一种基于实例推理的车削工艺参数优化决策支持系统设计研究

单东伟+张明树+迟永刚

摘 要：为了实现车削工艺知识的有效重用，提出了一种基于实例推理的车削工艺参数优化决策支持系统设计，确定了一种车削工艺实例构建方法，以及车削工艺参数优化决策支持系统的结构体系、功能体系和运行模式。

关键词：车削工艺；参数优化；系统设计；金属切削

中图分类号：TG506.1 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.11.015

随着制造加工技术的不断发展，传统的制造环境和制造模式也发生了巨大的改变，智能化、协同化、网络化逐步成为制造模式的发展趋势。特别是近30年来，美、日、德、韩、西欧和我国先后提出了先进制造系统领域有关的研究计划，并将其上升到国家战略高度。在这些研究计划的支撑下，相关单位提出了众多先进制造系统模式，比如智能制造系统、仿生制造系统、现代集成制造系统模式、敏捷制造系统模式和分形制造系统等。这些先进制造系统模式的提出及其理论与方法的深入研究，对提升我国制造业水平、增强企业核心竞争力有重要意义。

车削是金属切削加工中使用最广泛的加工方式之一，工艺参数的合理选择在很大程度上决定了生产效率和加工质量，已经成为了机械加工中一项非常重要的工作。车削工艺参数的确定主要包括车刀的选择和车削运动参数的拟定2大部分。目前，有关车削工艺参数决策方法的研究主要集中于以下2个方面：①经验决策。工艺人员根据多年加工经验，结合设计手册和试验数据、图表完成工艺参数决策。根据加工经验，车削参数一般从设计手册中选取适合的切削用量计算，或者根据加工试验收集的经验图表确定适宜的参数。②建模求解。根据加工要求等约束信息建立相应的数学模型，采用遗传算法、神经网络等智能工具求解。

这个车削工艺参数决策方法在很大程度上满足了车削工艺决策活动的需求，但是，随着计算机技术、信息技术等的不断发展，使得已有车削工艺参数决策活动尚存在一系列不足之处和急需改进的地方，主要有以下3点：①对工艺人员经验积累的要求比较高。在选择车刀、确定车削用量和车削参数时，工艺人员主要根据自身加工经验，从设计手册中选取相应的参数。这说明，加工效果在很大程度上取决于工艺人员经验积累的程度。②对新材料、新工艺的适应性比较差。随着生产技术的不断发展，新材料、新工艺不断涌现，而设计手册和经验图表多是针对已有或常见材料或工艺的，无法很好地满足新材料、新工艺的要求。③对工艺人员知识水平的要求比较高。在求解车削工艺参数数学模型时，多采用遗传算法、神经网络等人工智能方法，而一般工艺决策人员的知识水平尚无法达到，这在很大程度上限制了该方法的应用范围。

近年来，随着计算机技术、信息技术等迅速发展，基于专家系统的人工智能方法被广泛应用于工艺参数选择等领域。基于实例推理的车削工艺参数优化决策方法为解决相关问题提供了一个较好的思路。其基本思路是利用已有的工艺实例求解适用于待决策工艺问题的工艺参数，充分利用工艺实例中积累的大量切削数据和经验知识。

1 车削工艺实例构建

将基于实例推理的车削工艺参数优化决策问题记为Tdec=（W，L）.其中，W={m1，m2，Λ，mq1}，为待决策工艺问题；L={L1，L2，Λ，Lg}，为决策所需工艺实例集。工艺实例Li={{mi，1，mi，2，Λ，mi，q1}，{fi，1，fi，2，Λ，fi，q2}， {pi，1，pi，2，Λ，pi，q3}}，各问题描述变量具体含义如表1所示。

车削工艺实例记录内容在原有内容基础上增加了加工效果评价部分：对加工质量的评价主要以加工表面粗糙度进行；对加工时间的评价主要从切削时间和辅助时间2方面进行；对加工成本的评价主要考虑刀具、设备、场地和人工费用等因素。工艺实例加工效果评价框架如图1所示。

2 结构体系

在构建车削工艺实例的基础上，为了解决传统人工经验决策模式中存在的问题，需要一套车削工艺参数优化决策支持系统来提升工艺参数决策的效率和质量。鉴于此，笔者提出了一

种车削工艺参数优化决策支持系统，其结构体系由功能应用层、集成工具层、系统支撑层等3层构成，具体如图2所示。

3 功能体系

根据系统结构需求分析，建立车削工艺参数优化决策支持系统的功能体系。其主要包括系统管理、基础数据管理、工艺参数优化决策、车刀数据管理、历史知识管理、车削规则管理和系统集成接口等7大功能模块，如图3所示。系统管理主要实现对系统的基本管理功能，包括用户管理、权限管理、角色管理和系统日志管理等。基础数据管理对车削工艺参数优化决策所需基本数据（车削速度、车削进给量、吃刀深度、机床基础数据等）进行集中、有效的管理。

4 运行模式

车削工艺参数优化决策支持系统是根据工艺问题的相似性特征，对具有大量加工经验的情况，采用工艺实例推理方法，在一定程度上模拟或替代工艺专家完成工艺参数优化决策；对新材料、新工艺出现的情况，可采用工艺实例可拓推理方法，也可采用经验计算方法获得适合的工艺参数，在一定程度上模拟或替代工艺专家完成工艺参数优化决策。基于相关研究，建立了车削工艺参数优化决策支持系统运行模式，具体见图4.

5 结束语

为了实现车削工艺知识的有效重用，解决车削工艺参数优化决策问题，本文提出了一种基于实例推理的车削工艺参数优化决策支持系统设计，明确了一种车削工艺实例的构建方法，确定了车削工艺参数优化决策支持系统的结构体系、功能体系和运行模式，这对车削工艺参数优化决策支持系统开发具有指导意义。

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〔编辑：白洁〕