数据库技术在仿生耦合功能表面激光制备中的应用实践

张宝玉 张志辉 任露泉

(吉林大学 工程仿生教育部重点实验室,吉林 长春130022)

1 概述

激光仿生制造作为融合传统制造与生命(物)、信息、材料科学的交叉领域,是机械领域备受关注并亟待发展的制造理论方法和技术。实现仿生研究成果在工业生产制造中的流程化、自动化和智能化是仿生领域中未来发展方向之一。迄今为止,一些仿生产品,如仿生制动毂(盘)、仿生机床导轨、仿生轧辊、仿生模具、仿生齿轮等,其增效、耐用技术的相关研究已取得较大突破[1],急需与现代先进制造技术融合,从而加快仿生制造的产业化进程。以往研究中,尽管针对仿生功能表面的激光制造技术和工艺的探索已取得明显成效,但在工艺数据的稳定、工艺规律的传承等方面的工作仍需进一步开展。例如:工艺参数及其组合的多样性使得研究人员在针对仿生制造目标进行参数选取中存在差异,进而限制了以往有效试验数据的重复利用；再则,传统仿生功能表面制造过程中,不同工艺参数下仿生制备的材料性能往往需要进行重复检测,既增加了成本,又延缓了产品研发的进程[2]。为了解决上述问题,本文探讨了仿生耦合功能表面激光制备工艺数据库及功能开发实践方法,以实现制备工艺数据的高效利用,与仿生功能表面的智能化激光制造接轨。

2 仿生耦合功能表面激光制备工艺数据库模型设计

2.1 需求分析。结合以往研究资料、用户咨询以及仿生制造工艺相关信息,获得仿生耦合功能表面激光制造工艺数据库的应用需求如下:2.1.1 信息需求。在仿生耦合功能表面制造工艺数据库的应用中,用户希望通过在人机界面输入基体材料的牌号和仿生表面或仿生耦合体的部分特征参量信息即可查询到制备所需的激光参数信息。因此,数据库中的数据应涵盖如下内容:耦合体的形态和结构耦元以及平均硬度等特征参量数据,嵌入金属基体表面的仿生耦合体类型、分布、力学性能等特征参量,基体中影响工艺过程中制造结果的相关参数,制造过程中所涉及的激光器及影响加工终端运行轨迹和精度的工艺参数信息等等。此外,影响仿生表面/耦合体成型和成性结果的环境因素相关信息也应考虑在内。2.1.2工艺数据应用需求。在工艺信息查询中,需要可根据仿生表面或耦合体的特征信息对工艺参数进行查询；数据库中各数据表中的主键应保证唯一性,在向数据库添加数据时,其主键的值不能重复。2.1.3 完整性需求。工艺参数数据表中,脉冲能量、脉宽、离焦量为耦合体制备中的必需参数,因此其属性不能为空,且数据类型须为浮点型；激光频率和扫描速度对搭接率有显著影响,所以在堤坝型耦合体制备中,需要用户输入搭接率信息后系统即可自动计算激光频率和速度,因此其数据类型同样须为浮点型。此外,在仿生功能表面和耦合体特征数据表中,耦合体的形貌宽度(直径)、结构宽度(直径)、结构深度以及横截面积为不同类型耦合体的共有属性,亦是仿生功能表面性能的重要影响因素,因此,上述特征参量的属性均不能为空。材料牌号反映基体材料基本信息属性,不能为空；且相同牌号的基材往往由于生产厂家、批次及工艺的不同,其化学成分可能存在差异,因此材料牌号不能作为唯一标识基体材料数据表的主键,应增加基材编号字段,用以区分相同牌号下的化学组成。

2.2 数据库模型的建立。依据需求分析,数据库中应含的实体包括基体材料、激光参数、加工终端、环境介质和仿生功能表面。其中,由于耦合体为仿生表面中与激光直接发生关联的最小单元,因此,将模型中的耦合体定义为独立的实体,且与功能表面实体存在一定关联属性。因此,各实体及其属性叙述如下:2.2.1 仿生表面。仿生表面的属性主要表现为其在实际工况中影响机械零部件的力学、摩擦、疲劳等功能方面的因素。主要包括材料整体的屈服强度、抗拉强度、延伸率等。2.2.2 耦合体。耦合体的属性主要包括:形态的类型、尺度,结构的尺度、轮廓、平均硬度等特征。其中,仿生设计中常用的几种类型耦合体(桩钉型、堤坝型、网格型),它们之间存在一些相似或共同的属性,因此,可将几种类型的耦合体特征属性进行合并,只以形态类型属性进行区分。2.2.3 基体材料。金属基材的许多属性直接影响成型后耦合体的形态、结构尺度及力学特征。如材料的化学组成、原始热处理状态、表面粗糙度、吸收率以及热传导特性等。2.2.4 激光束。对于特定的激光器,一些不可控的激光参数如光斑模型、波长、发散角等在数据库建模中可不予以考虑,可控参数如电流、能量、脉宽、平均峰值功率、频率等需考虑在内。2.2.5 加工终端。激光加工终端直接决定入射激光相对工件的入射角、离焦量及扫描速度的大小。在仿生制造中,一般保持激光入射方向与工件切平面相垂直,因此,入射角可不予以考虑。离焦量和扫描速度作为影响成型过程中耦合体间距或光斑搭接程度的重要参数,在仿生表面的制造中不容忽视。2.2.6 环境因素。环境介质因素主要包括环境温度、保护气气压大小等。环境温度决定基材的初始温度,保护气的气压大小影响加工过程中基体表面与环境的对流换热情况。在实际成型过程中,由于实体中的激光参数、加工终端以及环境因素的相关工艺信息均对成型或成性的耦合体形态、结构、力学等特征有显著或者不显著的影响,因此可将三者合并为一个实体,即工艺信息(或工艺参数)。综上所述,制定实体-联系模型(即E-R图)如图1 所示。

图1 仿生功能表面激光成型E-R 图

将E-R 模型转换为关系数据库模型,使用范式理论[3]对关系模型进行优化、合并,获得逻辑数据模型如图2 所示,再根据以上逻辑结构设计的结果,即可进行数据库的物理实现,分别对各表的主键、外键,字段的数据类型、长度等约束进行设置。

图2 逻辑数据模型

3 仿生耦合功能表面激光制备工艺数据库的功能实现

在工艺参数查询过程中,仿生功能表面或耦合体的加工结果信息在数据库的数据中未必存在,而往往实际仿生特征的设计结果为四舍五入的参数,因此数据库查询功能的实现需考虑这一关键问题。为此,基于建立的数据库,结合仿生表面制备中工艺参数选取的实际问题,开发基于加工结果范围要求的工艺参数检索程序,其应用界面如图3 所示,本实践方法可有效避免工艺参数精确查询出现的查不到数据的现象,可保证数据库中数据的有效利用；依据试验设计,建立工艺参数体系与仿生耦合体形态、结构、力学特征参数的映射关系模型。在此基础上,开发工艺参数成型与成性结果预测应用程序,其应用界面如图4 所示,可有效节约仿生产品研发的试验成本、缩短研发周期,为流程化、智能化仿生制造的实现奠定基础。

图3 工艺参数查询界面

图4 工艺参数成型结果的预测界面

4 结论

基于对仿生耦合功能表面、耦合体特征制造过程中的影响因素,分析总结整个成型与成性中所涉及的实体与联系,运用E-R 模型对工艺数据库进行概念设计,使用范式理论对关系模型进行优化、合并,建立逻辑结构模型,在此基础上进行数据约束设置,进而建立激光仿生制造工艺数据库的物理模型。基于现有的激光制备工艺参数及数据库框架,开发基于范围查询的人机交互程序；并依据制备工艺的经验模型,开发仿生表面或耦合体制造结果的预测程序,可实现参数范围内制备结构的预测,进而提高定向制造效率。