专利名称：一种基于数控机床的工业产品服务系统的实现方法
技术领域：
本发明涉及数控机床加工应用、计算机应用领域。 现有技术
产品服务系统(Product Service System, PSS)是在本世纪初由联合国环境规划署 (UNEP)提出并推介的一种通过改变现有产品消费(使用)模式以实现可持续发展的方法。 PSS方法的基本理念是产品的制造商或专业的服务商整合产品和服务，为用户提供产品的 工作能力以满足用户需求。以数控机床为例，其PSS的运作模式可理解为数控机床的制造 商或专业商将产品(数控机床及其附件)和技术服务(如机床的操作、维护等)整合在一 起，为用户提供数控机床加工零件的加工能力，满足用户的需求。由于制造商或专业服务 商在产品操作和维护方面具有丰富的经验和知识，因此PSS方法有利于更好地发挥产品性 能，实现物尽所能。从PSS提出到现在近IO年来，PSS方法成为一个研究热点(特别是 在欧洲和日本)，现有的PSS方法的相关研究大都是从经济管理的角度研究PSS方法的增 值特性以及从环保的角度研究PSS方法的生态效益(Eco-efficiency)。仅有少数的参考 文献涉及从工程技术的角度研究PSS的实现方法，这方面的现有技术可总结为以下几个方 面
(1) 从企业战略设计的角度，研究PSS的设计和规划。如Manzini提出的基于PSS的 企业战略设计模式；Morelli提出的PSS过程设计方法，并将其应用于远程电讯中心PSS 的设计。
(2) 将PSS与产品生命周期管理联系起来，采用系统工程的方法，实现PSS模式下的 产品生命周期管理。如Aurich等人提出了基于PSS的产品生命周期管理(PSS—PLM)的 方法，并将其应用于铲土机的生命周期维护中。
(3) 从案例研究的角度出发，研究支撑PSS运作的技术。
从工程应用的角度看，现有的PSS研究和实现方法存在明显不足，主要包括以下两个 方面
(1) 虽然有人提出PSS运作过程建模的方法，但忽略了 PSS模型优化的方法；
(2) PSS方法的核心是为用户提供产品的加工能力，如何定量"产品的加工能力"是 评价PSS系统运作质量和效能最重要的环节之一，这方面现已文献很少提及。
5针对现有技术中缺乏PSS模型优化的方法，并且缺乏"产品的加工能力"的评价方法 的问题，本发明提出如下技术方案一种基于数控机床的工业产品服务系统(mt-iPSS):包括mt-iPSS用户需求输入单元、 mt-iPSS实现单元、mt-iPSS输出单元；mt-iPSS用户需求输入单元通过mt-iPSS实现单 元与mt-iPSS输出单元连接，mt-iPSS用户需求输入单元提供用户需求，mt-iPSS实现单 元根据用户需求建立mt-iPSS过程并将结果输出到mt-iPSS输出单元；mt-iPSS实现单元 由mt-iPSS过程设计模块、mt-iPSS加工能力建模模块、mt-iPSS加工能力优化模块、 mt-iPSS加工能力维护与保有模块和mt-iPSS过程优化模块组成；mt-iPSS过程设计模块 设计加工过程，mt-iPSS加工能力建模模块根据mt-iPSS过程设计模块建立加工能力模型， 并对加工能力进行定量，mt-iPSS加工能力优化模块对加工能力进行优化，mt-iPSS加工 能力维护与保有模块连接在mt-iPSS过程设计模块与mt-iPSS过程优化模块之间，用于对 加工能力维护与保有；mt-iPSS过程优化模块用于对过程进行优化。 一种基于数控机床的工业产品服务系统的实现方法1 )根据用户需求，构建mt-iPSS过程，mt-iPSS的输入是用户需求，包括加工任务 清单、加工精度要求、数量批次、交货期及技术要求；输出是提供满足用户需求的加工能 力，满足用户需求；2 )对过程中的加工节点进行加工能力建模对设计过程中的每一个具体加工活动的 加工能力进行评估，定量其加工能力；3 )对加工能力模型进行优化根据建立的加工能力模型，采用遗传算法对其进行优 化，获取优化的切削参数组合，并据此计算出该组合下的加工时间、成本以及资源消耗；4) 对过程中的每一个维护活动进行实现包括关键部件的故障预测和维护操作的快 速帮助，其目标是对优化的加工能力进行维护保有；5) 获取优化的加工时间、成本和资源消耗，在mt-iPSS过程设计的基础上，进行整 个过程优化控制。所述步骤l)的过程是由组合节点、求解节点以及选择节点构成的扩展活动模型，存 在串行结构、并行结构、选择结构以及反复耦合结构四种基本结构；将扩展活动模型转换 为与或树结构以便于算法执行，首先提出四种基本结构的转换规则，再在此基础上将一个 完整的扩展活动模型转换成与或树，其转换规则是:识别扩展活动图中的并行和选择结构，并将其用组合节点替代，然后扩展活动图变为一个全串行的结构，再采用串行结构转换规 则进行转换，继续转换被替代的并行或选择结构的分支直至整个扩展活动图被完全转换为 与或树结构。所述步骤2)中的加工能力可以用时间、成本、质量及与功能相关联的零件特征度量:'夂①其中C代表加工能力，"和"分别代表加工给定特征的时间与成本，Q代表加工质量，//是统一加工时间和成本量纲的系数，A ，A和^分别表示加工时间、成本和质量的权重， ^是工件易加工的系数，受加工精度需求、工件材料硬度等的影响；。，"是实际加工时间，G是换刀时间，T是刀具寿命，G是辅助时间，^和r可分别用式③和④计算②这里/代表刀具加工路径长度，K是进给速度，G是刀具寿命系数，《、/和z分别代表切削速度K、进给量/以及切削深度^对刀具寿命的影响系数，G、 x、 y和z的值可以从 手册上査得；/和K可分别用式⑤和⑥计算/ = v,/" 这里^是刀具直径，"是主轴转速,结合式②、式③、式 、式⑤和式⑥，加工时间"可用式⑦来计算,w如画:(/ 、⑦加工成本可用下式来计算:7 ⑧ 这里O)是单位时间内的加工成本，"是单位刀具成本，因此，加工能力可以用下式来度量c =__ ⑨所述步骤3)中的加工能力优化是通过优化切削三要素、侧吃刀量&以及及切削的层数/V来实现的，切削参数分为两种类型， 一是加工最后一层的切削参数(V"^,^,^〉；二是加工其他不受加工精度约束的层的切削参数>/2,"2,^2,^2}，再加上加工的层数yV，由于加工余量"=(^-1) 1+^2，所以iV和"^可以界定^,，因此需要优化8个变量；采用遗传算法，以式⑨为目标函数，获取优化的(v", ，&}、 {!;/2,"2,^2，^2}以及& 所述步骤4)中的加工能力维护与保有采用现有的在线帮助、故障诊断与预测、备件管理技术实现的加工能力的维护与保有。所述步骤5中)mt-iPSS过程控制必须根据活动执行的实时信息进行动态的变更，由 于与或树包含了并行和选择结构以及跳转标志，用深度优先算法，再考虑时间、成本、资 源需求的约束，实现过程的实时决策和控制。系统程序实现采用基于Java方案的"浏览器/服务器/数据库"三层结构，并采用JSP 和Java applet进行编程，实现mt-iPSS软件系统的开发。mt-iPSS实现的具体步骤如下(附图1所示) (1) mt-iPSS过程设计首先根据用户需求进行rat-iPSS过程设计，mt-iPSS过程设 计从宏观层面上描述了完成用户需求所需的活动以及活动与活动之间的关系。过程中的活 动不仅包括加工活动，还包括维护活动。(2) mt-iPSS加工能力建模对mt-iPSS过程设计中的每一个具体加工活动的加工能力进行评估，定量其加工能力。(3) mt-iPSS加工能力优化根据建立的加工能力模型，采用遗传算法对其进行优 化，获取优化的切削参数组合，并据此计算出该组合下的加工时间、成本以及资源消耗。(4) mt-iPSS加工能力维护与保有对过程中的每一个维护活动进行实现，其目标8是对优化的加工能力进行维护保有。(5) mt-iPSS过程优化在mt-iPSS过程设计的基础上，获取每个活动优化的加工 时间、成本以及资源消耗，进行过程优化控制；另一方面，过程控制模块接受各活动实际 的执行数据(如时间、成本、资源消耗等)，并根据这些实际执行数据对过程进行动态的 优化控制。mt-iPSS实现的步骤1: mt-iPSS过程建模过程模型由活动及活动之间的关系构成，用图e-(「，E)表示mt-iPSS的过程，其中 Z表示活动，^表示活动之间的顺序关系。过程是由许多活动(节点)及其相互关系构成 的，因此过程建模首先要对节点进行建模，节点的建模是对节点进行标准化的过程。对一 个节点V来说，其标准化可以表示为Z, " 」 (1)其中W代表活动的名称，"是活动的详细信息，C代表活动的特征，主要包括完成该 活动所需的时间、成本以及资源需求，^V是当活动完成后对完成情况的评价。由于在mt-iPSS过程中，活动存在多种类型，因此对模型中表示活动的节点进行扩展， 以"〇"表示求解节点，以"□"表示组合节点，以" "表示选择节点(见附图2), 其中求解节点表示该活动不能细分，组合节点表示该活动可以细分为更小粒度的活动，选 择节点表示其多个后续节点中只有一个能被选中执行。因此构建过程的扩展活动图模型其中K、 K、 K分别表示求解节点、组合节点以及选择节点。￡ = {0，1}，如果两活动i和J之间存在关联关系，则&,厶否则A,仏相应地设计过程存在四种基本结构，分别是串行结构、并行结构、选择结构以及耦合 结构(见附图3)为了实现过程的控制，需要对过程的扩展活动图进行遍历运算，考虑到扩展活动图 中存在选择、并行、耦合等结构不利于遍历算法的执行，将过程的扩展活动图模型转化为 一种特殊的与或树结构模型，从而方便程序算法的遍历以支撑过程的运行控制。扩展活动图模型中存在四种基本结构，分别是串行结构、并行结构、选择结构以及反复(耦合)结构，首先将这四种基本结构转换成与或树(见附图4)，其转换规则是-①开始后，识别反复的边，并删除他们，在反馈边的起点做跳转标记；②识别所有的并行和选择结构，并用组合节点代替他们，这样形成一个全串行的服务活动流；(D用串行转化 规则实现转换；④选中一个被替代的并行或者选择结构；⑤识别它的开始节点，并用它去 替代与或树中相应的组合节点；⑥之后，将剩下其分支结构，用组合节点去代替各个分支; ⑦然后用并行或选择结构的转换规则去转换；⑧选中一个被替换的分支；⑨是否被选中的 分支中的所有节点都被转换了？是则转入下一步，否则转入步骤②；⑩是否被选中并行或 选择结构中的所有节点都被转换了？是则继续进行，否则转入步骤⑧；Q是否扩展活动图 中的所有节点都被转换了？是则结束程序，否则转入步骤④，继续执行程序。mt-iPSS实现的步骤2: mt-iPSS加工能力建模从数控机床的功能和性能两个方面去阐释mt-iPSS加工能力，数控机床的功能如车削 功能，可以细分为车外圆、车内圆、车螺纹等子功能，数控机床的性能是对功能实现的度 量，如车外圆功能的时间、成本、质量等。因此加工能力可以用时间、成本、质量及与功 能相关联的零件特征去度量，如下式c =^ (3)这里c代表加工能力，G和"分别代表加工给定特征的时间和成本，^代表加工质量，。 用加工该特征的合格率来定量，//是一个统一加工时间和成本量纲的系数，A,&和A分别表示加工时间、成本和质量的权重，A是反映工件是否易加工的系数，A主要受到 工件硬度、加工精度及加工特征复杂度约束。CW,争+ G (4)这里4是实际加工时间即工序时间，^是换刀时间，T是刀具寿命，^是辅助时间如装 夹、卸下工件的时间等。4和T可分别用式(5)和(6)计算 /m=〃V/ (5)r= Cr (6)这里/代表刀具加工路径长度，^是进给速度，G是刀具寿命系数，义、/和^分别代表切削速度K、进给量/以及切削深度4对刀具寿命的影响系数。G、 x、 y和z的值可以从 相关手册上查得。/和K可分别用式(7)和(8)计算<formula>formula see original document page 11</formula> (7)(8)<formula>formula see original document page 11</formula>这里4是刀具直径，/7是主轴转速。结合式(4)、 (5)、 (6)、 (7)和(8)，加工时间t,可用式(9)来计算:<formula>formula see original document page 11</formula>(9)另外，加工成本可用下式来计算<formula>formula see original document page 11</formula> (io)这里c。是单位时间内的加工成本，c 是单位刀具成本. 因此，加工能力可以用下式来度量
<formula>formula see original document page 11</formula>(11)mt-iPSS实现的步骤3: mt-iPSS加工能力优化通过优化切削三要素(Kf、 /7和3》以及侧吃到量&，同时还要考虑切削的层数W的 影响，这是多目标优化求解的问题。考虑到当加工余量较大时，要分多层铣削，切削三要 素分为两种类型， 一是加工最后一层的(v",A,fl^,^h 二是加工其他不受加工精度约束的层的切削三要素^/2,"2， 2,"62},再加上加工的层数7K —共9个设计变量。由于加工余量"=(^-1)^1+^2，所以W和"^可以界定^，因此只需优化8个变量。采用遗传算法，以式(9)为目标函数，获取优化的(v","p ，fl^、 (v，"2,a^,aJ以及N。mt-iPSS实现的步骤4: mt-iPSS加工能力维护与保有采用现有的在线帮助、故障诊断与预测、备件管理等技术实现的加工能力的维护与保有。mt-iPSS实现的步骤5: mt-iPSS过程优化控制基于过程的与或树表达，可以通过算法实现过程的控制。过程控制的目的是得到一 个优化的活动执行序列，重要的是，过程控制必须能根据活动执行的实时信息进行动态的 变更。考虑到这里的与或树中不同于一般树结构，包含了并行和选择结构以及跳转标志， 提出了一种基于深度优先搜索的算法用以实现过程的实时控制，该算法按照深度优先搜索 的规则遍历与或树中的节点，并判断该节点的性质，如果节点有跳转标志或为选择节点的 起点，则调用决策模块，确定要是否跳转或选择后续的执行节点，如果节点为并行结构的 起点，则其后续节点并行执行(附图5)。因此，节点是否跳转以及选择节点的子节点的决策是过程控制的关键，是否跳转(反 复)的决策主要依赖于要求，而选择节点的子节点的决策首先要考虑要求，再考虑资源、 时间和成本等方面，(见附图6)。本发明在以下几个方面取得了显著的效果本发明从工程应用的角度出发，为PSS的工程应用提供了借鉴。为数控机床提供加工 能力，实现物尽所能提供了支持。提高了过程的效率，减少了不必要的活动反复。解决了 传统的以经验确定机床实际加工能力而存在的缺乏统一性、精确性的问题。不仅可以应用 于mt-iPSS，还可以应用于传统模式下的机床加工优化。
图1 mt-iPSS体系结构示意图，图2节点的分类及其表达示意3扩展活动图四种基本结构转化为与或树的规则4扩展活动图转换成与或树的实现流程 图5实时控制过程的算法流程 图6选择节点的决策具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明 如图1所示， 一种基于数控机床的工业产品服务系统包括mt-iPSS用户需求输入 单元、mt-iPSS实现单元、mt-iPSS输出单元；mt-iPSS用户需求输入单元通过mt-iPSS 实现单元与mt-iPSS输出单元连接，mt-iPSS用户需求输入单元提供用户需求，mt-iPSS 实现单元根据用户需求建立mt-iPSS过程并将结果输出到mt-iPSS输出单元；mt-iPSS实 现单元由mt-iPSS过程设计模块、mt-iPSS加工能力建模模块、mt-iPSS加工能力优化模 块、mt-iPSS加工能力维护与保有模块和mt-iPSS过程优化模块组成；mt-iPSS过程设计 模块设计加工过程，mt-iPSS加工能力建模模块根据mt-iPSS过程设计模块建立加工能力 模型，并对加工能力进行定量，mt-iPSS加工能力优化模块对加工能力进行优化，mt-iPSS 加工能力维护与保有模块连接在rat-iPSS过程设计模块与mt-iPSS过程优化模块之间，用 于对加工能力维护与保有；mt-iPSS过程优化模块用于对过程进行优化。 一种基于数控机床的工业产品服务系统的实现方法
1 )根据用户需求，构建mt-iPSS过程，mt-iPSS的输入是用户需求，包括加工任务 清单、加工精度要求、数量批次、交货期及技术要求；输出是提供满足用户需求的加工能 力；
2) 对过程中的加工节点进行加工能力建模对设计过程中的每一个具体加工活动的 加工能力进行评估，定量其加工能力；
3) 对加工能力模型进行优化根据建立的加工能力模型，采用遗传算法对其进行优 化，获取优化的切削参数组合，并据此计算出该组合下的加工时间、成本以及资源消耗；
4) 对过程中的每一个维护活动进行实现包括关键部件的故障预测和维护操作的快 速帮助，其目标是对优化的加工能力进行维护保有；
5) 获取优化的加工时间、成本和资源消耗需求，在mt-iPSS过程设计的基础上，进 行整个过程优化控制。
所述步骤l)的过程是由组合节点、求解节点以及选择节点构成的扩展活动模型，存 在串行结构、并行结构、选择结构以及反复耦合结构四种基本结构；将扩展活动模型转换 为与或树结构以便于算法执行，首先提出四种基本结构的转换规则，再在此基础上将一个 完整的扩展活动模型转换成与或树，其转换规则是①开始后，识别反复的边，并删除他 们，在反馈边的起点做跳转标记；②识别所有的并行和选择结构，并用组合节点代替他们， 这样形成一个全串行的服务活动流；③用串行转化规则实现转换;④选中一个被替代的并 行或者选择结构；⑤识别它的开始节点，并用它去替代与或树中相应的组合节点;⑥之后，说明书第10/16页
将剩下其分支结构，用组合节点去代替各个分支；⑦然后用并行或选择结构的转换规则去 转换；⑧选中一个被替换的分支；(D是否被选中的分支中的所有节点都被转换了？是则转 入下一步，否则转入步骤②；⑩是否被选中并行或选择结构中的所有节点都被转换了？是 则继续进行，否则转入步骤⑧；Cl是否扩展活动图中的所有节点都被转换了？是则结束程 序，否则转入步骤④，继续执行程序。
所述步骤2)中的加工能力可以用时间、成本、质量及与功能相关联的零件特征度量-
①
&i《+ A:2CW
其中C代表加工能力，"和"分别代表加工给定特征的时间与成本，<7代表加工质量，//
是统一加工时间和成本量纲的系数，A; ,&和^分别表示加工时间、成本和质量的权重， A是工件易加工的系数，受加工精度需求、工件材料硬度等的影响；
t是实际加工时间，G是换刀时间，7是刀具寿命，tw是辅助时间，
4和r可分别用式③和④计算
②
③
这里/代表刀具加工路径长度，K是进给速度，G是刀具寿命系数，x、 y和z分别代表切 削速度k。、进给量/以及切削深度^对刀具寿命的影响系数，6>、 x、 y和z的值可以从 手册上查得；
/和^可分别用式⑤和⑥计算
1000
这里《是刀具直径，"是主轴转速,结合式②、式③、式 、式⑤和式⑥，加工时间t,可
用式⑦来计算 '
14^下"" 0' 八
加工成本可用下式来计算:
这里c。是单位时间内的加工成本，&是单位刀具成本， 因此，加工能力可以用下式来度量
《
C =
所述步骤3)中的加工能力优化是通过优化切削三要素、侧吃刀量A以及及切削的层
数W来实现的，切削三要素分为两种类型， 一是加工最后一层的^,， ^,"J; 二是加
工其他不受加工精度约束的层的切削三要素{"2,"2， 2，"￡2}，再加上加工的层数A;由于
加工余量"=(^-l)flpl+flp2，所以iV和fl^可以界定"^，因此需要优化8个变量；采用遗
传算法，以式⑨为目标函数，获取优化的(v","p ,"J、 (v^， ，aJ以及N;
所述步骤4)中的加工能力维护与保有采用现有的在线帮助、故障诊断与预测、备件 管理技术实现的加工能力的维护与保有。
所述步骤5中)mt-iPSS过程控制必须根据活动执行的实时信息进行动态的变更，由 于与或树包含了并行和选择结构以及跳转标志，用深度优先算法，再考虑时间、成本、资 源需求的约束，实现过程的实时决策和控制。
系统程序实现采用基于Java方案的"浏览器/服务器/数据库"三层结构，并采用JSP 和Java即plet进行编程，实现mt-iPS.S软件系统的开发。
mt-iPSS体系结构如附图l所示，mt-iPSS的输入是用户需求，包括加工任务清单、 加工精度要求、数量批次、交货期等；其输出是为用户提供一定的加工能力，满足用户需 求。
构建基于数控机床的工业产品服务系统(mt-iPSS)，包括五个主要模块，分别是 mt-iPSS过程设计模块，、rat-iPSS过程优化模块，、mt-iPSS加工能力建模模块，mt-iPSS加工能力优化模块，以及mt-iPSS加工能力保有模块。
mt-iPSS过程设计模块的输出有三个分支第一分支直接接入mt-iPSS加工能力建模 模块，第二分支接入mt-iPSS加工能力保有模块，第三分支是与加工能力优化模块以及加 工能力维护模块的输出信息合并后接入mt-iPSS过程优化模块。 附图1为mt-iPSS的实现方法，其具体步骤如下
(1) mt-iPSS过程设计首先根据用户需求进行mt-iPSS过程设计，mt-iPSS过程设 计从宏观层面上描述了完成用户需求所需的活动以及活动与活动之间的关系。过程中的活 动不仅包括加工活动，还包括维护活动。
(2) mt-iPSS加工能力建模对mt-iPSS过程设计中的每一个具体加工活动的加工能
力评估，定量其加工能力。
(3) mt-iPSS加工能力优化根据建立的加工能力模型，采用遗传算法对其进行优化， 获取优化的切削参数组合，并据此计算出该组合下的加工时间、成本以及资源消耗。
(4) mt-iPSS加工能力维护与保有对过程中的每一个维护活动进行实现，其目标是 对优化的加工能力进行维护保有。
(5) mt-iPSS过程优化在mt-iPSS过程设计的基础上，获取每个活动优化的加工时 间、成本以及资源消耗，进行过程优化控制；另一方面,过程控制模块接受各活动实际的 执行数据(如时间、成本、资源消耗等),.并根据这些实际执行数据对过程进行动态的优 化控制。
实现步骤(1) mt-iPSS过程建模
过程由节点及节点之间的关系构成,采用图G:(V，E)表示过程，其中顶点V为节点， 边E为节点与节点之间的关系。因此过程建模首先要对节点进行建模，节点的建模是对节 点进行标准化的过程。对一个节点V来说，其标准化可以表示为
(1)
其中yV代表活动的名称，"是活动的详细信息，C代表活动的特征，主要包括完成该 活动所需的时间、成本以及资源需求，^5V是当活动完成后对完成情况的评价。
在活动的标准化的基础上，考虑到节点有多种类型，采用扩展活动模型形式化表达和 描述节点，如图2所示，其中求解节点表示该节点表示的活动不能细分，组合节点表示该 节点表示的活动可以细分为更小粒度的节点，选择节点表示其多个后续节点中只有一个能 被选中执行。于是过程可以用扩展活动图来形式化表达，为了便于对过程进行算法操作，将扩展活动图模型转化为与或树模型，首先描述扩展活动图四种基本结构转化为与或树的规则(如图3所示)，在此基础上，再采用图4所示的算法流程，将一个完整的扩展活动图转换成
与或树，该算法流程的原理是①开始后，识别反复的边，并删除他们，在反馈边的起点做跳转标记；②识别所有的并行和选择结构，并用组合节点代替他们，这样形成一个全串行的活动流；③用串行转化规则实现转换;④选中一个被替代的并行或者选择结构； 识别它的开始节点，并用它去替代与或树中相应的组合节点；⑥之后，将剩下其分支结构，用组合节点去代替各个分支；⑦然后用并行或选择结构的转换规则去转换；⑧选中一个被替换的分支；⑨是否被选中的分支中的所有节点都被转换了？是则转入下一步，否则转入步骤②；⑩是否被选中并行或选择结构中的所有节点都被转换了？是则继续进行，否则转
入步骤⑧;D是否扩展活动图中的所有节点都被转换了？是则结束程序，否则转入步骤逸，
继续执行程序。
这样就构建了 rat-iPSS过程的与或树模型。
实现步骤(2) mt-iPSS加工能力建模
上述的步骤(1)构建的过程与或树模型中，节点包括了加工节点以及维护节点，步骤(2)将对加工节点的加工能力进行建模，定量描述加工节点的加工能力。
从功能和性能两个方面去阐释加工能力，数控机床的功能如车削功能，可以细分为车外圆、车内圆、车螺纹等子功能，每一个子功能与零件特征关联；数控机床的性能是对具体功能实现的度量，如车外圆的功能所用的时间、成本、质量等。因此加工能力可以用时间、成本、质量及与功能相关联的零件特征去度量加工能力表示，如下式
这里c代表加工能力，"和G分别代表加工给定特征的时间和成本，< 代表加工质量，^用加工该特征的合格率来定量，//是一个统一加工时间和成本量纲的系数，A, ,&和A
分别表示加工时间、成本和质量的权重，A是反映工件是否易加工的系数，^主要受到工件硬度、加工精度及加工特征复杂度约束。
^Wc.^ + G (2)
17这里^是实际加工时间即工序时间，^是换刀时间，r是刀具寿命，^是辅助时间如装
夹、卸下工件的时间等。
"和r可分别用式(3)和(4)计算C=〃" (3)
r= Cr (4)这里/代表刀具加工路径长度，k是进给速度，g是刀具寿命系数，义、y和z分别代表切
削速度K、进给量f以及切削深度^对刀具寿命的影响系数。g、 x、 y和z的值可以从相关手册上查得。
/和K可分别用式(5)和(6)计算
/ = v,/w (5)
(6)
1000
这里^是刀具直径，/7是主轴转速c
结合式(2)、 (3)、 (4)、 (5)和(6)，加工时间"可用式(7)来计算-, 一丄+ ,1000 、", p , f
^v" ~^~"。' (7)
另外，加工成本可用下式来计算
T (8)这里Q是单位时间内的加工成本，^是单位刀具成本.
因此，加工能力可以用下式来度量
《^v ^"^"
(9)
实现步骤(3) rat-iPSS加工能力优化
通过优化切削三要素(Kf、 /7和a》以及侧吃到量&，并考虑切削的层数A的影响，。
考虑到当加工余量较大时，要分多层铣削，切削三要素分为两种类型， 一是加工最后
一层的^p巧,^一J ; 二是加工其他不受加工精度约束的层的切削三要素
{^/2^2, 2，^2}，再加上加工的层数W， 一共9个设计变量。由于加工余量
= (iV-l)a/7l+^2，所以7V和a^可以界定a^，因此只需优化8个变量。采用遗传算法，
以式(9)为目标函数，获取优化的(Vn,^，^,aJ、 &/2,"2,^2,^2}以及N，由于遗传算法
是一个成熟的算法，其算法流程可从许多参考书或文献中査到，因此这里不赘述遗传算法实现加工能力优化的算法流程。
实现步骤(4) mt-iPSS加工能力维护与保有
采用现有的在线帮助、故障诊断与预测、备件管理等技术实现的加工能力的维护与保有，由于这些技术是先有的，故这里不详述，但加工能力维护与保有又是mt-iPSS实现的必要环节之一，因此这里仅将其列出。
实现步骤(5) mt-iPSS过程优化控制
基于过程的与或树表达，可以通过算法实现过程的控制。过程控制的目的是得到一个优化的活动执行序列，重要的是，过程控制必须能根据活动执行的实时信息进行动态的变更。考虑到这里的与或树中不同于一般树结构，包含了并行和选择结构以及跳转标志，提出了一种基于深度优先搜索的算法用以实现过程的实时控制，其算法的实现流程如图5所示首先用链接表表达与或树的数据结构，然后用深度优先搜索算法遍历节点，当节点有跳转标志时，通过决策模块确定节点是否跳转，当节点是选择结构的起点时，通过决策模块选择一个子节点，当节点是并行结构的起点时，则并行执行其子节点，然后，采用上述的流程，直至遍历至终节点。
图5中，节点是否跳转以及选择节点的子节点的决策是过程控制的关键，是否跳转(反复)的决策主要依赖于的技术要求，而选择节点的子节点的决策除了要考虑技术要求之外，还要考虑资源、时间和成本等方面，其相应的决策流程如图6所示首先发现所有的从选择结构的起点到终点的路径，并估算每一条路径所需的时间、成本以及资源需求，决策时首先选择满足技术要求的路径，再选择满足资源需求的路径，再选择满足时间的路径，最后基于最小成本选出一条成本最小的执行路径。在mt-iPSS执行过程中，根据各节点节点的实际执行情况，对过程决策的路径进行动态变更，如当节点的实际执行时间超过估算的时间时，后续节点需要重新决策以满足时间的要求。
实施例
本发明的系统程序实现采用基于Java方案的"浏览器/器/数据库"三层结构，并采用
JSP和Java applet进行编程，实现mt-iPSS系统的开发。
本发明从工程应用的角度出发，为PSS的工程应用及数控机床提供加工能力，提高了
过程的效率，减少了不必要的活动反复，解决了传统的以经验确定机床实际加工能力而存
在的缺乏统一性、精确性的问题。将本发明的方法应用于西安交通大学CAD/CAM所实验室
MANIX CNC数控机床，以提供该机床的一个型腔铣削的加工能力为例，采用mt-iPSS过程
设计工具，设计加工能力提供过程的活动序列，采用加工能力建模工具建立该型腔铣削加
工能力定量的数学模型，并以此为基础采用遗传算法对铣削参数进行优化，获取优化的参
数组合，实现结果表明，在保证加工质量的情况下，mt-iPSS的加工时间和成本较普通模
式(通过手册或经验获取切削参数)减少了 15%左右。利用mt-iPSS，提高了加工效率。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发
明的具体实施方式
仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本
发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交
的权利要求书确定专利保护范围。
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权利要求
1、一种基于数控机床的工业产品服务系统，其特征在于包括mt-iPSS用户需求输入单元、mt-iPSS实现单元、mt-iPSS输出单元；mt-iPSS用户需求输入单元通过mt-iPSS实现单元与mt-iPSS输出单元连接，mt-iPSS用户需求输入单元提供用户需求，mt-iPSS实现单元根据用户需求建立mt-iPSS过程并将结果输出到mt-iPSS输出单元；mt-iPSS实现单元由mt-iPSS过程设计模块、mt-iPSS加工能力建模模块、mt-iPSS加工能力优化模块、mt-iPSS加工能力维护与保有模块和mt-iPSS过程优化模块组成；mt-iPSS过程设计模块设计加工过程，mt-iPSS加工能力建模模块根据mt-iPSS过程设计模块建立加工能力模型，并对加工能力进行定量，mt-iPSS加工能力优化模块对加工能力进行优化，mt-iPSS加工能力维护与保有模块连接在mt-iPSS过程设计模块与mt-iPSS过程优化模块之间，用于对加工能力维护与保有；mt-iPSS过程优化模块用于对过程进行优化。
2、 一种基于数控机床的工业产品服务系统的实现方法，其特征在于1 )根据用户需求，构建mt-iPSS过程，mt-iPSS的输入是用户需求，包括加工任务 清单、加工精度要求、数量批次、交货期及技术要求；输出是提供满足用户需求的加工能 力；2 )对过程中的加工节点进行加工能力建模对设计过程中的每一个具体加工活动的 加工能力进行评估，定量其加工能力；，3 )对加工能力模型进行优化根据建立的加工能力模型，采用遗传算法对其进行优 化，获取优化的切削参数组合，并据此计算出该组合下的加工时间、成本以及资源消耗；4) 对过程中的每一个维护活动进行实现包括关键部件的故障预测和维护操作的快 速帮助，其目标是对优化的加工能力进行维护保有；5) 获取优化的加工时间、成本和资源消耗，在mt-iPSS过程设计的基础上，进行整 个过程优化控制。
3、 根据权利要求2所述的基于数控机床的工业产品服务系统的实现方法，其特征在于 所述步骤l)的过程是由组合节点、求解节点以及选择节点构成的扩展活动模型，存在串 行结构、并行结构、选择结构以及反复耦合结构四种基本结构；将扩展活动模型转换为与 或树结构以便于算法执行，首先提出四种基本结构的转换规则，再在此基础上将一个完整的扩展活动模型转换成与或树，其转换规则是识别扩展活动图中的并行和选择结构，并将其用组合节点替代，然后扩展活动图变为一个全串行的结构，再采用串行结构转换规则 进行转换，继续转换被替代的并行或选择结构的分支直至整个扩展活动图被完全转换为与 或树结构。
4、根据权利要求2所述的基于数控机床的工业产品服务系统的实现方法，其特征在于: 所述步骤2)中的加工能力可以用时间、成本、质量及与功能相关联的零件特征度量<formula>formula see original document page 3</formula>①其中C代表加工能力，"和"分别代表加工给定特征的时间与成本，9代表加工质量，//是统一加工时间和成本量纲的系数，A ,&和^分别表示加工时间、成本和质量的权重， 夂是工件易加工的系数，受加工精度需求、工件材料硬度等的影响；L是实际加工时间，^是换刀时间，r是刀具寿命，^是辅助时间，"和r可分别用式③和④计算<formula>formula see original document page 3</formula>②这里/代表刀具加工路径长度，K是进给速度，G是刀具寿命系数，义、7和Z分别代表切削速度k、进给量/以及切削深度^对刀具寿命的影响系数，G、 x、 y和z的值可以从 手册上査得；/和k可分别用式⑤和⑥计算<formula>formula see original document page 3</formula>这里^是刀具直径，/7是主轴转速，结合式②、式③、式 、式⑤和式⑥，加工时间t,可 用式⑦来计算^ ⑦ 加工成本可用下式来计算 <formula>formula see original document page 3</formula>附这里C。是单位时间内的加工成本，"是单位刀具成本， 因此，加工能力可以用下式来度量 <formula>formula see original document page 4</formula>
5、 根据权利要求2所述的基于数控机床的工业产品服务系统的实现方法，其特征在于所述步骤3)中的加工能力优化是通过优化切削三要素、侧吃刀量&以及及切削的层数yv来实现的，切削参数分为两种类型， 一是加工最后一层的切削参数(v^,^,"p,，flj; 二是 加工其他不受加工精度约束的层的切削参数{"2,"2，",2,^2}，再加上加工的层数7V，由于 加工余量"-(iV-l)"pl+"p2，所以iV和a^可以界定fl^，因此需要优化8个变量；采用遗传算法，以式⑨为目标函数，获取优化的{ ， , }、 ^2,"2, ,tU以及N。
6、 根据权利要求2所述的基于数控机床的工业产品服务系统的实现方法，其特征在于采用现有的在线帮助、故障诊断与预测、备件管理技术实现加工能力的维护与保有。
7、 根据权利要求2所述的基于数控机床的工业产品服务系统的实现方法，其特征在于过程控制必须根据活动执行的实时信息进行动态的变更，由于与或树包含了并行和选择结 构以及跳转标志，用深度优先算法，再考虑时间、成本、资源需求的约束，实现过程的实 时决策和控制。
8、 根据权利要求2所述的基于数控机床的工业产品服务系统的实现方法，其特征在于系统程序实现采用基于Java方案的"浏览器/器/数据库"三层结构，并采用JSP和Java applet进行编程，实现mt-iPSS系统的开发。
全文摘要
本发明公开了一种基于数控机床的工业产品服务系统(mt-iPSS)及其实现方法，(1)包括mt-iPSS用户需求输入单元、mt-iPSS实现单元和mt-iPSS输出单元；(2)根据用户需求，构建mt-iPSS过程，满足用户需求；(3)对过程中的加工节点进行加工能力建模；(4)对加工能力模型进行优化；(5)对过程中的每一个维护活动进行实现；(6)获取优化的加工时间、成本和资源消耗需求，在加工能力服务mt-iPSS过程设计的基础上，进行整个过程优化控制。mt-iPSS通过提供数控机床加工能力，提高了数控加工过程的效率，减少了不必要的加工或维护活动反复，解决了传统的以经验确定机床实际加工能力而存在的缺乏统一性、精确性的问题，本发明公开的实现方法不仅可以应用于mt-iPSS，还可以应用于传统模式下的机床加工优化。
文档编号G06Q10/00GK101673368SQ20091002412
公开日2010年3月17日 申请日期2009年9月28日 优先权日2009年9月28日
发明者付颖斌, 朋 张, 朱琦琦, 江平宇, 镁 郑 申请人:西安交通大学