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解決金屬切削問(wèn)題的智能專(zhuān)家系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)
烏魯達(dá)大學(xué)，機(jī)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(wèn)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(guò)程在實(shí)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(gè)擁有在金屬切削方面有大量經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)的專(zhuān)家是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。在本文，智能專(zhuān)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(gè)主要問(wèn)題：車(chē)削，銑削和鉆孔。許多金屬切削方面的問(wèn)題都被考慮在內(nèi)，如在車(chē)削過(guò)程中的工件內(nèi)部插入轉(zhuǎn)折點(diǎn)，鋁件車(chē)削，溝槽車(chē)削，螺紋車(chē)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(shí)更新在切削問(wèn)題，產(chǎn)生原因和補(bǔ)救措施等方面的數(shù)據(jù)庫(kù)，因此系統(tǒng)能夠處理的問(wèn)題數(shù)量在增加。
關(guān)鍵詞：金屬切削問(wèn)題 專(zhuān)家系統(tǒng) KBS 刀具磨損
1、引言
現(xiàn)代制造業(yè)的目標(biāo)是，在組織設(shè)施能夠進(jìn)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(jià)格制造出高質(zhì)量的產(chǎn)品 。為了實(shí)現(xiàn)能以較低的價(jià)格獲得更優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品，制造部門(mén)格關(guān)注采用更好的刀具和高精密的機(jī)械等[1]。然而，在大多數(shù)情況下對(duì)于生產(chǎn)要求這是不夠的。專(zhuān)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(yīng)考慮在內(nèi)。在文獻(xiàn)中，許多出版物上對(duì)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(guò)程。雖然切削過(guò)程是把金屬切削成所規(guī)定的形狀和大小，但這必須通過(guò)定義切削碎片工作來(lái)完成。切削碎片的形成意味著一個(gè)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(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)的理想場(chǎng)所。所有刀具在加工過(guò)程中不斷變得破舊，并繼續(xù)這樣工作直到它們報(bào)廢。刀具磨損是不可避免的，如果能了解刀具磨損的時(shí)間，程度，類(lèi)型時(shí)，刀具磨損就不再是一個(gè)消極的進(jìn)程。
在不同的金屬切削過(guò)程中存在著幾種不同的磨損機(jī)理，相近\不同類(lèi)型的問(wèn)題由于這些機(jī)制作用的結(jié)果而聯(lián)系交織在一起。如果這些問(wèn)題能夠得到很好的分析，我們就有可能找到其中每一種問(wèn)題的正確的解決方案。
在分析金屬切削問(wèn)題時(shí)這個(gè)問(wèn)題應(yīng)當(dāng)明確界定，而且其可能的原因也應(yīng)該得到確認(rèn)。找一個(gè)擁有知識(shí)和大量金屬切削經(jīng)驗(yàn)的專(zhuān)家是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。今天在金屬切削領(lǐng)域，關(guān)于解決切削碎片問(wèn)題的專(zhuān)業(yè)設(shè)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(zhuān)家。在現(xiàn)有專(zhuān)家聘用費(fèi)用昂貴而且人員稀缺的領(lǐng)域中專(zhuān)家系統(tǒng)一直特別受歡迎。對(duì)于解決金屬切削問(wèn)題專(zhuān)家系統(tǒng)將是非常有益的。
2、專(zhuān)家系統(tǒng)在協(xié)助發(fā)展制造工藝上的應(yīng)用
基于知識(shí)的系統(tǒng)或?qū)＜蚁到y(tǒng)是一個(gè)體現(xiàn)狹窄領(lǐng)域的知識(shí)并解決該領(lǐng)域相關(guān)問(wèn)題的計(jì)算機(jī)程序。專(zhuān)家系統(tǒng)通常包括兩個(gè)主要內(nèi)容，知識(shí)基礎(chǔ)和推理機(jī)制（圖1）。
基礎(chǔ)知識(shí)包含一個(gè)可以表述為由'IF - THEN'規(guī)則、事實(shí)說(shuō)明、框架、對(duì)象、程序和案件組合而成的知識(shí)領(lǐng)域。推理機(jī)制，是專(zhuān)家系統(tǒng)操縱存儲(chǔ)的知識(shí)并對(duì)遇到的生產(chǎn)問(wèn)題提出解決方案的一個(gè)組成部分[4]。
一個(gè)人類(lèi)專(zhuān)家利用知識(shí)和推理最終得出的結(jié)論，專(zhuān)家系統(tǒng)也是如此。推理在專(zhuān)家系統(tǒng)試圖模仿結(jié)合人類(lèi)專(zhuān)家的知識(shí)的過(guò)程中進(jìn)行。因此，專(zhuān)家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)或架構(gòu)有些類(lèi)似于人類(lèi)專(zhuān)家的執(zhí)行情況。因此，專(zhuān)家系統(tǒng)可以比喻成專(zhuān)家。
一個(gè)比較明顯的問(wèn)題是規(guī)則的收集。人類(lèi)專(zhuān)家聘用費(fèi)用高昂，而且并不想要坐下來(lái)寫(xiě)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(diǎn)，他們可能也無(wú)法做到。雖然他們通常會(huì)遵循邏輯的路徑來(lái)得到他們的結(jié)論，但是把那些規(guī)則放入一套標(biāo)準(zhǔn)之中實(shí)際上是非常困難的，并且也許是不可能的。
對(duì)于許多人類(lèi)專(zhuān)家下面這種情況是很可能的。雖然他們開(kāi)始時(shí)有著自己的專(zhuān)業(yè)規(guī)則，但是在工作中通過(guò)自己的工作經(jīng)驗(yàn)知識(shí)來(lái)開(kāi)展自己的工作，并且通過(guò)直覺(jué)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(guò)許多步驟。專(zhuān)家系統(tǒng)不能做到這一點(diǎn)，它需要很清楚的知道各種規(guī)則。
專(zhuān)家系統(tǒng)的一個(gè)很突出的好處是能夠廣泛把知識(shí)分發(fā)給每一個(gè)專(zhuān)家，或者可以同時(shí)匯總的幾個(gè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)相隔的幾個(gè)專(zhuān)家的知識(shí)。當(dāng)偶爾的執(zhí)行任務(wù)時(shí)專(zhuān)家系統(tǒng)特別有用，而專(zhuān)家每次執(zhí)行任務(wù)時(shí)則需要重新學(xué)習(xí)工作程序。
專(zhuān)家系統(tǒng)是用來(lái)規(guī)范操作的。如果你有三個(gè)機(jī)器操作員（或工程師）來(lái)執(zhí)行相同的任務(wù)，但是每個(gè)人都會(huì)做的不同。而專(zhuān)家系統(tǒng)則每次都可以用同樣的方式來(lái)工作。
這些系統(tǒng)可用于培訓(xùn)員工，指導(dǎo)他們，或進(jìn)行實(shí)際執(zhí)行如計(jì)算任務(wù)。專(zhuān)家系統(tǒng)的另一個(gè)用途是作為專(zhuān)家輔助您的工作。他們將使您能更準(zhǔn)確，更一致，更快，從而為專(zhuān)家能更創(chuàng)意的完成任務(wù)而節(jié)省了時(shí)間。當(dāng)處理乏味、重復(fù)的任務(wù)時(shí)這是特別有用的。
因此，一旦領(lǐng)域知識(shí)被專(zhuān)家系統(tǒng)提取，建設(shè)此系統(tǒng)的過(guò)程比較簡(jiǎn)單。能被發(fā)展的專(zhuān)家系統(tǒng)的易用性，導(dǎo)致了刀具廣泛應(yīng)用。在工程，可以找到在各種任務(wù)上的應(yīng)用，包括選料，機(jī)械零件，刀具，設(shè)備和工藝，信號(hào)解釋?zhuān)瑺顟B(tài)監(jiān)測(cè)，故障診斷，機(jī)器和過(guò)程控制，機(jī)械設(shè)計(jì)，工藝規(guī)劃，生產(chǎn)調(diào)度和系統(tǒng)配置。最近專(zhuān)家系統(tǒng)所執(zhí)行的一些具體任務(wù)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(shí)間表[5];
(2)在設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)能源熱電廠方面培訓(xùn)技術(shù)人員[6];
(3)配置輸紙機(jī)構(gòu) [7];
(4)在有限元分析鍛造變形時(shí)自動(dòng)重新嚙合[8];
(5)存儲(chǔ)，檢索和修改平面連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[9];
(6)應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)油產(chǎn)品的添加劑配方設(shè)計(jì)[10];
(7)選擇刀具和切削參數(shù)[11-13]；
有幾個(gè)潛在的研究領(lǐng)域肯定了專(zhuān)家系統(tǒng)在制造業(yè)方面價(jià)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(luò)環(huán)境下的加工實(shí)例數(shù)據(jù)庫(kù)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(lái)自翻查的刀具目錄，相關(guān)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，參考教材和手冊(cè)。
在一般車(chē)削和銑削時(shí)，Mookherjee 和Bhattacharyya [11]在專(zhuān)家系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)于解決制造工程師目前所面臨的CAD和各類(lèi)數(shù)控加工中心一體化過(guò)程中遇到的一些挑戰(zhàn)性問(wèn)題是非常有用的。Jiang et al. [17]開(kāi)發(fā)了一種優(yōu)化棱鏡組件加工業(yè)務(wù)的專(zhuān)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(guò)程中提出了一個(gè)用來(lái)選擇刀尺寸和工具方向的算法。銑削表面分為三個(gè)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(chǔ)上選擇最佳的刀具并且在立方（凹-凸）表面上自主的計(jì)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(wèn)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(zhuān)家系統(tǒng)在解決金屬切削問(wèn)題上的應(yīng)用
3.1解決金屬切削問(wèn)題時(shí)應(yīng)考慮的因素
在金屬切削過(guò)程中大部分問(wèn)題是磨損的結(jié)果。所有刀具在加工過(guò)程中不斷變得破舊，并繼續(xù)這樣工作直到它們報(bào)廢。刀具磨損是不可避免的，如果能了解刀具磨損的時(shí)間，程度，類(lèi)型時(shí)，刀具磨損就不再是一個(gè)消極的進(jìn)程。因此，如果對(duì)刀具磨損所導(dǎo)致的問(wèn)題以及其他不利于機(jī)械加工業(yè)務(wù)的有害因素進(jìn)行了分析，我們就有可能找到其中個(gè)個(gè)問(wèn)題的正確解決方案。這將減少非生產(chǎn)性故障的檢查時(shí)間，因此，減少了加工時(shí)間、非生產(chǎn)性停工時(shí)間、加工費(fèi)用并且提高生產(chǎn)效率。在解決金屬切削加工問(wèn)題時(shí)所使用的專(zhuān)家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1。通過(guò)軟件需要考慮的輸入列于圖2。
3.2 COROSolve的特點(diǎn)
該軟件已開(kāi)發(fā)利用Delphi可視化編程語(yǔ)言。而建立一個(gè)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(wèn)題上的設(shè)計(jì)，一旦選中操作類(lèi)型，對(duì)于每個(gè)類(lèi)型的操作的四個(gè)主要階段已經(jīng)確定：
(1)切削數(shù)據(jù)的建議。
(2)問(wèn)題的定義。
(3)切割數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)。
(4)問(wèn)題的匯總。
3.2.1、切削數(shù)據(jù)的建議
在加工過(guò)程中刀具的正確選擇是實(shí)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(biāo)準(zhǔn)，特別是在切削參數(shù)一般穩(wěn)定，問(wèn)題將會(huì)出現(xiàn)而且刀具的最佳壽命將無(wú)法達(dá)成。切削參數(shù)不正確，刀柄、夾緊的振動(dòng)和缺乏剛性這些都是金屬切削的主要問(wèn)題。
除了解決問(wèn)題該軟件對(duì)每個(gè)操作類(lèi)型（業(yè)務(wù)類(lèi)型如前所述）、每個(gè)材料組(ISO P, M or K), 每個(gè)應(yīng)用類(lèi)型（粗，中，完成）、每加工條件類(lèi)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(yīng)用程序的最合適的插入點(diǎn)但是監(jiān)測(cè)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(jìn)給量和切削深度）。在這個(gè)階段決定的合適的等級(jí)與所選操作，材料組，應(yīng)用程序等有關(guān)。此外，個(gè)個(gè)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(duì)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(guò)15分鐘，提供的切削數(shù)據(jù)應(yīng)乘以修正系數(shù)（見(jiàn)表1）。
3.2.2、分析金屬切削問(wèn)題
目前有在金屬切削過(guò)程中存在多種不同/類(lèi)似的問(wèn)題。表面上看這些問(wèn)題有些是相同的，但是很難相區(qū)分開(kāi)來(lái)。問(wèn)題類(lèi)型的分類(lèi)已經(jīng)形成評(píng)估加工操作的重要基礎(chǔ)，它通過(guò)獲取刀具等級(jí)以及適合切削類(lèi)型材料類(lèi)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(zhuān)家的支持下，自己的經(jīng)驗(yàn)，工件的材料和優(yōu)質(zhì)的設(shè)備條件是加工成功的重要因素。對(duì)各種工具制造商問(wèn)題清單的聚合進(jìn)行歸類(lèi)形成了可由軟件使用的KBS。
用戶分析金屬切削問(wèn)題時(shí)要么在一個(gè)或兩個(gè)階段之一：從菜單中直截了當(dāng)?shù)奶暨x出定義的問(wèn)題或者首先檢查金屬切削過(guò)程中使用的切削數(shù)據(jù)，之后訪問(wèn)定義的問(wèn)題。問(wèn)題定義模塊顯示問(wèn)題的清單，包括其可能的原因及補(bǔ)救措施。一旦選定一個(gè)問(wèn)題（例如，后刀面磨損的轉(zhuǎn)折點(diǎn)或在鉆深孔是的轉(zhuǎn)頭的跳動(dòng)），一張圖片，清楚的提供了問(wèn)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(yīng)的補(bǔ)救措施。更多與該問(wèn)題有關(guān)的信息通過(guò)點(diǎn)擊 “？”獲得（圖5）。
3.2.3、切削數(shù)據(jù)評(píng)估
在金屬切削過(guò)程中，大部分的問(wèn)題是切削數(shù)據(jù)不合適應(yīng)用程序的結(jié)果。因此，在這些問(wèn)題直接列出之前，用戶被建議檢查操作，應(yīng)用程序和加工條件的切削參數(shù)以確定是否切削速度，進(jìn)給量和切削深度是否與事先插入的長(zhǎng)度，厚度和圓角半徑相符。切削數(shù)據(jù)模塊檢查在運(yùn)行中的切削參數(shù)是否與插入的相符而且這項(xiàng)工作基本上是與理想的切削數(shù)據(jù)值進(jìn)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(yīng)修正切削參數(shù)。在銑削和鉆孔只有切削速度和進(jìn)給速度值被考慮，在鉆孔時(shí)鉆頭直徑和鉆頭中心或周邊的等級(jí)被考慮在內(nèi)（圖6）。在圖中對(duì)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(píng)估，由于使用價(jià)值遠(yuǎn)低于由給定硬度和刀具壽命計(jì)算的理想值，則就會(huì)顯示警告。
一旦切削數(shù)據(jù)被審查（和糾正），下一個(gè)步驟就是訪問(wèn)這個(gè)問(wèn)題的定義模塊。由于切削數(shù)據(jù)被修正，原因列表和補(bǔ)救措施將會(huì)不同而且“切削速度過(guò)高”或者“進(jìn)給量太低” 將不會(huì)是有關(guān)問(wèn)題產(chǎn)生的根源。
該軟件能夠在各種業(yè)務(wù)類(lèi)型中分析超過(guò)100多種問(wèn)題，并對(duì)近200個(gè)問(wèn)題原因提供補(bǔ)救措施（340補(bǔ)救措施）。他系統(tǒng)中包含的知識(shí)有兩個(gè)主要來(lái)源：從事金屬切削領(lǐng)域的專(zhuān)家或者來(lái)自于技術(shù)文件，目錄和各種刀具生產(chǎn)公司的手冊(cè)[21]，[22]，[23]，[24]和[25]。
3.2.4、問(wèn)題編輯
系統(tǒng)中包含的知識(shí)有兩個(gè)主要來(lái)源：從事金屬切削領(lǐng)域的專(zhuān)家或者來(lái)自于技術(shù)文件，目錄和各種刀具生產(chǎn)公司的手冊(cè)。一個(gè)專(zhuān)家系統(tǒng)的成功之處隱藏在像人類(lèi)專(zhuān)家一樣的擴(kuò)展結(jié)構(gòu)當(dāng)中。人類(lèi)專(zhuān)家遇到每一次新的解決方案時(shí)都增加了他的知識(shí)并且在未來(lái)分析時(shí)能再利用這些知識(shí)。因此，COROSolve有一個(gè)可擴(kuò)展增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)，它能處理每天越來(lái)越多的問(wèn)題。
由于系統(tǒng)有單獨(dú)的和模塊化的知識(shí)基礎(chǔ)，只要進(jìn)入到數(shù)據(jù)庫(kù)編輯獲得知識(shí)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(wèn)題就越多。 知識(shí)庫(kù)是系統(tǒng)的核心，因此，負(fù)責(zé)生產(chǎn)、添加、刪除或修改是那些少數(shù)人的任務(wù)。因此，用戶需要知道密碼才能進(jìn)入的知識(shí)庫(kù)。問(wèn)題編輯允許和問(wèn)題，原因和補(bǔ)救措施相關(guān)的問(wèn)題，圖片和資料檔案添加到知識(shí)庫(kù)。此外，還有可能增加新的問(wèn)題原因或原本已存在知識(shí)庫(kù)中的問(wèn)題原因的新的補(bǔ)救辦法（圖7）。
該系統(tǒng)是多語(yǔ)言，因此它能夠處理無(wú)論是土耳其文還是英文的金屬切削的問(wèn)題。一旦確定語(yǔ)言被確定，所有程序菜單和問(wèn)題，原因及補(bǔ)救措施清單都用所選擇的語(yǔ)言顯示出來(lái)。
4、結(jié)論
本文介紹了一種為解決各種加工操作任務(wù)中金屬切削問(wèn)題的專(zhuān)家系統(tǒng)。由于在許多文獻(xiàn)中沒(méi)有很多關(guān)于此主題的工作也因?yàn)檫@種類(lèi)型的系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多種金屬切削業(yè)的要求，這里所描述的工作可以認(rèn)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(chē)間，切削數(shù)據(jù)是不正確是問(wèn)題的主要原因。工具一般以較低的切削數(shù)據(jù)運(yùn)行來(lái)使他們?cè)陬l繁的啟動(dòng)中能維持較長(zhǎng)的壽命。這就顯然是低效率的利用金屬切削時(shí)間。由于系統(tǒng)提供的便利之一便是評(píng)估的切削參數(shù)，這將幫助用戶為應(yīng)用程序選擇合適的速度，進(jìn)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(wèn)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(dá)到而且金屬得切削時(shí)間將會(huì)有所減少。這就意味著生產(chǎn)成本將會(huì)下降很多。該系統(tǒng)開(kāi)發(fā)也為了培訓(xùn)從事金屬切削業(yè)的人。這些照片和有關(guān)問(wèn)題的資料將會(huì)幫助用戶更多的認(rèn)識(shí)了解他們。這些圖片和信息收集于應(yīng)用于工業(yè)的各種手冊(cè)和研究報(bào)告。
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