步驟4: mt-iPSS加工能力維護(hù)與保有采用現(xiàn)有的在線幫助、故障診斷與預(yù)測(cè)、備件管理等技術(shù)實(shí)現(xiàn)的加工能力的維護(hù)與保有。mt-iPSS實(shí)現(xiàn)的步驟5: mt-iPSS過程優(yōu)化控制基于過程的與或樹表達(dá)，可以通過算法實(shí)現(xiàn)過程的控制。過程控制的目的是得到一 個(gè)優(yōu)化的活動(dòng)執(zhí)行序列，重要的是，過程控制必須能根據(jù)活動(dòng)執(zhí)行的實(shí)時(shí)信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)的 變更?？紤]到這里的與或樹中不同于一般樹結(jié)構(gòu)，包含了并行和選擇結(jié)構(gòu)以及跳轉(zhuǎn)標(biāo)志， 提出了一種基于深度優(yōu)先搜索的算法用以實(shí)現(xiàn)過程的實(shí)時(shí)控制，該算法按照深度優(yōu)先搜索 的規(guī)則遍歷與或樹中的節(jié)點(diǎn)，并判斷該節(jié)點(diǎn)的性質(zhì)，如果節(jié)點(diǎn)有跳轉(zhuǎn)標(biāo)志或?yàn)檫x擇節(jié)點(diǎn)的 起點(diǎn)，則調(diào)用決策模塊，確定要是否跳轉(zhuǎn)或選擇后續(xù)的執(zhí)行節(jié)點(diǎn)，如果節(jié)點(diǎn)為并行結(jié)構(gòu)的 起點(diǎn)，則其后續(xù)節(jié)點(diǎn)并行執(zhí)行(附圖5)。因此，節(jié)點(diǎn)是否跳轉(zhuǎn)以及選擇節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)的決策是過程控制的關(guān)鍵，是否跳轉(zhuǎn)(反 復(fù))的決策主要依賴于要求，而選擇節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)的決策首先要考慮要求，再考慮資源、 時(shí)間和成本等方面，(見附圖6)。本發(fā)明在以下幾個(gè)方面取得了顯著的效果本發(fā)明從工程應(yīng)用的角度出發(fā)，為PSS的工程應(yīng)用提供了借鑒。為數(shù)控機(jī)床提供加工 能力，實(shí)現(xiàn)物盡所能提供了支持。提高了過程的效率，減少了不必要的活動(dòng)反復(fù)。解決了 傳統(tǒng)的以經(jīng)驗(yàn)確定機(jī)床實(shí)際加工能力而存在的缺乏統(tǒng)一性、精確性的問題。不僅可以應(yīng)用 于mt-iPSS，還可以應(yīng)用于傳統(tǒng)模式下的機(jī)床加工優(yōu)化。


圖1 mt-iPSS體系結(jié)構(gòu)示意圖，圖2節(jié)點(diǎn)的分類及其表達(dá)示意3擴(kuò)展活動(dòng)圖四種基本結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為與或樹的規(guī)則4擴(kuò)展活動(dòng)圖轉(zhuǎn)換成與或樹的實(shí)現(xiàn)流程 圖5實(shí)時(shí)控制過程的算法流程 圖6選擇節(jié)點(diǎn)的決策具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明 如圖1所示， 一種基于數(shù)控機(jī)床的工業(yè)產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)包括mt-iPSS用戶需求輸入 單元、mt-iPSS實(shí)現(xiàn)單元、mt-iPSS輸出單元；mt-iPSS用戶需求輸入單元通過mt-iPSS 實(shí)現(xiàn)單元與mt-iPSS輸出單元連接，mt-iPSS用戶需求輸入單元提供用戶需求，mt-iPSS 實(shí)現(xiàn)單元根據(jù)用戶需求建立mt-iPSS過程并將結(jié)果輸出到mt-iPSS輸出單元；mt-iPSS實(shí) 現(xiàn)單元由mt-iPSS過程設(shè)計(jì)模塊、mt-iPSS加工能力建模模塊、mt-iPSS加工能力優(yōu)化模 塊、mt-iPSS加工能力維護(hù)與保有模塊和mt-iPSS過程優(yōu)化模塊組成；mt-iPSS過程設(shè)計(jì) 模塊設(shè)計(jì)加工過程，mt-iPSS加工能力建模模塊根據(jù)mt-iPSS過程設(shè)計(jì)模塊建立加工能力 模型，并對(duì)加工能力進(jìn)行定量，mt-iPSS加工能力優(yōu)化模塊對(duì)加工能力進(jìn)行優(yōu)化，mt-iPSS 加工能力維護(hù)與保有模塊連接在rat-iPSS過程設(shè)計(jì)模塊與mt-iPSS過程優(yōu)化模塊之間，用 于對(duì)加工能力維護(hù)與保有；mt-iPSS過程優(yōu)化模塊用于對(duì)過程進(jìn)行優(yōu)化。 一種基于數(shù)控機(jī)床的工業(yè)產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法
1 )根據(jù)用戶需求，構(gòu)建mt-iPSS過程，mt-iPSS的輸入是用戶需求，包括加工任務(wù) 清單、加工精度要求、數(shù)量批次、交貨期及技術(shù)要求；輸出是提供滿足用戶需求的加工能 力；
2) 對(duì)過程中的加工節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加工能力建模對(duì)設(shè)計(jì)過程中的每一個(gè)具體加工活動(dòng)的 加工能力進(jìn)行評(píng)估，定量其加工能力；
3) 對(duì)加工能力模型進(jìn)行優(yōu)化根據(jù)建立的加工能力模型，采用遺傳算法對(duì)其進(jìn)行優(yōu) 化，獲取優(yōu)化的切削參數(shù)組合，并據(jù)此計(jì)算出該組合下的加工時(shí)間、成本以及資源消耗；
4) 對(duì)過程中的每一個(gè)維護(hù)活動(dòng)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)包括關(guān)鍵部件的故障預(yù)測(cè)和維護(hù)操作的快 速幫助，其目標(biāo)是對(duì)優(yōu)化的加工能力進(jìn)行維護(hù)保有；
5) 獲取優(yōu)化的加工時(shí)間、成本和資源消耗需求，在mt-iPSS過程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn) 行整個(gè)過程優(yōu)化控制。
所述步驟l)的過程是由組合節(jié)點(diǎn)、求解節(jié)點(diǎn)以及選擇節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的擴(kuò)展活動(dòng)模型，存 在串行結(jié)構(gòu)、并行結(jié)構(gòu)、選擇結(jié)構(gòu)以及反復(fù)耦合結(jié)構(gòu)四種基本結(jié)構(gòu)；將擴(kuò)展活動(dòng)模型轉(zhuǎn)換 為與或樹結(jié)構(gòu)以便于算法執(zhí)行，首先提出四種基本結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換規(guī)則，再在此基礎(chǔ)上將一個(gè) 完整的擴(kuò)展活動(dòng)模型轉(zhuǎn)換成與或樹，其轉(zhuǎn)換規(guī)則是①開始后，識(shí)別反復(fù)的邊，并刪除他 們，在反饋邊的起點(diǎn)做跳轉(zhuǎn)標(biāo)記；②識(shí)別所有的并行和選擇結(jié)構(gòu)，并用組合節(jié)點(diǎn)代替他們， 這樣形成一個(gè)全串行的服務(wù)活動(dòng)流；③用串行轉(zhuǎn)化規(guī)則實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換;④選中一個(gè)被替代的并 行或者選擇結(jié)構(gòu)；⑤識(shí)別它的開始節(jié)點(diǎn)，并用它去替代與或樹中相應(yīng)的組合節(jié)點(diǎn);⑥之后，說明書第10/16頁
將剩下其分支結(jié)構(gòu)，用組合節(jié)點(diǎn)去代替各個(gè)分支；⑦然后用并行或選擇結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換規(guī)則去 轉(zhuǎn)換；⑧選中一個(gè)被替換的分支；(D是否被選中的分支中的所有節(jié)點(diǎn)都被轉(zhuǎn)換了？是則轉(zhuǎn) 入下一步，否則轉(zhuǎn)入步驟②；⑩是否被選中并行或選擇結(jié)構(gòu)中的所有節(jié)點(diǎn)都被轉(zhuǎn)換了？是 則繼續(xù)進(jìn)行，否則轉(zhuǎn)入步驟⑧；Cl是否擴(kuò)展活動(dòng)圖中的所有節(jié)點(diǎn)都被轉(zhuǎn)換了？是則結(jié)束程 序，否則轉(zhuǎn)入步驟④，繼續(xù)執(zhí)行程序。
所述步驟2)中的加工能力可以用時(shí)間、成本、質(zhì)量及與功能相關(guān)聯(lián)的零件特征度量-
①
&i《+ A:2CW
其中C代表加工能力，"和"分別代表加工給定特征的時(shí)間與成本，<7代表加工質(zhì)量，//
是統(tǒng)一加工時(shí)間和成本量綱的系數(shù)，A; ,&和^分別表示加工時(shí)間、成本和質(zhì)量的權(quán)重， A是工件易加工的系數(shù)，受加工精度需求、工件材料硬度等的影響；
t是實(shí)際加工時(shí)間，G是換刀時(shí)間，7是刀具壽命，tw是輔助時(shí)間，
4和r可分別用式③和④計(jì)算
②
③
這里/代表刀具加工路徑長度，K是進(jìn)給速度，G是刀具壽命系數(shù)，x、 y和z分別代表切 削速度k。、進(jìn)給量/以及切削深度^對(duì)刀具壽命的影響系數(shù)，6>、 x、 y和z的值可以從 手冊(cè)上查得；
/和^可分別用式⑤和⑥計(jì)算
1000
這里《是刀具直徑，"是主軸轉(zhuǎn)速,結(jié)合式②、式③、式 、式⑤和式⑥，加工時(shí)間t,可
用式⑦來計(jì)算 '
14^下"" 0' 八
加工成本可用下式來計(jì)算:
這里c。是單位時(shí)間內(nèi)的加工成本，&是單位刀具成本， 因此，加工能力可以用下式來度量
《
C =
所述步驟3)中的加工能力優(yōu)化是通過優(yōu)化切削三要素、側(cè)吃刀量A以及及切削的層
數(shù)W來實(shí)現(xiàn)的，切削三要素分為兩種類型， 一是加工最后一層的^,， ^,"J; 二是加
工其他不受加工精度約束的層的切削三要素{"2,"2， 2，"￡2}，再加上加工的層數(shù)A;由于
加工余量"=(^-l)flpl+flp2，所以iV和fl^可以界定"^，因此需要優(yōu)化8個(gè)變量；采用遺
傳算法，以式⑨為目標(biāo)函數(shù)，獲取優(yōu)化的(v","p ,"J、 (v^， ，aJ以及N;
所述步驟4)中的加工能力維護(hù)與保有采用現(xiàn)有的在線幫助、故障診斷與預(yù)測(cè)、備件 管理技術(shù)實(shí)現(xiàn)的加工能力的維護(hù)與保有。
所述步驟5中)mt-iPSS過程控制必須根據(jù)活動(dòng)執(zhí)行的實(shí)時(shí)信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)的變更，由 于與或樹包含了并行和選擇結(jié)構(gòu)以及跳轉(zhuǎn)標(biāo)志，用深度優(yōu)先算法，再考慮時(shí)間、成本、資 源需求的約束，實(shí)現(xiàn)過程的實(shí)時(shí)決策和控制。
系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)采用基于Java方案的"瀏覽器/服務(wù)器/數(shù)據(jù)庫"三層結(jié)構(gòu)，并采用JSP 和Java即plet進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)mt-iPS.S軟件系統(tǒng)的開發(fā)。
mt-iPSS體系結(jié)構(gòu)如附圖l所示，mt-iPSS的輸入是用戶需求，包括加工任務(wù)清單、 加工精度要求、數(shù)量批次、交貨期等；其輸出是為用戶提供一定的加工能力，滿足用戶需 求。
構(gòu)建基于數(shù)控機(jī)床的工業(yè)產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)(mt-iPSS)，包括五個(gè)主要模塊，分別是 mt-iPSS過程設(shè)計(jì)模塊，、rat-iPSS過程優(yōu)化模塊，、mt-iPSS加工能力建模模塊，mt-iPSS加工能力優(yōu)化模塊，以及mt-iPSS加工能力保有模塊。
mt-iPSS過程設(shè)計(jì)模塊的輸出有三個(gè)分支第一分支直接接入mt-iPSS加工能力建模 模塊，第二分支接入mt-iPSS加工能力保有模塊，第三分支是與加工能力優(yōu)化模塊以及加 工能力維護(hù)模塊的輸出信息合并后接入mt-iPSS過程優(yōu)化模塊。 附圖1為mt-iPSS的實(shí)現(xiàn)方法，其具體步驟如下
(1) mt-iPSS過程設(shè)計(jì)首先根據(jù)用戶需求進(jìn)行mt-iPSS過程設(shè)計(jì)，mt-iPSS過程設(shè) 計(jì)從宏觀層面上描述了完成用戶需求所需的活動(dòng)以及活動(dòng)與活動(dòng)之間的關(guān)系。過程中的活 動(dòng)不僅包括加工活動(dòng)，還包括維護(hù)活動(dòng)。
(2) mt-iPSS加工能力建模對(duì)mt-iPSS過程設(shè)計(jì)中的每一個(gè)具體加工活動(dòng)的加工能
力評(píng)估，定量其加工能力。
(3) mt-iPSS加工能力優(yōu)化根據(jù)建立的加工能力模型，采用遺傳算法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化， 獲取優(yōu)化的切削參數(shù)組合，并據(jù)此計(jì)算出該組合下的加工時(shí)間、成本以及資源消耗。
(4) mt-iPSS加工能力維護(hù)與保有對(duì)過程中的每一個(gè)維護(hù)活動(dòng)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，其目標(biāo)是 對(duì)優(yōu)化的加工能力進(jìn)行維護(hù)保有。
(5) mt-iPSS過程優(yōu)化在mt-iPSS過程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，獲取每個(gè)活動(dòng)優(yōu)化的加工時(shí) 間、成本以及資源消耗，進(jìn)行過程優(yōu)化控制；另一方面,過程控制模塊接受各活動(dòng)實(shí)際的 執(zhí)行數(shù)據(jù)(如時(shí)間、成本、資源消耗等),.并根據(jù)這些實(shí)際執(zhí)行數(shù)據(jù)對(duì)過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)的優(yōu) 化控制。
實(shí)現(xiàn)步驟(1) mt-iPSS過程建模
過程由節(jié)點(diǎn)及節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系構(gòu)成,采用圖G:(V，E)表示過程，其中頂點(diǎn)V為節(jié)點(diǎn)， 邊E為節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系。因此過程建模首先要對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行建模，節(jié)點(diǎn)的建模是對(duì)節(jié) 點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的過程。對(duì)一個(gè)節(jié)點(diǎn)V來說，其標(biāo)準(zhǔn)化可以表示為
(1)
其中yV代表活動(dòng)的名稱，"是活動(dòng)的詳細(xì)信息，C代表活動(dòng)的特征，主要包括完成該 活動(dòng)所需的時(shí)間、成本以及資源需求，^5V是當(dāng)活動(dòng)完成后對(duì)完成情況的評(píng)價(jià)。
在活動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上，考慮到節(jié)點(diǎn)有多種類型，采用擴(kuò)展活動(dòng)模型形式化表達(dá)和 描述節(jié)點(diǎn)，如圖2所示，其中求解節(jié)點(diǎn)表示該節(jié)點(diǎn)表示的活動(dòng)不能細(xì)分，組合節(jié)點(diǎn)表示該 節(jié)點(diǎn)表示的活動(dòng)可以細(xì)分為更小粒度的節(jié)點(diǎn)，選擇節(jié)點(diǎn)表示其多個(gè)后續(xù)節(jié)點(diǎn)中只有一個(gè)能 被選中執(zhí)行。于是過程可以用擴(kuò)展活動(dòng)圖來形式化表達(dá)，為了便于對(duì)過程進(jìn)行算法操作，將擴(kuò)展活動(dòng)圖模型轉(zhuǎn)化為與或樹模型，首先描述擴(kuò)展活動(dòng)圖四種基本結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為與或樹的規(guī)則(如圖3所示)，在此基礎(chǔ)上，再采用圖4所示的算法流程，將一個(gè)完整的擴(kuò)展活動(dòng)圖轉(zhuǎn)換成
與或樹，該算法流程的原理是①開始后，識(shí)別反復(fù)的邊，并刪除他們，在反饋邊的起點(diǎn)做跳轉(zhuǎn)標(biāo)記；②識(shí)別所有的并行和選擇結(jié)構(gòu)，并用組合節(jié)點(diǎn)代替他們，這樣形成一個(gè)全串行的活動(dòng)流；③用串行轉(zhuǎn)化規(guī)則實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換;④選中一個(gè)被替代的并行或者選擇結(jié)構(gòu)； 識(shí)別它的開始節(jié)點(diǎn)，并用它去替代與或樹中相應(yīng)的組合節(jié)點(diǎn)；⑥之后，將剩下其分支結(jié)構(gòu)，用組合節(jié)點(diǎn)去代替各個(gè)分支；⑦然后用并行或選擇結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換規(guī)則去轉(zhuǎn)換；⑧選中一個(gè)被替換的分支；⑨是否被選中的分支中的所有節(jié)點(diǎn)都被轉(zhuǎn)換了？是則轉(zhuǎn)入下一步，否則轉(zhuǎn)入步驟②；⑩是否被選中并行或選擇結(jié)構(gòu)中的所有節(jié)點(diǎn)都被轉(zhuǎn)換了？是則繼續(xù)進(jìn)行，否則轉(zhuǎn)
入步驟⑧;D是否擴(kuò)展活動(dòng)圖中的所有節(jié)點(diǎn)都被轉(zhuǎn)換了？是則結(jié)束程序，否則轉(zhuǎn)入步驟逸，
繼續(xù)執(zhí)行程序。
這樣就構(gòu)建了 rat-iPSS過程的與或樹模型。
實(shí)現(xiàn)步驟(2) mt-iPSS加工能力建模
上述的步驟(1)構(gòu)建的過程與或樹模型中，節(jié)點(diǎn)包括了加工節(jié)點(diǎn)以及維護(hù)節(jié)點(diǎn)，步驟(2)將對(duì)加工節(jié)點(diǎn)的加工能力進(jìn)行建模，定量描述加工節(jié)點(diǎn)的加工能力。
從功能和性能兩個(gè)方面去闡釋加工能力，數(shù)控機(jī)床的功能如車削功能，可以細(xì)分為車外圓、車內(nèi)圓、車螺紋等子功能，每一個(gè)子功能與零件特征關(guān)聯(lián)；數(shù)控機(jī)床的性能是對(duì)具體功能實(shí)現(xiàn)的度量，如車外圓的功能所用的時(shí)間、成本、質(zhì)量等。因此加工能力可以用時(shí)間、成本、質(zhì)量及與功能相關(guān)聯(lián)的零件特征去度量加工能力表示，如下式
這里c代表加工能力，"和G分別代表加工給定特征的時(shí)間和成本，< 代表加工質(zhì)量，^用加工該特征的合格率來定量，//是一個(gè)統(tǒng)一加工時(shí)間和成本量綱的系數(shù)，A, ,&和A
分別表示加工時(shí)間、成本和質(zhì)量的權(quán)重，A是反映工件是否易加工的系數(shù)，^主要受到工件硬度、加工精度及加工特征復(fù)雜度約束。
^Wc.^ + G (2)
17這里^是實(shí)際加工時(shí)間即工序時(shí)間，^是換刀時(shí)間，r是刀具壽命，^是輔助時(shí)間如裝
夾、卸下工件的時(shí)間等。
"和r可分別用式(3)和(4)計(jì)算C=〃" (3)
r= Cr (4)這里/代表刀具加工路徑長度，k是進(jìn)給速度，g是刀具壽命系數(shù)，義、y和z分別代表切
削速度K、進(jìn)給量f以及切削深度^對(duì)刀具壽命的影響系數(shù)。g、 x、 y和z的值可以從相關(guān)手冊(cè)上查得。
/和K可分別用式(5)和(6)計(jì)算
/ = v,/w (5)
(6)
1000
這里^是刀具直徑，/7是主軸轉(zhuǎn)速c
結(jié)合式(2)、 (3)、 (4)、 (5)和(6)，加工時(shí)間"可用式(7)來計(jì)算-, 一丄+ ,1000 、", p , f
^v" ~^~"。' (7)
另外，加工成本可用下式來計(jì)算
T (8)這里Q是單位時(shí)間內(nèi)的加工成本，^是單位刀具成本.
因此，加工能力可以用下式來度量
《^v ^"^"
(9)
實(shí)現(xiàn)步驟(3) rat-iPSS加工能力優(yōu)化
通過優(yōu)化切削三要素(Kf、 /7和a》以及側(cè)吃到量&，并考慮切削的層數(shù)A的影響，。
考慮到當(dāng)加工余量較大時(shí)，要分多層銑削，切削三要素分為兩種類型， 一是加工最后
一層的^p巧,^一J ; 二是加工其他不受加工精度約束的層的切削三要素
{^/2^2, 2，^2}，再加上加工的層數(shù)W， 一共9個(gè)設(shè)計(jì)變量。由于加工余量
= (iV-l)a/7l+^2，所以7V和a^可以界定a^，因此只需優(yōu)化8個(gè)變量。采用遺傳算法，
以式(9)為目標(biāo)函數(shù)，獲取優(yōu)化的(Vn,^，^,aJ、 &/2,"2,^2,^2}以及N，由于遺傳算法
是一個(gè)成熟的算法，其算法流程可從許多參考書或文獻(xiàn)中査到，因此這里不贅述遺傳算法實(shí)現(xiàn)加工能力優(yōu)化的算法流程。
實(shí)現(xiàn)步驟(4) mt-iPSS加工能力維護(hù)與保有
采用現(xiàn)有的在線幫助、故障診斷與預(yù)測(cè)、備件管理等技術(shù)實(shí)現(xiàn)的加工能力的維護(hù)與保有，由于這些技術(shù)是先有的，故這里不詳述，但加工能力維護(hù)與保有又是mt-iPSS實(shí)現(xiàn)的必要環(huán)節(jié)之一，因此這里僅將其列出。
實(shí)現(xiàn)步驟(5) mt-iPSS過程優(yōu)化控制
基于過程的與或樹表達(dá)，可以通過算法實(shí)現(xiàn)過程的控制。過程控制的目的是得到一個(gè)優(yōu)化的活動(dòng)執(zhí)行序列，重要的是，過程控制必須能根據(jù)活動(dòng)執(zhí)行的實(shí)時(shí)信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)的變更?？紤]到這里的與或樹中不同于一般樹結(jié)構(gòu)，包含了并行和選擇結(jié)構(gòu)以及跳轉(zhuǎn)標(biāo)志，提出了一種基于深度優(yōu)先搜索的算法用以實(shí)現(xiàn)過程的實(shí)時(shí)控制，其算法的實(shí)現(xiàn)流程如圖5所示首先用鏈接表表達(dá)與或樹的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，然后用深度優(yōu)先搜索算法遍歷節(jié)點(diǎn)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)有跳轉(zhuǎn)標(biāo)志時(shí)，通過決策模塊確定節(jié)點(diǎn)是否跳轉(zhuǎn)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)是選擇結(jié)構(gòu)的起點(diǎn)時(shí)，通過決策模塊選擇一個(gè)子節(jié)點(diǎn)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)是并行結(jié)構(gòu)的起點(diǎn)時(shí)，則并行執(zhí)行其子節(jié)點(diǎn)，然后，采用上述的流程，直至遍歷至終節(jié)點(diǎn)。
圖5中，節(jié)點(diǎn)是否跳轉(zhuǎn)以及選擇節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)的決策是過程控制的關(guān)鍵，是否跳轉(zhuǎn)(反復(fù))的決策主要依賴于的技術(shù)要求，而選擇節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)的決策除了要考慮技術(shù)要求之外，還要考慮資源、時(shí)間和成本等方面，其相應(yīng)的決策流程如圖6所示首先發(fā)現(xiàn)所有的從選擇結(jié)構(gòu)的起點(diǎn)到終點(diǎn)的路徑，并估算每一條路徑所需的時(shí)間、成本以及資源需求，決策時(shí)首先選擇滿足技術(shù)要求的路徑，再選擇滿足資源需求的路徑，再選擇滿足時(shí)間的路徑，最后基于最小成本選出一條成本最小的執(zhí)行路徑。在mt-iPSS執(zhí)行過程中，根據(jù)各節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)的實(shí)際執(zhí)行情況，對(duì)過程決策的路徑進(jìn)行動(dòng)態(tài)變更，如當(dāng)節(jié)點(diǎn)的實(shí)際執(zhí)行時(shí)間超過估算的時(shí)間時(shí)，后續(xù)節(jié)點(diǎn)需要重新決策以滿足時(shí)間的要求。
實(shí)施例
本發(fā)明的系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)采用基于Java方案的"瀏覽器/器/數(shù)據(jù)庫"三層結(jié)構(gòu)，并采用
JSP和Java applet進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)mt-iPSS系統(tǒng)的開發(fā)。
本發(fā)明從工程應(yīng)用的角度出發(fā)，為PSS的工程應(yīng)用及數(shù)控機(jī)床提供加工能力，提高了
過程的效率，減少了不必要的活動(dòng)反復(fù)，解決了傳統(tǒng)的以經(jīng)驗(yàn)確定機(jī)床實(shí)際加工能力而存
在的缺乏統(tǒng)一性、精確性的問題。將本發(fā)明的方法應(yīng)用于西安交通大學(xué)CAD/CAM所實(shí)驗(yàn)室
MANIX CNC數(shù)控機(jī)床，以提供該機(jī)床的一個(gè)型腔銑削的加工能力為例，采用mt-iPSS過程
設(shè)計(jì)工具，設(shè)計(jì)加工能力提供過程的活動(dòng)序列，采用加工能力建模工具建立該型腔銑削加
工能力定量的數(shù)學(xué)模型，并以此為基礎(chǔ)采用遺傳算法對(duì)銑削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，獲取優(yōu)化的參
數(shù)組合，實(shí)現(xiàn)結(jié)果表明，在保證加工質(zhì)量的情況下，mt-iPSS的加工時(shí)間和成本較普通模
式(通過手冊(cè)或經(jīng)驗(yàn)獲取切削參數(shù))減少了 15%左右。利用mt-iPSS，提高了加工效率。
以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)
明的具體實(shí)施方式
僅限于此，對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本
發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單的推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明由所提交
的權(quán)利要求書確定專利保護(hù)范圍。
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權(quán)利要求
1、一種基于數(shù)控機(jī)床的工業(yè)產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)，其特征在于包括mt-iPSS用戶需求輸入單元、mt-iPSS實(shí)現(xiàn)單元、mt-iPSS輸出單元；mt-iPSS用戶需求輸入單元通過mt-iPSS實(shí)現(xiàn)單元與mt-iPSS輸出單元連接，mt-iPSS用戶需求輸入單元提供用戶需求，mt-iPSS實(shí)現(xiàn)單元根據(jù)用戶需求建立mt-iPSS過程并將結(jié)果輸出到mt-iPSS輸出單元；mt-iPSS實(shí)現(xiàn)單元由mt-iPSS過程設(shè)計(jì)模塊、mt-iPSS加工能力建模模塊、mt-iPSS加工能力優(yōu)化模塊、mt-iPSS加工能力維護(hù)與保有模塊和mt-iPSS過程優(yōu)化模塊組成；mt-iPSS過程設(shè)計(jì)模塊設(shè)計(jì)加工過程，mt-iPSS加工能力建模模塊根據(jù)mt-iPSS過程設(shè)計(jì)模塊建立加工能力模型，并對(duì)加工能力進(jìn)行定量，mt-iPSS加工能力優(yōu)化模塊對(duì)加工能力進(jìn)行優(yōu)化，mt-iPSS加工能力維護(hù)與保有模塊連接在mt-iPSS過程設(shè)計(jì)模塊與mt-iPSS過程優(yōu)化模塊之間，用于對(duì)加工能力維護(hù)與保有；mt-iPSS過程優(yōu)化模塊用于對(duì)過程進(jìn)行優(yōu)化。
2、 一種基于數(shù)控機(jī)床的工業(yè)產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于1 )根據(jù)用戶需求，構(gòu)建mt-iPSS過程，mt-iPSS的輸入是用戶需求，包括加工任務(wù) 清單、加工精度要求、數(shù)量批次、交貨期及技術(shù)要求；輸出是提供滿足用戶需求的加工能 力；2 )對(duì)過程中的加工節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加工能力建模對(duì)設(shè)計(jì)過程中的每一個(gè)具體加工活動(dòng)的 加工能力進(jìn)行評(píng)估，定量其加工能力；，3 )對(duì)加工能力模型進(jìn)行優(yōu)化根據(jù)建立的加工能力模型，采用遺傳算法對(duì)其進(jìn)行優(yōu) 化，獲取優(yōu)化的切削參數(shù)組合，并據(jù)此計(jì)算出該組合下的加工時(shí)間、成本以及資源消耗；4) 對(duì)過程中的每一個(gè)維護(hù)活動(dòng)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)包括關(guān)鍵部件的故障預(yù)測(cè)和維護(hù)操作的快 速幫助，其目標(biāo)是對(duì)優(yōu)化的加工能力進(jìn)行維護(hù)保有；5) 獲取優(yōu)化的加工時(shí)間、成本和資源消耗，在mt-iPSS過程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行整 個(gè)過程優(yōu)化控制。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于數(shù)控機(jī)床的工業(yè)產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于 所述步驟l)的過程是由組合節(jié)點(diǎn)、求解節(jié)點(diǎn)以及選擇節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的擴(kuò)展活動(dòng)模型，存在串 行結(jié)構(gòu)、并行結(jié)構(gòu)、選擇結(jié)構(gòu)以及反復(fù)耦合結(jié)構(gòu)四種基本結(jié)構(gòu)；將擴(kuò)展活動(dòng)模型轉(zhuǎn)換為與 或樹結(jié)構(gòu)以便于算法執(zhí)行，首先提出四種基本結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換規(guī)則，再在此基礎(chǔ)上將一個(gè)完整的擴(kuò)展活動(dòng)模型轉(zhuǎn)換成與或樹，其轉(zhuǎn)換規(guī)則是識(shí)別擴(kuò)展活動(dòng)圖中的并行和選擇結(jié)構(gòu)，并將其用組合節(jié)點(diǎn)替代，然后擴(kuò)展活動(dòng)圖變?yōu)橐粋€(gè)全串行的結(jié)構(gòu)，再采用串行結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換規(guī)則 進(jìn)行轉(zhuǎn)換，繼續(xù)轉(zhuǎn)換被替代的并行或選擇結(jié)構(gòu)的分支直至整個(gè)擴(kuò)展活動(dòng)圖被完全轉(zhuǎn)換為與 或樹結(jié)構(gòu)。
4、根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于數(shù)控機(jī)床的工業(yè)產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于: 所述步驟2)中的加工能力可以用時(shí)間、成本、質(zhì)量及與功能相關(guān)聯(lián)的零件特征度量<formula>formula see original document page 3</formula>①其中C代表加工能力，"和"分別代表加工給定特征的時(shí)間與成本，9代表加工質(zhì)量，//是統(tǒng)一加工時(shí)間和成本量綱的系數(shù)，A ,&和^分別表示加工時(shí)間、成本和質(zhì)量的權(quán)重， 夂是工件易加工的系數(shù)，受加工精度需求、工件材料硬度等的影響；L是實(shí)際加工時(shí)間，^是換刀時(shí)間，r是刀具壽命，^是輔助時(shí)間，"和r可分別用式③和④計(jì)算<formula>formula see original document page 3</formula>②這里/代表刀具加工路徑長度，K是進(jìn)給速度，G是刀具壽命系數(shù)，義、7和Z分別代表切削速度k、進(jìn)給量/以及切削深度^對(duì)刀具壽命的影響系數(shù)，G、 x、 y和z的值可以從 手冊(cè)上査得；/和k可分別用式⑤和⑥計(jì)算<formula>formula see original document page 3</formula>這里^是刀具直徑，/7是主軸轉(zhuǎn)速，結(jié)合式②、式③、式 、式⑤和式⑥，加工時(shí)間t,可 用式⑦來計(jì)算^ ⑦ 加工成本可用下式來計(jì)算 <formula>formula see original document page 3</formula>附這里C。是單位時(shí)間內(nèi)的加工成本，"是單位刀具成本， 因此，加工能力可以用下式來度量 <formula>formula see original document page 4</formula>
5、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于數(shù)控機(jī)床的工業(yè)產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于所述步驟3)中的加工能力優(yōu)化是通過優(yōu)化切削三要素、側(cè)吃刀量&以及及切削的層數(shù)yv來實(shí)現(xiàn)的，切削參數(shù)分為兩種類型， 一是加工最后一層的切削參數(shù)(v^,^,"p,，flj; 二是 加工其他不受加工精度約束的層的切削參數(shù){"2,"2，",2,^2}，再加上加工的層數(shù)7V，由于 加工余量"-(iV-l)"pl+"p2，所以iV和a^可以界定fl^，因此需要優(yōu)化8個(gè)變量；采用遺傳算法，以式⑨為目標(biāo)函數(shù)，獲取優(yōu)化的{ ， , }、 ^2,"2, ,tU以及N。
6、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于數(shù)控機(jī)床的工業(yè)產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于采用現(xiàn)有的在線幫助、故障診斷與預(yù)測(cè)、備件管理技術(shù)實(shí)現(xiàn)加工能力的維護(hù)與保有。
7、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于數(shù)控機(jī)床的工業(yè)產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于過程控制必須根據(jù)活動(dòng)執(zhí)行的實(shí)時(shí)信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)的變更，由于與或樹包含了并行和選擇結(jié) 構(gòu)以及跳轉(zhuǎn)標(biāo)志，用深度優(yōu)先算法，再考慮時(shí)間、成本、資源需求的約束，實(shí)現(xiàn)過程的實(shí) 時(shí)決策和控制。
8、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于數(shù)控機(jī)床的工業(yè)產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)采用基于Java方案的"瀏覽器/器/數(shù)據(jù)庫"三層結(jié)構(gòu)，并采用JSP和Java applet進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)mt-iPSS系統(tǒng)的開發(fā)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于數(shù)控機(jī)床的工業(yè)產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)(mt-iPSS)及其實(shí)現(xiàn)方法，(1)包括mt-iPSS用戶需求輸入單元、mt-iPSS實(shí)現(xiàn)單元和mt-iPSS輸出單元；(2)根據(jù)用戶需求，構(gòu)建mt-iPSS過程，滿足用戶需求；(3)對(duì)過程中的加工節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加工能力建模；(4)對(duì)加工能力模型進(jìn)行優(yōu)化；(5)對(duì)過程中的每一個(gè)維護(hù)活動(dòng)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)；(6)獲取優(yōu)化的加工時(shí)間、成本和資源消耗需求，在加工能力服務(wù)mt-iPSS過程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行整個(gè)過程優(yōu)化控制。mt-iPSS通過提供數(shù)控機(jī)床加工能力，提高了數(shù)控加工過程的效率，減少了不必要的加工或維護(hù)活動(dòng)反復(fù)，解決了傳統(tǒng)的以經(jīng)驗(yàn)確定機(jī)床實(shí)際加工能力而存在的缺乏統(tǒng)一性、精確性的問題，本發(fā)明公開的實(shí)現(xiàn)方法不僅可以應(yīng)用于mt-iPSS，還可以應(yīng)用于傳統(tǒng)模式下的機(jī)床加工優(yōu)化。
文檔編號(hào)G06Q10/00GK101673368SQ20091002412
公開日2010年3月17日 申請(qǐng)日期2009年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月28日
發(fā)明者付穎斌, 朋 張, 朱琦琦, 江平宇, 鎂 鄭 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)