（机械电子工程专业论文）基于神经网络切削毛刺专家系统的开发及其应用.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 金属切削毛刺是切削加工中产生的常见现象，它的形成与变化直 接影响工件的加工质量和生产效率，已成为影响和制约精密与超精密 加工和自动化加工的关键技术之一。毛刺专家系统是毛刺形成机理研 究与毛刺去除技术研究的沟通平台，也是推进少无毛刺切削加工技术 的重要技术渠道，其研究倍受国内外机械工程专家和学者们的高度关 注。 本研究利用神经网络技术和专家知识系统技术，紧密结合金属切 削毛刺实验研究，面向去除毛刺技术应用，开发出具有网络功能的神 经网络( n n ) 金属切削毛刺专家系统，主要研究内容及创新工作为： 首先，系统地概述了国内外金属切削毛刺专家系统开发及应用等 方面的研究现状，指出了尚存在的主要问题；依据切削运动一刀具切 削刃毛刺分类体系，探讨了影响毛刺形成的主要因素；基于金属切削 实验探讨了毛刺形态及尺寸的基本变化规律，为毛刺专家系统数据库 建立建设提供了必备的基础数据； 其次，利用神经网络与专家系统的特点，构建出基于神经网络金 属切削毛刺专家系统，提出了融逻辑推理与神经网络推理为一体的推 理模式，并对该系统的总体结构和工作流程进行了全面设计，进而阐 释了构成该系统的知识库、推理机、解释器以及人机界面等； 第三，开展了切削毛刺专家系统知识库的设计，确定出金属切削 毛刺专家系统的样本训练方式及要求，给出了毛刺专家系统技术实现 过程；结合车削、铣削和钻削等实验中毛刺的形成与变化，利用本研 究开发的专家系统进行了毛刺尺寸的预测预报研究。结果表明，本系 统的预测结果与实验结果有良好的吻合性，证实了本系统的可行性与 有效性。 基于神经网络切削毛刺专家系统的开发及其应用 第四，面向毛刺专家系统的网络化，进行了毛刺专家系统网络化 功能设计，提出了实现系统网络化的关键技术：服务器与数据库的知 识库的连接技术、变量中的数据在不同网页间的传递技术，为提高本 研究开发的毛刺专家知识系统的开放度奠定了基础。 本研究工作是国家自然科学基金资助项目( 5 0 2 7 5 0 6 6 ) 和江苏省 自然科学基金资助项目( b k 2 0 0 7 5 6 2 ) 研究内容的组成部分之一。其 研究成果为进一步深入开展毛刺形成机理研究，推进少无毛刺加工技 术应用提供了强有力的技术支撑，同时也为毛刺研究成果的资源共享 提供了一个平台。 关键词：神经网络，专家系统，毛刺，预测预报，棱边质量 a b s t r a c t t h ef o m a t i o no fb u h i sac o m m o np h e n o m e n o n i nm e t a lc u t t l n g ，1 t s f o r m a t i o na n dv a r i a t i o nd i r e c t l ya f f e c t sp r o c e s s i n gq u a l i t ya n d p r o d u c t l o n e 位d e n c vo ft h ew o r k p i e c e i ti s o n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e sw 1 1 i c hw a s a p l p l i e d i n p r e c i s i o n o r s u p e r - p r e c i s i o n m a n u f a c c u r e a n da u t o m a t l c p r o c e s s i n g b u e x p e r ts y s t e m i sn o to n l yac o m m u n i c a t i o np l a t f o 肌 b e t w e e nb u r rf o 咖a t i o nm e c h a n i s m a n db u r rr e m o v a lt e c h n o l o g y b u ta l s o a ni m p o r t 眦c h a n n e lt h a tp r o m o t et h ed e v e l o p m e n to fb u h _ i j r e e c u t t i n g t e c h n o l o g y i tw a sh i g h l y c o n c e r n e db ym e c h a n i c a le n g i n e e r i n ge x p e n s a n ds c h o l a r sa th o m ea n d a b r o a d t 1 1 i ss t u d vd e v e l o p sn e u r a ln e t w o r k0 州) m e t a lc u t t i n gb u r re x p e r t s v s t 锄w i t hn e t w o r kf u n c t i o n ，f a c i n g t h ea p p l i c a t i o no fb u hr e i a o v a l t e c h n o l o g y ，m a k i n g u s eo f n e u r a l n e t w o r kt e c h n o l o g y a n de x p e n 】【i l o w l e d g es y s t e mt e c h n o l o g y ，a n dc l o s e l yi n t e g r a t i n ge x p e f i m e n t a l s t u d y o fm e t a l c u t t i n gb u r r t h em a i n r e s e a r c ha n di n n o v a t i o nw o r ka r e a s f i r s t l v ，t h i sp a p e rg e n e r a l i z e st h er e s e a r c hs t a t u so f t h ed e v e l o p m e n t a n da p p l i c a t i o no fm e t a lc u t t i n gb u r re x p e r ts y s t e m a th o m ea n da b r o a d a n dp r o p o s e s t h em a i nu n s o l v e dp r o b l e m i n t e r m so fc u t t i n g r o o d o n c u t t i n ge d g e b u r rc l a s s i f i c a t i o ns y s t e m ，i te x p l o r e st h e 嫩l n f a c t o r s t h a ta f f e c tb u r rf o r i i l a t i o n b a s e d o nt h ee x p e r i m e n t so fm e t a l - c u t t i n g ，1 t i n v e s t i g a t e st h el a wo fb u r rs h a p ea n d s i z ev a r i a t i o na n dp r o v i d e sb a s l c d a t a f o re x p e r ts y s t e md a t a b a s ec o n s t r u c t i o n s e c o n d l v ，i na c c o r d a n c ew i t hc h a r a c t e r i s t i c so fn e u r a ln e 俩o r k s a n d i i i 以m 呔似砌触 删 影 w 硝斌 瑚 o a 埘 m 眦 n 斌 咖 旧 m t g 引 m 昭吼 l 1 j t l h g d s m 盯 1 k v m 协 。 伦 y e 删b m n 已 e o 山 p p 旧 x a 恤 嚣一 哪 塔 a t 1 ， s蚰心舔 n 旧 ， 1 c t t 口 n 妇 似 嘤 洲 岵暑 蛆 删 ；i 甜僦 一 珊 呦 出 m d 帕 ! ! 基耐 啪 吼 a 吐 溉。咄吣 趼k n t ) 1 j r a e 薯叫栅删 邳航 叭 a n n 基于神经网络切削毛刺专家系统的开发及其应用 p r o c e s s e sa r ed e s i g n e d ，m e a n w h i l e ，k n o w l e d g eb a s e ，i n f e r e n c e ，e x p l a n a t i o n ， a n dm a n m a c h i n ei n t e r f a c eo ft h es y s t e ma r ei n t e r p r e t e d t h i r d l y ，t h ed e s i g no fc u t t i n gb u r re x p e r ts y s t e mk n o w l e d g eb a s ei s c a r d e do u t m e t a lc u t t i n gb u r rs a m p l et r a i n i n gm e t h o da n dd e m a n do f e x p e r ts y s t e m a r e d e t e r m i n e d i m p l e m e n t a t i o np r o c e s s o f b u r r e x p e r t s y s t e mt e c h n o l o g y i s p r o p o s e d c o m b i n e dw i t ht u r n i n g ，m i l l i n ga n d d r i l l i n ge x p e r i m e n ti nb u r rf o r m a t i o na n dc h a n g e ，t h es t u d yo np r e d i c t i o n b u r rs i z e su s i n gt h es y s t e mi sc a r r i e do u t t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e p r e d i c t e dr e s u l t sa n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ei ng o o da g r e e m e n t ，w h i c h d e m o n s t r a t e st h es y s t e mi sf e a s i b l ea n de f f e c t i v e f i n a l l y ，o nt h eb a s i so fb u r re x p e r ts y s t e mn e t w o r k ，t h ef u n c t i o na b o u t b u r re x p e r ts y s t e mi s d e s i g n e d a n dt h e k e yt e c h n o l o g i e s o fa c h i e v i n g s y s t e m n e t w o r ka r e p r o p o s e d ，w h i c h i n c l u d es e r v e ra n dd a t a b a s e c o n n e c t i v i t yt e c h n o l o g y ，v a r i a b l e d a t ab e t w e e nd i f f e r e n tw e bp a g e s t e c h n o l o g y t h ef o u n d a t i o nt h a ti m p r o v e st h eo p e n n e s so ft h ed e v e l o p e d e x p e r tk n o w l e d g es y s t e mi sl a i d t h i sr e s e a r c hw o r ki sa ni n t e g r a lp a r to ft h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c e f o u n d a t i o nf u n d e dp r o j e c t ( 5 0 2 7 5 0 6 6 ) a n dj i a n g s up r o v i n c en a t u r a l s c i e n c ef o u n d a t i o n ( b k 2 0 0 7 5 6 2 ) c o n t e n t t h er e s e a r c hr e s u l t sp r o v i d ea s t r o n g t e c h n i c a l s u p p o r tf o r f u r t h e rs t u d yo nt h em e c h a n i s mo f b u r r f o r m a t i o na n db u r r f r e ec u t t i n gt e c h n o l o g y i nt h em e a n t i m e ，i ti sh e l p f u l f o rs h a r i n gt h eb u r rr e s e a r c hr e s o u r c e k e y w o r d s ：n e u t r a ln e t w o r k ，e x p e r ts y s t e m ，b u r r ，p r e d i c t i o na n d f o r e c a s t i n g ，e d g eq u a l i t y 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 本章摘要：系统地概述了国内外金属切削毛刺专家系统开发及应用等方面的研究 现状，指出了研究中尚存在的主要问题，进而阐述了本研究的主要内容、研究方 法及其意义。 1 1 金属切削毛刺的作用及危害 1 1 1 毛刺的影响及研究意义 随着科学技术的进步，机械制造技术朝着精密化、智能化和自动化方向发展， 对机械加工精度和表面质量的要求越来越高。在一些精密装置的制造中，对部分 零件的棱边形态、尺寸精度等提出了明确的要求，具体表现在对零件的尺寸精度 的要求已经达到了微米级或纳米级。这就使得在加工精度要求不太高时毛刺的存 在对零件的影响可以忽略的传统认识受到了挑战。毛刺是金属切削过程中产生的 常见现象之一，它的尺寸和形状直接影响到工件的尺寸精度和形位精度。有关统 计数据表明，去除毛刺所用的工时占全部加工工时的5 1 0 n 1 ，既降低了加工质 量，过多地消耗了生产时问，又降低了生产效率，增大了加工成本。毛刺的控制 与去除技术已成为现代机械制造技术的两大方向精密与超精密加工和自动化 加工的关键技术之一。近年来，毛刺形成机理、预测预报及控制技术研究倍受国 内外机械工程专家和学者们的高度关注。 在金属切削中，工件的边、角、棱等部位上被切削层金属在刀具前刀面和切 削刃的作用下产生大的塑性变形，部分切削层金属逐渐脱离了切削区域，并在切 屑与工件切削表面断裂分离的过程中使其一部分残留在工件的边、角、棱或己加 工表面上形成金属切削毛刺。同时，在切削加工中被切削层金属产生了裂纹并随 着刀具的移动向刀具以下的工件材料内部扩展，导致裂纹以上材料和加工母体分 离，产生了材料的过切，得到的工件实际边界小于理论边界，这种棱边状态称为 亏缺或负毛刺，通常把金属切削毛刺和亏缺统称为毛刺乜3 。下图1 1 ，1 2 ，1 3 为钻 削，车削，铣削几种常见的) r ot _ 方式在加工结束时工件表面、棱边上的毛刺形态口一1 。 毛刺是金属切削加工中所产生的普遍现象之一，同时是金属切削加工理论研 究中迄今为止尚未解决好的两大难题( 毛刺的生成与控制，切屑的处理与控制) 之一。同时金属切削毛刺的形成机理及变化规律的研究涉及到多个学科领域，比 如材料科学、工程力学、金属切削学和控制理论，计算机工程学等多个学科领域， 基于神经网络切削毛刺专家系统的开发及其应用 它对于丰富和发展精密加工工程学和金属切削理论、提高现代制造水平、促进机 械工业技术进步具有重要的学术价值，抑制毛刺的新技术、新工艺和新方法等在 精密加工、柔性制造系统和其他自动化加工中具有重要意义和重大的应用价值。 6 4 黄铜，切削速度v = 2 0 4 m m i n ， 进给量产o 1 1 2 m m r ，项角2 妒= 1 1 8 。，螺旋角= 3 0 。 图1 1 钻削加工毛刺 f i g 1 1b u r rm o r p h o l o g yi nt h ed r i l l i n gp r o c e s s 毛刺 4 5 钢，切削速度v = 8 0 m m m i n ，进给量产0 0 5 m m r ，前角舻1 0 。， 切削深度为0 2 5 m m 或4 o o m m 情况下的两种毛刺形式 图1 2 车削加工毛刺 f i g 1 2b u r rm o r p h o l o g yi nt h et u r n i n gp r o c e s s 毛刺 毛刺 毛刺 铝合金，转速n = 3 0 0 0 r m i n ，进给量产0 1 衄齿，切削深度a p 2 1 0 m 图1 3 铣削加工毛刺 f i g 1 3b u r rm o r p h o l o g yi nt h em i l l i n gp r o c e s s 江苏大学硕士学位论文 1 1 2 毛刺的危害 金属切削加工中，例如车削、刨削、钻削和磨削等1 j - r 中常常产生毛刺( 见 图1 4 ) ，给工件( 或零件) 的后续加工、装配、运输及使用等带来问题并形成影 响及危害1 ： ( 1 ) 影响工件的尺寸精度、形位精度和表面粗糙度； ( 2 ) 破坏或影响下道加工工序的定位； ( 3 ) 影响或干扰工件的测量精度； ( 4 ) 在f m s 和其它自动化加工中，去除毛刺作业常常会降低系统生产效率； ( 5 ) 在装配工序中，直接影响零部件的装配质量，严重者甚至无法进行正常 装配； ( 6 ) 液压传动部件、气压传动原件上若带有毛刺，直接影响其工作效果和使 用性能； ( 7 ) 直接影响工件表面或形态的美观度，影响到产品的销售等； ( 8 ) 在工件( 或零件) 的加工或运输中，对操作者的安全构成威胁； ( 9 ) 在加工中形成的毛刺突然脱落，往往在工件的边、角、棱等部位形成亏 缺( 也被称为负毛刺) ，导致工件尺寸超差或使其报废等。 综上所述毛刺不仅会严重影响工件( 或零件) 的尺寸精度和形位精度，而且 会影响产品的使用性能和寿命。 1 ) 一次毛刺i ) 二次毛利 ( d ) 甓削 h 一毛刺高度，b 一毛刺根部厚度 图1 4 常见切削加工中产生的毛刺 f i g 1 4b u r r sf o r m e di nc o i l l m o nc u t t i n gp r o c e s s 3 雄攀 基于神经网络切削毛刺专家系统的开发及其应用 1 2 毛刺形成机理的研究进展 1 9 5 8 年，日本京都大学奥岛瞄1 等一些教授注意到了加工过程中毛刺对工件精度 和尺寸有很大的影响，他以刨削加工和车螺纹加工为例，对毛刺进行了分类，并提 出了一些抑制形成毛刺的方法。 19 7 3 年，美国犹他州立大学的l k g i l l e s p i e 嫡1 完成了关于毛刺研究的学位论文 切削毛刺形成及特性，对金属切削毛刺进行分类：泊松毛刺、翻卷毛刺、撕裂 毛刺和切断毛刺。阐述了刀具的钝圆半径和后刀面与加工表面所产生的摩擦是导 致了切削金属产生塑性变形和流动从而形成毛刺，同时利用塑性变形理论推导出 了泊松毛刺理论计算公式，从而开启了毛刺形成机理的研究开端。 1 9 8 2 年，岩田一明口1 用扫描电子显微镜观察了铝材料的正交切削实验，变化切 削条件从而在毛刺的形成过程中观察到了3 种形态毛刺：( 1 ) 塑性弯曲所形成的正 毛刺；( 2 ) 裂纹沿负剪切区域产生从而使切屑被撕裂导致负毛刺产生；( 3 ) 仍然留 在工件终端面的部分切屑形成毛刺。指出毛刺形成的重要影响因素是沿负剪切区 域方向裂纹的扩展。 1 9 8 7 年，中山一雄对6 5 - 3 5 随1 黄铜进行了切削实验，根据实验所产生的毛刺形 式的不同，根据刀具切削刃和不同的毛刺伸展方向把毛刺形态分为8 种基本形态。 实验结果还表明：毛刺尺寸随着切削厚度的减小和切屑剪切应变的减小而减小、随 着润滑状态和工件终端部材料支撑刚度增加而减小。 1 9 8 8 年，王贵成教授阳1 建立了切削运动一刀具切削刃的毛刺分类体系，得出了毛 刺的三大类型：两侧方向毛刺、切削方向毛刺及进给方向毛刺。同时开展了毛刺 形成机理及控制的切削研究试验，揭示出毛刺形成与变化的基本规律，给出了毛刺 形态转换的基本界限条件，也提出了一些减小和抑制毛刺的工艺、技术和方法。 2 0 世纪9 0 年代以来，d a d o m f e l d 美国加利福尼亚柏克利分校机械工程学院 自动化研究室等教授n 0 1 3 1 对t i 一6 a 1 4 v 、a 1 - 6 0 6 1 及黄铜等一些材料进行了钻削、 铣削条件下的毛刺控制图表，进而利用图表实现对毛刺形态和尺寸的控制。 1 9 9 1 年，m i y a k a t e r u a k i n 4 1 等教授通过有限元分析、硬度分配测量法研究了钻 削过程中所产生的毛刺，对于屈服过程的产生、变形和应变硬化进行了模拟。在 此分析过程中，深刻认识到毛刺形成机理和工件塑性变形开始于钻刀顶尖，以及 塑性变形毛刺随螺旋角增加而减小。最后对钻削毛刺进行分类：带帽型或不带毛 刺和花瓣形毛刺。 4 江苏大学硕士学位论文 1 9 9 4 年，王贵成教授n 副建立了二维切削方向毛刺与亏缺的生成模型，给出了 切削方向毛刺与亏缺的判别准则。 1 9 9 7 年，王贵成n 6 1 对二维切削中两侧方向毛刺形态的转换进行了系统实验和 理论研究。结果表明，两侧方向毛刺的形态取决于切屑产生的剪切应变e 。 1 9 9 9 年，樊曙天n 7 1 通过h 6 2 黄铜等材料的车削实验，分析了多种切削因素 对进给方向毛刺尺寸的影响，为车削毛刺生成机理的研究及毛刺的抑制和去除技 术提供了实验依据。 1 9 9 9 年，赵殿君n 踟等研究了在铣削加工过程中切削毛刺的产生，对毛刺的形 成机理做了实验研究，得到了毛刺产生的主要影响因素，进而得出在铣削加工中 控制和减少毛刺的若干途径。 1 9 9 9 年，王贵成n 鲫建立了二维金属切削中两侧方向毛刺生成的切削模型，运用 平面应力一应变理论进行了深入的分析，找出了影响两侧方向毛刺的主要因素，系 统地揭示出毛刺生成及变化的基本规律。此外，还开辟出了抑制或减小两侧方向毛 刺的技术途径。 2 0 0 0 年，【j m i n g 乜3 1 进行了关于铝合金车身板的修整的系统实验研究。实验表 明：表面质量和切削毛刺高度与切削间隙，刀片锋利和切肖l j 角有很大关系。 2 0 0 0 年，【j n t s a n n r o n g 瞳4 3 利用实验结果研究了在铣削不锈钢加工中毛刺的形 成和切屑，认为毛刺高度受到铣削加工工艺的影响。实验结果表明有5 种毛刺类 型在工件的边、角、棱等部位产生：刀型毛刺、锯齿形毛刺、卷曲型毛刺和波浪 型毛刺。同时还表明切削深度对波浪型毛刺的产生有重要影响。 2 0 0 0 年，桥村雅之堙胡等人用有限元分析方法模拟了a l - 2 0 2 4 和c u 的切削过程 中剪切区域材料的网格变形及毛刺形成阶段工件的等效应变分布，对毛刺形成机 理进行了深入研究。利用扫描电子显微镜对毛刺形成过程进行观察的基础上，提出 了基于材料特性的毛刺形成模型，研究了切削厚度对负剪切区及毛刺尺寸的影响。 结果表明：随着切削厚度的增加毛刺尺寸和负剪切区域都增加。 2 0 0 2 年，l e e ，k i h a 瞳础研究精密加工中毛刺的形成机理，他对铝6 0 6 1 - t 6 和铜1 1 0 进行铣削加工实验，通过改变切削力和切削深度、切削轴向深度、进给量对毛刺 尺寸和毛刺类型的影响。 2 0 0 5 年，m i n s a n q k e e ，d o r n f e l d d a v i d ，n a k a o y o h i d a n i 凹1 分析了切削表面角对 钻削毛刺形成的影响。实验表明：当切出表面不垂直于钻刀时毛刺仅在孔的一部 5 基于神经网络切削毛刺专家系统的开发及其应用 分形成，同时由有效相互作用角所预报的毛刺形成通过实验结果被证实。 2 0 0 5 年，上海交通大学马春翔船踟等人研究振动车削过程中进给方向毛刺的形 成情况，对椭圆振动车削、普通振动车削和普通车削过程中所形成的毛刺尺寸进 行了对比，并且对振动车削抑制车削进给方向毛刺进行了分析和研究。 2 0 0 9 年，樊曙天等乜们采用弹塑性有限元法，运用有限元分析软件，对板料的冲 裁过程进行了数值模拟，分析了冲裁过程中毛刺的形成机理。 2 0 1 0 年，朱云明乜提出利用材料失效模型建立钻削毛刺形成模拟的有限元模 型，模拟结果得到的三种不同形态的钻削毛刺与试验结果取得很好的吻合。 2 0 11 年，曲海军乜2 1 利用d e f o r m 一3 d ( 2 d ) 软件对毛刺形成与变化进行模拟，研究 了切屑应变对加工硬化以及材料性能的影响，揭示出两侧方向切屑应变与其形态 的关系。 通过国内外学者的共同努力，比较系统深入地揭示了毛刺形成机理及其变化 规律，为开发控制毛刺技术、工艺和方法奠定了良好基础，也为系统构建毛刺专 家系统提供了大量的数据和资料，也为实现金属切削毛刺的预测预报提供了理论 依据。 1 3 毛刺专家系统的开发及研究进展 1 3 1毛刺专家系统 基于金属切削实验，利用已建立的毛刺形成的数学一力学模型，构建毛刺专家 知识系统，可实现依据切削加工对工件棱边( 毛刺) 的要求选用合适的切削参数， 也可利用该系统实现毛刺形态及尺寸的预测预报，为实现少无毛刺加工开辟新的 途径。可见，开发专家系统具有重要的工程应用前景： ( 1 ) 研究毛刺形成的机理的目的是为了有效地控制和抑制毛刺的形成，毛刺 专家系统可以把各种研究方法所得的结果变成全面、系统的知识库，为实现有效预 报和控制毛刺具有重要的理论意义。 ( 2 ) 专家系统可以模拟人的思维，在原有知识的基础之上可以得出新的结论， 同时它可以进行逆向思维来根据所要求的结果来控制影响毛刺的因素，充分体现 出专家系统的特点和优势，服务于毛刺形成与控制技术的发展。 ( 3 ) 毛刺专家系统提供了人机交换界面，从而可以和用户进行沟通，便于一般 工程人员，尤其是生产实践操作人员进行简单的操作，易于掌握，而不需理解深 6 江苏大学硕士学位论文 奥的毛刺形成与控制的基础理论，为推进主动控制毛刺技术应用奠定坚实基础。 综上所述，随着专家系统的构建理论的发展和专家系统与切削毛刺形成及控 制理论的融合，其必将得到进一步的应用。 1 3 2 毛刺专家系统开发的进展 2 0 0 1 年m i n ，s a n g k e e 晗刚提出了由毛刺控制图表和钻削毛刺数据库所构成的毛刺 专家系统的思想，开发了毛刺实验知识库体系，初步实现了钻削毛刺专家知识的 表达。 2 0 0 4 年l e e ，k i h a m l 在分析了铣削和钻削毛刺形成机理的基础上，提出了刀具寿 命和表面精度对毛刺形成机理的影响进而提出了基于网络的铣削和钻削毛刺专家 系统的基本框架。 2 0 0 6 年y j k i m 和s lk 扩在对铣削切出毛刺形成机理的研究基础上根据实 验结果建立了毛刺分类的数据库，探讨了优化选择刀具路径，刀具输出角，以及工 件的几何特征等来实现毛刺的控制。 2 0 0 9 年j c a u f i c h 2 3 在充分分析加工毛刺形成主要影响因素基础上，开发出毛 刺专家系统，通过输入如切削速度，进给量等时可以实现对毛刺预报和控制。 国内毛刺专家系统研究并不多，主要是2 0 0 4 年王贵成教授盥3 1 在金属切削实研 验的基础上开发出了金属切削毛刺专家系统，实现了三大功能模块：金属切削毛 刺知识库，金属切削毛刺数据库，金属切削毛刺规则库，从而实现了金属切削毛刺 的预报和控制。 1 3 3 毛刺专家系统开发中尚存在的主要问题 经过国内外学者和机械工程专家的不断探索和研究，在毛刺专家系统方面取 得了一定进展，一部分成果己应用于实践。但是，金属切削专家系统的研究是一个 复杂、系统的过程，迄今仍存在的主要问题是： ( 1 ) 在毛刺专家系统的知识库方面，可以利用的毛刺方面的知识不是很多， 主要是针对如钻削，铣削，车削等加工方法，同时对于每种加工方法来说，对影响毛 刺形成的主要因素研究的范围较小，并且没有考虑因素之间相互影响，例如，当 仅仅考虑为了减小毛刺时可能会减小刀具的寿命。因此，在对毛刺进行预报时，很 难对毛刺的形态和尺寸做出形成标准化的描述。 ( 2 ) 在专家系统知识的表达方法与实现方式上比较单一，如何有效地将各学 7 基于神经网络切削毛刺专家系统的开发及其应用 者和专家的研究成果表示成专家系统能理解的、并利于专家系统实现的知识库、 规则库，其研究内容中涉及多学科的渗透，如对加工工件的质量评价，包含了模 糊评判方法等；其他如优化方法、数值计算、函数拟合、模态识别技术、网络技 术等等在毛刺专家都有体现。目前，还未完全实现毛刺专家系统与其他方法、技 术的很好融合。 ( 3 ) 在毛刺专家系统的推理机研究和实现上，如何有效地利用各专家、学者 的研究成果和经验，更好地模拟学者和专家的思维、推理过程，从而形成对毛刺 的有效控制，是毛刺专家系统推理机制研究的重要内容，应当利用更好的推理策 略来为毛刺专家系统的推理功能服务。 ( 4 ) 在毛刺专家系统的知识获取上，应当解决如何更高效、更全面地获取专 家知识，其中包含知识有效性的判别，各专家、学者的协同作业等问题。 1 4 本论文研究的主要内容及意义 本研究以金属切削试验为基础，基于神经网络建立出切削参数、刀具结构参 数与毛刺形态、尺寸的关系模型，研制与开发出基于神经网络( n n ) 的金属切削 毛刺专家系统并对本专家系统的网络化进行了开发与研制。本研究论文的主体框 架如图1 5 所示。主要研究内容有： ( 1 ) 基于钻削、刨削和车削试验结果，分析影响毛刺形成的主要影响因素， 为进行切削参数的优化选择及减少和抑制毛刺的形成提供了试验依据；同时为专 家系统的数据库建立提供了试验数据。 ( 2 ) 基于神经网络理论设计出基于神经网络切削毛刺专家系统的知识库，推 理机制，解释器以及人机界面，系统开发具有智能特征的毛刺专家系统。 ( 3 ) 将开发出的毛刺专家系统应用于车削、钻削和铣削毛刺形成的预测预报， 结合专家系统的应用，探讨了神经网络模型结构参数对预报性能的影响。 ( 4 ) 在应用网络技术的基础之上，实现基于神经网络切削毛刺专家系统数据 库的网络化，使系统从单机运行到多机运行的转变，为国内外专家学者的研究与 企业( 集团) 去除毛刺技术应用搭建共性技术研究和开发平台，有利促进少无毛 刺加工技术发展，为精密与超精密加工及自动化加工技术发展提供技术支撑。 江苏大学硕士学位论文 第1 章绪论 第2 章毛刺的形成与变化规律 第3 章基于神经网络毛刺专家系统组成原理 第4 章神经网络切削毛刺专 家系统的开发技术与实现 第5 章切削毛刺专家系统的 网络化 第6 章研究结论及发展展望 图1 5 本论文主体结构及主要研究内容 f i g 1 5n e m a i ns t r u c t u r ea n dc o n t e n t si nt h i st h e s i s 本研究工作是国家自然科学基金资助项目( 5 1 0 7 5 1 9 2 ) 和江苏省自然科学基 金资助项目( b k 2 0 0 7 5 6 2 ) 研究内容的组成部分之一。其研究成果为金属切削毛刺 形成模型的进一步完善，实现毛刺形态、尺寸的预测预报提供了技术支撑；为抑 制、减少毛刺的形成进行切削参数的优化提供技术服务；同时也为国内外毛刺研 究成果的资源共享提供了一个平台。 1 5 本章小结 本章概述了国内外有关毛刺专家系统开发方面的研究现状，指出其尚存在的 主要问题，进而提出了本论文的主要研究内容及意义。 9 基于神经网络切削毛刺专家系统的开发及其应用 第二章毛刺的形成与变化规律 本章摘要：本章简要介绍了基于切削运动一刀具切削刃毛刺分类体系，重点探讨 了影响金属切削毛刺的主要因素，并基于金属切削实验探讨了毛刺形态及尺寸的 基本变化规律。 2 1切削运动刀具切削刃毛刺分类体系 金属切削毛刺是在刀具和工件的相对运动中产生的。若以切削运动和刀具切 削刃为基础对毛刺进行分类和研究，就能够完全地体现切削加工的基本要素 切削运动在毛刺形成与变化中的主导作用，从而将切削毛刺生成机理研究和去除 毛刺技术研究有机地统一起来，为深入系统地研究毛刺奠定基础1 。 图2 1 依据切削运动一刀具切削刃毛刺分类体系对切削毛刺分类的示意图。 图2 1 切削运动一刀具切削刃毛刺分类体系示意图 f i g 2 1t h e s c h e m a t i c d i a g r a mo f b u r rc l a s s i f i c a t i o ns y s t e mb a s e d o nc u t t i n gm o t i o n c u t t i n ge d g e s 表2 1 所示为切削运动一刀具切削刃毛刺分类体系。以切削运动和刀具切削刃 为基础的毛刺分类体系把金属切削中产生的毛刺分为两侧方向毛刺、进给方向毛 刺和切削方向毛刺三大类及六种具体形式田3 。 ( 1 ) 两侧方向毛刺是指被切削层金属在刀具前刀面和切削刃的作用下，沿着 刀具切削刃方向产生横向流动所形成的毛刺。 ( 2 ) 进给方向毛刺则是工件终端面的被切削层金属在刀具的作用下，沿着进 给方向发生塑性变形、流动，并逐渐脱落切削区域，最终形成滞留在工件端部( 棱 边) 上的切削毛刺。 ( 3 ) 切削方向毛刺则是工件终端部被切削层金属在刀具的作用下，沿着切削 速度方向产生流动并滞留在工件的终端面上所形成的毛刺。 江苏大学硕士学位论文 表2 1 以切削运动和刀具切削刃为基准的毛刺分类新体系 t a b 2 1t h en e wb u r rc l a s s i f i c a t i o ns y s t e mb a s e do nc u t t i n gm o t i o na n dc u t t i n ge d g e 2 2 切削方向毛刺形成与数值模拟 2 2 1切削方向毛刺的形成 金属切削过程实际上是切屑形成的过程。在切屑形成过程中，切屑区域被切 削层金属在刀具的作用下产生较大的塑性变形，使其大部分转变为切屑，有- d , 部分被切削层金属滞留在工件的已加工表面或其棱边等部位上，形成切削毛刺。 切射速度度v - - - 切翻速度v - - - - - 一 终端面 终端面 图2 2 切削方向毛刺生成的切削模型 f i g 2 2c u t t i n gm o d e lo fb u r rf o r m a t i o ni nc u t t i n gd i r e c t i o n 假定被加工工件材质一致均匀，图2 2 分析了二维切削中切削方向毛刺生成 模型。当刀具接近工件终端面时，在切削力的作用下工件终端部产生挠曲变形， 随着刀具的继续推进，工件终端部的支持刚度逐渐减弱，处于剪切滑移变形区域 基于神经网络切削毛刺专家系统的开发及其应用 内的被切削层金属沿着剪切滑移方向移动，使实际切削厚度小于理论切削厚度， 图中剖面线的被切削层金属将在刀具的挤压作用下倒向工件终端面，工件终端部 的a 点移至a 点，形成了切削方向毛刺。 当以同样的切削条件再次对工件进行切削时，产生了切削方向毛刺的工件终 端部的a 点逐渐移至a ”使切削方向毛刺随着切削次数的增加而逐渐增大。 2 2 2 毛刺形成的受力分析 在切削中，切屑的主要变形发生在剪切区。变形所需要的力由刀具前刀面提 供。图2 3 为切削受力简图。作用在切屑上的力有前刀面的法向力b 和前刀面切 向力c ，在剪切面上作用着法向力和剪切力瓦。f 和e 合成为切削力c ， 而瓦和瓦合成为f 。c 是切削运动方向的切削分力，f p 是和切削运动方向垂 直的切削分力。其中h c h 是切屑厚度，是切削厚度，咖是刀具前角，妒是剪切角， 口是摩擦角。 y 图2 3 切屑的受力分析图 f i g 2 3t h ef o r c ea n a l y s i sf i g u r eo fc h i p 显然，影响切屑形成的各因素也都对毛刺形成产生影响，各因素的综合作用 决定了毛刺的最终形态和尺寸。 2 2 3 切削方向毛刺形成的有限元分析 图2 4 所示为刀具切削黄铜时形成毛刺的过程。在刀具接近工件终端面时，工 件受到切削力的作用下使工件终端部产生挠曲变形，随着刀具继续推进，工件终端 部支承刚度慢慢减小，在剪切滑移变形区域内的切削层金属沿剪切滑移方向移动， 使实际切削厚度小于理论切削厚度，这时切削线以下刀尖附近形成剪切变形区，与 1 2 江苏大学硕士学位论文 第1 、i i 、变形区相对应，我们将之称为第变形区( 负剪切变形区) ，它由刀尖 逐渐向工件终端部扩展，使工件终端部被切削层附近材料绕某一支点转动，从而偏 离了理论边界，最后部分残留在工件的边、角、棱上的材料形成了毛刺，其如图2 5 照片所示刚。 图2 4 切削方向毛刺形成过程 f i g 2 4b u r rf o r m a t i o np r o c e s si nc u t t i n gd i r e c t i o n ! t 、j 。掣 。毒i - ，c ，、 图2 5 负剪切区示意图及变形s e m f i g 2 5t h es c h e m a t i ca n ds e md i a g r a mo fn e g a t i v es h e a rz o n e 为系统深入研究毛刺的形成及变化规律，利用有限单元法模拟毛刺形成。假 设被切削材料各向同性，在此条件下，假设为平面应变状态。因此，在 a n s y s l s d 叮a 下建立如下图2 6 所示的二维切削有限元模型。为简化模型，在 本模型模拟毛刺形成的过程中尚不考虑刀具几何参数的影响。假设刀具为刚体，具 有y 和z 轴的平动及x 、y 、z 轴的转动自由度约束，即刀具只能沿x 轴平动。被 切削工件材料的自由度约束为：在离切削线足够远处的c d 线具有x 和y 轴的平动 约束；其他边界无自由度约束，以利于切屑及毛刺的生成。模型中采用平面的 p 啪1 6 2 单元，被切屑层材料及切削线以下离刀尖附近的工件材料的有限单元大 小为2 0 肛m 2 0 1 a n 。为有效模拟刀具表面和工件材料间的相互作用，本处采用了单 面接触模型，在该接触模型中，有限元程序根据刀具的运动能自动搜索刀具表面和 工件材料的接触区域，并且能模拟多种摩擦类型船4 | 。在此条件下，毛刺形成模型的 接触形式采用了a s s 2 d 的接触模型，其中f s ( s t a t i cf r i c t i o nc o n f i c i e n t ) 为0 2 5 ， f d ( d y n a m i c f r i c t i o nc o n f i c i e n t ) 为0 2 。 基于神经网络切削- g , , j 专家系统的开发及其应用 乏释 图2 6 毛刺形成有限元分析模型 f i g 2 6t h e f i n i t ed e m e n ta n a l y s i sm o d e lo fb u r rf o r m i n g 有限元模拟结果及分析，将毛刺的形成过程分为三个阶段：稳态切削阶段、支 点阶段、最后形成阶段。 ( 1 ) 稳态切削阶段 图2 7 所示为模拟结果的应力分布及网格变形图版2 7 ( a ) 及主变形区的g e m 图版2 7 ( b ) 。稳态切削阶段的模拟是必须的，从该阶段的模拟结果如：剪切角、应 力分布、切削力等可以检查和调整参数设置，从而使毛刺形成模型更趋合理化。 ( 2 ) 支点形成阶段 图2 8 所示为该阶段的应力分布模拟结果。图中可以看出，随着切削的进行， 刀尖点附近的弹塑性变形区逐渐向工件棱边扩展，当刀具推进到某一点时，在工件 棱边如图版所示的b 点产生塑性变形区。随着刀具的继续推进，刀尖点附近的弹塑 性变形区扩展到了b 点，在此过程中切屑开始绕支点b 转动，使被切削材料的边角 部分伸出了理想边界，从而形成了毛刺。在刀具继续切削的同时推动切屑的转动。 图2 9 所示为支点区域的变形s e m 。在本阶段，将该塑性变形区称为第四变形区也 称负剪切区，将b 点与刚形成b 点时刀尖点的连线与切削线所成的角度称为负剪切 角。负剪切区的产生是影响毛刺形成的重要因素。 ( 3 ) 毛刺最后形成阶段 随着刀具继续逼近工件终端面，工件终端部的支承刚度越来越小，致使被切削 层金属在沿剪切滑移方向变形的同时与工件终端面发生了断裂分离，由于塑性变 1 4 江苏大学硕士学位论文 形使得部分材料超出了工件的理论边界，形成了毛刺。图2 1 0 所示为模拟结果1 。 ( a ) ( b ) 图2 7 稳态切削模拟阶段及s e m f i g 2 7t h es i m u l a t i o nr e s t l t so fs t e a d ys t a