冷弯成型过程智能化的知识表示方法研究*

李国昌，杨 仙

(1.河北科技大学 经济管理学院，石家庄050018；

2.河北工业职业技术学院，石家庄050091）

冷弯成型过程智能化的知识表示方法研究*

李国昌1，杨 仙2

(1.河北科技大学 经济管理学院，石家庄050018；

2.河北工业职业技术学院，石家庄050091）

冷弯成型过程较为复杂，定量描述困难，采用智能化方法会为解析成型过程提供新的思路，实施智能化方法首要的问题是知识表示方法的选择。针对冷弯成型过程的智能化特点，研究分析了状态空间法、问题规约法、谓词逻辑法3种知识表示方法在冷弯成型领域的应用，提出复杂的应用可根据具体情况进一步实施，选择合理的知识表示方法，为后续的智能化研究提供应用基础。

焊管；冷弯成型；智能化；知识表示

冷弯型钢是在常温下弯曲变形的金属型材。由于材料的化学特性和物理特性的不同，变形位移与受力之间的关系十分复杂。如果利用精确的数学方法描述其内在机理是十分困难的，而且也不容易将所研究的理论用来指导成型模具的设计[1]。引入人工智能方法是解决上述问题较好的方法，将专家的知识取代繁琐的数学推导，既能保证分析问题的质量，又能简化分析过程[2]。但利用人工智能方法的前提是必须将所用的知识合理地表示出来。因为表示知识的方法有多种，如状态空间法、问题归约法、谓词逻辑法等[3]。针对不同的问题要采用相对应的知识表示方法，如果不能做到这一点，智能化方法会出现较多的问题，甚至智能化后的体系与理想要求相差甚远。怎样针对冷弯成型的特点进行合理的知识表示，本研究将针对具体问题进行讨论。

1 冷弯成型过程知识表示法

1.1 状态空间法

状态空间法是利用对实体的状态空间描述，实施知识表示的方法。首先对实体的初始状态描述，然后对变化过程的状态描述，最后对目标状态描述，实现了实体的动态过程描述。这种方法可以用来描述冷弯型材的成型过程。下面以货车用冷弯中梁型材为例，来说明状态空间法的使用。

冷弯中梁的初始状态是钢带，目标状态是外翻C形钢，目标状态几何断面如图1所示[4]。在成型过程中，有些参数发生变化，有些参数不发生变化。将发生变化的参数引入到状态空间中，隔断尺寸计算如图2所示。从图2可以看出，在成型过程中，α和β角发生变化，AB, BC和CD线段等于边长加上弧长（如图3所示）[5]。

图1 冷弯中梁断面图

图2 隔断尺寸计算图

图3 各变形道次计算图

可以根据图2计算出冷弯成型过程的初始状态和目标状态。根据冷弯中梁断面几何参数特性设置其状态空间矢量为

1.1.1 初始状态

（1） α和β角的确定。因为初始状态是平板钢带，所以α和β角是0。

（2）AB,BC和CD线段长度计算。

式中:L1=100；

故得到冷弯中梁AB，BC和CD尺寸分别为

AB，BC和CD线段计算是在α和β取值为π/2时进行的，因为α和β和为0时，不产生过渡弧长，过渡弧长随α和β的变化而变化。初始状态α和β为0，则有初始状态矢量为

1.1.2 目标状态

（1）α和 β角的确定。根据图1，目标状态α和β角为π/2。

（2）AB、BC和CD线段长度计算。长度没有变化，所以目标状态矢量为

（3）成型过程状态空间描述。 成型过程是α和β角的变化过程。 α和β角按表1中的角度变化，实现由初始状态钢带到目标状态冷弯中梁的成型过程。

表1 弯曲角的分配

以上论述清晰地展示了用状态空间法表示冷弯中梁整个成型过程的状态构成[6]。

1.2 问题规约法

问题规约法是把要解决的问题通过一系列变换变成一个子问题集合，而这些子问题的解是比较容易得到的。通过子问题的解，最后得到最初问题的解[7]。这种知识表示方法比较适合于孔型设计方法。

孔型设计是一个成型逆过程，它始于已知的最后成型断面。根据断面的几何尺寸先进行辊花图设计，将断面分解成若干步成型形态，最后对每一步成型形态进行孔型设计。下面仍以冷弯中梁为例研究成型过程的知识表示方法。冷弯型钢的断面几何尺寸按工程的要求也已确定（图1），而该冷弯型钢是从钢带逐步弯曲而成的，考虑到轧制过程的各架孔型中轧辊受力的均衡性，将从钢带到成型分解成12步轧制。轧制过程中，α和β角的变化见表1，用问题规约法表示知识的规约图如图4所示（按表1成型角变化）。

图4 孔型设计的问题规约图

根据图4所表示的变形知识，计算出各架次如AB，BC和CD的值，并且设计出各架次轧制孔型的结构，如图5所示[8]。

图5 轧辊孔型结构图

1.3 谓词逻辑法

谓词逻辑知识表示方法是以谓词符号、变量符号、函数符号等表示论域内的关系，可以通过原子公式的合取（与）、析取（或）、蕴涵等操作构成较为复杂的合适公式，以解决知识组合的复杂性。谓词逻辑法在冷弯成型中的应用是多样化的。从理论上讲，凡是有动作行为或事实的地方均可用其表示知识。由于谓词合适公式的可组合性质和其等价运算关系，将谓词逻辑知识表示法引入冷弯成型理论分析，求解实际的设备设计计算，能够解决相关的复杂问题。

用谓词逻辑法表示知识主要用于行为知识和描述知识，现举例说明谓词逻辑法在冷弯成型理论分析和设备设计中的应用。在冷弯中梁成型过程中，α角的成型在第6架完成，为了克服回弹，需过弯2°才能完成成型，而过弯2°是专家知识[3]。用谓词逻辑描述此知识为：在第6架中α角过弯2°，符号表示为

再例，为了解决划伤问题，在第8架至第10架的辊片中放置2个滚动轴承，使下水平辊成为被动轴，表达式如下：

利用谓词逻辑法将冷弯成型设备设计知识逐个表示出来，构成设备设计的知识库，以实现设备智能化设计[9]。

2 结 论

实现智能化方法的前提是将知识清晰地表示出来，才能进一步供后续推理应用。本研究就状态空间法、问题规约法和谓词逻辑法3种知识表示方法在冷弯成型领域的应用，给出了基本的探索，复杂的应用可根据具体情况进一步实施。知识的引入将为冷弯成型领域带来革命性的变化[10]。

知识表示方法还有很多种。例如：语义网络法、框架表示法、剧本表示法、过程表示法、面向对象表示法等，可根据具体的情况选用合适的方法。将这些不同的知识表示方法用统一的符号表示规则表示出来，构成表示一致的知识库系统，就能够较好地实现冷弯成型设备设计的智能化[11]。

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Research on the Intelligent Methods of Knowledge Representation in Cold-roll Forming Process

LI Guochang1，YANG Xian2
(1.School of Management and Economics,Hebei University of Science and Technology,Shijiazhuang 050018,Hebei,China; 2.Hebei College of Industrial and Technology,Shijiazhuang 050091,Hebei,China)

The cold-roll forming process is relatively complex,the quantitative description is difficult.The intelligent methods will provide new ideas for the analysis of forming process.The primary problem to implement intelligent method is how to choose the method of knowledge representation.There are many methods of knowledge representation.Aimed at the intelligent characteristics of cold-roll forming process,a reasonable choice of knowledge representation will provide an appropriate basis for the subsequent intelligent research.

welded pipe;cold-roll forming;intelligence;knowledge representation

TG332+.4

A

1001－3938（2015）08-0020-04

河北省自然科学基金“智能化冷弯成形动态链式模型及精准孔型设计算法研究”（项目号E2011208014）。

李国昌（1955—），男，教授，长期从事冷弯成型理论智能化和智能化孔型设计研究，获2007年和2009年河北省科技进步三等奖，获2008年河北省自然科学三等奖。

2015-01-20

罗 刚