[14] PandeSS.and PrabhuBS.An expert system for automatic extraction of machining features and tooling selection for automats, Computer Aided Engineering Journal 99 (1990).

[15] Parsaye Kand Chignell M  Expert systems for experts, Wiley (1988).

[16] Kojiyama T.et al., An expert system of machining operation planning in Internet environment, J Mater Process Technol 107 (2000), pp. 160–166.

[17] Jiang B.Baines K.andZockel M.A nex coding schema for the optimisation of milling operations for utilisation by a generative expert C.A.P.P. system, J Mater Process Technol 63 (1997), pp. 163–168.

[18] Limsombutanan B.Curvature analysis based holon for 5-axis milling cutter selection and tool path planning,Electronic Journal of the School of Advanced Technologies, Asian Institute of Technology 1 (1999) (2).

[19] Sandvik Coromant, COROKEY tool selection guide, C-2903: 6-ENG, 2000.

[20] Sandvik coromant turning tools, C-l000: 7-ENG, 2002.

[21] Kennametal cutting tools, 2001.

[22] Side and face milling, Sandvik Coromant, C-l 129: 022-ENG, 1996.

[23] Valentine indexable cutting tool INSERTS, 1993.

[24] HERTEL boring and countersinking guidelines, Technical handbook, 103 GB, 1994.

[25] Carboloy turning GT5-265 M-59-03, 1995.

解决金属切削问题的智能专家系统的开发

乌鲁达大学，机械工程系，Gorukle16059，布尔萨，土耳其

于2004年9月8日收稿，于2005年1月31日接受

2005年3月21日可在线

摘  要

    在金属切削方面，这些问题需要有良好的分析，以便遇到任何意外的结果之前，可以采取有效的防范措施。这一过程在实现产品质量稳定和控制生产总成本方面起很重要的作用。但是，需要一个拥有在金属切削方面有大量经验和知识的专家是一项艰巨的任务。在本文，智能专家系统（COROSolve）调查并解决了在金属切削领域遇到的三个主要问题：车削，铣削和钻孔。许多金属切削方面的问题都被考虑在内，如在车削过程中的工件内部插入转折点，铝件车削，沟槽车削，螺纹车削等工序; 在铣削方面面铣，方肩铣，端铣，多用途铣和侧铣等工序；在和钻孔作业，使用固定或可转位钻头钻孔等。COROSolve可以给出建议的切削参数而且能及时更新在切削问题，产生原因和补救措施等方面的数据库，因此系统能够处理的问题数量在增加。

关键词：金属切削问题 专家系统  KBS 刀具磨损

1、引言

    现代制造业的目标是，在组织设施能够进行有效控制，以便能以在较短生产周期内以较低的生产价格制造出高质量的产品 。为了实现能以较低的价格获得更优质的产品，制造部门格关注采用更好的刀具和高精密的机械等[1]。然而，在大多数情况下对于生产要求这是不够的。专业的工作选择正确的工具是重要的，但是为了更高效的制造，刀具磨损也应考虑在内。在文献中，许多出版物上对于不同材料制造的刀具的磨损的确做了很多研究[2]。

金属切削是切削碎片的形成过程。虽然切削过程是把金属切削成所规定的形状和大小，但这必须通过定义切削碎片工作来完成。切削碎片的形成意味着一个新的金属界面不断形成并沿刀具材料承受着非常高的压力和温度[3]。所产生的区域成为发生金属扩散和化学反应的理想场所。所有刀具在加工过程中不断变得破旧，并继续这样工作直到它们报废。刀具磨损是不可避免的，如果能了解刀具磨损的时间，程度，类型时，刀具磨损就不再是一个消极的进程。

在不同的金属切削过程中存在着几种不同的磨损机理，相近\不同类型的问题由于这些机制作用的结果而联系交织在一起。如果这些问题能够得到很好的分析，我们就有可能找到其中每一种问题的正确的解决方案。

在分析金属切削问题时这个问题应当明确界定，而且其可能的原因也应该得到确认。找一个拥有知识和大量金属切削经验的专家是一项艰巨的任务。今天在金属切削领域，关于解决切削碎片问题的专业设施主要由切削刀具生产企业提供。由于在这一领域工作的人是有限的，因此并不总是能够找到真正需要的专家。在现有专家聘用费用昂贵而且人员稀缺的领域中专家系统一直特别受欢迎。对于解决金属切削问题专家系统将是非常有益的。

2、专家系统在协助发展制造工艺上的应用

基于知识的系统或专家系统是一个体现狭窄领域的知识并解决该领域相关问题的计算机程序。专家系统通常包括两个主要内容，知识基础和推理机制（图1）。

基础知识包含一个可以表述为由'IF - THEN'规则、事实说明、框架、对象、程序和案件组合而成的知识领域。推理机制，是专家系统操纵存储的知识并对遇到的生产问题提出解决方案的一个组成部分[4]。

一个人类专家利用知识和推理最终得出的结论，专家系统也是如此。推理在专家系统试图模仿结合人类专家的知识的过程中进行。因此，专家系统的结构或架构有些类似于人类专家的执行情况。因此，专家系统可以比喻成专家。

一个比较明显的问题是规则的收集。人类专家聘用费用高昂，而且并不想要坐下来写关于他们是怎样得出他们结论的那些大量的规则。更重要的一点，他们可能也无法做到。虽然他们通常会遵循逻辑的路径来得到他们的结论，但是把那些规则放入一套标准之中实际上是非常困难的，并且也许是不可能的。

对于许多人类专家下面这种情况是很可能的。虽然他们开始时有着自己的专业规则，但是在工作中通过自己的工作经验知识来开展自己的工作，并且通过直觉得出正确的解决方案。它们可能都跟随逻辑路径，但是在沿着这逻辑的路径上，他们精神上已经跳过许多步骤。专家系统不能做到这一点，它需要很清楚的知道各种规则。

专家系统的一个很突出的好处是能够广泛把知识分发给每一个专家，或者可以同时汇总的几个远远相隔的几个专家的知识。当偶尔的执行任务时专家系统特别有用，而专家每次执行任务时则需要重新学习工作程序。

专家系统是用来规范操作的。如果你有三个机器操作员（或工程师）来执行相同的任务，但是每个人都会做的不同。而专家系统则每次都可以用同样的方式来工作。

这些系统可用于培训员工，指导他们，或进行实际执行如计算任务。专家系统的另一个用途是作为专家辅助您的工作。他们将使您能更准确，更一致，更快，从而为专家能更创意的完成任务而节省了时间。当处理乏味、重复的任务时这是特别有用的。

因此，一旦领域知识被专家系统提取，建设此系统的过程比较简单。能被发展的专家系统的易用性，导致了刀具广泛应用。在工程，可以找到在各种任务上的应用，包括选料，机械零件，刀具，设备和工艺，信号解释，状态监测，故障诊断，机器和过程控制，机械设计，工艺规划，生产调度和系统配置。最近专家系统所执行的一些具体任务的例子如下：

(1)确定和规划离岸结构重要组成部分的检查时间表[5];

(2)在设计和评价能源热电厂方面培训技术人员[6];

(3)配置输纸机构 [7];

(4)在有限元分析锻造变形时自动重新啮合[8];

(5)存储，检索和修改平面连杆机构设计[9];

(6)应用于发动机油产品的添加剂配方设计[10];

(7)选择刀具和切削参数[11-13]；

    有几个潜在的研究领域肯定了专家系统在制造业方面价值[14，15] Kojiyama et al [16]在其文章中讨论了关于加工操作规划的系统框架。在此框架中从电子刀具目录和网络环境下的加工实例数据库中提取和组织的加工技术诀窍了发挥了主要作用。在有参考的情况下可以构成加工数据，这些加工数据来自翻查的刀具目录，相关的国际标准，参考教材和手册。

在一般车削和铣削时，Mookherjee 和Bhattacharyya [11]在专家系统的应用对于解决制造工程师目前所面临的CAD和各类数控加工中心一体化过程中遇到的一些挑战性问题是非常有用的。Jiang et al. [17]开发了一种优化棱镜组件加工业务的专家系统。他们描述了一种新的GT编码方案用于代表待加工得棱镜组件表面。

Limsombutanan [18]在可以作为霍隆的5轴曲面加工过程中提出了一个用来选择刀尺寸和工具方向的算法。铣削表面分为三个阶段，即粗加工，半粗加工和精加工。该算法在曲率分析的基础上选择最佳的刀具并且在立方（凹-凸）表面上自主的计划刀具路径。本文的主要目的是建立这种涵盖了主要的金属切削问题的系统，并帮助那些参与金属切削工作的人们提高产品质量。

3、专家系统在解决金属切削问题上的应用

3.1解决金属切削问题时应考虑的因素

   在金属切削过程中大部分问题是磨损的结果。所有刀具在加工过程中不断变得破旧，并继续这样工作直到它们报废。刀具磨损是不可避免的，如果能了解刀具磨损的时间，程度，类型时，刀具磨损就不再是一个消极的进程。因此，如果对刀具磨损所导致的问题以及其他不利于机械加工业务的有害因素进行了分析，我们就有可能找到其中个个问题的正确解决方案。这将减少非生产性故障的检查时间，因此，减少了加工时间、非生产性停工时间、加工费用并且提高生产效率。在解决金属切削加工问题时所使用的专家系统的结构图如图1。通过软件需要考虑的输入列于图2。

3.2 COROSolve的特点

   该软件已开发利用Delphi可视化编程语言。而建立一个咨询系统的主要困难在获取和研究在解决方案中使用的要素。根据目前在解决金属切削问题上的设计，一旦选中操作类型，对于每个类型的操作的四个主要阶段已经确定：

(1)切削数据的建议。

(2)问题的定义。

(3)切割数据评价。

(4)问题的汇总。

3.2.1、切削数据的建议

     在加工过程中刀具的正确选择是实现最大的生产力的关键。但是，虽然工具是正确的，如果加工条件不符合标准，特别是在切削参数一般稳定，问题将会出现而且刀具的最佳寿命将无法达成。切削参数不正确，刀柄、夹紧的振动和缺乏刚性这些都是金属切削的主要问题。

除了解决问题该软件对每个操作类型（业务类型如前所述）、每个材料组(ISO P, M or K), 每个应用类型（粗，中，完成）、每加工条件类型（好，一般，困难）提供切削数据的建议并且显示如图4的可用插入列表。在这里不是为了找到应用程序的最合适的插入点但是监测金属切削中使用的插入的初始值和切削参数的工作范围（即切削速度，进给量和切削深度）。在这个阶段决定的合适的等级与所选操作，材料组，应用程序等有关。此外，个个材料组的材料清单能够清楚的看到。

推荐切削参数值取自Sandvik Coromant[20]，其他厂商的刀具切削参数可作为建议的值。切削数据显示值是在一定的材料硬度和一定的刀具寿命下得到的。对于任何工件材料跟指定的值相比具有不同的硬度值而且如果刀具寿命超过15分钟，提供的切削数据应乘以修正系数（见表1）。

3.2.2、分析金属切削问题

目前有在金属切削过程中存在多种不同/类似的问题。表面上看这些问题有些是相同的，但是很难相区分开来。问题类型的分类已经形成评估加工操作的重要基础，它通过获取刀具等级以及适合切削类型材料类型的正确的加工条件而优化了生产力。正确的工具，良好的出发切削数据，专家的支持下，自己的经验，工件的材料和优质的设备条件是加工成功的重要因素。对各种工具制造商问题清单的聚合进行归类形成了可由软件使用的KBS。

用户分析金属切削问题时要么在一个或两个阶段之一：从菜单中直截了当的挑选出定义的问题或者首先检查金属切削过程中使用的切削数据，之后访问定义的问题。问题定义模块显示问题的清单，包括其可能的原因及补救措施。一旦选定一个问题（例如，后刀面磨损的转折点或在钻深孔是的转头的跳动），一张图片，清楚的提供了问题的界定和其可能原因的列表。因此一旦选择了可能的原因就确定了相应的补救措施。更多与该问题有关的信息通过点击 “？”获得（图5）。

3.2.3、切削数据评估

    在金属切削过程中，大部分的问题是切削数据不合适应用程序的结果。因此，在这些问题直接列出之前，用户被建议检查操作，应用程序和加工条件的切削参数以确定是否切削速度，进给量和切削深度是否与事先插入的长度，厚度和圆角半径相符。切削数据模块检查在运行中的切削参数是否与插入的相符而且这项工作基本上是与理想的切削数据值进行比较，理想的切削数据值是目录值和校正因子的乘积。如果不相符（这意味着切削参数的值不在范围内），用户应修正切削参数。在铣削和钻孔只有切削速度和进给速度值被考虑，在钻孔时钻头直径和钻头中心或周边的等级被考虑在内（图6）。在图中对中型钢（L代表轻型，M代表中型，H代表中型铣削操作）面铣的切削参数被评估，由于使用价值远低于由给定硬度和刀具寿命计算的理想值，则就会显示警告。

一旦切削数据被审查（和纠正），下一个步骤就是访问这个问题的定义模块。由于切削数据被修正，原因列表和补救措施将会不同而且“切削速度过高”或者“进给量太低” 将不会是有关问题产生的根源。

 该软件能够在各种业务类型中分析超过100多种问题，并对近200个问题原因提供补救措施（340补救措施）。他系统中包含的知识有两个主要来源：从事金属切削领域的专家或者来自于技术文件，目录和各种刀具生产公司的手册[21]，[22]，[23]，[24]和[25]。

3.2.4、问题编辑

系统中包含的知识有两个主要来源：从事金属切削领域的专家或者来自于技术文件，目录和各种刀具生产公司的手册。一个专家系统的成功之处隐藏在像人类专家一样的扩展结构当中。人类专家遇到每一次新的解决方案时都增加了他的知识并且在未来分析时能再利用这些知识。因此，COROSolve有一个可扩展增长的数据库结构，它能处理每天越来越多的问题。

由于系统有单独的和模块化的知识基础，只要进入到数据库编辑获得知识文件就可以很容易的更新系统。系统包含的信息越多，它能够处理的金属切削方面的问题就越多。 知识库是系统的核心，因此，负责生产、添加、删除或修改是那些少数人的任务。因此，用户需要知道密码才能进入的知识库。问题编辑允许和问题，原因和补救措施相关的问题，图片和资料档案添加到知识库。此外，还有可能增加新的问题原因或原本已存在知识库中的问题原因的新的补救办法（图7）。

该系统是多语言，因此它能够处理无论是土耳其文还是英文的金属切削的问题。一旦确定语言被确定，所有程序菜单和问题，原因及补救措施清单都用所选择的语言显示出来。

4、结论

本文介绍了一种为解决各种加工操作任务中金属切削问题的专家系统。由于在许多文献中没有很多关于此主题的工作也因为这种类型的系统可以实现多种金属切削业的要求，这里所描述的工作可以认为是一件有益的工作。在制造业，特别是在小型或中型加工车间，切削数据是不正确是问题的主要原因。工具一般以较低的切削数据运行来使他们在频繁的启动中能维持较长的寿命。这就显然是低效率的利用金属切削时间。由于系统提供的便利之一便是评估的切削参数，这将帮助用户为应用程序选择合适的速度，进给量或切削深度。如果切削数据是正确的而且金属切削问题也得到解决，由于发生故障而引起的停顿将缩短，良好的利用发电能力的目的将可以达到而且金属得切削时间将会有所减少。这就意味着生产成本将会下降很多。该系统开发也为了培训从事金属切削业的人。这些照片和有关问题的资料将会帮助用户更多的认识了解他们。这些图片和信息收集于应用于工业的各种手册和研究报告。

参考文献

[1] Modern metal cutting. Sandvik Coromant. 1994.

[2] Ciftci I, Turker M and Seker U, Evaluation of tool wear when machining SiCp-reinforced Al-2014 alloy matrix composites。Mater Design 2004；25： 5–251.

[3] Wang HP and  Wysk RA, A knowledge-based approach for automated process planning, Int J Prod Res1988； 26(6).

[4] M.C. Cakir, O. Irfan and K. Cavdar, An expert system approach for die and mold making operations, Robot Comput Int Manuf 2005；21（2）：83-175

[5] Peers SMC, Tang MX, Dharmavasan S. A knowledge-based scheduling system for offshore structure inspection. In: Rzevski G, Adey RA, Russell DW, editors. Artificial intelligence in engineering IX (AIEng 9), Computational Mechanics, Southampton, 1994. p. 181–8.

[6] Rosano FL, Valverde NK, De La Paz Alva C, Zavala JA. Tutorial expert system for the design of energy cogeneration plants. In: Proceedings of the third world congress on expert systems, Seoul, Korea. February 1996. p. 5–300.

[7] Koo DY, Han SH. Application of the configuration design methods to a design expert system for paper feeding mechanism. In: Proceedings of the third world congress on expert systems, Seoul, Korea. February 1996. p. 49–56.

[8] Yano H ,Akashi T.Matsuoka T , Nakanishi K,Takata O. and Horinouchi N, An expert systems to assist automatic remeshing in rigid plastic analysis, Toyota Tech Rev 46 (1997), pp. 87–92.

[9] Bose A.  Gini M.and Riley D. A case-based approach to planar linkage design, Artif Intell Eng 11 (1997), pp. 107–119.

[10] Shi ZZ ,Zhou H.andWang J.Applying case-based reasoning to engine oil design, Artif Intell Eng 11 (1997), pp. 167–172.

[11] Mookherjee Rand Bhattacharyya B  Development of an expert system for turning and rotating tool selection in a dynamic environment, J Mater Process Technol 13 (2001), pp. 306–311.

[12] Wong SV. and HamoudaAMS, Development of generic algorithm-based fuzzy rules design for metal cutting data selection, Robot Comput Int Manuf 18 (2002), pp. 1–12.

[13]