冷彎成型設備制造中的專家系統應用研究

李國昌楊　仙

（1.河北科技大學經濟管理學院，石家莊050018；2.河北工業職業技術學院，石家莊050091）

冷彎型材得到了廣泛應用，其質量很大程度上取決于冷彎型材制造設備和軋輥孔型的設計與制造質量。由于冷彎成型過程中存在不可預測的情況，成型設備的設計很難用規范的數學表達式實施。如何將人工智能方法合理地引入冷彎成型設備的設計中，同樣是較難實施的問題，需要解決知識庫和推理機制如何構造，以及針對不同的設備設計引入不同的知識表示和推理方法，推理樹如何產生等。

冷彎型鋼和方矩管的制造由冷彎成型設備完成，構成冷彎成型機組的設備大致有:開卷機、剪切對焊機、活套、主機、軋輥、飛鋸、矯直機、輥道、打包機等。在設計和生產這些設備時，會用到人類的經驗知識。經驗知識的使用與人的實際經驗密切相關，不同的設計人員會使用不同的經驗知識，從而導致設計效果不同。如何將良好的經驗知識用于設備設計中，設計出優質的設備，是冷彎成型設備設計中的重要問題。但冷彎成型設備種類較多，所用的經驗知識也不盡相同，如何建立冷彎成型設備的智能化專家知識系統，成為較好地使用專家知識的關鍵。

1　專家知識的分類

由于各種冷彎成型設備的作用和結構不盡相同，在設計過程中所使用的專家知識也就不同。要建立設備設計專家系統，必須針對不同設備應用不同的經驗。所以要先將專家知識進行分類，然后再針對性使用。知識的分類有多種方法，針對冷彎成型機組中各設備功能獨立性較強的特點，采用模塊化分類方法。即對機組中各功能設備知識進行綜合提煉，構成該設備的知識模塊，機組設備與知識模塊的對應關系如圖1所示[1]。

圖1　機組設備與知識模塊對應關系

2　專家系統的構成

專家系統的核心邏輯部件由推理機和知識庫兩部分構成。推理機負責推理，找出用戶提出問題的答案或解。知識庫存放的是解決問題的知識，這種知識可以是推導的算式，也可以是人類的經驗知識。在解決問題時，專家系統根據用戶提出的問題到知識庫中調用相關知識到推理機，推理機根據知識啟動推理機制，最終推出解決問題的方案或給出無解提示（一般是因為知識庫的知識不夠，不足以解決當前用戶的問題）。

此外，專家系統還需要用戶輸入界面和答案輸出界面、保存獨立的知識庫和中間結果存放空間等，基本的專家系統構造和知識庫構造如圖2所示[2]。

圖2　專家系統與知識庫構造圖

3　專家系統求解過程

專家系統求解過程有多種方式，主要有2種:①用戶提出問題專家系統給出答案；②專家系統給出屬性判斷，由用戶僅答“Yes”或“No”，最后確定答案。前者問題的針對性較強，后者的運行效率較高，不需用戶鍵入多個文檔，僅按“Y”或“N”鍵即可。如圖3所示[3]，用戶答“Y”則繼續掃描下一個屬性結點，答“N”是掃描下一個鏈的第一個不同屬性。因為下一屬性鏈與上一屬性鏈的相同結點已在上一屬性鏈得到掃描，所以跳到下一屬性鏈的沒掃描的結點開始判斷。

圖3　相同屬性結構指針跳躍掃描圖

4　專家系統在冷彎成型設備設計中應用

雖然說專家系統中的知識可以是算式形式的，也可以是經驗形式的，但一般情況是經驗形式的，這是因為算式形式的知識規律性較強，可以直接通過運算獲得結果。而經驗形式的知識規律性較差，用于專家系統更為合適。

冷彎成型設備有多種，其專家系統中應存放著不同設備的非算式形式專家知識。根據專家系統的一般構造拓展出冷彎成型設備設計專家系統的構造，如圖4所示[4]。

圖4　冷彎成型設備設計專家系統構造圖

由于各種冷彎設備的差異性，專家系統的知識構造和推理機也不盡一致，下面主要討論較難的一種——孔型設計專家系統構造與應用。

5　孔型設計專家系統的應用討論

孔型設計的一般步驟是:①確定坯料寬度；②確定型鋼對水平輥中心線位置；③選擇型鋼成型基本中心線及基準線段；④確定型鋼過渡斷面數量和形狀（俗稱輥花圖）；⑤畫斷面軋輥圖和單個軋輥及輥片圖；⑥導衛及輔助工具設計繪圖。

5.1　坯料寬度確定中的專家知識應用

坯料總寬度計算公式為

式中:bwi—各彎曲弧段寬度，

bzi—各直線段寬度；

ai—彎曲區之間對應角；

ρ—彎曲區段中性層圓弧半徑，ρ=RB+KS0,mm；

RB—彎曲區內圓弧半徑；

S0—坯料厚度[5]。

K值與坯料的厚度和彎曲程度有關，K值的選擇在工程上采用一些經驗或試驗數據。這些數據可以作為專家知識存放在專家系統的知識庫中，一旦進行坯料寬度計算，需要計算ρ時，可利用專家系統的知識和推理給出相對應的值。

確定K值專家系統推理樹舉例如圖5所示。在該推理樹中，也可以加入專家經驗修正。

5.2　確定型鋼對水平輥中心線的位置

型鋼在軋制成型時的位置與其使用位置是不一樣的。其軋制位置主要考慮成型方便和精準。

圖5　確定K值的專家系統推理樹

水平輥的中心線是水平輥的軸向中心，它是軋制過程中型鋼在孔型中心的對稱點，合理地確定型鋼對水平輥中心線的位置，可以為整個軋制過程提供通暢的、受力均衡的軋制通道。

型鋼有多種斷面形狀。對稱型的可采用對稱基準線與水平輥中心線重合的方法確定型鋼與軋輥水平中心線的位置，但要考慮軋輥切槽不宜過深，寬、高比不宜過大等因素。非對稱型一般采用型鋼的基本中心線與水平輥中心線重合成有一個常數C距離的方法，這樣便于控制軋制過程。

根據上面的型鋼對水平軋輥中心線的位置確定方法，可建立相應的專家推理樹，如圖6所示。

圖6　確立型鋼對水平軋輥中心線位置推理樹

5.3　型鋼基本中心線的選擇

型鋼基本中心線是指在坯料縱向上，縱貫各過渡斷面，在成型過程中始終不改變其位置的一條直線。正確選擇基本中心線對于非對稱斷面的型材軋制非常重要，主要的確定原則有:①基本中心線兩邊彎曲次數應盡可能相等；②基本中心線兩邊成型水平力（彎曲力、拉伸力）盡量平衡；③基本中心線盡可能通過斷面最低部分，以增加成型過程坯料的穩定性[5]。

上述3個原則作為專家系統中心專家知識，用于確定型鋼基本中心線，推理樹如圖7所示。

圖7　型鋼基本中心線的選擇推理樹

5.4　確定型鋼過渡斷面數量和形狀（輥花圖設計）

確定軋制道次數和彎曲角是孔型設計中最難解決的問題，需要根據用戶要求的斷面進行力和彎曲角的拆解。斷面彎曲角個數越多越復雜，軋制道次和彎曲過渡角的設計就越困難，單靠數學計算式是無法完成設計任務的。根據企業實際制造用的型鋼斷面形狀與成型道次間的關系，將型材斷面分為4類:對稱斷面、非對稱斷面、寬幅斷面、方矩管和圓管。根據實際成型彎曲角數n，建立與軋制道次的對立關系，如圖8所示。

圖8　各種輥式彎曲截面型材的成型道次與彎角數的關系

由圖8可以看出，冷彎成型的成型道次，由斷面的對稱性、板厚、彎曲角個數和大小決定。

在孔型設計中，確定軋制道次非常重要，因為確定了軋制道次和各道次彎角數就確定了孔型和各道次的軋輥形狀。目前常用確定道次的方法之一是引入形狀因子函數，與斷面總彎曲角數n，板料厚度t，左右立邊長度之和F有關系，對于對稱斷面形狀因子函數為:

根據實際設計經驗知識，形狀因子函數與各種斷面型材的軋制道次的對應關系如圖9所示。

圖9　對稱斷面的形狀因子與軋制道次關系

設計人員可以通過圖9，在計算結果得出的情況下，確定軋制道次。由于此圖是專業經驗的總結，所以將其作為專家系統中的設計知識內容更為合理。

對于非對稱斷面型鋼的形狀因子函數，在不斜軋的情況下，基準線兩邊各自計算分開形狀函數最后求和，即

式中:F1—中心線左邊的立邊長度；

F2—中心線右邊的立邊長度；

n1—中心線左邊彎曲角個數；

sn2—中心線右邊彎曲角個數。

斜軋L型鋼如圖10所示。在斜軋的情況下，設置某一頂點為基準線，形狀因子函數為

圖10　斜軋L型鋼狀態圖

如果道次不精準，可以加入專家知識進一步調整，但調整道次一般在一道或二道。

對于寬幅斷面成型道次的形狀因子函數，是由加工前鋼板寬w1與制品寬w2的比值，波高h和波數n計算得到，即成型道次與形狀因子函數之間的關系如圖11所示。

圓管成型較為簡單，不需要設置形狀因子函數，近年來一般采用W成型法，其定徑道次采用固定的7道次成型，6道次立輥，共13道次完成軋制。專家系統推理樹結構如圖12所示。

圖11　寬幅斷面的形狀因子與成型道次關系

圖12　道次確定的專家知識推理樹結構

5.5　成型彎曲角的確定

成型彎曲角的確定與成型道次數的確定同樣重要，根據解析幾何的方法，得到對稱斷面彎曲角計算公式,

式中:θi—第i道次的成型彎曲角；

θ0—立邊最終彎曲角；

N—總變形道次數。

為了調整軋輥角度分配，式（6）加入了變動指數K。

K值可選±0.1，±0.2，……，選正值可使成型前段部分彎曲角度增量小，選負值則相反。

非對稱斷面與對稱斷面軋輥彎曲角度分配基本相同。

寬幅斷面軋輥彎曲角分配公式為

式中:θi—第i道次的彎曲角；

q—波紋斜邊長；

a—波紋頂邊長；

b—波紋底邊長；

K—斷面單側波數；

yi—第i道次的半幅寬。

焊管軋輥彎曲角度分配方式有以下3種：

（1）單半徑方式

（2）邊緣彎曲成型方式

（3）雙半徑成型方式

專家系統推理樹模型如圖13所示。

圖13　彎曲角專家知識推理樹結構

需要指出的是，推理樹中的算式是專家系統中的定量知識，這些知識能夠基本確定彎曲角的度數，但不能精準確定。所以還需要專家的經驗知識對此加以修正，修正方法是專家憑多年的設計經驗，根據材料厚度、強度等直接給出。例:以某式計算出第一道次彎曲角為12°，但憑專家經驗13°較好，則定為13°。為什么定為13°，是專家根據情況憑經驗而定。關于此類的知識，收集起來較為困難，而且統一性較差，但這種知識處理問題的效率較高，有待于進一步開發。

5.6　過彎角確定

由于坯料在軋制過程中有回彈，所以在成型中要有一定的過彎量。因為成型過程主要是以角度變化為主，所以過彎量主要表現為過彎角的形式。過彎角受到坯料的物理和化學兩方面性能的影響，而且不能找到一個基本定量的算式，僅能在完成彎曲角計算的基礎上，利用專家系統經驗知識進行調整。表1給出了部分鋼材的力學性能，在長期的軋輥設計中，專家們積累了大量的過彎角知識，可根據不同材料、厚度、彎曲角大小等因素準確確定過彎角[7]。

確定過彎角的推理過程如圖14所示。

5.7　軋輥設計

道次、彎曲角和過彎角設計完成后，進行軋輥設計。軋輥設計的復雜性決定了智能化方法的復雜性。軋輥設計分為軋輥直徑、軋輥曲面和寬度等部分設計。首先要確定水平軋輥的軸徑，而軸徑由設計主機的人員根據原料的厚度和材質情況而定。然后是確定水平軋輥某一架的喉徑，喉徑根據機組參數確定。當該喉徑確定后才能確定其他各道次的軋輥喉徑及所有軋輥結構尺寸。軋輥軋制曲面設計是以輥花圖為基礎，再加上相應的過彎量，構成上、下輥的軋制曲面。軋輥的寬度設計是根據軋制曲面在輥軸上的投影寬度，再加上相應的邊緣構成。由于涉及內容較多，實施智能化方法較復雜。在這里僅提出基本構想[8]。

（1）將原料厚度、材質與對應的各道次輥軸直徑作為專家知識和參數送入知識庫。

（2）根據型材斷面幾何形狀、機組參數等確定喉徑的方法和參數送入知識庫。

（3）將利用喉徑確定各道次軋輥直徑的方法和參數送入知識庫。

（4）建立前向推理機制，根據用戶輸入的斷面幾何形狀、原料厚度和材質，依次推出輥軸直徑、喉徑和各道次軋制曲面，最后確定各次的各軋輥結構尺寸。

表1　部分材料性能

圖14　過彎角專家知識推理過程結構圖

6　專家系統的構建

能夠基本實用的專家系統應具備如下幾個模塊:①用戶輸入；②知識庫建立；③知識庫文件建立及調用；④推理機制構建；⑤系統輸出。

6.1　用戶輸入

用戶輸入是將用戶需要解決的問題送入專家系統。一般采用2種方案，一種方案是專家提問式，另一種是用戶問題輸入式。

6.2　知識庫構建

建立知識庫分為2部分，一部分是知識庫結構的建立，另一部分是知識的存儲。

知識庫是存儲專家知識的地方，所建的知識庫結構應能充分容納知識表示字段。在建立知識庫結構時，知識存儲單元應根據所需知識設置相適應的長度。知識庫是配合推理機解題用的，推理機在解題時，要調用和查詢知識庫中的知識，然后利用知識解題，所以知識庫的結構應便于搜索。為了便于搜索和合理利用存儲空間，將知識庫構建成鏈式結構，即有n組解結點，每組解結點對應著m個屬性，在解題時，通過屬性匹配求得解結點[9]。表達式為

式中:G—波紋斜邊長；A—屬性集合。

拓撲結構如圖15所示。

圖15　知識庫結構圖

6.3　知識庫文件建立與調用

建立知識庫時，根據專家系統要解決的問題，建立大小對應的知識庫。若建大型知識庫，則需在一個軟件開發平臺上建立，這個平臺會自動生成相應的知識庫文件。用戶在調用專家系統的時候將知識庫調入運行內存，這樣就不需單獨建立知識庫文件。如果建立小型的專家系統，不需要軟件開發平臺，則需建立知識庫文件。因為將知識送入知識庫時，僅僅存放在內存的知識庫中，一旦關機，知識則自動清除。為了保存輸入的知識，將其以文件的形式存入外存儲器。

6.4　推理機制的構建

推理機是專家系統中解題的核心機構，它根據用戶要解決的問題，調用知識庫中相關知識進行邏輯推理，并得到相應的解。根據知識庫中有專家提問和用戶問題輸入2種方式，推理機的邏輯推理也采用2種方法，一是提出問題判斷用戶給的是“Y”還是“N”，決定繼續推理和中止推理，最后得出答案；二是調用知識庫中的字符串，與用戶輸入的問題字符串進行匹配，如果匹配上，則給出解，若有一個不匹配，則另行討論。

由于知識庫采用了鏈式結構，所以推理機在推理中，應對屬性庫的各特點進行掃描、比較、判斷，以得出結論。推理機制一般有2種形式:前向推理和后向推理。前向推理是根據屬性的匹配情況確定客體，后向推理是根據客體推演屬性的正確匹配性[10]。

6.5　系統輸出

當專家系統完成推理后，要給出推理結果，即專家系統的答案輸出。如果無解，給出相應的字符提示，如果獲得了解，系統輸出可以是多樣的。輸出最常見的是以字符串或數值的形式輸出。采用哪種輸出方式，可根據用戶需求選擇。例如，已推出軋輥軸徑是90 mm，可以直接輸出90 mm字符串或數值。也可以輸出輥軸的機械圖，但這時知識庫的客體結點中不再是存放的90 mm字符串。而是存放了一個指向輥軸機械圖的指針。通過這個指針直接調用機械圖。當然，如果需要也可以構成加工數據流，通過局域網直接流向加工中心，開始加工輥軸[11]。

7　結語

人工智能方法主要側重于解決實際中那些定量算式不能描述的問題，主要是利用人類在實踐活動中積累的大量經驗知識解決問題，該方法解決問題更有效，更精準。冷彎型材的使用“瓶頸”主要在于冷彎成型設備和軋輥的設計與制造上，這是因為成型理論的力學分析不能有效地指導設備和軋輥的設計與制造。而設計與制造所采用的專家經驗知識也是局部的、有限的，而且是粗淺的。如何有效地總結專家知識，精準地利用專家知識解決設備和軋輥設計中的實際問題，是冷彎成型設備制造業面臨的一個重要拐點。當然，人工智能并非僅有專家系統，它的分支較多，例如:知識表示、問題求解、多Agent系統等。在本研究中主要討論了專家系統的應用，而專家系統正是人工智能學科的一個重要應用領域。我們僅將近年來所做的研究工作進行系統的敘述，有些地方還需根據生產情況進一步研究和實踐，希望引入新的解決問題的方法，無論是在冷彎成型的理論方面或者設備設計與制造方面，能快速、有效、精準地解決問題，以使冷彎成型工業獲得更大的理論和技術的進步。

參考文獻：

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