一種基于實(shí)例推理的車(chē)削工藝參數(shù)優(yōu)化決策支持系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

單東偉+張明樹(shù)+遲永剛

摘 要：為了實(shí)現(xiàn)車(chē)削工藝知識(shí)的有效重用，提出了一種基于實(shí)例推理的車(chē)削工藝參數(shù)優(yōu)化決策支持系統(tǒng)設(shè)計(jì)，確定了一種車(chē)削工藝實(shí)例構(gòu)建方法，以及車(chē)削工藝參數(shù)優(yōu)化決策支持系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系、功能體系和運(yùn)行模式。

關(guān)鍵詞：車(chē)削工藝；參數(shù)優(yōu)化；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；金屬切削

中圖分類(lèi)號(hào)：TG506.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.11.015

隨著制造加工技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的制造環(huán)境和制造模式也發(fā)生了巨大的改變，智能化、協(xié)同化、網(wǎng)絡(luò)化逐步成為制造模式的發(fā)展趨勢(shì)。特別是近30年來(lái)，美、日、德、韓、西歐和我國(guó)先后提出了先進(jìn)制造系統(tǒng)領(lǐng)域有關(guān)的研究計(jì)劃，并將其上升到國(guó)家戰(zhàn)略高度。在這些研究計(jì)劃的支撐下，相關(guān)單位提出了眾多先進(jìn)制造系統(tǒng)模式，比如智能制造系統(tǒng)、仿生制造系統(tǒng)、現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)模式、敏捷制造系統(tǒng)模式和分形制造系統(tǒng)等。這些先進(jìn)制造系統(tǒng)模式的提出及其理論與方法的深入研究，對(duì)提升我國(guó)制造業(yè)水平、增強(qiáng)企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力有重要意義。

車(chē)削是金屬切削加工中使用最廣泛的加工方式之一，工藝參數(shù)的合理選擇在很大程度上決定了生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量，已經(jīng)成為了機(jī)械加工中一項(xiàng)非常重要的工作。車(chē)削工藝參數(shù)的確定主要包括車(chē)刀的選擇和車(chē)削運(yùn)動(dòng)參數(shù)的擬定2大部分。目前，有關(guān)車(chē)削工藝參數(shù)決策方法的研究主要集中于以下2個(gè)方面：①經(jīng)驗(yàn)決策。工藝人員根據(jù)多年加工經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合設(shè)計(jì)手冊(cè)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)、圖表完成工藝參數(shù)決策。根據(jù)加工經(jīng)驗(yàn)，車(chē)削參數(shù)一般從設(shè)計(jì)手冊(cè)中選取適合的切削用量計(jì)算，或者根據(jù)加工試驗(yàn)收集的經(jīng)驗(yàn)圖表確定適宜的參數(shù)。②建模求解。根據(jù)加工要求等約束信息建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，采用遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能工具求解。

這個(gè)車(chē)削工藝參數(shù)決策方法在很大程度上滿(mǎn)足了車(chē)削工藝決策活動(dòng)的需求，但是，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)等的不斷發(fā)展，使得已有車(chē)削工藝參數(shù)決策活動(dòng)尚存在一系列不足之處和急需改進(jìn)的地方，主要有以下3點(diǎn)：①對(duì)工藝人員經(jīng)驗(yàn)積累的要求比較高。在選擇車(chē)刀、確定車(chē)削用量和車(chē)削參數(shù)時(shí)，工藝人員主要根據(jù)自身加工經(jīng)驗(yàn)，從設(shè)計(jì)手冊(cè)中選取相應(yīng)的參數(shù)。這說(shuō)明，加工效果在很大程度上取決于工藝人員經(jīng)驗(yàn)積累的程度。②對(duì)新材料、新工藝的適應(yīng)性比較差。隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，新材料、新工藝不斷涌現(xiàn)，而設(shè)計(jì)手冊(cè)和經(jīng)驗(yàn)圖表多是針對(duì)已有或常見(jiàn)材料或工藝的，無(wú)法很好地滿(mǎn)足新材料、新工藝的要求。③對(duì)工藝人員知識(shí)水平的要求比較高。在求解車(chē)削工藝參數(shù)數(shù)學(xué)模型時(shí)，多采用遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能方法，而一般工藝決策人員的知識(shí)水平尚無(wú)法達(dá)到，這在很大程度上限制了該方法的應(yīng)用范圍。

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)等迅速發(fā)展，基于專(zhuān)家系統(tǒng)的人工智能方法被廣泛應(yīng)用于工藝參數(shù)選擇等領(lǐng)域。基于實(shí)例推理的車(chē)削工藝參數(shù)優(yōu)化決策方法為解決相關(guān)問(wèn)題提供了一個(gè)較好的思路。其基本思路是利用已有的工藝實(shí)例求解適用于待決策工藝問(wèn)題的工藝參數(shù)，充分利用工藝實(shí)例中積累的大量切削數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)知識(shí)。

1 車(chē)削工藝實(shí)例構(gòu)建

將基于實(shí)例推理的車(chē)削工藝參數(shù)優(yōu)化決策問(wèn)題記為T(mén)dec=（W，L）.其中，W={m1，m2，Λ，mq1}，為待決策工藝問(wèn)題；L={L1，L2，Λ，Lg}，為決策所需工藝實(shí)例集。工藝實(shí)例Li={{mi，1，mi，2，Λ，mi，q1}，{fi，1，fi，2，Λ，fi，q2}， {pi，1，pi，2，Λ，pi，q3}}，各問(wèn)題描述變量具體含義如表1所示。

車(chē)削工藝實(shí)例記錄內(nèi)容在原有內(nèi)容基礎(chǔ)上增加了加工效果評(píng)價(jià)部分：對(duì)加工質(zhì)量的評(píng)價(jià)主要以加工表面粗糙度進(jìn)行；對(duì)加工時(shí)間的評(píng)價(jià)主要從切削時(shí)間和輔助時(shí)間2方面進(jìn)行；對(duì)加工成本的評(píng)價(jià)主要考慮刀具、設(shè)備、場(chǎng)地和人工費(fèi)用等因素。工藝實(shí)例加工效果評(píng)價(jià)框架如圖1所示。

2 結(jié)構(gòu)體系

在構(gòu)建車(chē)削工藝實(shí)例的基礎(chǔ)上，為了解決傳統(tǒng)人工經(jīng)驗(yàn)決策模式中存在的問(wèn)題，需要一套車(chē)削工藝參數(shù)優(yōu)化決策支持系統(tǒng)來(lái)提升工藝參數(shù)決策的效率和質(zhì)量。鑒于此，筆者提出了一

種車(chē)削工藝參數(shù)優(yōu)化決策支持系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)體系由功能應(yīng)用層、集成工具層、系統(tǒng)支撐層等3層構(gòu)成，具體如圖2所示。

3 功能體系

根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)需求分析，建立車(chē)削工藝參數(shù)優(yōu)化決策支持系統(tǒng)的功能體系。其主要包括系統(tǒng)管理、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、工藝參數(shù)優(yōu)化決策、車(chē)刀數(shù)據(jù)管理、歷史知識(shí)管理、車(chē)削規(guī)則管理和系統(tǒng)集成接口等7大功能模塊，如圖3所示。系統(tǒng)管理主要實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的基本管理功能，包括用戶(hù)管理、權(quán)限管理、角色管理和系統(tǒng)日志管理等。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理對(duì)車(chē)削工藝參數(shù)優(yōu)化決策所需基本數(shù)據(jù)（車(chē)削速度、車(chē)削進(jìn)給量、吃刀深度、機(jī)床基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等）進(jìn)行集中、有效的管理。

4 運(yùn)行模式

車(chē)削工藝參數(shù)優(yōu)化決策支持系統(tǒng)是根據(jù)工藝問(wèn)題的相似性特征，對(duì)具有大量加工經(jīng)驗(yàn)的情況，采用工藝實(shí)例推理方法，在一定程度上模擬或替代工藝專(zhuān)家完成工藝參數(shù)優(yōu)化決策；對(duì)新材料、新工藝出現(xiàn)的情況，可采用工藝實(shí)例可拓推理方法，也可采用經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法獲得適合的工藝參數(shù)，在一定程度上模擬或替代工藝專(zhuān)家完成工藝參數(shù)優(yōu)化決策。基于相關(guān)研究，建立了車(chē)削工藝參數(shù)優(yōu)化決策支持系統(tǒng)運(yùn)行模式，具體見(jiàn)圖4.

5 結(jié)束語(yǔ)

為了實(shí)現(xiàn)車(chē)削工藝知識(shí)的有效重用，解決車(chē)削工藝參數(shù)優(yōu)化決策問(wèn)題，本文提出了一種基于實(shí)例推理的車(chē)削工藝參數(shù)優(yōu)化決策支持系統(tǒng)設(shè)計(jì)，明確了一種車(chē)削工藝實(shí)例的構(gòu)建方法，確定了車(chē)削工藝參數(shù)優(yōu)化決策支持系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系、功能體系和運(yùn)行模式，這對(duì)車(chē)削工藝參數(shù)優(yōu)化決策支持系統(tǒng)開(kāi)發(fā)具有指導(dǎo)意義。

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〔編輯：白潔〕