具有自學(xué)習(xí)功能的車削專家系統(tǒng)的研究

摘要:針對傳統(tǒng)金屬切削數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)冗余、知識(shí)貧乏、切削參數(shù)與實(shí)際切削加工條件結(jié)合不緊密等問題，本文研究開發(fā)了一個(gè)面向硬質(zhì)合金車削刀具機(jī)械加工廠家的具有自學(xué)習(xí)功能的切削系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用切削實(shí)驗(yàn)得出的濃縮型數(shù)學(xué)模型方式存儲(chǔ)切削用量數(shù)據(jù)，利用自學(xué)習(xí)功能對切削數(shù)學(xué)模型進(jìn)行修正，可以推薦合理優(yōu)化的刀具、切削速度和刀具壽命等加工參數(shù)，預(yù)測加工質(zhì)量、金屬去除率等，并形成具有自己特色的專用車削系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞:硬質(zhì)合金;車削刀具;數(shù)學(xué)模型;自學(xué)習(xí);專家系統(tǒng)

中圖分類號:TG50文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

Research on Turning Expert System with Self-learning

ZHOU Zhi-xiong1， YANG Feng1+， HUANG Wei-wu2， WANG Ya-ping1

(1. College of Mechanical Vehicle Engineering， Hunan University， Changsha 410082， China;

2. Zhuzhou Cemented Carbide Cutting Tools Co.，LTD， Zhuzhou 412007， China)

Abstract: In order to overcome the weakness of the redundant data， poor knowledge， cutting parameters being not closely integrated with the real cutting conditions in the traditional metal cutting database， a turning system with self-learning function for maching manufacturers using carbide turning tools is presented. In the system， the cutting parameters are stored using the concentrated mathematics models got from the cutting experiment， the cutting mathematics models are amended by the self-learning function， the reasonable and optimal turning tools ，cutting speed as well as the life of turning tools etc. can be recommended， the processing quality and moved metal can be predicted. A special turning system with its own feature will be formed.

Key words: Cemented Carbide; Turning Tools; Mathematics Model; Self-learning; Expert System

金屬切削是機(jī)械制造業(yè)中零件加工的最主要方法之一，在機(jī)械工業(yè)中占有非常重要的地位。提高金屬切削加工的生產(chǎn)效率、降低成本和提高加工質(zhì)量是機(jī)械行業(yè)必須解決的任務(wù)之一。金屬切削數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是當(dāng)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和機(jī)械加工技術(shù)相結(jié)合的高科技產(chǎn)物，它存儲(chǔ)和積累了海量的金屬切削的生產(chǎn)和試驗(yàn)性數(shù)據(jù)，能為金屬切削加工提供合理的優(yōu)化的切削數(shù)據(jù)，從而促進(jìn)現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展。國際生產(chǎn)工程學(xué)會(huì)(CIRP)對金屬切削數(shù)據(jù)庫經(jīng)濟(jì)效益的調(diào)查表明，金屬切削數(shù)據(jù)庫能使工時(shí)成本節(jié)約10%以上[1~4]。

從1964年的美國第一個(gè)金屬切削數(shù)據(jù)庫建立以來，迄今為止已有12個(gè)國家紛紛建立了30多個(gè)金屬切削數(shù)據(jù)庫[2，3]。我國從上世紀(jì)80年代開始建立切削數(shù)據(jù)庫以來，全國各高校、研究所也開展了一系列研究，建立了一些通用和專用的金屬切削數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)[2~4]。金屬切削專家系統(tǒng)能夠利用所擁有的豐富知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，模仿機(jī)械行業(yè)專家的思維對金屬切削加工進(jìn)行合理地優(yōu)化處理。其中，知識(shí)的獲取方式有兩種:一是非自動(dòng)知識(shí)獲取，即由知識(shí)工程師將各類相關(guān)知識(shí)輸入到專家系統(tǒng)知識(shí)庫中;二是自動(dòng)知識(shí)獲取，即在處理問題的過程中通過自學(xué)習(xí)功能獲取并積累知識(shí)[5]。國內(nèi)已建立的金屬切削數(shù)據(jù)庫獲取知識(shí)的途徑大多都是非自動(dòng)式的，推薦切削用量等數(shù)據(jù)時(shí)結(jié)合實(shí)際切削加工條件不緊密[1]。

本文研究了一個(gè)面向機(jī)械加工的具有自學(xué)習(xí)功能的硬質(zhì)合金車削專家系統(tǒng)。其中，數(shù)據(jù)庫中切削用量數(shù)據(jù)采用切削實(shí)驗(yàn)得出的濃縮型數(shù)學(xué)模型方式存儲(chǔ)，自學(xué)習(xí)功能可對實(shí)際加工工況進(jìn)行診斷，并根據(jù)診斷結(jié)果的有效性對知識(shí)庫進(jìn)行自適應(yīng)修正，進(jìn)而形成面向具體機(jī)械加工廠家的專用專家系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)機(jī)械加工廠家在金屬切削中所需的具體車削信息，設(shè)計(jì)硬質(zhì)合金車削專家系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。在前臺(tái)用戶界面內(nèi)按照提示逐步選擇/輸入已知切削條件，運(yùn)行系統(tǒng)，中間處理層從前臺(tái)讀取已知條件、按照要求訪問后臺(tái)數(shù)據(jù)庫并作相應(yīng)的處理，得到金屬切削所需的刀具、切削速度等具體車削信息并在前臺(tái)用戶界面層中顯示。

圖1車削專家系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

Fig.1Turning expert system overall architecture diagram

數(shù)據(jù)庫包括資料庫和由與切削數(shù)據(jù)的推薦相關(guān)的離散型知識(shí)和濃縮型知識(shí)組成的知識(shí)庫兩個(gè)子庫。其中，濃縮型知識(shí)主要是指通過實(shí)驗(yàn)而得到的以數(shù)學(xué)模型方式表示的實(shí)驗(yàn)性知識(shí)。采用這種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式可以解決知識(shí)庫中數(shù)據(jù)量大而且知識(shí)貧乏的缺點(diǎn)。

1.2 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)的主要功能有:(1)根據(jù)不同的工件材料、加工類型和范圍合理選擇刀具(包括刀片、刀桿等);(2)為金屬車削推薦選擇合理的切削參數(shù);(3)對加工效率和加工后的零件表面粗糙度進(jìn)行預(yù)測;(4)結(jié)合車削生產(chǎn)現(xiàn)場的實(shí)際工況，對切削速度推薦進(jìn)行自學(xué)習(xí)修正。

運(yùn)用IDEFO建模方法對系統(tǒng)功能進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將系統(tǒng)分為五個(gè)獨(dú)立的功能模塊(見圖2)

，即:系統(tǒng)管理、普通車削、切斷切槽、螺紋車削和數(shù)據(jù)管理模塊，方便系統(tǒng)使用和維護(hù)。其中，切斷切槽模塊功能結(jié)構(gòu)與普通車削模塊相似，圖2對切斷切槽模塊作了省略。

圖2車削專家系統(tǒng)功能模塊圖

Fig.2Turning expert system function block diagram

1.3 數(shù)據(jù)庫組成

數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)是由車削專家系統(tǒng)具備的功能決定的。按設(shè)計(jì)要求，用戶首先在具體的車削模塊中選擇或輸入已知加工條件(加工范圍或類型、工件材料等)，系統(tǒng)提供所選材料的物理使用性能和其他信息并逐步給出推薦使用的刀片牌號、槽型;用戶選擇其中的一種并輸入刀具期望耐用度等已知條件，系統(tǒng)最后推薦給用戶合理優(yōu)化的刀具和切削用量等車削參數(shù)。因此，數(shù)據(jù)庫中主要包含的子庫(以普通車削數(shù)據(jù)庫為例)如圖3所示。

圖3普通車削數(shù)據(jù)庫

Fig.3General turning database

根據(jù)硬質(zhì)合金車削刀具樣本和切削實(shí)驗(yàn)所得到的切削用量數(shù)學(xué)模型，可以確定每個(gè)數(shù)據(jù)表的具體結(jié)構(gòu)。以車削刀片的選用為例，過程流如圖4所示。主要數(shù)據(jù)表的字段設(shè)計(jì)如下[6]:

工件材料庫:(工件材料編號，工件材料類別，牌號，硬度，抗拉強(qiáng)度，密度，其它信息);

刀片牌號庫:(刀片牌號編號，工件材料類別，加工范圍，刀片牌號);

刀片槽型庫:(刀片槽型編號，刀片牌號，加工范圍，刀片槽型);

刀片型號庫:(刀片槽型，刀片牌號，刀片型號);

切削速度數(shù)學(xué)模型庫:(工件材料類別，刀片牌號，數(shù)學(xué)模型系數(shù)，數(shù)學(xué)模型指數(shù)，數(shù)學(xué)模型修正值)。

圖4車削刀片推薦過程流圖

Fig.4Process flow diagram of turning blade recommendation

不同的數(shù)據(jù)表之間存在相同的字段，通過它們將各個(gè)數(shù)據(jù)表進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)多重?cái)?shù)據(jù)庫文件的連接運(yùn)算。

2 切削用量數(shù)學(xué)模型的建立

切削用量是硬質(zhì)合金車削專家系統(tǒng)需要處理的最基本、最重要的數(shù)據(jù)。影響切削用量的因素很多，如工件材料與刀具材料的匹配、切削方式、刀具幾何形狀、冷卻液等[7]。出于建立模型的可行性和實(shí)效性，本部分考慮工件材料與刀片牌號的匹配，對于每一類工件材料，選取基準(zhǔn)材料分別開展不同牌號副下的正交切削實(shí)驗(yàn)，得出基本材料數(shù)學(xué)模型;對于同類其他材料，通過相似材料切削速度計(jì)算方法實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)模型的建立。

2.1 基準(zhǔn)材料數(shù)學(xué)模型

本文采用優(yōu)化的正交實(shí)驗(yàn)方法得到“基準(zhǔn)材料——刀片牌號”副的刀具耐用度和切削用量三要素之間的非線性關(guān)系，即刀具耐用度的擴(kuò)大泰勒公式。模型建立過程如圖5所示。

以P類鋼材為例，切削用量數(shù)學(xué)模型的具體建立過程如下:

(1)選“基準(zhǔn)材料——刀片牌號”副

對45、42CrMo進(jìn)行典型條件下的切削實(shí)驗(yàn)，分析加工性能的差異，最終確定基準(zhǔn)材料為45鋼，取P類車刀牌號中的一種:YBC351。

(2)確定實(shí)驗(yàn)條件

刀片型號:CNMG120408-DM，基準(zhǔn)材料熱處理、硬度:正火、HB170~190，實(shí)驗(yàn)機(jī)床:HAAS SL-40數(shù)控機(jī)床、CK7525數(shù)控機(jī)床，切削方式:連續(xù)、干切削。

Fig.5Cutting parameters mathematical modeling flow diagram

(3)切削方案設(shè)計(jì)

采用優(yōu)化的正交實(shí)驗(yàn)，即切削速度 和進(jìn)給量 各變化3次，被吃刀量 變化2次的6點(diǎn)正交實(shí)驗(yàn)，如表1所示。

(4)正交切削實(shí)驗(yàn)

按照表1進(jìn)行正交切削實(shí)驗(yàn)，記錄每次實(shí)驗(yàn)不同時(shí)刻的刀片主后刀面磨損量。

(5)數(shù)據(jù)處理

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制磨損量 和時(shí)間 的曲線，從 曲線中讀取磨鈍標(biāo)準(zhǔn) 時(shí)的時(shí)間 ，得到( )。耐用度公式形式[8] 為:

(1)

其中:

not;—與失效形式有關(guān)的科學(xué)計(jì)數(shù)系數(shù);

， ， —與工件和刀具材料有關(guān)的指數(shù)。

根據(jù)最小二乘法得到“45—YBC351”副的回歸經(jīng)驗(yàn)公式為:

(2)

(6)置信度分析

將各次實(shí)驗(yàn)切削用量參數(shù)分別代入耐用度回歸公式(2)，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和回歸公式的可靠性進(jìn)行置信度分析。若某次實(shí)驗(yàn)?zāi)陀枚壤碚撝祵?shí)際值的誤差大于20%，則按圖5返回重新進(jìn)行該試驗(yàn)號下的切削實(shí)驗(yàn)，直到將誤差控制在20%內(nèi)得到最終優(yōu)化的基準(zhǔn)材料數(shù)學(xué)模型:

(3)

2.2 同類其他材料數(shù)學(xué)模型

考慮到切削用量的選取與工件材料的物理使用性能有關(guān)，因此，根據(jù)基準(zhǔn)材料數(shù)學(xué)模型對同類其他材料采用相似材料切削速度計(jì)算方法實(shí)現(xiàn)模型的建立。公式為:

(4)(5)

其中:

—所選材料和基準(zhǔn)材料的硬度之比;

—所選材料和基準(zhǔn)材料的抗拉強(qiáng)度之比;

—所選材料和基準(zhǔn)材料的密度之比。

2.3實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證

由公式(2)可以得出YBC351加工45鋼時(shí)任意切削參數(shù)下的刀具耐用度。如將代入公式(2)，得:

min。在此參數(shù)下，刀具的實(shí)際耐用度為6.2min，與理論值的誤差為(7.3-6.2)/7.3=15%。

以上說明該回歸公式基本正確，尤其在刀具以正常切削參數(shù)切削時(shí)，理論與實(shí)際誤差基本上在15%以內(nèi)，可以認(rèn)為回歸顯著。

3 自學(xué)習(xí)功能研究

當(dāng)實(shí)際工況與切削用量數(shù)學(xué)模型建立時(shí)的實(shí)驗(yàn)工況不同時(shí)，采用系統(tǒng)所推薦的切削速度進(jìn)行加工得到的實(shí)際刀具壽命會(huì)與期望值有出入。自學(xué)習(xí)是為了使系統(tǒng)能很好地滿足具體機(jī)械加工廠家對推薦的切削速度或預(yù)測的刀具壽命精確度方面的要求，考慮生產(chǎn)現(xiàn)場采用的切削方式、冷卻液等因素對切削用量數(shù)學(xué)模型的影響，采用向試切削實(shí)際值逼近的方法實(shí)現(xiàn)理論模型的自適應(yīng)修正。

自學(xué)習(xí)方法實(shí)現(xiàn)過程如下:

a. 用戶在選定“工件材料——刀片牌號”副后給出進(jìn)給量、被吃刀量和期望刀具壽命，系統(tǒng)推薦的切削速度為:

(6)

b. 用戶采用系統(tǒng)推薦的參數(shù)進(jìn)行試切削，實(shí)際刀具壽命為 (不等于 )，需要對模型進(jìn)行自適應(yīng)修正。

c. 固定各指數(shù)和系數(shù)，將( ， ， ， )代入公式(6)，并用系數(shù) 對模型進(jìn)行修正。即:

(7)

d. 由公式(6)、(7)可得:

(8)

e. 考慮現(xiàn)場數(shù)據(jù)的可靠性對 分配權(quán)值 [6]，設(shè)上次切削速度自適應(yīng)修正系數(shù)為 、本次為 ，則:

(9)

f. 最后經(jīng)過自學(xué)習(xí)修正后的切削速度為:

(10)

用戶根據(jù)系統(tǒng)推薦的切削參數(shù)進(jìn)行試切，如果發(fā)現(xiàn)效果欠佳，可在系統(tǒng)自學(xué)習(xí)模塊輸入實(shí)際刀具壽命，系統(tǒng)按照以上算法實(shí)現(xiàn)模型修正。

4 專家系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用

4.1 系統(tǒng)開發(fā)

本文利用SQL Server2000數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和Delphi 6.0“可視化”程序開發(fā)工具[9]實(shí)現(xiàn)對硬質(zhì)合金車削專家系統(tǒng)的開發(fā)。以普通車削模塊為例(其操作界面見圖6)，用戶選擇“普通車削——加工范圍(如:精加工)”則進(jìn)入界面;按照切削加工順序，依次選擇/輸入工件材料及其物理使用性能、刀片牌號、槽型、切削用量或刀具期望壽命等加工信息，系統(tǒng)推薦給用戶所需的刀具型號、切削速度/刀具耐用度和其他切削加工數(shù)據(jù)(如:切削功率)。

圖6專家系統(tǒng)普通車削模塊

Fig.6General turning module of expert system

4.2 生產(chǎn)現(xiàn)場應(yīng)用

武漢某重型機(jī)床廠對該系統(tǒng)進(jìn)行了生產(chǎn)現(xiàn)場應(yīng)用，用來指導(dǎo)機(jī)床工作臺(tái)的加工。被加工零件:工作臺(tái)(直徑 2000~3000mm)，材料:HT300，刀片牌號:YBD152，選用刀片:SNMG190616-DR，切削參數(shù): ， ， 。

觀察刀片磨損狀態(tài)，直至壽命終止，此時(shí)YBD152- SNMG190616-DR刀片加工HT300的實(shí)際、理論和經(jīng)過自學(xué)習(xí)修正后的刀片壽命如表2所示。

由表2數(shù)據(jù)可知:

a:推薦參數(shù)準(zhǔn)確。在相同的工況下，理論與實(shí)際刀具壽命值相差不超過10%，特別是經(jīng)過自學(xué)習(xí)修正后推薦的刀具壽命更趨于實(shí)際值，能夠很好地指導(dǎo)生產(chǎn)。

b:適用性廣。取回歸公式建立時(shí)所采用切削參數(shù)范圍之外的其他值，推薦的刀具壽命理論值和實(shí)際壽命也能很好地吻合。

此外，對本機(jī)床工作臺(tái)和其他零件進(jìn)行多次切削驗(yàn)證，表明系統(tǒng)重復(fù)應(yīng)用可靠性高和通用性強(qiáng)的特點(diǎn)。

5 結(jié) 論

1) 采用切削實(shí)驗(yàn)得出的濃縮型數(shù)學(xué)模型方式存儲(chǔ)切削用量，克服了知識(shí)庫中數(shù)據(jù)量大而且知識(shí)貧乏的缺點(diǎn);

2) 能夠在通用切削工藝條件下推薦合理優(yōu)化的刀具、切削速度和預(yù)測刀具壽命、加工效率以及零件表面粗糙度等參數(shù);

3) 自學(xué)習(xí)功能模塊可以使系統(tǒng)調(diào)整為符合具體機(jī)械加工廠家的專用車削系統(tǒng)。

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