噴丸成形工藝數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)研究與開發(fā)

王舟，董錦亮，黃振彪，劉杰，萬敏

(1.北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動化學(xué)院，北京 100191;2.成都飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)公司鈑金廠，成都 610092)

噴丸成形是利用高速彈丸流撞擊金屬板材的表面，使受撞擊的表面及其下層金屬材料產(chǎn)生塑性變形，導(dǎo)致殘余應(yīng)力，從而逐步使板材達(dá)到所需外形的一種成形方法[1]。

由于噴丸成形具有不需要成形模具、可成形大尺寸結(jié)構(gòu)件、能夠顯著提高工件的抗疲勞壽命等優(yōu)點(diǎn)，自20世紀(jì)40年代以來，噴丸成形技術(shù)被廣泛研究和應(yīng)用[2—6]。我國采用噴丸成形技術(shù)已有40多年的歷史，成飛、西飛、洪都等飛機(jī)制造公司在其整體壁板成形中，都已采用了噴丸成形方法，但技術(shù)相對國外而言還有一定差距，目前仍然主要采用人工試錯、反復(fù)試驗的方法來進(jìn)行生產(chǎn)試驗[7—10]。由于噴丸成形的專業(yè)性較強(qiáng)，在噴丸成形過程中使用和產(chǎn)生了大量的工藝數(shù)據(jù)，若能將這些復(fù)雜的數(shù)據(jù)應(yīng)用數(shù)據(jù)庫技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)化、規(guī)范化的科學(xué)管理，建立噴丸成形工藝數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，則能夠很方便地實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部工藝文件的設(shè)計、維護(hù)、查詢與管理，將有利于實(shí)現(xiàn)工藝標(biāo)準(zhǔn)化、生產(chǎn)過程信息化以及提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量[11—15]。

建立噴丸成形的工藝數(shù)據(jù)庫顯得十分必要，文中對噴丸成形工藝方面的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行系統(tǒng)化、規(guī)范化的研究，應(yīng)用數(shù)據(jù)庫技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)進(jìn)行科學(xué)管理與維護(hù)，幫助用戶快速獲取工藝信息、進(jìn)行工藝設(shè)計與分析，對于構(gòu)建噴丸成形數(shù)字化工藝設(shè)計系統(tǒng)具有重要意義。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 數(shù)據(jù)庫應(yīng)用體系架構(gòu)

噴丸成形數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，從結(jié)構(gòu)上分為客戶端瀏覽器、Web服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器3層結(jié)構(gòu)，如圖1所示。系統(tǒng)采用具有“富瀏覽器”機(jī)制的展現(xiàn)中間件Dorado5.0和跨平臺的自由集成開發(fā)環(huán)境Eclipse，作為應(yīng)用服務(wù)程序開發(fā)工具?？蛻舳瞬捎肐E或IE內(nèi)核的瀏覽器，為增進(jìn)用戶體驗，該層還采用了AJAX(Asynchronous Javascript and XML)技術(shù)。Web服務(wù)器主要由應(yīng)用服務(wù)程序構(gòu)成，該層以Tomcat6.0作為Web容器，內(nèi)部細(xì)化為表現(xiàn)層、控制器、數(shù)據(jù)模型3層結(jié)構(gòu)，即MVC(Model－View－Controller，模型－視圖－控制器)結(jié)構(gòu)，主要采用 JSP，Servlet，JDBC和 XML技術(shù)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器包含著應(yīng)用程序所需要的各種數(shù)據(jù)，包括技術(shù)資料文檔參數(shù)庫、材料性能參數(shù)庫、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)參數(shù)庫、簡單試件試驗參數(shù)庫、噴丸成形實(shí)例參數(shù)庫和設(shè)備管理參數(shù)庫6個主數(shù)據(jù)庫，該層采用Oracle11g作為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。

圖1 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的3層結(jié)構(gòu)Fig.1 Three－ tiered architecture of the database system

1.2 數(shù)據(jù)庫功能結(jié)構(gòu)

所開發(fā)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)面向飛機(jī)制造廠的實(shí)際生產(chǎn)需要，旨在為噴丸成形的工藝設(shè)計、分析及生產(chǎn)等方面提供全面、完善的支持，可為用戶提供以下功能:登錄驗證、權(quán)限校驗與管理、數(shù)據(jù)查詢與維護(hù)、管理、注銷等功能。整個數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的總體流程如圖2所示，系統(tǒng)的總體功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)總體流程Fig.2 Overall flowchart of the system

圖3 系統(tǒng)總體功能結(jié)構(gòu)Fig.3 Architecture of the system's functions

2 系統(tǒng)功能的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

依據(jù)對系統(tǒng)的應(yīng)用體系架構(gòu)和功能結(jié)構(gòu)的設(shè)計，在考慮了整個系統(tǒng)的一致性和相容性，同時力求使系統(tǒng)功能符合工藝人員的需求和使用習(xí)慣的前提下，文中對系統(tǒng)的各項功能進(jìn)行了開發(fā)與實(shí)現(xiàn)。

2.1 數(shù)據(jù)庫的建立

建立了6個基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫:資料文檔庫、材料性能庫、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、簡單試件試驗庫、噴丸成形實(shí)例庫和設(shè)備管理庫。資料文檔庫包含噴丸工藝概述、噴丸成形分類、噴丸成形試驗3個網(wǎng)頁文件和可以上傳下載的工藝文檔資料。材料性能庫的數(shù)據(jù)包括了航空常用的高強(qiáng)鋁合金、鋁鋰合金和耐腐蝕鋁合金等板材的成形性能試驗數(shù)據(jù)?；A(chǔ)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)主要包括阿爾門試片試驗數(shù)據(jù)、彈丸規(guī)格和阿爾門試片數(shù)據(jù)。簡單試件試驗庫的數(shù)據(jù)包括簡單試件參數(shù)及其彎曲試驗、延展試驗和彎曲延展試驗數(shù)據(jù)。噴丸成形實(shí)例庫的數(shù)據(jù)來源于實(shí)際生產(chǎn)，設(shè)備管理庫的數(shù)據(jù)來源于噴丸成形過程中使用的機(jī)床設(shè)備和工藝裝備等。

2.2 Web應(yīng)用程序各功能模塊的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

2.2.1 登錄驗證和權(quán)限控制模塊

該模塊的作用就是檢測用戶登錄時輸入的用戶名和口令是否正確，并在系統(tǒng)運(yùn)行過程中對用戶的每次訪問請求都進(jìn)行登錄驗證以及檢測是否越權(quán)操作。如果用戶登錄出錯，或者未登錄就試圖通過輸入網(wǎng)頁地址進(jìn)入系統(tǒng)，或者越權(quán)操作，則該模塊會加以發(fā)現(xiàn)，并阻止未授權(quán)用戶的非法操作。

2.2.2 異常處理模塊

Web應(yīng)用程序在運(yùn)行過程中，難免會出現(xiàn)異常，導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常地運(yùn)行下去，用戶的請求無法得到妥善地處理和響應(yīng)。此外，用戶的非法訪問和越權(quán)操作也會導(dǎo)致異常的發(fā)生。

為了保證系統(tǒng)的健壯性，提高系統(tǒng)的容錯能力，有必要將異常信息返回給客戶端，使用戶獲知異常的發(fā)生以及異常的簡要信息，并提示用戶進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟僮?。因此，開發(fā)了一個異常處理模塊，用于捕獲系統(tǒng)運(yùn)行過程中發(fā)生的異常，并將異常信息以網(wǎng)頁信息的形式返回到用戶的瀏覽器上，使其獲知異常的部分信息，并引導(dǎo)用戶進(jìn)行下一步操作，如圖4所示。

圖4 包含異常信息的網(wǎng)頁Fig.4 Webpage with fault information

2.2.3 系統(tǒng)管理模塊

該模塊包括用戶管理、角色管理、模塊管理和日志管理四大模塊。其中用戶管理模塊的作用是對數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的用戶進(jìn)行管理，包括增加用戶、刪除用戶、修改權(quán)限、修改密碼等操作，只有具有管理員身份的用戶才能使用該功能模塊。角色管理模塊的作用是對4種用戶角色:超級管理員、系統(tǒng)管理員、高級用戶和一般用戶進(jìn)行管理。模塊管理的作用是對本系統(tǒng)各個模塊進(jìn)行管理。日志管理的作用是對系統(tǒng)的登錄操作、各業(yè)務(wù)辦理過程的主要階段的操作進(jìn)行記錄，從而可以跟蹤業(yè)務(wù)的辦理情況，分析系統(tǒng)運(yùn)行中出現(xiàn)的問題。

2.2.4 資料文檔模塊

該模塊為用戶提供了噴丸成形工藝的術(shù)語知識、噴丸成形分類、噴丸成形試驗和工藝規(guī)范等文檔數(shù)據(jù)，為用戶掌握噴丸成形工藝知識提供了有效的途徑。該模塊的典型界面如圖5a所示。

圖5 典型界面Fig.5 Representative interfaces

2.2.5 材料性能模塊

該模塊為用戶選擇材料提供參考數(shù)據(jù)。該模塊提供的數(shù)據(jù)包括機(jī)械性能、成形性能、供應(yīng)規(guī)格、供應(yīng)狀態(tài)、熱處理規(guī)范、牌號對照等等。材料類型主要為鋁合金和鋁鋰合金。數(shù)據(jù)類型包含文字?jǐn)?shù)據(jù)、單向拉伸曲線、FLD圖片與OPJ文件(Origin工程文件)等。該模塊的典型界面如圖5b所示。

2.2.6 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模塊

該模塊包括基礎(chǔ)工藝試驗、彈丸規(guī)格和阿爾門試片3類數(shù)據(jù)，為其他噴丸成形提供基礎(chǔ)參數(shù)。其中包括彈丸名稱、彈丸類型、彈丸硬度、彈丸流量、噴射角度、噴射距離，以及阿爾門試片材料、厚度、寬度等?；A(chǔ)數(shù)據(jù)的典型界面如圖5c所示。

2.2.7 簡單試件試驗?zāi)K

簡單試件試驗?zāi)K管理簡單試件參數(shù)和試件的3類試驗:彎曲試驗、延展試驗和彎曲延展試驗的參數(shù)，用于研究噴丸工藝參數(shù)對噴丸成形效果的影響規(guī)律，并為具體零件的工藝參數(shù)設(shè)計提供參考依據(jù)。該模塊提供的數(shù)據(jù)包括試件材料名稱、試件長度、試件寬度、試件厚度、橫向彎曲半徑等等。簡單試件試驗數(shù)據(jù)界面如圖5d所示。

2.2.8 噴丸成形實(shí)例模塊

噴丸成形實(shí)例模塊可以對噴丸成形典型實(shí)例和實(shí)際生產(chǎn)零件的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，并可以通過系統(tǒng)的接口與專用軟件系統(tǒng)、有限元模擬軟件以及數(shù)控機(jī)床進(jìn)行交互協(xié)作。已完成的零件工藝信息用實(shí)例方式存儲起來供學(xué)習(xí)和參考。該模塊提供的數(shù)據(jù)包括零件名稱、零件編號、噴丸仿真參數(shù)等等。噴丸成形實(shí)例數(shù)據(jù)如圖5e所示。

2.2.9 設(shè)備管理模塊

設(shè)備管理模塊管理噴丸成形過程中所需要用到的噴丸機(jī)床和工藝裝備數(shù)據(jù)，便于對噴丸機(jī)床和工藝裝備的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢與維護(hù)。該模塊提供的數(shù)據(jù)包括機(jī)床名稱、機(jī)床參數(shù)、工裝名稱等等。設(shè)備管理數(shù)據(jù)如圖5f所示。

3 系統(tǒng)開發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 登錄驗證與權(quán)限控制

根據(jù)前述該模塊的功能，開發(fā)了完善的登錄驗證和權(quán)限控制功能，在各個環(huán)節(jié)對用戶的登錄情況進(jìn)行驗證，并在需要的場合驗證用戶的操作權(quán)限。所采取的方法主要包括以下幾種。

1)利用自定義的MyAccessChecker類，對每次Servlet跳轉(zhuǎn)以及視圖模型的加載等過程進(jìn)行登錄驗證。利用自定義的視圖模型實(shí)現(xiàn)類MyViewModel對用戶的操作權(quán)限進(jìn)行控制。以MyAccessChecker類為例，其關(guān)鍵代碼的部分示例如下:

2)在某些網(wǎng)頁添加具有登錄驗證和權(quán)限控制功能的Java代碼。這種方式主要用于網(wǎng)頁之間的直接跳轉(zhuǎn)。

3)如果驗證發(fā)現(xiàn)用戶未登錄，或者進(jìn)行了越權(quán)的操作，則系統(tǒng)拋出異常，并跳轉(zhuǎn)到error.jsp網(wǎng)頁，將錯誤信息返回給用戶，并提示其重新登錄。這種系統(tǒng)的頁面自動跳轉(zhuǎn)功能是依靠Dorado5的Mapping控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。

3.2 大型二進(jìn)制對象的上傳與下載

本數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)包含大量大型二進(jìn)制對象數(shù)據(jù)，例如圖片、OPJ文件、Word報表和數(shù)控代碼文件等等。為了提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性，本系統(tǒng)將這類文件存儲于Web服務(wù)器上，而將其地址保存于Oracle數(shù)據(jù)庫中。

大型二進(jìn)制對象的上傳與下載功能涉及到Java的I/O(Input/Output，輸入/輸出)操作，同時還必須考慮到B/S架構(gòu)系統(tǒng)的特點(diǎn)，使用相對目錄作為文件的地址，以便于系統(tǒng)的移植與發(fā)布。大型二進(jìn)制對象的上傳與下載程序流程如圖6所示。

圖6 大型二進(jìn)制對象的上傳與下載流程Fig.6 Upload and download flowchart of large binary objects

4 結(jié)論

開發(fā)的噴丸成形工藝數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)具有界面友好、功能強(qiáng)大、內(nèi)容覆蓋面廣、數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式豐富、操作簡單、系統(tǒng)易于維護(hù)和擴(kuò)充等優(yōu)點(diǎn)，具有較高的實(shí)用價值，為噴丸成形工藝的設(shè)計提供了良好的支持與協(xié)助，與其他應(yīng)用軟件相配合，可以共同實(shí)現(xiàn)噴丸成形的數(shù)字化制造。

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