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1、环轧成形专家系统项目设计方案第1章 绪论1.1 概述1.1.1研究的目的和意义工业技术的发展对环形件产品的要求越来越高，而计算机技术的快速进步，为塑性加工工艺的扩展提供了便利条件。传统的环轧工艺设计过程高度依赖工艺人员的经验，而这些经验又全靠工艺人员的领悟和师父的传授，以上过程是一个长期而缓慢的积累过程。由于依靠自身积累的经验性知识因人而异，不同的人对同一工艺过程的理解会有很大的差异。同样的零件，不同的工艺人员设计的方案会有较大差异。这种工艺设计的不规范性和随意性都给环轧工艺设计质量和效率的提高带来了很大的困难。辗环生产工艺复杂，应用计算机技术有助于了解环件在轧制过程中的变化规律，制定合理的工
2、艺方案，从而提高环件的精度，缩短生产周期，推动环件轧制向更高水平迈进。自从电子计算机诞生以来，其主要的功能就是进行数值计算与数据的处理，其知识处理能力即智能却很低，然而人工智能(Artificial Intelligence，简称AI）的出现，改变了这一现状。人工智能经过几十年的发展，已经形成了八个大的方向，而其中专家系统理论最为成熟、应用最为广泛。由于环件轧制成形工艺涉及到许多工艺参数的计算和设置问题，所以确定一整套工艺方案是非常复杂的，而且人工制定工艺方案不可避免具有许多缺点。专家系统（ES）是一个智能计算机程序，它利用知识和经验，通过推理来解决某领域中只有人类专家才能解决的难题1。它集中
3、了人类专家的灵活性和计算机系统的智能性两大优点，且具有比人类专家更多的优越性，如：继承了计算机系统快速、准确的优点；不受时间地域限制的优点；可以综合许多个专家的优点；可以将专家知识长久保留的优点。此外，培养一个人类专家需要大量的投入，经过十几年甚至几十年的时间才能成功，而专家系统就不一样了，许多专家系统可能在开发的时候要大量的人力和物力，但是，一旦开发成功，可以在瞬间完成成百上千个专家系统的复制工作，即在短时间内造就许许多多的“专家”。因此，专家系统在环轧制造中的应用可以大量的缩短产品设计时间，提高效率，同时也能减轻工艺设计人员的劳动量。1.2环件轧制的分类及特点环件轧制（又称环件辗扩或扩孔、
4、辗环）是借助辗环机使环件壁厚减小、直径扩大、截面轮廓变形的塑性成形工艺，与整体模锻比较，它具有大幅度降低设备吨位和投资、振动冲击小、节能节材、生产成本低等显著优点，是轴承环、齿轮环、法兰环、火车车轮及轮箍、燃汽轮机环等各类无缝环件的先进加工技术，在机械、汽车、火车、船舶、石油化工、航空航天、原子能等许多工业领域日益得到广泛应用2。轧制的环件外径尺寸为4010000mm，环件高度为154000mm，环件的重量为0.482000kg。常见的轧制环件产品有轴承环、齿轮环、火车车轮及轮箍、燃汽轮机环、电机集电环等，最大的轧制环件是直径10000mm、高度4000mm的核反应堆容器环件。环件轧制可以分为
5、径向轧制和径一轴向轧制。图1.1是径向轧制的基本原理图。图1.1（a）所示为三个辊的径向轧制，其中驱动辊为主动辊，同时作旋转轧制和直线进给运动；芯辊为被动辊，做从动旋转轧制运动；导向辊和信号辊都可自由转动。在驱动辊作用下，环件通过驱动辊与芯辊构成的轧制孔型产生连续的局部塑性变形。当环件经过多转轧制变形且直径扩大到预定尺寸时，环件外圆表面与信号辊接触，驱动辊停止直线进给运动并返回，环件轧制过程结束。驱动辊旋转轧制运动由电动机提供动力，直线进给运动由液压或气动装置提供动力，其它轧辊运动无需再提供动力，而在环件摩擦力作用下随环件做从动转动。图1.1（b）为四辊轧制，驱动辊在电动机地驱动下作恒速的旋转
6、运动，无进给运动；压力辊向驱动辊移动，完成径向进给运动；为了使环件在轧制过程中定心和防止振动，轧环机上设置一对抱辊，抱辊从环件的两侧以一定的抱辊力抱住环件，随环件径向地增大，两个抱辊臂逐渐张开。抱辊的作用是对环件施加一定的抱辊力，保证轧制过程稳定进行，在轧制的最后阶段，抱辊起着归圆的作用。中、大型轧环机多采用此种结构，这种轧机结构简单，价格低，工艺控制容易，适用广泛，一般用于矩形截面、沟槽形截面环件的生产。图1-1（a） 环件径向轧制原理图图1-1（b） 环件径向轧制原理图图1.2是径轴向轧制的基本原理图。相比径向轧制中的四辊轧制，径轴向轧制增加了轴向端面轧辊机构，同时从径向和轴向对环件进行轧
7、制，使得径向轧制产生的环件端面凹陷再经过轴向轧制而得以修复平整。径轴向轧制的锥辊表面线速度基本与环件端面线速度同步，上端面锥辊做向下进给运动，同时整个轴向机架随环件径向地增大做向外水平移动，完成环件的轴向轧制。目前，只有较先进的大中型轧环机采用径轴向联合轧制工艺，径轴向轧环机适用于壁厚、大轧制比或截面复杂的环件加工，生产效率高。图1-2 环件径轴向轧制原理图环件轧制与环件的其它生产方式相比，在技术上具有很多优点：（1）设备吨位小，加工范围大：其成形过程是局部加压连续小变形的积累，工件与工具的接触面积小，因此，变形工艺力小，所需设备吨位小，小吨位设备可加工大的无接缝环件，扩大了环件的加工范围。（
8、2）材料利用率高：环件轧制的工件截面形状更接近成品，材料利用率比模锻提高l0%以上。（3）产品质量好：轧制环件的金属纤维沿环件圆周方向连续分布，与环件使用中的受力和磨损相适应。其内部组织致密，晶粒细小，力学强度、耐磨性和疲劳寿命明显高于其他加工方法生产的环件。（4）劳动条件好，生产率高：环件轧制类似于静压轧制，无冲击、振动，噪声低，改善了劳动环境。环件轧制又易于机械化和实现自动化，生产率高，劳动强度低。轧制速度通常为12m/s，轧制周期为10s3.6s，最大生产率1000件/h，大大高于其他方法加工环件的生产率。（5）生产成本低：据有关资料统计，环件轧制与自由锻相比，材料消耗降低40%50%，
9、生产成本降低75%。用环件轧制生产EQ140汽车后桥从动锥齿轮环件时，比模锻单件材料消耗降低5kg，成本降低20%。和一般锻造相比，环件轧制生产的模具费用可减少70%以上3。环件轧制工艺通常是以锻锤轧环机、平锻机轧环机、锻锤压力机轧环机等设备配置在一起连线组织生产。与传统的环件自由锻造工艺、环件模锻工艺、环件火焰切割工艺相比，有较好的技术经济效益。1.3专家系统概述1.3.1专家系统的基本概念和基本特征专家系统是人工智能应用研究最活跃和最广泛的课题之一。自从1965年第一个专家系统DENDRAL在美国斯坦福大学问世以来4，经过20年的研究开发，到80年代中期，各种专家系统已遍布各个专业领域，取
10、得很大的成功。表1-1专家系统和常规程序的比较专家系统常规程序专家系统=知识+推理常规程序=数据结构+算法专家系统将知识组织成数据级、知识库级和控制级常规程序将知识组织成数据级和程序级专家系统是通过推理获取问题的解或证明某个假设，本质上是符号处理常规程序一般是通过查找或计算获取问题的解，本质上是数值计算专家系统处理的数据大多数是不精确的、模糊的常规程序处理的数据多数是精确的专家系统一般具有解释机构，它可以对自己的行为做出解释常规程序一般不需要具备解释功能专家系统是一个智能计算机程序系统，其内部含有大量的某个领域专家水平的知识与经验，能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来处理该领域问题。也就是
11、说，专家系统是一个具有大量的专门知识与经验的程序系统，它应用人工智能技术和计算机技术，根据某领域一个或多个专家提供的知识和经验，进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，以便解决那些需要人类专家处理的复杂问题。它和传统的常规程序的区别如表1-1所示5。一般讲，专家系统具有如下一些基本特征6：（1）具有灵活性一般都采用知识库与推理机分离的构造原则，可以在系统运行时根据不同的要求分别选取合适的知识构成不同的求解序列，实现对特定问题的求解。（2）具有透明性专家系统一般都设置了解释机构，用于向用户解释它的行为动机及得出的某些答案的推理过程，可以使用户能比较清楚地了解系统处理问题的过程及使用的知识和方法，
12、从而提高系统的可信程度。（3）具有交互性可以与领域专家或知识工程师进行对话以获取知识，同时可以通过与用户对话以索取求解问题时所需的知识以及回答用户的询问。（4）具有实用性专家系统是根据领域问题的实际需求开发的，这一特点决定了它具有坚实的应用背景。可以用于多种领域，取得巨大的经济效益及社会效益。1.3.2专家系统的产生与发展专家系统属于人工智能的一个分支，产生于60年代中期，是人类长期探索机器智能的智慧结晶和升华。它的发展进程大致可分为四个时期6-8：（1）孕育期（1965年以前）专家系统是在人工智能的发展中孕育产生的。1961年J.Slagle设计的符号积分程序SAINT，在解不定积分问题时所
13、表现出的能力达到了麻省理工学院（MIT）优等生的水平。为达到这一水平，SAINT中使用了大量有关不定积分的知识，其中包含了专家系统思想的雏形。在这一时期，人工智能研究者在人工智能的基本理论和方法的研究上取得了较大的进展，如在知识表示（Knowledge Representation），推理方法（Inference Method）、搜索策略（Search Strategy）等方面均获得了有益成果。这些成果为专家系统的产生打下了良好的基础。（2）初始期（19651971）1965年Feigenbaum研究了以往人工智能系统成功的经验和失败的教训，发现人类专家之所以能够很好地解决许多困难问题，其主要
14、原因在于他们拥有大量的专门知识，尤其是检验性知识。基于这种想法，Feigenbaum与J.bederberg和C.Dierassi合作开发的DENDRAL系统获得了极大的成功，它解决问题的能力已经达到了专家水平，在某些方面，该系统甚至超过了领域内的专家。DENDRAL系统的成功，标志了人工智能的一个新领域专家系统的诞生。（3）成熟期（19721977）七十年代专家系统趋于成熟，先后出现了一批较成功的专家系统，其中有代表性的有MYCIN、CASNET、AM、PROSPECROR等，这一时期开发的专家系统比初创时期的第一代专家系统有了较大的改进。在此期间，专家系统取得的较大进展是R.Davis提出
15、元知识的概念和Feigenbaum提出的知识工程（Knowledge Engineering）的概念。（4）发展期（1978）随着专家系统的成熟，专家系统的应用领域迅速扩大，处理问题的难度也不断增加。由于七十年代末骨架系统的出现，大大缩短了专家系统的研制周期。以商品化为目的的专家系统开始投入使用，如XCON系统等。我国于70年代末期，在医疗领域内首先开展专家系统的研究，80年代初开始渗透到其它领域。到了80年代中期，由国内研制的一批专家系统开发工具相继出现，如上海工业大学的RETRIEVER、东南大学的TME和吉林大学的MES等。1.3.3建立专家系统的必要性既然有人类专家可以解决专门问题，为
16、什么还要建立专家系统呢？其目的可以归纳为如下几点：（1）使专家知识形式化我们要建立专家系统的领域常常是这样一些领域，即在这些领域里专家们有丰富的实践和经验，但尚没有形成完整的见解。也就是说，人们的知识还落后于专家的经验和实践。专家系统则可以帮助从这些经验中获取知识，将知识形式化。这个将知识形式化的过程也就是逐步明确如何去解决问题的过程。（2）建立推理模型对于专家系统要解决的这类复杂问题，专家们常常只能非正式地和不准确地说明他们的推理过程，因此无法建立典型的数学模型来进行计算分析。而专家系统技术则可以帮助建立合适的推理模型，并试验各种把事实组合起来以产生专家推理结果的途径，对专家的推理决策过程进行试验和模拟。（3）综合多
