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解決金屬切削問題的智能專家系統(tǒng)的開發(fā) 烏魯達大學，機械工程系，Gorukle16059，布爾薩，土耳其 于2004年9月8日收稿，于2005年1月31日接受 2005年3月21日可在線 摘 要 在金屬切削方面，這些問題需要有良好的分析，以便遇到任何意外的結(jié)果之前，可以采取有效的防范措施。這一過程在實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定和控制生產(chǎn)總成本方面起很重要的作用。但是，需要一個擁有在金屬切削方面有大量經(jīng)驗和知識的專家是一項艱巨的任務。在本文，智能專家系統(tǒng)（COROSolve）調(diào)查并解決了在金屬切削領(lǐng)域遇到的三個主要問題：車削，銑削和鉆孔。許多金屬切削方面的問題都被考慮在內(nèi)，如在車削過程中的工件內(nèi)部插入轉(zhuǎn)折點，鋁件車削，溝槽車削，螺紋車削等工序; 在銑削方面面銑，方肩銑，端銑，多用途銑和側(cè)銑等工序；在和鉆孔作業(yè)，使用固定或可轉(zhuǎn)位鉆頭鉆孔等。COROSolve可以給出建議的切削參數(shù)而且能及時更新在切削問題，產(chǎn)生原因和補救措施等方面的數(shù)據(jù)庫，因此系統(tǒng)能夠處理的問題數(shù)量在增加。 關(guān)鍵詞：金屬切削問題 專家系統(tǒng) KBS 刀具磨損 1、引言 現(xiàn)代制造業(yè)的目標是，在組織設施能夠進行有效控制，以便能以在較短生產(chǎn)周期內(nèi)以較低的生產(chǎn)價格制造出高質(zhì)量的產(chǎn)品 。為了實現(xiàn)能以較低的價格獲得更優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品，制造部門格關(guān)注采用更好的刀具和高精密的機械等[1]。然而，在大多數(shù)情況下對于生產(chǎn)要求這是不夠的。專業(yè)的工作選擇正確的工具是重要的，但是為了更高效的制造，刀具磨損也應考慮在內(nèi)。在文獻中，許多出版物上對于不同材料制造的刀具的磨損的確做了很多研究[2]。 金屬切削是切削碎片的形成過程。雖然切削過程是把金屬切削成所規(guī)定的形狀和大小，但這必須通過定義切削碎片工作來完成。切削碎片的形成意味著一個新的金屬界面不斷形成并沿刀具材料承受著非常高的壓力和溫度[3]。所產(chǎn)生的區(qū)域成為發(fā)生金屬擴散和化學反應的理想場所。所有刀具在加工過程中不斷變得破舊，并繼續(xù)這樣工作直到它們報廢。刀具磨損是不可避免的，如果能了解刀具磨損的時間，程度，類型時，刀具磨損就不再是一個消極的進程。 在不同的金屬切削過程中存在著幾種不同的磨損機理，相近\不同類型的問題由于這些機制作用的結(jié)果而聯(lián)系交織在一起。如果這些問題能夠得到很好的分析，我們就有可能找到其中每一種問題的正確的解決方案。 在分析金屬切削問題時這個問題應當明確界定，而且其可能的原因也應該得到確認。找一個擁有知識和大量金屬切削經(jīng)驗的專家是一項艱巨的任務。今天在金屬切削領(lǐng)域，關(guān)于解決切削碎片問題的專業(yè)設施主要由切削刀具生產(chǎn)企業(yè)提供。由于在這一領(lǐng)域工作的人是有限的，因此并不總是能夠找到真正需要的專家。在現(xiàn)有專家聘用費用昂貴而且人員稀缺的領(lǐng)域中專家系統(tǒng)一直特別受歡迎。對于解決金屬切削問題專家系統(tǒng)將是非常有益的。 2、專家系統(tǒng)在協(xié)助發(fā)展制造工藝上的應用 基于知識的系統(tǒng)或?qū)＜蚁到y(tǒng)是一個體現(xiàn)狹窄領(lǐng)域的知識并解決該領(lǐng)域相關(guān)問題的計算機程序。專家系統(tǒng)通常包括兩個主要內(nèi)容，知識基礎和推理機制（圖1）。 基礎知識包含一個可以表述為由'IF - THEN'規(guī)則、事實說明、框架、對象、程序和案件組合而成的知識領(lǐng)域。推理機制，是專家系統(tǒng)操縱存儲的知識并對遇到的生產(chǎn)問題提出解決方案的一個組成部分[4]。 一個人類專家利用知識和推理最終得出的結(jié)論，專家系統(tǒng)也是如此。推理在專家系統(tǒng)試圖模仿結(jié)合人類專家的知識的過程中進行。因此，專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)或架構(gòu)有些類似于人類專家的執(zhí)行情況。因此，專家系統(tǒng)可以比喻成專家。 一個比較明顯的問題是規(guī)則的收集。人類專家聘用費用高昂，而且并不想要坐下來寫關(guān)于他們是怎樣得出他們結(jié)論的那些大量的規(guī)則。更重要的一點，他們可能也無法做到。雖然他們通常會遵循邏輯的路徑來得到他們的結(jié)論，但是把那些規(guī)則放入一套標準之中實際上是非常困難的，并且也許是不可能的。 對于許多人類專家下面這種情況是很可能的。雖然他們開始時有著自己的專業(yè)規(guī)則，但是在工作中通過自己的工作經(jīng)驗知識來開展自己的工作，并且通過直覺得出正確的解決方案。它們可能都跟隨邏輯路徑，但是在沿著這邏輯的路徑上，他們精神上已經(jīng)跳過許多步驟。專家系統(tǒng)不能做到這一點，它需要很清楚的知道各種規(guī)則。 專家系統(tǒng)的一個很突出的好處是能夠廣泛把知識分發(fā)給每一個專家，或者可以同時匯總的幾個遠遠相隔的幾個專家的知識。當偶爾的執(zhí)行任務時專家系統(tǒng)特別有用，而專家每次執(zhí)行任務時則需要重新學習工作程序。 專家系統(tǒng)是用來規(guī)范操作的。如果你有三個機器操作員（或工程師）來執(zhí)行相同的任務，但是每個人都會做的不同。而專家系統(tǒng)則每次都可以用同樣的方式來工作。 這些系統(tǒng)可用于培訓員工，指導他們，或進行實際執(zhí)行如計算任務。專家系統(tǒng)的另一個用途是作為專家輔助您的工作。他們將使您能更準確，更一致，更快，從而為專家能更創(chuàng)意的完成任務而節(jié)省了時間。當處理乏味、重復的任務時這是特別有用的。 因此，一旦領(lǐng)域知識被專家系統(tǒng)提取，建設此系統(tǒng)的過程比較簡單。能被發(fā)展的專家系統(tǒng)的易用性，導致了刀具廣泛應用。在工程，可以找到在各種任務上的應用，包括選料，機械零件，刀具，設備和工藝，信號解釋，狀態(tài)監(jiān)測，故障診斷，機器和過程控制，機械設計，工藝規(guī)劃，生產(chǎn)調(diào)度和系統(tǒng)配置。最近專家系統(tǒng)所執(zhí)行的一些具體任務的例子如下： (1)確定和規(guī)劃離岸結(jié)構(gòu)重要組成部分的檢查時間表[5]; (2)在設計和評價能源熱電廠方面培訓技術(shù)人員[6]; (3)配置輸紙機構(gòu) [7]; (4)在有限元分析鍛造變形時自動重新嚙合[8]; (5)存儲，檢索和修改平面連桿機構(gòu)設計[9]; (6)應用于發(fā)動機油產(chǎn)品的添加劑配方設計[10]; (7)選擇刀具和切削參數(shù)[11-13]； 有幾個潛在的研究領(lǐng)域肯定了專家系統(tǒng)在制造業(yè)方面價值[14，15] Kojiyama et al [16]在其文章中討論了關(guān)于加工操作規(guī)劃的系統(tǒng)框架。在此框架中從電子刀具目錄和網(wǎng)絡環(huán)境下的加工實例數(shù)據(jù)庫中提取和組織的加工技術(shù)訣竅了發(fā)揮了主要作用。在有參考的情況下可以構(gòu)成加工數(shù)據(jù)，這些加工數(shù)據(jù)來自翻查的刀具目錄，相關(guān)的國際標準，參考教材和手冊。 在一般車削和銑削時，Mookherjee 和Bhattacharyya [11]在專家系統(tǒng)的應用對于解決制造工程師目前所面臨的CAD和各類數(shù)控加工中心一體化過程中遇到的一些挑戰(zhàn)性問題是非常有用的。Jiang et al. [17]開發(fā)了一種優(yōu)化棱鏡組件加工業(yè)務的專家系統(tǒng)。他們描述了一種新的GT編碼方案用于代表待加工得棱鏡組件表面。 Limsombutanan [18]在可以作為霍隆的5軸曲面加工過程中提出了一個用來選擇刀尺寸和工具方向的算法。銑削表面分為三個階段，即粗加工，半粗加工和精加工。該算法在曲率分析的基礎上選擇最佳的刀具并且在立方（凹-凸）表面上自主的計劃刀具路徑。本文的主要目的是建立這種涵蓋了主要的金屬切削問題的系統(tǒng)，并幫助那些參與金屬切削工作的人們提高產(chǎn)品質(zhì)量。 3、專家系統(tǒng)在解決金屬切削問題上的應用 3.1解決金屬切削問題時應考慮的因素 在金屬切削過程中大部分問題是磨損的結(jié)果。所有刀具在加工過程中不斷變得破舊，并繼續(xù)這樣工作直到它們報廢。刀具磨損是不可避免的，如果能了解刀具磨損的時間，程度，類型時，刀具磨損就不再是一個消極的進程。因此，如果對刀具磨損所導致的問題以及其他不利于機械加工業(yè)務的有害因素進行了分析，我們就有可能找到其中個個問題的正確解決方案。這將減少非生產(chǎn)性故障的檢查時間，因此，減少了加工時間、非生產(chǎn)性停工時間、加工費用并且提高生產(chǎn)效率。在解決金屬切削加工問題時所使用的專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1。通過軟件需要考慮的輸入列于圖2。 3.2 COROSolve的特點 該軟件已開發(fā)利用Delphi可視化編程語言。而建立一個咨詢系統(tǒng)的主要困難在獲取和研究在解決方案中使用的要素。根據(jù)目前在解決金屬切削問題上的設計，一旦選中操作類型，對于每個類型的操作的四個主要階段已經(jīng)確定： (1)切削數(shù)據(jù)的建議。 (2)問題的定義。 (3)切割數(shù)據(jù)評價。 (4)問題的匯總。 3.2.1、切削數(shù)據(jù)的建議 在加工過程中刀具的正確選擇是實現(xiàn)最大的生產(chǎn)力的關(guān)鍵。但是，雖然工具是正確的，如果加工條件不符合標準，特別是在切削參數(shù)一般穩(wěn)定，問題將會出現(xiàn)而且刀具的最佳壽命將無法達成。切削參數(shù)不正確，刀柄、夾緊的振動和缺乏剛性這些都是金屬切削的主要問題。 除了解決問題該軟件對每個操作類型（業(yè)務類型如前所述）、每個材料組(ISO P, M or K), 每個應用類型（粗，中，完成）、每加工條件類型（好，一般，困難）提供切削數(shù)據(jù)的建議并且顯示如圖4的可用插入列表。在這里不是為了找到應用程序的最合適的插入點但是監(jiān)測金屬切削中使用的插入的初始值和切削參數(shù)的工作范圍（即切削速度，進給量和切削深度）。在這個階段決定的合適的等級與所選操作，材料組，應用程序等有關(guān)。此外，個個材料組的材料清單能夠清楚的看到。 推薦切削參數(shù)值取自Sandvik Coromant[20]，其他廠商的刀具切削參數(shù)可作為建議的值。切削數(shù)據(jù)顯示值是在一定的材料硬度和一定的刀具壽命下得到的。對于任何工件材料跟指定的值相比具有不同的硬度值而且如果刀具壽命超過15分鐘，提供的切削數(shù)據(jù)應乘以修正系數(shù)（見表1）。 3.2.2、分析金屬切削問題 目前有在金屬切削過程中存在多種不同/類似的問題。表面上看這些問題有些是相同的，但是很難相區(qū)分開來。問題類型的分類已經(jīng)形成評估加工操作的重要基礎，它通過獲取刀具等級以及適合切削類型材料類型的正確的加工條件而優(yōu)化了生產(chǎn)力。正確的工具，良好的出發(fā)切削數(shù)據(jù)，專家的支持下，自己的經(jīng)驗，工件的材料和優(yōu)質(zhì)的設備條件是加工成功的重要因素。對各種工具制造商問題清單的聚合進行歸類形成了可由軟件使用的KBS。 用戶分析金屬切削問題時要么在一個或兩個階段之一：從菜單中直截了當?shù)奶暨x出定義的問題或者首先檢查金屬切削過程中使用的切削數(shù)據(jù)，之后訪問定義的問題。問題定義模塊顯示問題的清單，包括其可能的原因及補救措施。一旦選定一個問題（例如，后刀面磨損的轉(zhuǎn)折點或在鉆深孔是的轉(zhuǎn)頭的跳動），一張圖片，清楚的提供了問題的界定和其可能原因的列表。因此一旦選擇了可能的原因就確定了相應的補救措施。更多與該問題有關(guān)的信息通過點擊 “？”獲得（圖5）。 3.2.3、切削數(shù)據(jù)評估 在金屬切削過程中，大部分的問題是切削數(shù)據(jù)不合適應用程序的結(jié)果。因此，在這些問題直接列出之前，用戶被建議檢查操作，應用程序和加工條件的切削參數(shù)以確定是否切削速度，進給量和切削深度是否與事先插入的長度，厚度和圓角半徑相符。切削數(shù)據(jù)模塊檢查在運行中的切削參數(shù)是否與插入的相符而且這項工作基本上是與理想的切削數(shù)據(jù)值進行比較，理想的切削數(shù)據(jù)值是目錄值和校正因子的乘積。如果不相符（這意味著切削參數(shù)的值不在范圍內(nèi)），用戶應修正切削參數(shù)。在銑削和鉆孔只有切削速度和進給速度值被考慮，在鉆孔時鉆頭直徑和鉆頭中心或周邊的等級被考慮在內(nèi)（圖6）。在圖中對中型鋼（L代表輕型，M代表中型，H代表中型銑削操作）面銑的切削參數(shù)被評估，由于使用價值遠低于由給定硬度和刀具壽命計算的理想值，則就會顯示警告。 一旦切削數(shù)據(jù)被審查（和糾正），下一個步驟就是訪問這個問題的定義模塊。由于切削數(shù)據(jù)被修正，原因列表和補救措施將會不同而且“切削速度過高”或者“進給量太低” 將不會是有關(guān)問題產(chǎn)生的根源。 該軟件能夠在各種業(yè)務類型中分析超過100多種問題，并對近200個問題原因提供補救措施（340補救措施）。他系統(tǒng)中包含的知識有兩個主要來源：從事金屬切削領(lǐng)域的專家或者來自于技術(shù)文件，目錄和各種刀具生產(chǎn)公司的手冊[21]，[22]，[23]，[24]和[25]。 3.2.4、問題編輯 系統(tǒng)中包含的知識有兩個主要來源：從事金屬切削領(lǐng)域的專家或者來自于技術(shù)文件，目錄和各種刀具生產(chǎn)公司的手冊。一個專家系統(tǒng)的成功之處隱藏在像人類專家一樣的擴展結(jié)構(gòu)當中。人類專家遇到每一次新的解決方案時都增加了他的知識并且在未來分析時能再利用這些知識。因此，COROSolve有一個可擴展增長的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，它能處理每天越來越多的問題。 由于系統(tǒng)有單獨的和模塊化的知識基礎，只要進入到數(shù)據(jù)庫編輯獲得知識文件就可以很容易的更新系統(tǒng)。系統(tǒng)包含的信息越多，它能夠處理的金屬切削方面的問題就越多。 知識庫是系統(tǒng)的核心，因此，負責生產(chǎn)、添加、刪除或修改是那些少數(shù)人的任務。因此，用戶需要知道密碼才能進入的知識庫。問題編輯允許和問題，原因和補救措施相關(guān)的問題，圖片和資料檔案添加到知識庫。此外，還有可能增加新的問題原因或原本已存在知識庫中的問題原因的新的補救辦法（圖7）。 該系統(tǒng)是多語言，因此它能夠處理無論是土耳其文還是英文的金屬切削的問題。一旦確定語言被確定，所有程序菜單和問題，原因及補救措施清單都用所選擇的語言顯示出來。 4、結(jié)論 本文介紹了一種為解決各種加工操作任務中金屬切削問題的專家系統(tǒng)。由于在許多文獻中沒有很多關(guān)于此主題的工作也因為這種類型的系統(tǒng)可以實現(xiàn)多種金屬切削業(yè)的要求，這里所描述的工作可以認為是一件有益的工作。在制造業(yè)，特別是在小型或中型加工車間，切削數(shù)據(jù)是不正確是問題的主要原因。工具一般以較低的切削數(shù)據(jù)運行來使他們在頻繁的啟動中能維持較長的壽命。這就顯然是低效率的利用金屬切削時間。由于系統(tǒng)提供的便利之一便是評估的切削參數(shù)，這將幫助用戶為應用程序選擇合適的速度，進給量或切削深度。如果切削數(shù)據(jù)是正確的而且金屬切削問題也得到解決，由于發(fā)生故障而引起的停頓將縮短，良好的利用發(fā)電能力的目的將可以達到而且金屬得切削時間將會有所減少。這就意味著生產(chǎn)成本將會下降很多。該系統(tǒng)開發(fā)也為了培訓從事金屬切削業(yè)的人。這些照片和有關(guān)問題的資料將會幫助用戶更多的認識了解他們。這些圖片和信息收集于應用于工業(yè)的各種手冊和研究報告。 參考文獻 [1] Modern metal cutting. 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