基于CBR-RBR的專家系統(tǒng)在電火花修整超硬砂輪中的應用
2016-12-20 來源：湖南大學國家高效磨削工程技術(shù)研究中心 作者：余劍武，覃新元，黃帥，段文，沈湘
摘要：針對電火花修整超硬砂輪過程中選擇合適放電參數(shù)困難的問題，引入基于實例的推理(CBR)和基于規(guī)則的推理(RBR)相結(jié)合的推理技術(shù)，確定了電火花修整超硬砂輪實例表示和實例相似度計算及權(quán)值分配的方法，闡述了電火花修整放電規(guī)準和規(guī)則表示，并以Visual Basic 6．0為開發(fā)工具，以SQL Server 2005為底層數(shù)據(jù)庫支持軟件，開發(fā)了電火花修整超硬砂輪專家系統(tǒng)。將該系統(tǒng)應用于青銅結(jié)合劑CBN砂輪NBCl60M100的放電參數(shù)選擇中，實驗結(jié)果表明，基于CBR-RBR的推理技術(shù)可行有效。
關(guān)鍵詞：電火花修整；超硬砂輪；實例推理；規(guī)則推理；專家系統(tǒng)
0.引言
金屬結(jié)合劑超硬砂輪由于具有耐磨性好、壽命長、承受負荷大，以及磨削性能優(yōu)良等特點，而被廣泛應用于航空航天、機械電子和汽車等現(xiàn)代工業(yè)中。為使金屬結(jié)合劑超硬砂輪始終保持良好的磨削性能，必須定時對其進行修整，但修整過程卻較為困難，主要表現(xiàn)在修整精度和修整效率低、修整難度大，以及修整工具成本較高且損耗速度快¨引。由Suzuki和Ue一
matsu等人舊1首先提出的電火花修整砂輪技術(shù)(Elec—tro—Discharge Dressing，EDD)作為一種非接觸修整技術(shù)，具有修整過程無切削力作用、修整精度高、操作簡單、成本低和便于調(diào)節(jié)等優(yōu)點，適合于金屬結(jié)合劑超硬砂輪的修整。
目前針對電火花修整技術(shù)自適應控制方面的研究非常少。由于電火花修整超硬砂輪過程非常復雜，很難用模擬仿真和數(shù)學公式進行解釋，因此在選擇合適的電火花修整放電參數(shù)時，可以采用將過去電火花修整經(jīng)驗和電火花修整知識相結(jié)合的方法來選擇。這種基于實例和規(guī)則的混合推理(CBR—RBR)技術(shù)在工程中有很好的應用價值，如文獻[5]將基于實例和規(guī)則混合推理(CBR—RBR)技術(shù)應用于高速切削數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，使系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和知識更新簡單易行；文獻[6]建立了基于實例的推理(CBR)和基于規(guī)則的推理(RBR)相結(jié)合的混合專家系統(tǒng)，實現(xiàn)了在裝配系統(tǒng)中裝配夾具的智能化設(shè)計；文獻[7]應用RBR和CBR相結(jié)合的技術(shù)解決了快速完成組合夾具設(shè)計問題。
本文應用基于CBR．RBR的推理技術(shù)，開發(fā)了電火花修整超硬砂輪專家系統(tǒng)。系統(tǒng)推理出的放電參數(shù)對指導電火花修整超硬砂輪，提高修整效率和修整質(zhì)量具有很好的實用價值，為今后進一步開發(fā)具有自適應控制功能的軟件，實現(xiàn)電火花修整超硬砂輪自動控制打下了基礎(chǔ)。
1.基于CBR．RBR的電火花修整超硬砂輪專家系統(tǒng)
本文將基于實例的推理(CBR)、基于規(guī)則的推理(RBR)相結(jié)合，運用基于CBR．RBR的推理技術(shù)選擇適合電火花修整超硬砂輪的放電參數(shù)。通過CBR和RBR相結(jié)合，可以彌補CBR只注重經(jīng)驗和RBR只注重知識的不足，從而提高了系統(tǒng)推理的效率與準確性。基于CBR—RBR的電火花修整超硬砂輪專家系統(tǒng)的推理流程如圖1所示。對于新輸入的電火花修整超硬砂輪目標實例，系統(tǒng)推理過程為：1)根據(jù)目標實例修整條件在實例庫中進行實例推理，按砂輪粒度號、超硬砂輪類型、結(jié)合劑類型、電極類型、工作液類型和修整方式的順序進行相似度計算，從而檢索與新輸入的電火花修整目標實例整體相似度最高的成功實例，通過重用或修改檢索到的成功實例來解決當前放電參數(shù)的選擇問題。2)如果檢索到的成功實例相似度較低，則根據(jù)目標實例的砂輪平均磨粒尺寸通過規(guī)則推理進行放電參數(shù)的計算，生成滿足目標實例要求的電火花修整超硬砂輪放電參數(shù)。3)對于推理出的合適放電參數(shù)經(jīng)實驗驗證成功后保存至實例庫，對實例庫進行不斷積累。
2.基于實例的推理(CBR)
基于實例的推理(CBR)是通過相似度的計算從實例庫中檢索最相似實例，進而重用或修改最相似實例來解決新的目標實例問題。
圖1 基于CBR．RBR電火花修整超硬砂輪專家系統(tǒng)推理流程
2．1 電火花修整超硬砂輪實例表示
實例表示是實例推理的基礎(chǔ)，目的在于對以往成功的電火花修整超硬砂輪實例進行記錄，使其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)能被計算機識別和調(diào)用。電火花修整超硬砂輪實例應盡可能包含更多的描述信息，但是為提高檢索效率又需要簡潔描述。本文中的電火花修整超硬砂輪實例可表示為“描述部分(在本文第2．1節(jié)、第2．2節(jié)、第2．3節(jié)與第2．4節(jié)進行論述)+解決方案部分(在本文第3．1節(jié)與第3．2節(jié)進行論述)+應用結(jié)果部分(在本文第4．2節(jié)進行論述)”的形式。電火花修整超硬砂輪中首先要確定該實例的修整條件即屬性，如砂輪粒度號、超硬砂輪類型、金屬結(jié)合劑類型、電極類型、工作液類型，以及修整方式等，由這些屬性構(gòu)成電火花修整超硬砂輪問題的描述部分。每一實例表現(xiàn)為一個屬性對應一個值的集合，各個屬性的取值如下。砂輪粒度號：80#～280#；超硬砂輪類型：金剛石、立方氮化硼(CBN)；金屬結(jié)合劑類型：青銅結(jié)合劑、鑄鐵結(jié)合劑；電極類型：紫銅、石墨和銅鎢；工作液類型：電火花油、去離子水和蒸餾水；修整方式：整形、修銳。
經(jīng)過電火花修整超硬砂輪實驗數(shù)據(jù)驗證可知，電火花放電參數(shù)的選擇如放電電流、脈沖寬度、占空比、修整極性，以及放電電壓，直接影響修整質(zhì)量，由這些參數(shù)構(gòu)成電火花修整超硬砂輪問題的解決方案部分。
電火花修整超硬砂輪的修整效果評價指標主要有修整精度、修整效率、修整后砂輪表面形貌，以及磨粒出刃高度等，由它們構(gòu)成電火花修整超硬砂輪問題的應用結(jié)果部分。
2．2實例間相似度計算
通過實例間相似度的計算，在實例庫中檢索與新輸入的目標實例最相似的實例。相似度計算分為局部相似度計算和整體相似度計算。電火花修整超硬砂輪專家系統(tǒng)有實例庫系統(tǒng)E和目標系統(tǒng)G，都是由n個電火花修整條件要素構(gòu)成：
2．3實例局部相似度的計算
電火花修整超硬砂輪問題的描述部分中屬性值在所列范圍之內(nèi)，任意的兩個屬性值對應一個局部相似度，相似度根據(jù)電火花修整知識來確定。
2．3．1枚舉型
描述部分中的砂輪粒度號、超硬砂輪類型、金屬結(jié)合劑類型、電極類型和工作液類型等屬性的相似度計算采用枚舉型方法。
2．3．2模糊邏輯型
描述部分中的修整方式屬性的相似度計算采用模糊邏輯型方法，其局部相似度則可用式(2)計算：
公2
一般來說超硬砂輪粒度號接近時，相似度會比較高。根據(jù)實例描述部分的各屬性對放電參數(shù)選擇的影響程度，將實例描述部分中屬性分為3個等級，不同等級賦予不同權(quán)值，從高到低依次為：1)砂輪粒度號；2)超硬砂輪類型、金屬結(jié)合劑類型和電極類型；3)工作液類型、修整方式。根據(jù)每級屬性的權(quán)值應大于低等級所有屬性權(quán)值之和的原則¨J，具體的分配方案為：一級屬性的權(quán)值為8，二級屬性的權(quán)值為2，三級屬性的權(quán)值為1。
3.基于規(guī)則的推理(RBR)
基于規(guī)則的推理(RBR)是在掌握電火花修整超硬砂輪知識的基礎(chǔ)上，把相關(guān)的經(jīng)驗知識通過規(guī)則進行描述，并把問題和解答聯(lián)系起來，再利用這些規(guī)則模仿專家在求解中的關(guān)聯(lián)推理過程。規(guī)則推理的本質(zhì)就是從初始事實出發(fā)，根據(jù)規(guī)則求解滿足目標條件的過程。
3．1 電火花修整超硬砂輪放電規(guī)準
電火花修整后的超硬砂輪表面是由無數(shù)的放電凹坑組成，通過放電凹坑相互疊加達到磨粒露出金屬結(jié)合劑表面從而形成磨粒出刃高度的目的。一般可以通過控制放電參數(shù)選擇性地蝕除超硬砂輪表面的金屬結(jié)合劑材料，避免砂輪磨粒發(fā)生氧化反應而失去磨削能力，使砂輪表面具有合適的磨粒出刃高度和容屑空間，同時磨粒也不會因結(jié)合劑把持力不夠而損失。為此，在電火花修整超硬砂輪時必須根據(jù)砂輪磨粒尺寸大小選擇合適的電火花放電規(guī)準。
電火花放電凹坑的尺寸由許多因素決定，放電凹
3．2規(guī)則表示及規(guī)則知識庫建立
規(guī)則表示是規(guī)則推理模塊構(gòu)建的基礎(chǔ)，電火花修整超硬砂輪過程除了考慮電火花放電規(guī)準外，還需考慮極性效應、放電間隙控制等。本文采用的RBR知識表示形式包含兩個部分：IF部分稱為前項(前提或條件)，THEN部分稱為后項(結(jié)論或行為)，其一般形式如下：
IF條件1 AND條件2......條件N<條件滿足>
THEN結(jié)論1，結(jié)論2......結(jié)論N<執(zhí)行動作>
END IF
如規(guī)則J-02：IF電火花脈沖寬度t≥1001μs；THEN：修整極性為負極性(砂輪接負極，電極接正極)。規(guī)則Z-02：IF修整方式為修銳；THEN：占空比為50％。規(guī)則Y-03：IF 801μm<平均磨粒尺寸≤120μm；THEN：放電電壓為100V(實驗選用的電火花成型機床放電電壓分為100、150和200V三檔)。根據(jù)規(guī)則表示方法的形式，本文建立規(guī)則庫時采用“概念．事實一規(guī)則”三級知識體系，將規(guī)則庫分為概念性知識、事實性知識和規(guī)則性知識三部分。
1)概念性知識：提供知識的基本內(nèi)容作為規(guī)則庫的底層，如脈沖寬度、修整極性和負極性修整等。
2)事實性知識：由概念性知識組成，建立概念之間的聯(lián)系，如電火花脈沖寬度tk≥100μs，修整極性為負極性修整等。
3)規(guī)則性知識：由事實性知識組成，建立事實之間的聯(lián)系，如規(guī)則J-02等。
通過對規(guī)則庫知識體系的具體劃分，分別建立對應的變量表、事實表和規(guī)則表。對于電火花放電規(guī)準公式、圖表等知識則采用特殊模塊存儲，在推理過程中通過程序進行調(diào)用。
4.系統(tǒng)實現(xiàn)及應用
4．1 系統(tǒng)實現(xiàn)
本文采用Visual Basic 6．0為開發(fā)工具，SQLServer 2005作為底層數(shù)據(jù)庫支持軟件，建立了電火花修整超硬砂輪專家系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。系統(tǒng)主要由實例庫、規(guī)則庫、輔助數(shù)據(jù)庫，以及基于CBR—RBR推理等模塊組成。系統(tǒng)可以對電火花修整超硬砂輪實例庫、規(guī)則庫和輔助數(shù)據(jù)庫進行有效管理(添加、修改和刪除等)，將實例庫和規(guī)則庫緊地結(jié)合在一起，運用基于CBR—RBR的推理選擇合適的放電參數(shù)。
圖2 電火花修整超硬砂輪專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
4．2實例應用
電火花修整超硬砂輪目標實例為青銅結(jié)合劑立方氮化硼(CBN)砂輪NBCl60M100，在電火花成型機床上進行修整，工具電極選用紫銅電極，工作液為電火花油，修整方式為修銳，目標實例代號為G160／1。如圖2所示，輸入目標實例修整條件信息之后，系統(tǒng)首先進行實例推理。根據(jù)權(quán)值分配方案，砂輪粒度號、超硬砂輪類型、金屬結(jié)合劑類型、電極類型、工作液類型以及修整方式屬性的權(quán)重分別為：0．5、0．125、0．125、0．125、0．062 5、0．062 5。計算目標實例G160／1與實例庫中各實例的相似度，檢索出相似度最大的
成功實例(代號E120／1)。目標實例G160／1與成功實例E120／1修整條件如表1所示。采用枚舉型方法確定目標實例G160／1與成功實例E120／1砂輪粒度號、超硬砂輪類型、金屬結(jié)合劑類型、電極類型和工作液類型屬陛的相似度分別為0．95、0。9、1、1、1；采用模糊邏輯型式(2)計算目標實例G160／1與成功實例E120／1修整方式屬性的相似度為1。所以目標實例G160／1與成功實例E120／1的整體相似度SIM(G，E)=0．95×0．5+0．9×0．125+1×0．125+1×0．125+1×0．062 5+l×0．062 5=0．962 5．
表1 目標實例G160／1與成功實例E120／1的修整條件
表2 目標實例G160／1與成功實例E120／1的解決方案
本文采用CBR．RBR推出的解決方案，對青銅結(jié)合劑立方氮化硼(CBN)砂輪NBCl60M100進行了電火花修整實驗驗證，采用VHX．i000超景深三維顯微鏡放大200倍后測量該砂輪修整前后表面形貌，如圖3、圖4所示。對比砂輪修整前后的表面形貌可知，修整后的磨粒出刃高度和容屑空間明顯增大，磨粒出刃數(shù)量明顯增多且磨粒形狀完整。
在修整前后的砂輪圓周上每隔90。的四個區(qū)域隨機各取10顆單顆磨粒，采用VHX-1000超景深三維顯微鏡測量這40顆單顆磨粒出刃高度，進行記錄之后采用Minitab軟件對其分布情況進行統(tǒng)計分析。修整前后的砂輪磨粒出刃高度分布情況如圖5、圖6所示，從圖5、圖6中可知，對測量的磨粒出刃高度進行擬合的結(jié)果呈正態(tài)分布，與文獻[13]所述較吻合。圖5所示
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