冷彎成型過程智能化的知識表示方法研究*

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）

冷彎成型過程智能化的知識表示方法研究*

李國昌1，楊 仙2

(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）

冷彎成型過程較為復雜，定量描述困難，采用智能化方法會為解析成型過程提供新的思路，實施智能化方法首要的問題是知識表示方法的選擇。針對冷彎成型過程的智能化特點，研究分析了狀態空間法、問題規約法、謂詞邏輯法3種知識表示方法在冷彎成型領域的應用，提出復雜的應用可根據具體情況進一步實施，選擇合理的知識表示方法，為后續的智能化研究提供應用基礎。

焊管；冷彎成型；智能化；知識表示

冷彎型鋼是在常溫下彎曲變形的金屬型材。由于材料的化學特性和物理特性的不同，變形位移與受力之間的關系十分復雜。如果利用精確的數學方法描述其內在機理是十分困難的，而且也不容易將所研究的理論用來指導成型模具的設計[1]。引入人工智能方法是解決上述問題較好的方法，將專家的知識取代繁瑣的數學推導，既能保證分析問題的質量，又能簡化分析過程[2]。但利用人工智能方法的前提是必須將所用的知識合理地表示出來。因為表示知識的方法有多種，如狀態空間法、問題歸約法、謂詞邏輯法等[3]。針對不同的問題要采用相對應的知識表示方法，如果不能做到這一點，智能化方法會出現較多的問題，甚至智能化后的體系與理想要求相差甚遠。怎樣針對冷彎成型的特點進行合理的知識表示，本研究將針對具體問題進行討論。

1 冷彎成型過程知識表示法

1.1 狀態空間法

狀態空間法是利用對實體的狀態空間描述，實施知識表示的方法。首先對實體的初始狀態描述，然后對變化過程的狀態描述，最后對目標狀態描述，實現了實體的動態過程描述。這種方法可以用來描述冷彎型材的成型過程。下面以貨車用冷彎中梁型材為例，來說明狀態空間法的使用。

冷彎中梁的初始狀態是鋼帶，目標狀態是外翻C形鋼，目標狀態幾何斷面如圖1所示[4]。在成型過程中，有些參數發生變化，有些參數不發生變化。將發生變化的參數引入到狀態空間中，隔斷尺寸計算如圖2所示。從圖2可以看出，在成型過程中，α和β角發生變化，AB, BC和CD線段等于邊長加上弧長（如圖3所示）[5]。

圖1 冷彎中梁斷面圖

圖2 隔斷尺寸計算圖

圖3 各變形道次計算圖

可以根據圖2計算出冷彎成型過程的初始狀態和目標狀態。根據冷彎中梁斷面幾何參數特性設置其狀態空間矢量為

1.1.1 初始狀態

（1） α和β角的確定。因為初始狀態是平板鋼帶，所以α和β角是0。

（2）AB,BC和CD線段長度計算。

式中:L1=100；

故得到冷彎中梁AB，BC和CD尺寸分別為

AB，BC和CD線段計算是在α和β取值為π/2時進行的，因為α和β和為0時，不產生過渡弧長，過渡弧長隨α和β的變化而變化。初始狀態α和β為0，則有初始狀態矢量為

1.1.2 目標狀態

（1）α和 β角的確定。根據圖1，目標狀態α和β角為π/2。

（2）AB、BC和CD線段長度計算。長度沒有變化，所以目標狀態矢量為

（3）成型過程狀態空間描述。 成型過程是α和β角的變化過程。 α和β角按表1中的角度變化，實現由初始狀態鋼帶到目標狀態冷彎中梁的成型過程。

表1 彎曲角的分配

以上論述清晰地展示了用狀態空間法表示冷彎中梁整個成型過程的狀態構成[6]。

1.2 問題規約法

問題規約法是把要解決的問題通過一系列變換變成一個子問題集合，而這些子問題的解是比較容易得到的。通過子問題的解，最后得到最初問題的解[7]。這種知識表示方法比較適合于孔型設計方法。

孔型設計是一個成型逆過程，它始于已知的最后成型斷面。根據斷面的幾何尺寸先進行輥花圖設計，將斷面分解成若干步成型形態，最后對每一步成型形態進行孔型設計。下面仍以冷彎中梁為例研究成型過程的知識表示方法。冷彎型鋼的斷面幾何尺寸按工程的要求也已確定（圖1），而該冷彎型鋼是從鋼帶逐步彎曲而成的，考慮到軋制過程的各架孔型中軋輥受力的均衡性，將從鋼帶到成型分解成12步軋制。軋制過程中，α和β角的變化見表1，用問題規約法表示知識的規約圖如圖4所示（按表1成型角變化）。

圖4 孔型設計的問題規約圖

根據圖4所表示的變形知識，計算出各架次如AB，BC和CD的值，并且設計出各架次軋制孔型的結構，如圖5所示[8]。

圖5 軋輥孔型結構圖

1.3 謂詞邏輯法

謂詞邏輯知識表示方法是以謂詞符號、變量符號、函數符號等表示論域內的關系，可以通過原子公式的合取（與）、析取（或）、蘊涵等操作構成較為復雜的合適公式，以解決知識組合的復雜性。謂詞邏輯法在冷彎成型中的應用是多樣化的。從理論上講，凡是有動作行為或事實的地方均可用其表示知識。由于謂詞合適公式的可組合性質和其等價運算關系，將謂詞邏輯知識表示法引入冷彎成型理論分析，求解實際的設備設計計算，能夠解決相關的復雜問題。

用謂詞邏輯法表示知識主要用于行為知識和描述知識，現舉例說明謂詞邏輯法在冷彎成型理論分析和設備設計中的應用。在冷彎中梁成型過程中，α角的成型在第6架完成，為了克服回彈，需過彎2°才能完成成型，而過彎2°是專家知識[3]。用謂詞邏輯描述此知識為：在第6架中α角過彎2°，符號表示為

再例，為了解決劃傷問題，在第8架至第10架的輥片中放置2個滾動軸承，使下水平輥成為被動軸，表達式如下：

利用謂詞邏輯法將冷彎成型設備設計知識逐個表示出來，構成設備設計的知識庫，以實現設備智能化設計[9]。

2 結 論

實現智能化方法的前提是將知識清晰地表示出來，才能進一步供后續推理應用。本研究就狀態空間法、問題規約法和謂詞邏輯法3種知識表示方法在冷彎成型領域的應用，給出了基本的探索，復雜的應用可根據具體情況進一步實施。知識的引入將為冷彎成型領域帶來革命性的變化[10]。

知識表示方法還有很多種。例如：語義網絡法、框架表示法、劇本表示法、過程表示法、面向對象表示法等，可根據具體的情況選用合適的方法。將這些不同的知識表示方法用統一的符號表示規則表示出來，構成表示一致的知識庫系統，就能夠較好地實現冷彎成型設備設計的智能化[11]。

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Research on the Intelligent Methods of Knowledge Representation in Cold-roll Forming Process

LI Guochang1，YANG Xian2
(1.School of Management and Economics,Hebei University of Science and Technology,Shijiazhuang 050018,Hebei,China; 2.Hebei College of Industrial and Technology,Shijiazhuang 050091,Hebei,China)

The cold-roll forming process is relatively complex,the quantitative description is difficult.The intelligent methods will provide new ideas for the analysis of forming process.The primary problem to implement intelligent method is how to choose the method of knowledge representation.There are many methods of knowledge representation.Aimed at the intelligent characteristics of cold-roll forming process,a reasonable choice of knowledge representation will provide an appropriate basis for the subsequent intelligent research.

welded pipe;cold-roll forming;intelligence;knowledge representation

TG332+.4

A

1001－3938（2015）08-0020-04

河北省自然科學基金“智能化冷彎成形動態鏈式模型及精準孔型設計算法研究”（項目號E2011208014）。

李國昌（1955—），男，教授，長期從事冷彎成型理論智能化和智能化孔型設計研究，獲2007年和2009年河北省科技進步三等獎，獲2008年河北省自然科學三等獎。

2015-01-20

羅 剛