鑄造方法選擇專家系統(tǒng)

1、鑄造方法選擇專家系統(tǒng)摘要鑄件設計需要了解鑄造工藝特有的各種相關因素，但是通常生產設計者并不具備這些必需的鑄造知識。鑄件設計者一般必需與鑄造專家合作來保證所設計的產品的鑄造工藝性并選擇最佳的鑄造方法。這使得設計周期延長，但是實際的設計時間又不夠，就很容易產生錯誤的鑄件設計。一個可以由設計者自行處理的計算機系統(tǒng)即可以緩和這一問題并且提高所設計鑄件的生產可能性。本文提出了一個知識庫專家系統(tǒng)，來協(xié)助鑄件的生產設計者在產品設計階段根據特殊的鑄件設計要求選擇最合適的鑄造方法。并基于生產規(guī)則的知識模擬技術建立了專家系統(tǒng)的原型。本系統(tǒng)由一些自主而又相互關聯的部分組成，每一部分處理一組特定的因素，比如鑄造合金、

2、形狀和復雜度、精度要求和根據生產批量決定的比價等。用戶界面的設計允許用戶清楚地看到每一部分鑄造設計因素如何影響鑄造方法的選擇，從而在必要時適當地改進設計，以提高所設計產品的鑄造工藝性或者更加適合于所選擇的鑄造方法。緒 論在鑄造生產中有很多復雜問題僅僅用常規(guī)算法技術是不能迅速解決的。解決這些問題通常依賴于多年的工作經驗和專業(yè)知識。盡管常規(guī)的計算機程序算法能夠加工、處理數據并得出結果，但是無法迅速處理人類的經驗知識和直觀推理過程。并且經驗知識以及專家本身很稀少，難以找到而且代價很高。然而計算機專家系統(tǒng)卻能夠在無法迅速獲得專家的專業(yè)指導時，解決常規(guī)計算機程序不能解決的特殊的鑄造問題。專家系統(tǒng)（An

3、Expert System-ES）,又稱為知識庫系統(tǒng)（A Knowledge Based System-KBS），實際上是一種能夠模擬人類專家的思維方式去解決特殊領域的復雜問題的、具有“智能化”特征的計算機程序。【1】【2】一個專家系統(tǒng)基本上包括三個主要組成部分：知識庫（the knowledge base）、推理機（the inference engine）、用戶界面（the user interface）（圖一）。知識庫包括解決單個問題所需的知識。這種知識提供特殊領域的專家知識，可能是某種規(guī)則、直觀推斷或者解決問題的方法。知識庫中的知識是結構化的，利用諸如生成式（Production）、I

4、f-Then 規(guī)則（If-Then rules）、語義網（semantic nets）、框架（frames）等不同的模擬技術、按照計算機所能夠理解的方式來提供?！?】【2】推理機是專家系統(tǒng)根據知識進行推理的機構，包括機構、對策、處理和提供知識庫中的知識的控制機構。用戶界面部分使得系統(tǒng)與用戶能夠交互對話。它包括屏幕顯示、咨詢對策和解釋部分。另外，專家系統(tǒng)為系統(tǒng)開發(fā)者提供接口，比如與數據庫、擴展板和相似軟件進行通訊。近年來專家系統(tǒng)開發(fā)工具的發(fā)展促進了專家系統(tǒng)在制造業(yè)中的應用，例如生產管理、工藝設計、缺陷診斷以及工藝控制等等?！?】【2】據報道，已經開發(fā)了很多解決各種鑄造問題的專家系統(tǒng)，包括鑄件設計

5、【3】、工藝和合金選擇【4】【5】、鑄造缺陷診斷和預防【6】【7】【8】【9】【10】、熔模鑄造的充型和補縮系統(tǒng)設計【11】和工藝過程控制【12】等。選擇正確的鑄造方法是鑄造設計與制造中的重要部分。從根本上講，鑄造方法按照造型材料可以分成三種主要方法，即砂型鑄造（sand）、金屬型鑄造（metal）和陶瓷型鑄造（ceramic）。在每種主要方法中又產生了大量的技術變化。不同的鑄造方法提供不同的技術和投資收益，選擇合適的鑄造方法要求充分了解鑄件設計約束條件、要求的產品性能、各種鑄造方法的技術局限、可用的鑄件加工工具以及全部的投資決定因素之間的相互關系，因此，一個能夠確定最佳的生產鑄件的方法以滿足

6、特殊要求的工具對于鑄件的生產者和設計者具有同樣巨大的價值。本文就闡述了這樣的一個工具，即“鑄造方法選擇專家系統(tǒng)”的開發(fā)與使用。這里提到的開發(fā)工作仍在進行，本文所涉及的專家系統(tǒng)的特征僅限于目前已經開發(fā)的部分。鑄造方法選擇專家系統(tǒng)的開發(fā)在選擇了正確的開發(fā)工具之后，知識庫的結構設計就不需要熟練的軟件程序員，但是同使用大多數應用軟件一樣，需要了解大量的計算機知識。開發(fā)鑄造領域的專家系統(tǒng)應該適合于絕大多數鑄造廠。開發(fā)一套成功的專家系統(tǒng)，必須有一個好的開發(fā)規(guī)劃。系統(tǒng)地研究從開發(fā)領域的界定、到知識庫的結構設計以及最后的系統(tǒng)執(zhí)行程序的全過程是重要的，如圖2所示。領域分析和系統(tǒng)規(guī)劃如果在實際中考慮到與應用專家系

7、統(tǒng)有關的潛在利益，最初選擇合適的領域就是決定性的。由于鑄造方法的選擇需要大量的專業(yè)知識，專家系統(tǒng)在這一領域的實用性就是顯而易見的了。這個專家系統(tǒng)將包括很多不同方法的決定因素、各個因素之間的復雜關系、和根據這些因素選擇鑄造方法時的直觀推斷等等詳細知識。就系統(tǒng)規(guī)劃而言，在全部完成之后，專家系統(tǒng)將由以下部分組成：1.“鑄造方法選擇”主要打算是為那些對在給定的新產品的準備和詳細設計階段確定合適的鑄造方法感興趣的鑄造產品設計者開發(fā)的。當然，這一性能也可以由鑄件的生產者為了同一目的而使用。2.“鑄造方法驗證”是驗證一種預先選定的鑄造方法對于一個給定的新產品的適用性的。這一功能也可以由鑄造產品的設計者和鑄造

8、工程師兩者使用。3.“數據修正”提供了一個修正知識庫數據而不會影響知識庫規(guī)則的簡單途徑。從系統(tǒng)開發(fā)者的觀點來看，這一點對于系統(tǒng)的進一步擴展和修正是尤其重要的。象后面將要提到的那樣，選擇一個合適的開發(fā)工具簡單、快速地構造系統(tǒng)也是重要的。系統(tǒng)可以在IBM兼容的PC機上運行。系統(tǒng)結構設計這一部分由知識獲取、利用合適的專家系統(tǒng)開發(fā)工具進行知識描述和編碼等等幾個連續(xù)步驟構成，通常稱為知識庫建造（knowledge engineering）。1)知識獲取知識獲取單元確定了如圖3所示的、在特定環(huán)境下選擇最合適的鑄造方法的各種因素。這里確定的因素包括鑄造合金類型、鑄件尺寸和重量、鑄件的幾何特征、尺寸公差和表面

9、質量要求，以及最后生產的相對成本。在每一種涉及到的鑄造方法中，有關這些因素的、必要的、真實的數據和知識都通過各種途徑收集到一起，包括直接與項目專家交談、鑄造教科書、雜志文章、專門的公司文獻等等。還必需進行相當數量的知識提煉工作，尤其是在碰到各種說法相互矛盾的時候。對鑄造方法選擇有著重要影響的鑄件的復雜程度是無法進行簡單定量的，也沒有一個簡單變量可以對它進行準確估計。在本系統(tǒng)的開發(fā)中，主要考慮諸如造型及鑄件起模所要求的分型面或者分型線的個數、形成鑄件內部結構和嚴格的壁厚所需的下芯要求以及芯子的類型和尺寸等設計因素。由于給定鑄造方法的鑄件尺寸精度是鑄件尺寸的函數，因此對于每一種鑄造方法都利用線性回

10、歸分析產生了一系列可以適用于每一組鑄造合金的線性方程。包括同一分型面上的（即沿著分型線方向）和垂直分型線方向的尺寸公差。利用相關方程描述這一特征的知識與數據能夠大大減少規(guī)則的數量，在系統(tǒng)的開發(fā)中節(jié)省大量時間。在目前的開發(fā)中，關于各種鑄造方法生產鑄件的相對成本的知識僅僅按照預計的總產量計算，因此必需有一個最小的產量以收回最初的模具加工成本。當然，為了更加實際地比較各種鑄造方法的成本，進一步擴展系統(tǒng)的這一部分的功能的工作正在進行之中。知識的獲取只限于能夠穩(wěn)定地獲取知識和數據的那些鑄造方法。目前的狀況下，知識庫包含九種鑄造方法：濕砂型鑄造（Green sand）、干砂型鑄造（Dry sand）、化學

11、粘結劑砂型鑄造（Chemically bonded sand）、殼型鑄造（Shell mould）石膏型鑄造（Plaster mould）、消失模鑄造（Evaporative pattern(EPC)）、陶瓷型精密（Ceramic shell investment）、金屬型鑄造（Gravity die ）、壓鑄（Pressure die）。2)知識描述在獲得所需的全部知識以后，下一步的工作就是按照計算機可以使用的格式描述這些知識。生成式規(guī)則（Production rules）（即If-Then規(guī)則）確定為描述已有的知識特征的最合適的方法。利用一種類似于人類解決問題的推理方式來構造這些知識，可以

12、直接進行正向知識描述。If-Then規(guī)則把前提或條件與相關的結論聯在一起。換句話說，在獲得一個確定的結論之前，某個條件必須成立或為真。前提一般包括一系列用邏輯AND或OR連在一起的很多條目。用這種知識描述方式通常通過正向鏈（forward chaining）或者反向鏈（backward chaining）進行推理?！?】【2】正向鏈推理，也稱為數據驅動推理（data-driven reasoning），就是系統(tǒng)檢查一條規(guī)則的If或者條件部分來決定它是真還是假，結論或者Then部分只有在條件部分為真時才為真。一直做到沒有更多的規(guī)則可以進行匹配時，系統(tǒng)就報告其結論。在反向鏈推理中，推理機從一個假設

13、的目標開始，通過規(guī)則決定目標狀態(tài)成立所需的必要條件。因此，這種方式又稱為目標驅動推理（goal-driven reasoning），本系統(tǒng)就是使用這種推理機理。下面的一條If-Then規(guī)則展示了本專家系統(tǒng)根據所考慮的方法選擇影響因素，來選取合適的鑄造方法X的知識描述：IF 鑄造合金的選擇合適AND 鑄件的內部特征要求使用芯子OR 不需要芯子AND 所需芯子類型合適AND 最小芯子尺寸合適AND 鑄件重量合適AND 鑄件最大長度合適AND 鑄件局部最小壁厚合適AND 鑄件局部最大壁厚合適AND 所需的分型線個數合適AND 沿著分型面方向尺寸公差合適AND 垂直分型面方向尺寸公差合適AND 表面質

14、量要求合適AND 生產批量合適THEN 鑄造方法X是合適的 所以，整條規(guī)則的IF部分的所有條件都必需滿足，鑄造方法X才是合適的。3)知識編碼知識庫的結構設計是利用一種叫做“專家系統(tǒng)骨架（expert system shell）”的個人計算機上的商業(yè)開發(fā)工具進行的。專家系統(tǒng)骨架提供除了知識庫以外的開發(fā)專家系統(tǒng)所需的全部核心內容（圖4）。所選的開發(fā)工具提供生成式規(guī)則的工具并且使用反向鏈推理策略。它還提供所需的其它大部分功能，包括與IBM PC 的兼容性，方便地產生友好的用戶界面，與外部系統(tǒng)相結合的能力，對于一般的開發(fā)者的友好性和便宜的價格。CPS：結構和性能在鑄造方法選擇專家系統(tǒng)（CPS）中，復雜

15、的鑄造方法選擇問題被分成幾個標準層次（levels），每個層次都有自己的分支知識庫，分別處理整個方法選擇問題的一個特定部分，使其開發(fā)、應用更加簡單、更加有效。系統(tǒng)的知識庫結構如圖5所示。它包括四個獨立而又相互聯系的知識庫（KB）或層次。這種方法的基礎是在系統(tǒng)的四部分中的每一步（或層次）都淘汰不合適的方法，即合金的適配性（KB 1），鑄件形狀和其它設計特征的復雜程度（KB 2），所需的尺寸公差和表面質量的適配性（KB 3）和直接受到經濟的總產量限制的生產成本（KB 4）。在第四層結束時提出最佳方法的建議。系統(tǒng)讓用戶按照順序通過四個層次的每一層，并在每一層提出適當的問題。用戶輸入的答案或者數據在每

16、一層都可以進行修正，從而可以探索個別因素的改變對于系統(tǒng)結論的影響。鑄造方法選擇專家系統(tǒng)在每一層考慮的方法選擇影響因素總結如下：1) 合金適配性（Level 1）a)鑄鐵，b)鋼，c)鋁，d)鎂，e)銅，f)鋅，g)鎳，h)鈦2) 鑄件幾何特征與尺寸的適配性（Level 2）a)鑄件重量（Kg）b)鑄件最大長度（mm）c)芯子的幾何結構：根據鑄件下芯特征而定的組合芯或金屬芯的適配性d)最小芯子尺寸（mm）e)鑄件局部最大壁厚（mm）f)鑄件局部最小壁厚（mm）g)起模要求的分型線個數3) 尺寸精度和表面質量的適配性a)沿鑄件分型面的最小尺寸公差(在特定長度上mm)b)垂直鑄件分型面的最小尺寸公差

17、(在特定長度上mm)c)所需的表面質量（m）4) 產量的適配性（Level 4）合適的產量反映了一種產品的生命期或者需求期。這種標準結構允許用戶清楚地看到單一的影響因素如何一步一步地接受或者拒絕各種鑄造方法。系統(tǒng)允許用戶在每一層修改輸入和改進其選擇，而不會影響其它的層次。比如，如果用戶發(fā)現在第二層沒有提出合適的方法，他可以在這一層通過改變幾何復雜程度來改進他的設計，同時在前一層得出的判斷對于最后的結論仍然是有效的。另外，由于新知識的添加或者知識庫的修正可以在特定的層次進行而不會影響其它層，因此現有的標準方法對于系統(tǒng)的改進和擴展也有很多好處，能夠為開發(fā)者和知識工程師在將來進行任何的知識庫的擴展而

18、提供友好的友好環(huán)境。CPS的用戶/系統(tǒng)對話界面是經過仔細設計的，以便保證要求用戶回答的所有問題的答案都是清楚而沒有歧義的。通過內部的解釋功能，可以對提出的問題或者要求輸入的數據提供解釋。還有，在每一層的結尾，系統(tǒng)可以解釋為什么沒有接受某一種鑄造方法，從而使得用戶在必要時交互地改變各種因素。當用戶希望嘗試改變特定的設計因素的影響，甚至他想引入必需的設計特征來滿足一種給定的鑄造方法時，這一點就顯得很重要了。利用大量的工程零件進行的測試和驗證表明，利用本系統(tǒng)選擇的鑄造方法與在鑄造廠中實際應用的方法相當一致，比如下面將要提到的例子。下面的例子說明了用戶與CPS如何通過對話為一個汽車發(fā)動機零件，如圖6所

19、示的凸輪推桿，選擇最佳的鑄造方法。有關的部分影響因素如下：零件名：凸輪推桿鑄造合金：LM25（Al-7%Si）芯子要求：需要，簡單的圓柱形芯子，金屬芯、砂芯均可最小芯子直徑/壁厚：30 mm鑄件局部最小壁厚：4 mm鑄件局部最大壁厚：24 mm鑄件尺寸（長度）：800 mm鑄件重量：3.5 Kg尺寸公差要求：長度方向2.0 mm表面質量要求： 6 m預期產量：50000從主菜單（圖7）中，可以選擇鑄造方法選擇（CPS）的功能。如前所述，另外兩部分功能仍處于開發(fā)階段。在選擇了CPS之后系統(tǒng)直接從第一層（Level 1）開始，（圖8），系統(tǒng)調用合金的主菜單界面，然后是一個合金子菜單，允許用戶輸入鑄

20、造合金。在本例中，輸入LM25（牌號為BS 1400），即Al-7%Si。CPS隨之顯示第一層的結論，即適合于LM25的鑄造方法，如圖8所示。這時，用戶可以改變合金種類來改變結論，也可以繼續(xù)進入下一層，即第二層（Level 2）。在第二層，系統(tǒng)根據本層考慮的因素，對用戶提出一系列問題，或者要求簡單地回答是或否，或者輸入數據。在本文中不可能提供本部分的所有用戶/系統(tǒng)對話界面，但圖9a和圖9b給出了一些典型界面。在第一階段，如圖9a所示，系統(tǒng)試圖確定是否需要芯子以及如果需要那么選擇芯子的類型（即金屬芯或砂芯）。如果用戶對本層次包括的鑄造方法選擇影響因素不熟悉，整個程序中提供的在線解釋功能可以提供幫

21、助。在本例中，系統(tǒng)判斷需要圓柱形的金屬芯或組合砂芯。關于分型線的問題，要求用戶輸入保證鑄件或者模樣起模所要求的最小分型線個數。做到這一點需要大量的經驗，進一步的開發(fā)打算幫助用戶確定對于給定的鑄件形狀需要的分型線個數。在本例中，為了方便鑄件或者模樣起模，兩個分型線就足夠了。根據提供的數據，即可得出這一層的結論，如圖9a的最后一幅圖所示。此時，用戶又可以通過改變數據來改變結論，或者繼續(xù)進行第三層（Level 3）。在第三層，（圖10），要求用戶在輸入尺寸要求和在該尺寸方向上的鑄造公差之前，輸入平行或者垂直分型線方向上是否有尺寸精度要求，或者兩個方向上都有。在本例中，包括沿著一條分型線的800 mm

22、的全長上2.0 mm的公差，表面質量要求小于等于 6 m?；谶@些數據，可以在圖10的最后一幅圖中看到系統(tǒng)的結論。在第四層，（圖11），系統(tǒng)要求用戶輸入在產品的生命期內或者在超出鑄件模具制造成本的折舊的特定時間內，預期生產的估計產量。這是制造方法經濟性的一個重要因素，因為必需根據確定的最小產量來決定最初的模具制造成本。在本例中，考慮到需要50000的最小產量，系統(tǒng)根據如此之高的生產批量認為所有的鑄造方法都適合于這種生產規(guī)模。通過第四層之后，系統(tǒng)在作出最后的結論之前，顯示全部四個層次根據給定的數據得出的結論（圖12）。在本例中殼型鑄造和金屬型鑄造都能滿足全部四個層次的要求，因此在最后的結論中兩種方法都可以接受。一旦用戶回到任何一層改變或改進數據而不必返回整個系統(tǒng)都會得到新的結論。在實際生產中，這種零件當前使用的鑄造方法是金屬型鑄造。當然，在充分開發(fā)之后，系統(tǒng)可以把選擇減少到只有最佳的一個。在確定的條件下，最后的選擇可能僅限于一種合適的鑄造方法，比如圖13中給出的例子，一種用L99（牌號為BS 1490），即Al-7%Si-Mg合金鑄造的特級質量的電子框架。按照這種合金，有七種鑄造方法可供選擇。但是根據鑄件的精度要求和形狀限制，合適的鑄造方法的數目相應地減少為三種和一種。因此，在