基于規則推理的銑削刀具選擇系統開發與應用

胡炳星，趙 武，羅純靜

HU Bing-xing, ZHAO Wu, LUO Chun-jing

（四川大學 制造科學與工程學院，成都 610065）

0 引言

刀具是切削加工的主題，是金屬切除過程的直接實施者，是切削加工創新技術的載體之一。作為生產工具的刀具，是生產力的最重要因素之一，其性能的好壞直接關系著切削加工的過程及效果，而且是最活躍的因素。

傳統開發的刀具選擇數據庫從根本上只能說是電子手冊，通過這種系統查詢加工刀具及切削參數效率很低而且準確度較低。相對于實際加工過程中出現的種類繁多的工件材料及加工方式，這樣的查詢方式很難滿足生產需求。目前人工智能的推理方法主要有基于案例的推理(Case-based Reasoning, CBR)、基于規則的推理(Rulebased Reasoning, RBR)和基于模型的推理(Modual-based Reasoning, MBR)[1]。由于規則推理的知識表達方法接近于人類的思考方式、易推理，因此本文將采用規則推理的技術，提出了基于產生式系統的設計思想，建立以被加工零件的材料為主線的規則推理式刀具選擇系統。將切削加工中需要的數據和信息進行加工處理成計算機語言，按某種規律存儲在計算機中，形成規則推理式的專家系統，選擇最優化的加工刀具及推薦出合理的切削參數，實現了刀具選擇專家系統的智能化和動態化，從而達到提高決策準確率及經濟效益的目的[2]。

1 基于規則推理技術簡介

基于規則推理（Rule Based Reasoning , RBR）是基于規則表示的知識系統，根據規則，尋求到達目標條件的求解過程。在該知識系統中，規則通常用于表示具有因果關系的知識，其一般形式為：

前件→后件

或者：表示為 IF 前件 THEN 后件

其中前件為前提，后件為結論。前件和后件可以是由邏輯運算符and、or組成的表達式。規則的含義是：如果前提前件滿足，則推理出結論后件或執行后件所規定的操作。通常當對工件進行銑削加工時，首先需要知道工件類型、工件材料、加工特征、加工精度等。然后根據該工件的加工特征，選擇加工方法及機床。前者對應規則的前件，后者對應于規則的后件。通過and或or將工件的初始信息組合在一起，前件包含對工件的詳細描述，從而使得后件擁有更準確、更全面的求解結果；同時后件也盡可能多的包含各種工藝信息[3]。如銑削加工中的刀具選擇規則可以是：

IF 工件材料為 022Cr19Ni10

THEN 刀具材料為 硬質合金

產生是系統是一種基于規則推理(RBR)的專家系統，最初由E Post于1943年作為一種通用的計算機形體提出的，由A Newell和H A Simon于1972年作為一種人類認知模型引入人工智能研究領域，并開發了基于規則推理的產生式系統[4]。基于規則推理的產生是系統主要由以下三部分組成：

1）規則庫：通過搜集、整理相關的專家知識和實驗數據，然后將這些專家知識和實驗數據進行規范化表達，并以計算機能識別的形式存儲起來，制定成一系列規則并形成規則庫。這些規則可以根據用戶從前端輸入的信息推理出用戶所需要的銑削刀具及切削參數。規則庫中建立的規則主要來源有三個方面：刀具廠商提供的各類刀具手冊；企業根據長期的工作加工經驗總結出來的刀具、切削參數選擇知識；企業通過試驗得到的刀具使用及切削參數選用規則。

2）數據庫：存儲與求解問題相關的事實與依據。當規則庫中有一條產生式的前提條件可與用戶輸入的事實相匹配時，該規則就會被激活，通過推理機將結論存入數據庫中，作為后期推理的初始事實。

由于MySQL關系型數據庫具有體積小、速度快、維護簡單等特點，因此本系統采用MySQL進行數據存儲與管理[5,6]。在數據庫設計中，采用Navicat Premium與Power Designer相接合的方法進行數據庫實體模型關系設計。根據實體關系與數據表存在的一一對應關系，以及實體關系內部的關聯關系，UML模型可以非常直觀地查看數據的實體模型關系。

在開發該銑削刀具選擇系統前，收集、分類、整理了系統需要使用的各類相關數據。通過明確系統功能設計，分析各數據之間的關系，得以建立合理有效的數據表。在分析各表信息時，需要從相關信息表中挑選出切削數據庫中的核心數據表，比如刀片與刀體信息表，在表中存儲相關核心信息。同時還需要與切削參數選擇相關的數據，如工件材料表、刀片信息表、刀體信息表、切削介質表等。比如普通車削刀片信息表為中心表，而普通車削刀片材質表、普通車削刀片槽型表和品牌信息表均為普通車削刀片信息表的關聯表，那么在普通車削刀片表中，刀片為主鍵，刀片材質、刀片槽型和品牌為外鍵。

3）推理機：推理機根據推理方向的不同可分為：正向推理、逆向推理和混合推理。該系統根據規則庫中存放的一系列規則，采用正向推理的方式對問題進行求解。系統規則推理流程如圖1所示。

圖1 系統規則推理流程圖

2 基于規則推理的銑削刀具選擇系統功能模型

2.1 原型機設計

基于規則推理技術的刀具選擇系統的主要目標是運用RBR的推理技術，輸入加工工件、機床的信息，系統可以推薦出合適的刀片、刀體、切削用量等信息，同時實現刀具數據的高效管理。運用IDEF0建模對系統進行功能設計，得到的系統功能模型如圖2所示。

圖2 系統的功能模型圖

經過IDEFO建模方法進行系統功能分析后，對銑削刀具選擇系統進行結構化設計。系統包括功能菜單、基本信息、角色權限、數據維護、運行監控、文件管理及系統幫助七個模塊。如圖3所示。

圖3 系統結構模型圖

1）功能菜單模塊：該模塊主要是實現刀具的選擇功能。該模塊根據用戶提供的前件，通過產生式規則推理出刀具材料、型號等后件，實現刀具的選擇。

2）基本信息模塊：實現對公司各類加工設備的管理，包括機床信息、切削液信息、設備品牌庫信息、工件材料信息及各類刀具的信息，是數據庫的數據管理窗口，包括對數據的查詢、增加、刪除、修改。

3）角色權限模塊：該模塊采用的是基于角色的訪問控制（Role-Based Access Control），在RBAC中，權限與角色相關聯，用戶通過成為適當角色的成員而得到這些角色的權限。這就極大地簡化了權限的管理。

4）數據維護、運行監控、文件管理、系統幫助四個模塊是系統的輔助功能，主要是管理者對系統中數據更新及系統的運行維護等。

2.2 銑削加工刀具選擇流程建立

銑床上應用的銑刀種類繁多、結構復雜，可用于加工平面、臺階面、溝槽、成形面以及切斷等，故銑削加工應用廣泛。銑刀按其不同的特點可有不同的分類方法。按用途分類、按齒背形式分類、按刀齒數目分類[7]。為了滿足在刀具選擇專家系統中更方便快捷的實現刀具的選擇，把銑削刀具按不同的銑削方式分為面銑、方肩銑等八大類，如圖4所示。

圖4 銑削刀具分類圖

以方肩銑為例說明該過程。為了更快更準的選擇加工刀具，我們對影響刀具切削的因素進行了評價，并提取了其中關鍵的因素進行刀具篩選。銑削加工刀具的選擇與工件的材料、工件的幾何特征、加工工況等有很密切的關系。

如圖5所示，系統中方肩銑加工刀具的選擇分為整體式和機夾式兩個選擇界面，通過大量實驗數據的分析，得到了方肩銑中對刀具切削影響最大的因素。

整體式中有選擇工件材料牌號、公稱直徑、刃長、刀尖圓角半徑。選擇材料牌號后，通過規則庫，用If工件材料牌號為A, Then刀具材料牌號選擇為B的規則式推理出應選擇的銑削刀具材料牌號。其他的選擇項直接對刀具的屬性進行篩選，If給定工稱直徑值為a，Then工稱直徑大于等于a的刀具篩選出來，同理刃長及刀尖圓角半徑也是篩選出值大于等于給定數字的刀具。

圖5 方肩銑刀具選擇流程圖

機夾式中有工件材料牌號、公稱直徑、側銑深度、刃尖圓角半徑。選擇材料牌號后，通過規則庫，用If工件材料牌號為A，Then刀片材料牌號選擇為B的規則式推理出應選擇的銑削刀片材料牌號。其他的選擇項直接對刀片的屬性進行篩選，If給定工稱直徑值為a，Then 工稱直徑大于等于a的刀具篩選出來，同理側銑深度及刀尖圓角半徑也是篩選出值大于等于給定數字的刀片。選擇好刀片后，用If刀片型號為123 Then推薦刀體型號為456。

3 應用

銑削刀具選擇系統是在Windows系統、SQL數據庫管理及JAVA語言開發環境下運行的，圖6為銑削刀具選擇系統應用實例。實際應用過程如下：選擇左側導航欄的功能菜單中的銑削管理系統，進入方肩銑刀具選擇界面。方肩銑刀具分為整體式和機夾式，選擇機夾式刀具功能菜單，界面上有“材料牌號”、“公稱直徑”、“切削深度”、“刀尖圓角半徑”四個并列選擇框，選擇不分先后順序。選擇材料牌號Q195，系統會自動過濾適合加工Q195材料的刀片；選擇公稱直徑20，系統會自動過濾公稱直徑大于等于20mm的刀體；選擇切削深度6，系統會自動過濾側銑深度大于等于6mm的刀體；選擇刀尖圓角半徑0.4，系統會自動過濾刀尖圓角半徑小于等于0.4mm的刀片。選擇完成之后界面上會顯示適合加工的刀體和刀片。此時，選擇其中一把刀體或刀片，系統會自動匹配與之對應的刀片或者刀體。通過鼠標右功能鍵，可以查看所選刀具的各種詳細參數。

圖6 銑削刀具選擇系統應用實例

4 結論

根據某汽輪機公司的生產要求，完成了對該系統的設計。基于規則推理的刀具選擇系統能夠根據不同的加工條件，選擇合理的刀具，并優化推薦準確的切削參數。避免了工人在加工時刀具及切削參數的選擇錯誤，縮短了工件加工的工藝周期，實現了高效、可靠的刀具選擇。

[1] 羅向華,劉祥.基于知識的數控編程系統總體設計[J].機械工程與自動化,2008(6)：175-176.

[2] Carpenter I D, Maropoulos P G. A flexible tool selection decision support system for milling operations[J].Journal of Materials Processing Technology,2000,107(1)：143-152.

[3] Arch-int, Ngamnij;Arch-int, Somjit. Semantic Ontology Mapping for Interoperability of Learning Resource Systems using a rulebased reasoning approach.[J].EXPERT SYSTEMS WITH APPLICATIONS, 2013,40(18)：7428-7433.

[4] 雷英杰,刑清華.人工智能程序設計[M].清華大學出版社,2005.

[5] 蘭旭輝,熊家軍,鄧剛.基于 MySQL 的應用程序設計[J].計算機工程與設計,2004,25(3)： 442-443.

[6] 吳滄舟,蘭逸正,張輝.基于MySQL數據庫的優化[J].電子科技, 2013,26(9)：182-184.

[7] 倪為國.銑削刀具技術及應用實例[M].化學工業出版社,2007.