СОЗДАНИЕ БАЗЫ ДАННЫХ НЕПАРАМЕТРИЧЕСКИХ КРИТЕРИЕВ ОЦЕНКИ МИКРОГЕОМЕТРИИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
Создание БД непараметрических критериев оценки микрогеометрии функциональных поверхностей 15
УДК 004.65
О. С. ЮЛЬМЕТОВА, А. Н. СИСЮКОВ, Р. Р. ЮЛЬМЕТОВА
СОЗДАНИЕ БАЗЫ ДАННЫХ НЕПАРАМЕТРИЧЕСКИХ КРИТЕРИЕВ ОЦЕНКИ МИКРОГЕОМЕТРИИ
ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
Обосновывается необходимость создания базы данных непараметрических критериев оценки микрогеометрии функциональных поверхностей. Рассматриваются этапы ее проектирования с выбором инструментальных средств разработки и описанием структурно-логической схемы построения базы данных.
Ключевые слова: функциональные свойства, непараметрические критерии оценки, проектирование базы данных, система управления базой данных.
Эффективность эксплуатации изделий приборостроения существенным образом зависит от качества изготовления входящих в их состав деталей, которые имеют функциональные поверхности, подвергаемые в процессе эксплуатации механическим, электрическим, трибологическим и другим видам нагрузки. Физические характеристики функциональных поверхностей, получаемых, как правило, посредством механической обработки, в значительной степени определяются формой и величиной микронеровностей (шероховатостью) последних. Требования к качеству функциональных поверхностей, а также возможность эффективного управления их механической обработкой в значительной степени зависят от технических методов контроля и измерения шероховатости.
Микрогеометрия функциональных поверхностей деталей, подвергнутых механической обработке, определяет эксплуатационные свойства изделия и измеряется с использованием метода контактно-щупового контроля. Этот метод основан на контактном движении датчикапреобразователя по шероховатой поверхности, в результате которого получают профиль поверхности. Обработка этого профиля с целью выявления степени влияния шероховатости на то или иное функциональное свойство может проводиться различными способами.
Традиционно отечественные и зарубежные исследования шероховатости проводятся с использованием параметрического описания профиля. В частности, Ю. Г. Шнейдером была выявлена взаимосвязь эксплуатационных характеристик изделий, таких как износостойкость, усталостная прочность, коррозионная стойкость, с геометрическими параметрами их микрорельефа — средним арифметическим отклонением профиля, средним шагом неровностей по вершинам, радиусом закругления неровностей и т.д. [1].
В дальнейшем исследования влияния микрогеометрии на функциональные и эксплуатационные свойства велись на базе предложенных В. А. Валетовым более информативных непараметрических критериев оценки, а именно функций плотностей распределения ординат и тангенсов углов наклона профилей [2].
На сегодняшний день актуальна задача создания единой информационной модели, позволяющей в упорядоченном виде хранить данные (координаты профиля), с помощью которых можно построить графические изображения непараметрических кривых, описывающих оптимальную микрогеометрию для конкретных функциональных свойств изделия. При этом поиск оптимальной микрогеометрии подразумевает экспериментальное определение наилучшей микрогеометрии для конкретного функционального свойства. В рамках экспериментального поиска необходимо:
— изготовить серию образцов; — зафиксировать виды и режимы их обработки;
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 8
16 О. С. Юльметова, А. Н. Сисюков, Р. Р. Юльметова
— снять профили поверхностей образцов; — построить необходимые критерии оценки микрогеометрии; — подвергнуть образцы одинаковому функциональному воздействию; — осуществить контроль величины функциональных характеристик; — выявить образец, максимально отвечающий предъявленному требованию. Микрорельеф наилучшего образца принимается в качестве оптимального для данного функционального свойства. База данных, содержащая непараметрические критерии оценки микрогеометрии функциональных поверхностей, позволит: — накапливать информацию по виду непараметрических кривых для конкретных функциональных свойств; — получать сведения о виде оборудования и инструменте, режимах резания и материале, необходимых для получения оптимальной микрогеометрии, описывающей требуемое функциональное свойство. В основу разработки базы данных (БД) положена структурно-логическая схема, представленная на рис. 1.
Функциональное свойство
База данных
Конструкторский модуль Наименование детали или узла
Вид поверхности
Материал
Технологический модуль
Предпоследняя технологическая
операция
Последняя технологическая
операция
Наименование и марка станка
Инструмент
Технологические режимы обработки
Дополнительная информация обработки
(применяемые СОЖ, пасты и т.п.)
Метрологический модуль
Длина пройденной трассы
Характеристика щупа
Направление движения щупа: — вдоль следа обработки — перпендикулярно следу обработки — под углом к следу обработки
Наличие фильтрации на базе фурье-анализа: — отфильтрована первая гармоника
(отвечает за форму) — отфильтрованы вторая и третья
гармоники (отвечают за волнистость) — отфильтрована незатухающая часть
спектра (помехи)
Номер эксперимента
Рис. 1
Из схемы видно, что условно в БД выделены три информационных блока: конструкторский, технологический и метрологический. Каждый блок несет специфическую информацию, например, в конструкторском содержатся характеристики, определяемые конструктором: марка материала, форма детали или узла, а также ее наименование; в технологическом — перечень двух последних операций, так как именно на этом этапе формируется рабочий микрорельеф поверхности детали или узла; наименование и марка станка и инструмента, а также
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 8
Создание БД непараметрических критериев оценки микрогеометрии функциональных поверхностей 17
режимы обработки — эти данные необходимы для поиска и технологического обеспечения оптимальной микрогеометрии. Немаловажным является блок, содержащий дополнительную информацию об обработке, например сведения о дисперсности притирочных паст, которая во многом определяет свойства полученного в процессе доводки микрорельефа.
Последний блок содержит метрологическую информацию, а именно: данные о длине пройденной трассы в процессе определения микрогеометрии контактно-щуповым методом, радиус использованного щупа, направление движение щупа, информацию о произведенной фильтрации. При этом все блоки объединяет конкретное функциональное свойство.
Процесс создания базы данных включает ряд последовательных этапов: — выбор системы управления базой данных СУБД (реляционной — РСУБД, объектной — ОСУБД, объектно-реляционной — ОРСУБД, транзакционной встраиваемой); — определение вида разрабатываемого прикладного обеспечения (web-ориентированное, GUI-ориентированное (graphical user interface), консольное, сервис-ориентированное); — анализ существующих сред разработки прикладного программного обеспечения (ПО) и языков программирования с выбором средств разработки; — проектирование структуры базы данных и ее объектов (типы, таблицы, виды, индексы, хранимые функции, процедуры, запросы и т.д.); — разработка приложения (построение интерфейса и организация взаимодействия с СУБД). На первом этапе проектирования следует определить тип СУБД. Из реляционных СУБД наиболее распространенными вариантами будут MS SQL Server 2005/2008 и MySQL Server 5. Но реляционная СУБД, дополненная средствами объектной СУБД, является более предпочтительной по соотношению производительность—функциональность. Среди наиболее известных ОРСУБД можно выделить Oracle Database и PostgreSQL. Также вызывают интерес встраиваемые СУБД, например, Oracle Berkeley DB или MySQL Embedded. В дальнейшем предполагается использовать создаваемое ПО в распределенной среде с единой БД, поэтому от использования варианта встраивания придется отказаться. Распределенная РСУБД MS SQL Server 2005 и ОРСУБД Oracle являются платными продуктами и тоже исключаются. В силу свободного распространения PostgreSQL остановим свой выбор на ней. На втором этапе необходимо определить вид разрабатываемого ПО. Выбор GUIприложения обусловлен возможностью выполнения большей части логики ПО на рабочей станции пользователя, что разгружает серверную составляющую приложения в клиентсерверной архитектуре. Следующие этапы проектирования БД предполагают определение языка доступа к БД и среды программирования. Выбор языка программирования предлагается осуществить из следующего списка: C++, Delphi (Pascal), C#, Python, Java. Так как их функциональность примерно одинакова, то критерием выбора будет кроссплатформенность и снижение трудозатрат. Из предложенного перечня языков наиболее гибким средством является C++. Однако этот язык в большей степени удобен в системном программировании. Написание ПО с графическим интерфейсом, даже с использованием GUI-библиотек (Qt) и алгоритмических библиотек (boost), будет с точки зрения времени разработки нерациональным решением. Недостатком языка Delphi (Pascal) является отсутствие его кроссплатформенности. В силу гибкости, безопасности языка C# и производительности SQL Server 2005 интересна связка языка C# (среда программирования .NET) с SQL Server. Отказ от нее обусловлен ограничением платформы .NET семейством операционных систем (ОС) Windows. Объектно-ориентированный язык Python идеально подойдет в качестве надстройки над главным приложением при построении баз знаний. Наличие С++ и Java-вариаций Python
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 8
18 О. С. Юльметова, А. Н. Сисюков, Р. Р. Юльметова делает его сравнительно гибким. Но простота декомпиляции байт-кода исключает возможность его использования для создания базового приложения.
Таким образом, в качестве средства разработки ПО выбираем бесплатную среду NetBeans IDE 6.5 от Sun и язык программирования Java SE [3].
Выбранные компоненты, участвующие в процессе создания и функционирования приложения, дают следующие преимущества:
— бесплатны для разработчика; — кроссплатформенны (не ограничены ОС); — функциональны и удобны в использовании. Такой выбор программных средств позволяет разработчику создавать коммерческие приложения без начальных инвестиций в средства разработки и сопутствующее ПО. На заключительном этапе проектирования определяется структура БД, формируется графический интерфейс (рис. 2), создается логика приложения, посредством которой организуется взаимодействие пользователя с СУБД.
Рис. 2
Разработанная БД состоит из модифицируемых справочников классификатора, основной таблицы учета, схемы настроек, таблиц модулей (конструкторский, технологический, метрологический). Для разгрузки основной логики приложения часть кода перенесена на СУБД и реализована в виде хранимых процедур.
Спроектированное приложение позволяет вести учет проводимых экспериментов, регистрировать новые классификаторы, осуществлять поиск в базе данных по частичным критериям. В дальнейшем предполагается расширить функционал большей интерактивностью, возможностью совмещения измеренного профиля с эталонным для конкретного функционального свойства.
Созданная БД позволит накапливать и хранить сведения по виду непараметрических кривых, соответствующих определенному уровню функционального свойства, способу их
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 8
Обеспечение качественных показателей пар трения, работающих в особых условиях 19
технологического обеспечения и метрологического контроля, что играет важную роль в процессе оптимизации микрогеометрии для функциональных свойств при решении проблемы повышения качества изделий.
Работа выполнена при поддержке РФФИ, проект № 10-08-00158a.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шнейдер Ю. Г. Эксплуатационные свойства деталей с регулярным микрорельефом. СПб: СПбГУИТМО (ТУ), 2001. 264 с.
2. Мусалимов В. М., Валетов В. А. Динамика фрикционного взаимодействия. СПб: ПИМаш, 2006. 168 с.
3. Хорстманн К. С., Корнелл Г. Java 2. Т. 2. Тонкости программирования. М.: Вильямс, 2007.
Ольга Сергеевна Юльметова Артем Николаевич Сисюков Рина Ринатовна Юльметова
Сведения об авторах — Санкт-Петербургский государственный университет информационных
технологий, механики и оптики, кафедра технологии приборостроения; ассистент; E-mail: www.ralli@rambler.ru — канд. техн. наук; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра технологии приборостроения; ассистент; E-mail: i@an.spb.ru — студентка; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра технологии приборостроения; E-mail: rina-yulmetova@yandex.ru
Рекомендована кафедрой технологии приборостроения
Поступила в редакцию 14.12.09 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 8
УДК 004.65
О. С. ЮЛЬМЕТОВА, А. Н. СИСЮКОВ, Р. Р. ЮЛЬМЕТОВА
СОЗДАНИЕ БАЗЫ ДАННЫХ НЕПАРАМЕТРИЧЕСКИХ КРИТЕРИЕВ ОЦЕНКИ МИКРОГЕОМЕТРИИ
ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
Обосновывается необходимость создания базы данных непараметрических критериев оценки микрогеометрии функциональных поверхностей. Рассматриваются этапы ее проектирования с выбором инструментальных средств разработки и описанием структурно-логической схемы построения базы данных.
Ключевые слова: функциональные свойства, непараметрические критерии оценки, проектирование базы данных, система управления базой данных.
Эффективность эксплуатации изделий приборостроения существенным образом зависит от качества изготовления входящих в их состав деталей, которые имеют функциональные поверхности, подвергаемые в процессе эксплуатации механическим, электрическим, трибологическим и другим видам нагрузки. Физические характеристики функциональных поверхностей, получаемых, как правило, посредством механической обработки, в значительной степени определяются формой и величиной микронеровностей (шероховатостью) последних. Требования к качеству функциональных поверхностей, а также возможность эффективного управления их механической обработкой в значительной степени зависят от технических методов контроля и измерения шероховатости.
Микрогеометрия функциональных поверхностей деталей, подвергнутых механической обработке, определяет эксплуатационные свойства изделия и измеряется с использованием метода контактно-щупового контроля. Этот метод основан на контактном движении датчикапреобразователя по шероховатой поверхности, в результате которого получают профиль поверхности. Обработка этого профиля с целью выявления степени влияния шероховатости на то или иное функциональное свойство может проводиться различными способами.
Традиционно отечественные и зарубежные исследования шероховатости проводятся с использованием параметрического описания профиля. В частности, Ю. Г. Шнейдером была выявлена взаимосвязь эксплуатационных характеристик изделий, таких как износостойкость, усталостная прочность, коррозионная стойкость, с геометрическими параметрами их микрорельефа — средним арифметическим отклонением профиля, средним шагом неровностей по вершинам, радиусом закругления неровностей и т.д. [1].
В дальнейшем исследования влияния микрогеометрии на функциональные и эксплуатационные свойства велись на базе предложенных В. А. Валетовым более информативных непараметрических критериев оценки, а именно функций плотностей распределения ординат и тангенсов углов наклона профилей [2].
На сегодняшний день актуальна задача создания единой информационной модели, позволяющей в упорядоченном виде хранить данные (координаты профиля), с помощью которых можно построить графические изображения непараметрических кривых, описывающих оптимальную микрогеометрию для конкретных функциональных свойств изделия. При этом поиск оптимальной микрогеометрии подразумевает экспериментальное определение наилучшей микрогеометрии для конкретного функционального свойства. В рамках экспериментального поиска необходимо:
— изготовить серию образцов; — зафиксировать виды и режимы их обработки;
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 8
16 О. С. Юльметова, А. Н. Сисюков, Р. Р. Юльметова
— снять профили поверхностей образцов; — построить необходимые критерии оценки микрогеометрии; — подвергнуть образцы одинаковому функциональному воздействию; — осуществить контроль величины функциональных характеристик; — выявить образец, максимально отвечающий предъявленному требованию. Микрорельеф наилучшего образца принимается в качестве оптимального для данного функционального свойства. База данных, содержащая непараметрические критерии оценки микрогеометрии функциональных поверхностей, позволит: — накапливать информацию по виду непараметрических кривых для конкретных функциональных свойств; — получать сведения о виде оборудования и инструменте, режимах резания и материале, необходимых для получения оптимальной микрогеометрии, описывающей требуемое функциональное свойство. В основу разработки базы данных (БД) положена структурно-логическая схема, представленная на рис. 1.
Функциональное свойство
База данных
Конструкторский модуль Наименование детали или узла
Вид поверхности
Материал
Технологический модуль
Предпоследняя технологическая
операция
Последняя технологическая
операция
Наименование и марка станка
Инструмент
Технологические режимы обработки
Дополнительная информация обработки
(применяемые СОЖ, пасты и т.п.)
Метрологический модуль
Длина пройденной трассы
Характеристика щупа
Направление движения щупа: — вдоль следа обработки — перпендикулярно следу обработки — под углом к следу обработки
Наличие фильтрации на базе фурье-анализа: — отфильтрована первая гармоника
(отвечает за форму) — отфильтрованы вторая и третья
гармоники (отвечают за волнистость) — отфильтрована незатухающая часть
спектра (помехи)
Номер эксперимента
Рис. 1
Из схемы видно, что условно в БД выделены три информационных блока: конструкторский, технологический и метрологический. Каждый блок несет специфическую информацию, например, в конструкторском содержатся характеристики, определяемые конструктором: марка материала, форма детали или узла, а также ее наименование; в технологическом — перечень двух последних операций, так как именно на этом этапе формируется рабочий микрорельеф поверхности детали или узла; наименование и марка станка и инструмента, а также
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 8
Создание БД непараметрических критериев оценки микрогеометрии функциональных поверхностей 17
режимы обработки — эти данные необходимы для поиска и технологического обеспечения оптимальной микрогеометрии. Немаловажным является блок, содержащий дополнительную информацию об обработке, например сведения о дисперсности притирочных паст, которая во многом определяет свойства полученного в процессе доводки микрорельефа.
Последний блок содержит метрологическую информацию, а именно: данные о длине пройденной трассы в процессе определения микрогеометрии контактно-щуповым методом, радиус использованного щупа, направление движение щупа, информацию о произведенной фильтрации. При этом все блоки объединяет конкретное функциональное свойство.
Процесс создания базы данных включает ряд последовательных этапов: — выбор системы управления базой данных СУБД (реляционной — РСУБД, объектной — ОСУБД, объектно-реляционной — ОРСУБД, транзакционной встраиваемой); — определение вида разрабатываемого прикладного обеспечения (web-ориентированное, GUI-ориентированное (graphical user interface), консольное, сервис-ориентированное); — анализ существующих сред разработки прикладного программного обеспечения (ПО) и языков программирования с выбором средств разработки; — проектирование структуры базы данных и ее объектов (типы, таблицы, виды, индексы, хранимые функции, процедуры, запросы и т.д.); — разработка приложения (построение интерфейса и организация взаимодействия с СУБД). На первом этапе проектирования следует определить тип СУБД. Из реляционных СУБД наиболее распространенными вариантами будут MS SQL Server 2005/2008 и MySQL Server 5. Но реляционная СУБД, дополненная средствами объектной СУБД, является более предпочтительной по соотношению производительность—функциональность. Среди наиболее известных ОРСУБД можно выделить Oracle Database и PostgreSQL. Также вызывают интерес встраиваемые СУБД, например, Oracle Berkeley DB или MySQL Embedded. В дальнейшем предполагается использовать создаваемое ПО в распределенной среде с единой БД, поэтому от использования варианта встраивания придется отказаться. Распределенная РСУБД MS SQL Server 2005 и ОРСУБД Oracle являются платными продуктами и тоже исключаются. В силу свободного распространения PostgreSQL остановим свой выбор на ней. На втором этапе необходимо определить вид разрабатываемого ПО. Выбор GUIприложения обусловлен возможностью выполнения большей части логики ПО на рабочей станции пользователя, что разгружает серверную составляющую приложения в клиентсерверной архитектуре. Следующие этапы проектирования БД предполагают определение языка доступа к БД и среды программирования. Выбор языка программирования предлагается осуществить из следующего списка: C++, Delphi (Pascal), C#, Python, Java. Так как их функциональность примерно одинакова, то критерием выбора будет кроссплатформенность и снижение трудозатрат. Из предложенного перечня языков наиболее гибким средством является C++. Однако этот язык в большей степени удобен в системном программировании. Написание ПО с графическим интерфейсом, даже с использованием GUI-библиотек (Qt) и алгоритмических библиотек (boost), будет с точки зрения времени разработки нерациональным решением. Недостатком языка Delphi (Pascal) является отсутствие его кроссплатформенности. В силу гибкости, безопасности языка C# и производительности SQL Server 2005 интересна связка языка C# (среда программирования .NET) с SQL Server. Отказ от нее обусловлен ограничением платформы .NET семейством операционных систем (ОС) Windows. Объектно-ориентированный язык Python идеально подойдет в качестве надстройки над главным приложением при построении баз знаний. Наличие С++ и Java-вариаций Python
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 8
18 О. С. Юльметова, А. Н. Сисюков, Р. Р. Юльметова делает его сравнительно гибким. Но простота декомпиляции байт-кода исключает возможность его использования для создания базового приложения.
Таким образом, в качестве средства разработки ПО выбираем бесплатную среду NetBeans IDE 6.5 от Sun и язык программирования Java SE [3].
Выбранные компоненты, участвующие в процессе создания и функционирования приложения, дают следующие преимущества:
— бесплатны для разработчика; — кроссплатформенны (не ограничены ОС); — функциональны и удобны в использовании. Такой выбор программных средств позволяет разработчику создавать коммерческие приложения без начальных инвестиций в средства разработки и сопутствующее ПО. На заключительном этапе проектирования определяется структура БД, формируется графический интерфейс (рис. 2), создается логика приложения, посредством которой организуется взаимодействие пользователя с СУБД.
Рис. 2
Разработанная БД состоит из модифицируемых справочников классификатора, основной таблицы учета, схемы настроек, таблиц модулей (конструкторский, технологический, метрологический). Для разгрузки основной логики приложения часть кода перенесена на СУБД и реализована в виде хранимых процедур.
Спроектированное приложение позволяет вести учет проводимых экспериментов, регистрировать новые классификаторы, осуществлять поиск в базе данных по частичным критериям. В дальнейшем предполагается расширить функционал большей интерактивностью, возможностью совмещения измеренного профиля с эталонным для конкретного функционального свойства.
Созданная БД позволит накапливать и хранить сведения по виду непараметрических кривых, соответствующих определенному уровню функционального свойства, способу их
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 8
Обеспечение качественных показателей пар трения, работающих в особых условиях 19
технологического обеспечения и метрологического контроля, что играет важную роль в процессе оптимизации микрогеометрии для функциональных свойств при решении проблемы повышения качества изделий.
Работа выполнена при поддержке РФФИ, проект № 10-08-00158a.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шнейдер Ю. Г. Эксплуатационные свойства деталей с регулярным микрорельефом. СПб: СПбГУИТМО (ТУ), 2001. 264 с.
2. Мусалимов В. М., Валетов В. А. Динамика фрикционного взаимодействия. СПб: ПИМаш, 2006. 168 с.
3. Хорстманн К. С., Корнелл Г. Java 2. Т. 2. Тонкости программирования. М.: Вильямс, 2007.
Ольга Сергеевна Юльметова Артем Николаевич Сисюков Рина Ринатовна Юльметова
Сведения об авторах — Санкт-Петербургский государственный университет информационных
технологий, механики и оптики, кафедра технологии приборостроения; ассистент; E-mail: www.ralli@rambler.ru — канд. техн. наук; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра технологии приборостроения; ассистент; E-mail: i@an.spb.ru — студентка; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра технологии приборостроения; E-mail: rina-yulmetova@yandex.ru
Рекомендована кафедрой технологии приборостроения
Поступила в редакцию 14.12.09 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 8