基于規(guī)則推理的銑削刀具選擇系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

胡炳星，趙 武，羅純靜

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

（四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610065）

0 引言

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

傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)的刀具選擇數(shù)據(jù)庫(kù)從根本上只能說(shuō)是電子手冊(cè)，通過(guò)這種系統(tǒng)查詢加工刀具及切削參數(shù)效率很低而且準(zhǔn)確度較低。相對(duì)于實(shí)際加工過(guò)程中出現(xiàn)的種類(lèi)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(chǎn)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(guī)則的推理(Rulebased Reasoning, RBR)和基于模型的推理(Modual-based Reasoning, MBR)[1]。由于規(guī)則推理的知識(shí)表達(dá)方法接近于人類(lèi)的思考方式、易推理，因此本文將采用規(guī)則推理的技術(shù)，提出了基于產(chǎn)生式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，建立以被加工零件的材料為主線的規(guī)則推理式刀具選擇系統(tǒng)。將切削加工中需要的數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行加工處理成計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，按某種規(guī)律存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，形成規(guī)則推理式的專(zhuān)家系統(tǒng)，選擇最優(yōu)化的加工刀具及推薦出合理的切削參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了刀具選擇專(zhuān)家系統(tǒng)的智能化和動(dòng)態(tài)化，從而達(dá)到提高決策準(zhǔn)確率及經(jīng)濟(jì)效益的目的[2]。

1 基于規(guī)則推理技術(shù)簡(jiǎn)介

基于規(guī)則推理（Rule Based Reasoning , RBR）是基于規(guī)則表示的知識(shí)系統(tǒng)，根據(jù)規(guī)則，尋求到達(dá)目標(biāo)條件的求解過(guò)程。在該知識(shí)系統(tǒng)中，規(guī)則通常用于表示具有因果關(guān)系的知識(shí)，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(jié)論。前件和后件可以是由邏輯運(yùn)算符and、or組成的表達(dá)式。規(guī)則的含義是：如果前提前件滿足，則推理出結(jié)論后件或執(zhí)行后件所規(guī)定的操作。通常當(dāng)對(duì)工件進(jìn)行銑削加工時(shí)，首先需要知道工件類(lèi)型、工件材料、加工特征、加工精度等。然后根據(jù)該工件的加工特征，選擇加工方法及機(jī)床。前者對(duì)應(yīng)規(guī)則的前件，后者對(duì)應(yīng)于規(guī)則的后件。通過(guò)and或or將工件的初始信息組合在一起，前件包含對(duì)工件的詳細(xì)描述，從而使得后件擁有更準(zhǔn)確、更全面的求解結(jié)果；同時(shí)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(guī)則可以是：

IF 工件材料為 022Cr19Ni10

THEN 刀具材料為 硬質(zhì)合金

產(chǎn)生是系統(tǒng)是一種基于規(guī)則推理(RBR)的專(zhuān)家系統(tǒng)，最初由E Post于1943年作為一種通用的計(jì)算機(jī)形體提出的，由A Newell和H A Simon于1972年作為一種人類(lèi)認(rèn)知模型引入人工智能研究領(lǐng)域，并開(kāi)發(fā)了基于規(guī)則推理的產(chǎn)生式系統(tǒng)[4]?；谝?guī)則推理的產(chǎn)生是系統(tǒng)主要由以下三部分組成：

1）規(guī)則庫(kù)：通過(guò)搜集、整理相關(guān)的專(zhuān)家知識(shí)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，然后將這些專(zhuān)家知識(shí)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化表達(dá)，并以計(jì)算機(jī)能識(shí)別的形式存儲(chǔ)起來(lái)，制定成一系列規(guī)則并形成規(guī)則庫(kù)。這些規(guī)則可以根據(jù)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(shù)。規(guī)則庫(kù)中建立的規(guī)則主要來(lái)源有三個(gè)方面：刀具廠商提供的各類(lèi)刀具手冊(cè)；企業(yè)根據(jù)長(zhǎng)期的工作加工經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來(lái)的刀具、切削參數(shù)選擇知識(shí)；企業(yè)通過(guò)試驗(yàn)得到的刀具使用及切削參數(shù)選用規(guī)則。

2）數(shù)據(jù)庫(kù)：存儲(chǔ)與求解問(wèn)題相關(guān)的事實(shí)與依據(jù)。當(dāng)規(guī)則庫(kù)中有一條產(chǎn)生式的前提條件可與用戶輸入的事實(shí)相匹配時(shí)，該規(guī)則就會(huì)被激活，通過(guò)推理機(jī)將結(jié)論存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，作為后期推理的初始事實(shí)。

由于MySQL關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)具有體積小、速度快、維護(hù)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，因此本系統(tǒng)采用MySQL進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理[5,6]。在數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)中，采用Navicat Premium與Power Designer相接合的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)體模型關(guān)系設(shè)計(jì)。根據(jù)實(shí)體關(guān)系與數(shù)據(jù)表存在的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，以及實(shí)體關(guān)系內(nèi)部的關(guān)聯(lián)關(guān)系，UML模型可以非常直觀地查看數(shù)據(jù)的實(shí)體模型關(guān)系。

在開(kāi)發(fā)該銑削刀具選擇系統(tǒng)前，收集、分類(lèi)、整理了系統(tǒng)需要使用的各類(lèi)相關(guān)數(shù)據(jù)。通過(guò)明確系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)，分析各數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，得以建立合理有效的數(shù)據(jù)表。在分析各表信息時(shí)，需要從相關(guān)信息表中挑選出切削數(shù)據(jù)庫(kù)中的核心數(shù)據(jù)表，比如刀片與刀體信息表，在表中存儲(chǔ)相關(guān)核心信息。同時(shí)還需要與切削參數(shù)選擇相關(guān)的數(shù)據(jù)，如工件材料表、刀片信息表、刀體信息表、切削介質(zhì)表等。比如普通車(chē)削刀片信息表為中心表，而普通車(chē)削刀片材質(zhì)表、普通車(chē)削刀片槽型表和品牌信息表均為普通車(chē)削刀片信息表的關(guān)聯(lián)表，那么在普通車(chē)削刀片表中，刀片為主鍵，刀片材質(zhì)、刀片槽型和品牌為外鍵。

3）推理機(jī)：推理機(jī)根據(jù)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(tǒng)根據(jù)規(guī)則庫(kù)中存放的一系列規(guī)則，采用正向推理的方式對(duì)問(wèn)題進(jìn)行求解。系統(tǒng)規(guī)則推理流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)規(guī)則推理流程圖

2 基于規(guī)則推理的銑削刀具選擇系統(tǒng)功能模型

2.1 原型機(jī)設(shè)計(jì)

基于規(guī)則推理技術(shù)的刀具選擇系統(tǒng)的主要目標(biāo)是運(yùn)用RBR的推理技術(shù)，輸入加工工件、機(jī)床的信息，系統(tǒng)可以推薦出合適的刀片、刀體、切削用量等信息，同時(shí)實(shí)現(xiàn)刀具數(shù)據(jù)的高效管理。運(yùn)用IDEF0建模對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能設(shè)計(jì)，得到的系統(tǒng)功能模型如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的功能模型圖

經(jīng)過(guò)IDEFO建模方法進(jìn)行系統(tǒng)功能分析后，對(duì)銑削刀具選擇系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)。系統(tǒng)包括功能菜單、基本信息、角色權(quán)限、數(shù)據(jù)維護(hù)、運(yùn)行監(jiān)控、文件管理及系統(tǒng)幫助七個(gè)模塊。如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型圖

1）功能菜單模塊：該模塊主要是實(shí)現(xiàn)刀具的選擇功能。該模塊根據(jù)用戶提供的前件，通過(guò)產(chǎn)生式規(guī)則推理出刀具材料、型號(hào)等后件，實(shí)現(xiàn)刀具的選擇。

2）基本信息模塊：實(shí)現(xiàn)對(duì)公司各類(lèi)加工設(shè)備的管理，包括機(jī)床信息、切削液信息、設(shè)備品牌庫(kù)信息、工件材料信息及各類(lèi)刀具的信息，是數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)管理窗口，包括對(duì)數(shù)據(jù)的查詢、增加、刪除、修改。

3）角色權(quán)限模塊：該模塊采用的是基于角色的訪問(wèn)控制（Role-Based Access Control），在RBAC中，權(quán)限與角色相關(guān)聯(lián)，用戶通過(guò)成為適當(dāng)角色的成員而得到這些角色的權(quán)限。這就極大地簡(jiǎn)化了權(quán)限的管理。

4）數(shù)據(jù)維護(hù)、運(yùn)行監(jiān)控、文件管理、系統(tǒng)幫助四個(gè)模塊是系統(tǒng)的輔助功能，主要是管理者對(duì)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)更新及系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)等。

2.2 銑削加工刀具選擇流程建立

銑床上應(yīng)用的銑刀種類(lèi)繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可用于加工平面、臺(tái)階面、溝槽、成形面以及切斷等，故銑削加工應(yīng)用廣泛。銑刀按其不同的特點(diǎn)可有不同的分類(lèi)方法。按用途分類(lèi)、按齒背形式分類(lèi)、按刀齒數(shù)目分類(lèi)[7]。為了滿足在刀具選擇專(zhuān)家系統(tǒng)中更方便快捷的實(shí)現(xiàn)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(lèi)，如圖4所示。

圖4 銑削刀具分類(lèi)圖

以方肩銑為例說(shuō)明該過(guò)程。為了更快更準(zhǔn)的選擇加工刀具，我們對(duì)影響刀具切削的因素進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并提取了其中關(guān)鍵的因素進(jìn)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(guān)系。

如圖5所示，系統(tǒng)中方肩銑加工刀具的選擇分為整體式和機(jī)夾式兩個(gè)選擇界面，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，得到了方肩銑中對(duì)刀具切削影響最大的因素。

整體式中有選擇工件材料牌號(hào)、公稱(chēng)直徑、刃長(zhǎng)、刀尖圓角半徑。選擇材料牌號(hào)后，通過(guò)規(guī)則庫(kù)，用If工件材料牌號(hào)為A, Then刀具材料牌號(hào)選擇為B的規(guī)則式推理出應(yīng)選擇的銑削刀具材料牌號(hào)。其他的選擇項(xiàng)直接對(duì)刀具的屬性進(jìn)行篩選，If給定工稱(chēng)直徑值為a，Then工稱(chēng)直徑大于等于a的刀具篩選出來(lái)，同理刃長(zhǎng)及刀尖圓角半徑也是篩選出值大于等于給定數(shù)字的刀具。

圖5 方肩銑刀具選擇流程圖

機(jī)夾式中有工件材料牌號(hào)、公稱(chēng)直徑、側(cè)銑深度、刃尖圓角半徑。選擇材料牌號(hào)后，通過(guò)規(guī)則庫(kù)，用If工件材料牌號(hào)為A，Then刀片材料牌號(hào)選擇為B的規(guī)則式推理出應(yīng)選擇的銑削刀片材料牌號(hào)。其他的選擇項(xiàng)直接對(duì)刀片的屬性進(jìn)行篩選，If給定工稱(chēng)直徑值為a，Then 工稱(chēng)直徑大于等于a的刀具篩選出來(lái)，同理側(cè)銑深度及刀尖圓角半徑也是篩選出值大于等于給定數(shù)字的刀片。選擇好刀片后，用If刀片型號(hào)為123 Then推薦刀體型號(hào)為456。

3 應(yīng)用

銑削刀具選擇系統(tǒng)是在Windows系統(tǒng)、SQL數(shù)據(jù)庫(kù)管理及JAVA語(yǔ)言開(kāi)發(fā)環(huán)境下運(yùn)行的，圖6為銑削刀具選擇系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例。實(shí)際應(yīng)用過(guò)程如下：選擇左側(cè)導(dǎo)航欄的功能菜單中的銑削管理系統(tǒng)，進(jìn)入方肩銑刀具選擇界面。方肩銑刀具分為整體式和機(jī)夾式，選擇機(jī)夾式刀具功能菜單，界面上有“材料牌號(hào)”、“公稱(chēng)直徑”、“切削深度”、“刀尖圓角半徑”四個(gè)并列選擇框，選擇不分先后順序。選擇材料牌號(hào)Q195，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)過(guò)濾適合加工Q195材料的刀片；選擇公稱(chēng)直徑20，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)過(guò)濾公稱(chēng)直徑大于等于20mm的刀體；選擇切削深度6，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)過(guò)濾側(cè)銑深度大于等于6mm的刀體；選擇刀尖圓角半徑0.4，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)過(guò)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(huì)顯示適合加工的刀體和刀片。此時(shí)，選擇其中一把刀體或刀片，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)匹配與之對(duì)應(yīng)的刀片或者刀體。通過(guò)鼠標(biāo)右功能鍵，可以查看所選刀具的各種詳細(xì)參數(shù)。

圖6 銑削刀具選擇系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

4 結(jié)論

根據(jù)某汽輪機(jī)公司的生產(chǎn)要求，完成了對(duì)該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)?；谝?guī)則推理的刀具選擇系統(tǒng)能夠根據(jù)不同的加工條件，選擇合理的刀具，并優(yōu)化推薦準(zhǔn)確的切削參數(shù)。避免了工人在加工時(shí)刀具及切削參數(shù)的選擇錯(cuò)誤，縮短了工件加工的工藝周期，實(shí)現(xiàn)了高效、可靠的刀具選擇。

[1] 羅向華,劉祥.基于知識(shí)的數(shù)控編程系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程與自動(dòng)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(shè)計(jì)[M].清華大學(xué)出版社,2005.

[5] 蘭旭輝,熊家軍,鄧剛.基于 MySQL 的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2004,25(3)： 442-443.

[6] 吳滄舟,蘭逸正,張輝.基于MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)的優(yōu)化[J].電子科技, 2013,26(9)：182-184.

[7] 倪為國(guó).銑削刀具技術(shù)及應(yīng)用實(shí)例[M].化學(xué)工業(yè)出版社,2007.