基于知識的工藝問題解決方法研究

張 喆，王慶文，周建慧，陳少恒，李龍雨，高 鵬

（北京航空航天大學，北京 100191）

0 引言

機械制造過程受到多種工藝因素的動態影響，如刀具的磨損、環境溫度的波動和原材料性能的差異等，每一種因素都對具體的工藝有不同的影響，而且這些因素之間也存在相互影響，這為工藝問題的解決帶來了極大困難。然而，企業豐富多樣的知識資源可以幫助工藝人員來對問題做出判斷和提出解決方法，使企業擺脫設計得出產品，卻難以制造出合格產品的困境。目前針對工藝問題解決的研究很廣泛，文獻[1～3]等針對某一零件加工或是加工中出現的某一類工藝問題的解決進行論述，文獻[4]闡述了通過合理利用工藝知識來改善工藝設計質量的問題，文獻[5]和[6]則研究將TRIZ理論引入到工藝領域，實現問題的創新解決。

近年來，國內制造企業已經注意到工藝知識的重要性，陸續使用了多種工藝知識管理系統。然而工藝知識管理系統的建立，絕不僅僅是為了獲取知識和保存知識，更重要的是為了知識重用和知識創新。目前，針對工藝知識的應用以面向知識為主，即根據用戶的知識需求，以檢索為手段來提供知識，本文探討提出一種面向問題的知識應用方法，方法的核心思想是圍繞待解決的問題來提供各類相關知識，并最終集成為綜合的問題解決方案。在此思想指導下，本文提出一種包容多種工藝問題解決方法的框架結構，在解決工藝問題的過程中通過不同方法提供不同知識來共同幫助解決問題。

1 基于知識的工藝問題解決方法分析

當人們遇到一個工藝問題時，最直接的反應是將問題歸類，然后從中找出以往處理過的類似問題的相關經驗知識，即通過了解以前類似問題的解決方法來解決新問題。當缺乏此類知識時，人們通常考慮從一些已有的、成熟的工藝知識中獲取幫助，這些知識是工藝加工過程中總結出的、一般工藝人員都熟練掌握的一類知識。當此類知識依然難以解決問題時，可能需要請教他人，而這種做法的實質是通過了解他人在生產過程中積攢的經驗知識來解決問題。當這些現有工藝知識都無法解決問題時，則可以嘗試將一些專業領域外的知識應用到工藝問題的解決中來，實現問題的創新解決。

通過上述分析可知，面對一個工藝問題，有4類知識可以為問題的解決提供幫助。其中，運用解決舊有相似問題的知識來解決新問題的方法中，比較常見是基于案例推理的方法。使用案例推理來解決工藝問題的過程中，以案例的形式承載知識，案例即是知識的單元，這便于知識的組織、分類，有利于快速的檢索和匹配，實現問題的解決，以下給出工藝問題解決案例知識的定義，

定義1 工藝問題解決案例知識是記錄著包括問題描述、分析直至解決方案在內的工藝問題解決全過程的知識集合。

前文提到的一般工藝人員熟練掌握的知識，這里稱為工藝原理知識，下面給出工藝原理知識的定義，

定義2 工藝原理知識是來源于書本、工藝手冊及工藝規程等的具有較強指導性的知識。

由工藝原理的定義不難發現，工藝原理知識是生產過程中總結出的具有較高的成熟度和普遍適用性的一類知識，充分運用這些知識可以明確常見工藝問題的解決方向。基于規則的推理是工藝領域中一種運用廣泛的提供成熟知識的問題解決方法，然而由于使用結構化數據描述和提取規則比較困難，且工藝問題影響因素眾多，推理難度大，這使得運用基于規則的推理技術解決工藝問題的效果不盡理想。本文提出了一種基于影響因素的工藝問題解決方法，通過對問題影響因素的定位，提供適當的工藝原理知識來解決問題，關于方法的具體情況將在下一節論述。

定義3 工藝經驗知識主要是指在生產加工實踐中積累的經驗、技巧和決策性知識。

工藝經驗知識一般是具體生產中的一些加工技巧和訣竅，多存在于專家的頭腦中，具有較強的針對性，可有效解決加工中遇到的具體的工藝操作和工藝決策等問題。隨著知識管理系統在企業中的推廣，通過采用隱性知識顯性化等手段，對這部分知識的管理日趨成熟。面對知識管理系統中大量的經驗知識，傳統的基于關鍵字的檢索已經難以滿足人們的需求，作為一種能夠快速準確地檢索到所需信息的技術手段，知識檢索更適合從海量工藝經驗知識中搜索解決問題的相關知識。

在各類工藝知識都不足以輔助問題解決的情況下，可以轉而尋求一些創新性知識，一些外部領域的知識。TRIZ是蘇聯的G.S.Altshuller教授及其領導的一批研究人員自1946年開始在研究世界各國250萬件專利的基礎上提出的是一套能夠解決創新問題的邏輯方法。TRIZ理論主張利用跨學科，跨領域的知識徹底解決本領域問題中所存在的矛盾，而不是傳統上所采用的折中的解決方式。通過采用TRIZ提供各種分析工具、算法來分析和解決問題，并提供解決問題的參考知識，可有助于打破思維定勢，實現工藝問題的創新解決。

由前面的分析可知，四種工藝問題解決方法分別以四類知識為核心，可以在不同角度輔助工藝問題的解決，具體如表1所示。

表1 基于知識的工藝問題解決方法

2 工藝問題解決框架

通過前面的分析， 四類知識在相關方法的支撐下，可以從不同的角度輔助問題的解決。然而，一些復雜工藝問題的解決，已經不是可以依靠一條知識、一個工藝過程案例所能解決的。例如，面對一個工藝問題，僅僅依靠基于CBR的解決方法，一旦出現沒有適當參考案例的情況，問題的解決將難以進行下去。又如，當單獨使用基于TRIZ的解決方法，又難以保證問題的解決符合實際，這就又需要其他方法來提供知識支撐。單獨采用一種方法很難保證工藝問題的解決，但多種問題解決方法的組合，不僅可以從不同角度和不同層次來解決工藝問題，其解決復雜問題的能力也遠大于單獨使用任意一種解決方法。因此，為了最大程度實現問題的解決，充分發揮各解決方法整合解決問題的能力，本文提出了一種分層解決工藝問題的框架結構，該框架根據問題解決的需要，分層次的使用不同解決方法來提供知識幫助，圖1是基于分層思想的工藝問題解決平臺總體框架結構。

圖1 工藝問題解決平臺總體框架結構圖

如圖1所示，框架包含4個層次，每個層次均提供不同的工藝問題解決方法，分別是基于工藝問題案例的解決方法、基于工藝原理的解決方法、基于知識檢索的解決方法和基于TRIZ的解決方法。通過分析可以發現，基于CBR的解決方法便于快速的提供解決方案，基于工藝原理的解決方法著眼于分析問題后提供解決方案，基于知識檢索的解決方法適用于目標明確地提供經驗知識，而基于TRIZ的解決方法適合提供開創性解決方案。據此，將4種解決方法應用于解決過程的不同階段中，基于分層框架的工藝問題解決，主要分為五步：描述問題、分析問題、解決問題、綜合方案和輸出。描述問題不僅僅是對問題簡單的文字描述，而且需要重新認識、深入了解問題，達到對問題有效定位的目的。問題的描述信息包括問題產生的背景信息、問題現象的描述信息及后續其他方法解決問題時所需的特定信息。要解決所發現的問題，必須明確問題的性質，也就是弄清有哪些矛盾，它們之間有什么關系，以確定所要解決的問題要達到什么結果，進而找出關鍵矛盾。獲取了問題的描述信息之后，基于工藝原理的解決方法將分析工藝問題產生因素，并將其以規范的形式進行表達，以供在解決問題時提供知識。在解決問題這一步中，四種解決方法分別提供解決工藝問題的方法，基于工藝問題案例的解決方法提供的是采用查詢問題案例分類樹的方法，基于工藝原理的解決方法提供的是分析問題工藝矛盾因素的方法，基于知識檢索的解決方法提供的是由本體技術支撐的知識檢索方法，基于TRIZ的解決方法則根據自身算法、工具對問題分析與解決。最終，各解決方法提供的知識在規范化后匯總于工藝問題案例上，形成最終的解決方案，形成的方案可以根據具體需求進行輸出。

包容多種解決方法的框架，不是簡單的提供各種解決方法，而是充分融合各個方法，這使得

框架中的解決方法不再是單獨解決問題，而是盡可能的協同工作，在發揮出各自獨特作用的同時，形成了一個功能完善的整體。另外，由于框架的結構與常規的工藝問題解決流程相吻合，這符合工藝人員解決問題的思維邏輯，便于問題的快速解決。

3 基于工藝原理的工藝問題解決方法

在加工過程中總結出的工藝原理，對于常見的工藝問題可以提供較好的知識支持。而面對一個工藝問題，如何選擇合理的工藝原理知識，其本質是如何快速有效的建立起該問題與相關工藝原理的聯系。然而，由于工藝問題的種類多種多樣，產生的原因各不相同，一個薄壁件變形的問題就涉及到毛坯、切削參數、刀具、工件、裝夾方式和機床等多種影響因素，直接建立工藝問題與工藝原理的聯系的效果難以理想。在這種情況下，依靠分類的方法可以較好的克服這些困難。當出現一個問題時，將該問題映射到給定的類別中，通過提供該類問題相對應的工藝原理知識，也就為解決該問題提供了指導方法。由于工藝問題的解決大量依靠經驗知識，對于問題的解決尚未形成大量完善的理論支撐，使得工程領域中常規的基于故障分析樹的分類方法難以運用。通過分析大量工藝問題發現，工藝系統中的各類因素結合人為因素、環境因素等共同引發了工藝問題，這些因素相互沖突是問題產生最直接的原因。引起工藝問題的原因往往正是一個或幾個工藝因素的變化帶來的負面影響，這些因素是有限的，那么兩兩因素間的沖突形成的問題也是有限的，這些問題可以直接關聯工藝原理，采用工藝原理來消除這些因素間的矛盾，實現問題的徹底解決。產生一個工藝問題有多個因素，了解其中兩個因素相沖突所導致的問題的工藝原理不一定能夠解決工藝問題，但是通過了解其他因素引起的問題的相應工藝原理，可以從多角度了解工藝問題可能的解決方法，最后運用邏輯思維和創造性思維把匹配的工藝原理集成起來,形成當前問題的解決方法。由此，本文借鑒TRIZ關于矛盾矩陣的思想，提出了基于矛盾矩陣的工藝問題解決方法。該方法的核心是構建工藝問題矛盾矩陣，矩陣由三部分組成：工藝矛盾參數、工藝問題及工藝原理知識。工藝矛盾參數是對工藝過程中可能對工藝質量產生影響的因素的總結,此處的工藝問題指有對應工藝矛盾參數沖突所產生的典型工藝問題。

為了解決工藝問題，將工藝矛盾參數間的矛盾關系以圖2中的矩陣表形式表示，圖中第一行和第一列都是工藝參數。不同的是，第一列所列的是工藝系統需要改善的參數的名稱，而第一行所列的是工藝系統在改善參數的同時可能導致惡化的另一個參數的名稱。在矩陣單元格內的問題，均為典型的工藝問題，每一工藝問題都有與之對應的原理知識，這些原理知識是解決此工藝問題的優先參考。在應用工藝矛盾矩陣解決實際問題的時候，選擇影響工藝問題產生的某兩個因素轉化為工藝矛盾參數，由兩個參數在矛盾中確定單元格，在該單元格中選定問題，再由此獲得解決此問題的工藝原理知識。例如當遇到一個刀具熱變形問題的時候，考慮可能是由改變加工運動參數（如切削速度），導致的其與溫度的矛盾引起的。在工藝矛盾矩陣中找到這兩個參數，對應到相應的單元格，找到變形問題，進一步查詢可知，解決該問題可以依靠降低切削速度、改善冷卻情況等知識，其過程如圖2所示。

工藝系統由工件、機床、刀具和夾具組成，在總結工藝問題矛盾因素時，重點分析了此四部分在生產過程中其自身因素所可能帶來的工藝問題，如工件的材料、結構等因素。進而，分析了工藝系統加工過程中涉及到的加工運動參數（如切削速度、進給量等）、控制參數（如機床運行參數等）、環境參數（如溫度等）和加工效果參數（如生產率、表面質量等）等四類參數在工藝問題產生中發揮的影響。最后，借鑒TRIZ有關矛盾參數的思想將所有因素按照物理、化學、幾何、工藝等類型進行歸納分類，總結出了13個工藝矛盾參數（表2）。這些參數的提出有助于實現具體問題關鍵信息的一般化表達，相較于TRIZ的矛盾參數，這些參數對工藝問題的解決更具有針對性，更適合描述工藝系統所發生的問題，方便工藝人員對工藝問題的定位，提高解決問題的效率。

這種方法通過2個參數來快速定位問題類型，進而獲得解決該類問題的工藝原理知識。當引起問題的原因是單因素時，該方法也可以將問題定位為自身矛盾引起的問題（如速度與速度之間的矛盾），多于兩個因素時，任意選擇兩個因素也可以快速定位問題。同時，由于采用基于工藝矛盾矩陣來解決工藝問題的本質是發現問題中的矛盾因素，在確定因素的過程中實際上也是分析問題的過程，這有利于抓住問題的本質來解決問題。

圖2 工藝問題矛盾矩陣的使用流程

表2 工藝矛盾參數

4 實例分析

本文按上述思想，開發了基于知識的工藝問題解決平臺。平臺以課題組先期開發的企業工藝知識管理系統TechKnowhow為基礎，該系統可以對加工過程信息以案例形式完整保存和呈現，并能有效的管理包括工藝原理知識、工藝經驗知識以及情報資料等多種企業知識資源。系統主要特色是以工藝過程作為知識的載體，通過與工藝業務活動相結合實現工藝經驗知識的隨時獲取，解決了隱性工藝知識表達和獲取的瓶頸。下面以某雷達罩聯接環銑削加工變形問題案例[1]為例來驗證工藝問題解決平臺，以下是該問題的相關信息。

該聯接環的材料為鋁合金7050-T7451，總體長度 727.8mm，總體寬度 483.5mm，高度 47mm，最小壁厚小于 1.2mm，屬于典型薄壁零件，加工中出現加工變形問題，最終提出的解決方案包括：1）制定合理的加工路徑；2）選用合理的切削參數和刀具參數；3）采用輔助支撐。

表3 平臺在解決該加工變形問題過程提供的知識

采用工藝問題解決平臺來解決該問題，各層次（模塊）分別針對問題提供了不同的知識，具體知識如表3所示。

其中，在問題描述模塊通過分析確定了問題的工藝矛盾為加工運動參數與幾何參數（即由于提高切削速度導致的聯接環變形），在工藝原理模塊（如圖3所示）獲取了解決加工變形的關工藝原理知識，包括改善切削力和剛度。

5 結論

本文通過分析解決工藝問題的知識構成，將工藝問題解決過程中可能需要涉及的四類知識分階段提供給解決問題的流程，在此基礎上，提出了基于知識的工藝問題解決框架。以造成工藝問題的矛盾因素為切入點，提出了通過定位矛盾因

圖3 工藝問題解決平臺工藝原理模塊

素來明確問題本質，進而獲得解決該類型問題工藝原理的方法。文中以某雷達罩聯接環銑削加工變形案例為例，實現了基于問題解決框架的工藝問題解決平臺解決工藝問題的基本過程，各方法的協同工作，不僅突顯了各類知識在解決問題中發揮的獨特作用，同時也較好的驗證了框架的包容性。通過對問題的分析，平臺提供了解決薄壁件變形的相關工藝原理知識，驗證了基于工藝矛盾矩陣提供工藝原理方法的有效性。平臺可以在企業生產過程中指導工藝人員解決工藝問題，并能在一定程度上啟發創新靈感，降低解決工藝問題的難度。

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