基于知識(shí)的熱處理工藝設(shè)計(jì)技術(shù)

郭 晶，張振明，田錫天，黃利江

（西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，西安 710072）

0 引言

熱處理過程是一高溫、瞬態(tài)過程，工件在處理過程中發(fā)生的狀態(tài)變化難以直接監(jiān)控，因而利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行工藝參數(shù)設(shè)計(jì)具有非常重要的意義[1]。

熱處理工藝設(shè)計(jì)涉及眾多工藝知識(shí)，人工進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)工作量大，設(shè)計(jì)效率極低。企業(yè)運(yùn)用CAPP進(jìn)行工藝編制后，效率有一定提高，但仍然存在一些問題。由于工藝的專業(yè)性強(qiáng)，工藝人員在編制工藝規(guī)程時(shí)需要很豐富的經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識(shí)，這對(duì)工藝員要求較高且不利于新工藝員開展工作；對(duì)于工藝參數(shù)的確定，需要手動(dòng)查閱各種手冊(cè)、規(guī)范，或是根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)得到模糊值，無法保證參數(shù)的一致性且無法避免輸入錯(cuò)誤和計(jì)算失誤，從而降低了工藝文件的標(biāo)準(zhǔn)性和規(guī)范性，造成工藝規(guī)程質(zhì)量不高，零件達(dá)標(biāo)率低；對(duì)于一些有價(jià)值的工藝知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)沒有被總結(jié)歸納，因而得不到充分利用，使工作有一定重復(fù)性，浪費(fèi)大量時(shí)間和精力。

熱處理技術(shù)已發(fā)展多年，積累了大量成熟的工藝經(jīng)驗(yàn)。無論是領(lǐng)域內(nèi)的工藝專家系統(tǒng)還是行業(yè)間的工藝標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，都為工藝知識(shí)的獲取提供了豐富的來源。與機(jī)加、裝配工藝設(shè)計(jì)相比，熱處理工藝參數(shù)設(shè)計(jì)過程具有較好的結(jié)構(gòu)性。運(yùn)用基于知識(shí)和推理的計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行熱處理工藝設(shè)計(jì)[2,3]，是提高熱處理工藝設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率、解決現(xiàn)存問題的重要途徑。因此，本文對(duì)基于知識(shí)的熱處理工藝設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行研究。

1 熱處理工藝設(shè)計(jì)框架

由于企業(yè)制造的方向單一，會(huì)有大量相似零件重復(fù)設(shè)計(jì)生產(chǎn)，很多情況下新工藝規(guī)程完全可以用過去的代替，還可以根據(jù)過去的結(jié)果對(duì)新工藝規(guī)程做出適當(dāng)修改，優(yōu)化工藝參數(shù)，提高零件質(zhì)量。利用過去經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，結(jié)合典型工藝的特征，針對(duì)這種典型零件的工藝設(shè)計(jì)本文提出應(yīng)用屬性相似性度量技術(shù)于基于典型工藝推理的設(shè)計(jì)方法中；對(duì)于非典型零件，工藝參數(shù)知識(shí)比較規(guī)則且獲取較易，通過自動(dòng)生成工藝參數(shù)可以使知識(shí)被充分利用，同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化工藝文件，避免人為失誤，節(jié)省手動(dòng)查閱資料的時(shí)間，有效提高零件設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。從而，本文提出規(guī)則推理的工藝設(shè)計(jì)方法。通過兩種方法的結(jié)合使用，基本滿足各個(gè)類型零件的需求，工藝設(shè)計(jì)的總體框架如圖1所示。

對(duì)于要進(jìn)行熱處理工藝的零件，先要判斷典型工藝庫中是否存在該類典型工藝，繼而得出采用哪種途徑解決問題。給熱處理工藝文件賦予工藝特征（如工藝類型、零件類型、加工材料和硬度等）后，利用典型工藝的工藝設(shè)計(jì)方法就是基于該特征，在典型工藝庫中有效快速的檢索出一些適用于當(dāng)前問題的工藝實(shí)例，再通過算法從中得出最匹配的工藝。參數(shù)完全一致則直接復(fù)用該實(shí)例，如某參數(shù)有差異則可通過規(guī)則推理的方式修改當(dāng)前實(shí)例，最終解決新問題，同時(shí)把修改后的實(shí)例入庫。為了能夠快速檢索到相關(guān)實(shí)例，除了要重點(diǎn)研究典型工藝的表示方法外，需要對(duì)屬性相似性和重要度的計(jì)算進(jìn)行研究。

圖1 基于知識(shí)的熱處理工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)框架

規(guī)則推理方法是指根據(jù)規(guī)則知識(shí)的表示，輸入當(dāng)前問題的條件，由系統(tǒng)在知識(shí)規(guī)則庫中檢索符合條件的規(guī)則進(jìn)行推理，在沖突消解后從中得出最優(yōu)解，視情況可對(duì)規(guī)則進(jìn)行直接應(yīng)用或修改，從而得到自動(dòng)生成工藝參數(shù)的具有標(biāo)準(zhǔn)性和規(guī)范性的工藝文件，高質(zhì)高效的完成工藝設(shè)計(jì)，并把修改后的規(guī)則入庫方便復(fù)用。為了規(guī)則能夠順利被應(yīng)用，需要挖掘適用于該規(guī)則的表示方法，并給出消解沖突的方法。

2 語義網(wǎng)絡(luò)與產(chǎn)生式混合表示方法

由于典型工藝具有良好的對(duì)象性、繼承性及從屬關(guān)系，根據(jù)人工智能中面向?qū)ο蟮谋硎痉ê驼Z義網(wǎng)絡(luò)表示法的概念及特點(diǎn)，采用兩者結(jié)合的面向?qū)ο蟮恼Z義網(wǎng)絡(luò)表示法有效表達(dá)該工藝知識(shí)；知識(shí)規(guī)則庫中的知識(shí)描述的是針對(duì)特定的工藝條件進(jìn)行的合理工藝方法處理，由于前后存在因果關(guān)系，因而應(yīng)用產(chǎn)生式知識(shí)表示法。為了滿足熱處理工藝知識(shí)的表達(dá)則需使用這種混合式的方式表達(dá)。

在語義網(wǎng)絡(luò)的表示中加入了面向?qū)ο蟮脑?，使得表達(dá)更貼近人的思維，并利用面向?qū)ο蟮南鬟f機(jī)制，使得對(duì)象之間可以傳遞“消息”，從而使語義網(wǎng)絡(luò)賦予動(dòng)態(tài)的表達(dá)。下面是典型工藝知識(shí)為例，如圖2所示。

圖2 典型工藝知識(shí)模型

熱處理典型工藝作為一個(gè)類，有其屬性和方法，軸類零件作為熱處理典型工藝中的一個(gè)對(duì)象，繼承了其節(jié)點(diǎn)的所有屬性，除此之外它還有一些自有屬性。當(dāng)有判斷零件長(zhǎng)度這個(gè)屬性值得消息傳來時(shí)，調(diào)用相應(yīng)的方法可以找到具體的軸類零件對(duì)象。這種靈活的處理機(jī)制使得對(duì)每個(gè)對(duì)象都能得以快速查找以及方法的調(diào)用。

產(chǎn)生式的基本形式IF P THEN Q，P是產(chǎn)生式的前提，也稱條件；Q是一組結(jié)論或操作，也稱為產(chǎn)生式的后件，它指出當(dāng)前提P滿足時(shí)，應(yīng)該推出的結(jié)論或應(yīng)該執(zhí)行的動(dòng)作。熱處理工藝規(guī)則描述了“在某種工藝條件下可采用的某種工藝方法”。

利用知識(shí)規(guī)則進(jìn)行工藝參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)整個(gè)工藝規(guī)程中所用的加工材料類型選擇出需要采用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，再借助材料硬度要求和采用的工藝類型確定出具體的工藝參數(shù)（如加熱溫度、保溫時(shí)間、冷卻等），由此得出設(shè)計(jì)過程中的工藝參數(shù)主要由以下因素控制：1）加工材料；2）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范；3）硬度要求；4）工藝類型。因此，工藝規(guī)則可表達(dá)為：

工藝條件：＝(＜加工材料＞，＜標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范＞，＜硬度要求＞，＜工藝類型＞)T

工藝方法：＝(＜加熱溫度＞，＜保溫時(shí)間＞，＜冷卻介質(zhì)＞，＜冷卻方法＞，＜冷卻溫度＞)T

根據(jù)這些判據(jù)，得出知識(shí)規(guī)則庫中的知識(shí)如下表達(dá)：

R1：IF 材料牌號(hào)=1Cr21Ni5Ti AND熱處理標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議= HY2-94 AND工藝類型=淬火THEN 帶工藝參數(shù)（淬火溫度950～1100℃、時(shí)間1h、冷卻劑水）的工藝文件

R2：IF 材料牌號(hào)=4130 AND熱處理標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議=遼新5-0019-2003 AND工藝類型=正火THEN帶工藝參數(shù)（正火溫度870±10℃、時(shí)間1h、冷卻劑油）的工藝文件

R3：IF 材料牌號(hào)=4130 AND熱處理標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議=遼新5-0020-2003 AND工藝類型=回火THEN帶工藝參數(shù)（正火溫度485±5℃（≥900 F0）、時(shí)間0.5h、冷卻劑空）的工藝文件

3 知識(shí)推理技術(shù)

3.1 典型工藝匹配的相似性算法

典型工藝設(shè)計(jì)方法與基于實(shí)例的推理（CBR）技術(shù)類似，即通過訪問和借鑒知識(shí)庫中過去類似問題（源實(shí)例）的求解方案來獲得當(dāng)前問題（目標(biāo)實(shí)例）的解[4]。在知識(shí)難以表達(dá)但已經(jīng)積累豐富經(jīng)驗(yàn)的領(lǐng)域，有較大的優(yōu)勢(shì)并得到廣泛應(yīng)用。

本系統(tǒng)采用最臨近法計(jì)算特征屬性局部相似度。局部相似度指的是兩個(gè)實(shí)例的同一屬性的不同取值之間的相似度，記為 j (μj，σij),且 j (μj，σij) ? (0，1)(1表示完全匹配，0表示不匹配)，其中σij表示本系統(tǒng)工藝實(shí)例庫中第i個(gè)實(shí)例的第j個(gè)特征，其中i=1,2,3,…,m，j=1,2,3,…,n，(設(shè)本系統(tǒng)工藝實(shí)例庫中共有m個(gè)實(shí)例，每個(gè)實(shí)例有n個(gè)特征屬性)；μj表示新實(shí)例的第j個(gè)特征屬性。

在實(shí)際的問題求解領(lǐng)域中，屬性域是不同的，因此對(duì)應(yīng)的局部相似度的計(jì)算公式也不同。在熱處理典型工藝的參數(shù)確定中，實(shí)例主要特征的取值如表1所示。

表1 實(shí)例主要特征取值及其屬性

第一類：屬性是語義型離散型，其對(duì)應(yīng)的相似度的計(jì)算公式為：

第二類：屬性是實(shí)數(shù)型區(qū)間型，其對(duì)應(yīng)的相似度的計(jì)算公式為：

式中，α、β為σij屬性的范圍區(qū)間。

在計(jì)算實(shí)例的相似度時(shí)，某些屬性的局部相似度對(duì)整體相似度有影響。因此，在計(jì)算整體相似度時(shí)，會(huì)賦予屬性的局部相似度一定的權(quán)重ω，使結(jié)果更符合實(shí)際需要。

由相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覂蓛杀容^各個(gè)目標(biāo)——實(shí)例特征或信息實(shí)體的相對(duì)重要性，得到矩陣為

式中，ζij＝ 1/ζij，ζij＝ 1。

其中的元素ζij表示第i個(gè)目標(biāo)與第j個(gè)目標(biāo)比較的相對(duì)重要性。第i行第j個(gè)特征的相對(duì)重要程度為

則可由第i行算術(shù)平均值計(jì)算出第i個(gè)匹配因子的權(quán)重公式為

整體相似度加權(quán)后的復(fù)合相似度公式為

式中，μ為新工藝實(shí)例或目標(biāo)實(shí)例；σi為實(shí)例庫中的第i個(gè)實(shí)例；μj為新實(shí)例也就是目標(biāo)實(shí)例的第j個(gè)屬性；σij為實(shí)例庫中的第i個(gè)實(shí)例的第j個(gè)屬性；n為新工藝實(shí)例問題描述部分的屬性數(shù)；ωj為第j個(gè)屬性的局部相似度權(quán)重；λi為第i個(gè)實(shí)例與新實(shí)例屬性個(gè)數(shù)不同的對(duì)應(yīng)系數(shù)。

3.2 規(guī)則推理方法

針對(duì)熱處理工藝知識(shí)規(guī)則在選用時(shí)可能出現(xiàn)沖突，本文的產(chǎn)生式規(guī)則的形式為：P→Q，CF。前提P既可以是一個(gè)簡(jiǎn)單條件，也可以是用AND或OR將多個(gè)簡(jiǎn)單條件連接起來構(gòu)成的復(fù)合條件；Q表示若干結(jié)論或動(dòng)作；CF稱作知識(shí)的可信度因子。上述規(guī)則的含義是“如果前提P在某種程度上被滿足，則可以以一定可信度推出結(jié)論Q（或執(zhí)行工作Q），規(guī)則的可信度為CF”[5]。

由于熱處理工藝是決定零件性能的重要途徑，依據(jù)零件性能達(dá)標(biāo)率可以初步確定該條規(guī)則的可信度CF(e)，為了規(guī)則的可信度更加精準(zhǔn)，在該可信度中加入規(guī)則的利用率CF(f)，通過加權(quán)平均最終得出該規(guī)則的可信度CF。

本文在推理時(shí)由已知條件得到一定的規(guī)則，因?yàn)闊崽幚砉に囈?guī)則的前提往往不只一個(gè)，一個(gè)規(guī)則結(jié)論也可能由多個(gè)原因引起，所以本文采用寬度優(yōu)先的搜索策略，即在同一深度上，把各個(gè)規(guī)則前提全部考察后，再進(jìn)行下一深度的搜索，最后采用領(lǐng)域問題特點(diǎn)排序的沖突消解策略，結(jié)合熱處理工藝特點(diǎn)，在規(guī)則屬性表中設(shè)定每條規(guī)則的可信度，當(dāng)推理發(fā)生沖突時(shí)，首先根據(jù)可信度確定規(guī)則啟用順序。

3.3 實(shí)例分析

實(shí)例的檢索特征可以描述為：Ci＝{工藝類型、零件類型、加工材料、硬度}

在面向?qū)ο蟮恼Z義網(wǎng)絡(luò)表示的典型工藝中，實(shí)例分類明確且語義清晰，消息傳遞機(jī)制完善，則通過輸入實(shí)例特征可在眾多實(shí)例中快速檢索到與目標(biāo)實(shí)例相近的幾個(gè)實(shí)例，如表2所示。

表2 實(shí)例與新問題的特征值

表中：σ1!σ3為從實(shí)例庫中的一組相關(guān)實(shí)例；μ為待解決的新問題；實(shí)例相似性分析具體步驟如下：

1）根據(jù)公式（1）、（2）計(jì)算出新問題屬性和庫中各個(gè)實(shí)例屬性的相似度；

2）建立類似公式（3）的矩陣；

3）由公式（4）判斷出屬性的重要程度，再由公式（5）計(jì)算各個(gè)特征的權(quán)重；

4）最后由公式（6）計(jì)算出新問題μ和各個(gè)實(shí)例之間的相似度。

通過以上計(jì)算，可得出眾多實(shí)例中和新問題最相似的實(shí)例，直接利用其作為新問題的解，也可以通過規(guī)則推理的方式再進(jìn)行參數(shù)預(yù)測(cè)及自動(dòng)生成。具體步驟如下：

1）輸入加工材料的材料牌號(hào)、熱處理標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議號(hào)和工藝類型等作為求解問題的初始條件；

2）在熱處理工藝知識(shí)規(guī)則庫中的規(guī)則，用上述條件與數(shù)據(jù)庫中的值比較，如果規(guī)則的前提條件和數(shù)據(jù)庫中的值匹配，則該條規(guī)則被激活，從而獲得某個(gè)結(jié)論，同時(shí)把結(jié)論存入數(shù)據(jù)庫中備用。如果沒有匹配的規(guī)則，要求給出新的工藝文件自己填寫參數(shù)，并提出規(guī)則存入數(shù)據(jù)庫中備用。

通過上述兩種方式的結(jié)合，既解決了典型工藝庫中實(shí)例不足的問題，又解決了單純依靠規(guī)則推理難以實(shí)現(xiàn)自學(xué)習(xí)的問題。

4 結(jié)束語

本文充分發(fā)揮過去經(jīng)驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等工藝知識(shí)的作用，采用人工智能中的知識(shí)表示方法，利用基于典型工藝的設(shè)計(jì)方法和規(guī)則推理的混合設(shè)計(jì)方法開發(fā)了熱處理工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)，并在企業(yè)中順利運(yùn)行，充分驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性。

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