（材料学专业论文）冲压模具选材及热处理工艺方案制定专家系统的研究与开发.pdf

冲压模具选材及热处理工艺方案制定专家系 统的研究与开发 专业：材料加工工程 研究生肖骥指导教师傅建 从当今世界范围的模具材料发展来看，无论是材料的品格、规格，或 是材料的质量和数量，都可以基本满足现代模具工业的需要。但对于一个 具体的模具零件而言，欲从众多模具材料中挑选出是能满足其使用性能要 求的材料，并制定出与该性能要求相匹配的合理的热处理方案，则不是一 件容易的事。由于影响模其零件选材及其热处理工艺方案制定的因素非常 复杂且具有很大的不确定性，因此，在选材和制定热处理方案上，则更多 的是依赖于专家经验。怎样将目前日益发展的专家系统技术、计算机技术 和数据库技术应用到模具零件的选材和热处理工艺的制定上，以及开发出 适合于模具设计制造领域使用的模具选材及热处理工艺方案制定专家系 统，这就是本课题研发的目的意义。 本课题在总结冲压模具基本选材原则、典型零件的热处理规范，以及 行业经验的基础上，借助计算机技术、专家系统技术和数据库技术，研发 出了基于w i n d o w s 平台的冲压模具选材及热处理方案制定专家系统。 该系统可以通过用户提供的冲压类型、制件材质、尺寸精度、表面粗 糙度，以及板料厚度、生产批量等综合信息，应用基于规则的正向推理机 制，或通过用户提供的具体模具零件，应用反向推理机制，并结合知识库 中的专家知识，向用户提供满足条件的一系列模具材料，以及对应该模具 材料的热处理推荐方案。同时，论文还优化了用户界面，增加了系统自学 习功能，以及知识库、模具材料库和热处理工艺库的扩展功能，使得在软 件的使用过程中也可以不断的丰富和完善专家知识，让冲压模具选材更加 合理和准确。 关键词：冲压模具；模具材料：热处理工艺：专家系统；数据库 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fe x p e r ts y s t e mf o rd i e m a t e r i a ls e l e c t i o na n dh e a tt h a t m e n tp l a n m a j o r ：m a t e r i a lp r o c e s s i n gp r o j e c t g r a d u a t e ：x i a oj i s u p e r v i s o r ：f uj i a n a tp r e s e n t ，d i em a t e r i a l sr e g a r d l e s so fi t sv a r i e t y , s p e c i f i c a t i o n ，q u a l i t ya n dq u a n t i t y m a yb a s i c a l l ys a t i s f yt h en e e d so fm o d e m m o l di n d u s t r y b u tf o rag i v e nd i ep a r t , i ti sn o t ae a s yt h i n gt os e l e c tam a t e r i a lf l o mt h em u l t i t u d i n o u sm a t e r i a l sw h i c hc a nm o s ts a r i s f y s e r v i c ep e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t sa n dd e s i g nag o o dh e a tt r e a t m e n tp l a nw h i c hm a t c h e s w i t ht h er e q u i r e m e n t s b e c a u s et h ef a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h ed e c i s i o nt os e l e c tm a t e r i a l a n dd e s i g nh e a tt r e a t m e n tp l a nf o rag i v e nd i ep a r ta r ee x t r e m e l yc o m p l e xa n di n d e f m i t e ， t h ee x p e r te x p e r i e n c e sw i l lb em o r er e l i e dw h e no n es e l e c t sam a t e r i a la n dd e s i g n sah e a t t r e a t m e n tp l a nc o r r e s p o n d i n gt ot h em a t e r i a l t h er e s e a r c hp u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c eo f t h i st h e s i sa r eh o we x p e r t s y s t e mt e c h n o l o g y , c o m p u t e rt e c h n o l o g y a n dd a t a b a s e t e c h n o l o g ya r eu s e di ns e l e c t i n gm a t e r i a la n dd e s i g n i n gh e a tt r e a t m e n tp l a nf o rd i ep a r t , a n dh o we x p e r ts y s t e m ，w h i c ha d a p t st ot h ef i e l do fd i ed e s i g na n dm a n u f a c t u r e ，f o rd i e m a t e r i a ls e l e c t i o na n dh e a tt r e a t m e n tp l a ni sd e v e l o p e d b a s e do i lt h eb a s i cp r i n c i p l eo fs e l e c t i n gm a t e r i a l sf o rd i ep a r t s ，t h eh e a ti r c a t m c n t c r i t e r i o no ft y p i c a lp a r t sa n dt h ef i e l de x p e r i e n c e s ，w i t ht h ea i do fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , e x p e r ts y s t e mt e c h n o l o g ya n dd a t a b a s et e c h n o l o g y , a ne x p e r ts y s t e mf o rd i em a t e r i a l s e l e c t i o na n dh e a tt r e a t m e n tp l a nh a sb e e nr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e dw h i c hi sm no n m i c r o s o f tw i n d o w sp l a t f o r m t h r o u g ht h es y n t h e t i ci n f o r m a t i o nt h a tu s e r so f f e rs t a m pt y p e ，s t a m p p a r tm a t e r i a l ， s i z ep r e c i s i o n ，s u r f a c er o u g h n e s s ，a sw e l la s p l a t et h i c k n e s sa n dp r o d u c t i o na m o u n t ， a p p l y i n gf o r w a r dr e a s o n i n gm e c h a n i s mb a s e do nt h er u l e ，o rt h r o u g hag i v e n d i ep a r ta n da p p l y i n gr e v e r s e dr e a s o n i n gm e c h a n i s m ，a n dc o m b i n i n gt h e e x p e r td a t ai nk n o w l e d g e b a s e ，t h es y s t e mm a yr e c o m m e n du s e r sas e r i e so fd i e m a t e r i a l sa n dh e a tt r e a t m e n tp l a n sw h i c hm e e ts e r v i c ec o n d i t i o n sf o rag i v e nd i ep a r t a t t h es a m et i m e ，t h ep a p e rh a so p t i m i z e dt h eu s e ri n t e r f a c e ，i n c r e a s e dt h ef u n c t i o no ft h e s y s t e ma u t o l e a r na n dt h ef u n c t i o no fe x p a n d i n gt h ek n o w l e d g ed a t a b a s e ，t h em o l d m a t e r i a ld a t a b a s ea n dt h eh e a tt r e a t m e n tp l a nd a t a b a s e ，l e t su s e r si nt h es o f t w a r eu s i n g p r o c e s sa l s ob ep o s s i b l et oe n r i c ha n dp e r f e c tu n c e a s i n g l ye x p e r tk n o w l e d g es ot h a tu s e s s e l e c tm o r er e a s o n a b l ya n da c c u r a t e l ym a t e r i a l sf o rd i ep a r t k e y w o r d s ：d i e ，d i em a t e r i a l s ，h e a tt r e a t m e n tp l a n ，e x p e r ts y s t e m ，d a t a b a s e 西毕大学硕士学位论文 l 。绪论 1 1 模具选材 l ，l 。l 模具选糖薛意义【3 】【5 】 随着市场经济的迅猛发展和材料加工新技术新方法的不断采用，产品更 毅挟 弋速度鸯g 恹，薅藏形摸具数量蟊矮餐熬需求毽在不叛增鸯蟊，模具耪辫戆 正确选择与合理使用己经制约商精度、长寿命、商效率模具制造的瓶颈之一。 萤内终遗霉按髑途蛰摸暴耪辩分为三大类：冷穆摸具楗麓、热份模具专考辩巍 塑料威形用模舆材料。目前，这兰大类模具材料仍以黑色金属及其合金为主。 会理选择搂其耱料其有菲鬻重要豹懑义，蓠先是麦模其在瑷饯王壁生产 中的黧器作用所决定；其次，合理选材也是保证模具寿命、提商材料利用率 豹基本要袁之一。 模具材料的选择怒指：针对其体的模具零件。在相殿的模其材料中选择 出一、涎穗较为理想或合适的材料豹避程。一般谴来，摸具零传的选材要求 所选材料满足： ( 1 ) 使嗣性能足够根据工 乍条件，失效形式、寿命袋求、可靠性 的高低等提出材料的强度、硬度、塑饿、韧性等使用性能要求，其中应考虑 尺寸效应及主要的、关链的性熊指标。 ( 2 ) 工慧性能良好椴据制造工艺流獠及方法不同，傈证所选材料 具有良好豹工藏性能，首先是能将摸典零件制造出来。 ( 3 ) 供成上能保证所选材料应考虑地方资源与市场供应情况，尽 量少用进口材料，并且品豺规格应尽鬟少而集中，以便于采购和管理。 ( 4 ) 经济往合理要求所选材料，生产过程简单、成晶率高、成本 低。也就是业界提出的“满足制品要求，发挥树料潜力，经济技术合理”原 则。 幽此可见，模具的选材决策是一个系统工程，涉及因素多，工作燮大。 根据系统工稷的原理，系统静缀成要素越多，赛鼯模暴选材考虑的因素越多， 其系统就越大，方案优化决策的工作髓也越大。然而，系统工程原理认为， 最终褥出的决策只能怒相对理想的而决不会是簸姆酶。因诧，为了筒他稽关 决策问题的解决过程，系统所包括的骤素应尽量少。 西华太学硕士学位论文 1 1 2 模具选材的原剿f 4 】剐 模具选材的原则一般按下面三个方面考虑： 1 ) 满足工豫条件要求 a 耐磨性 坯精在模箕蓬齄辛黧往交往辩，溢黧羟表霭躐流动又游动，餐翟睦表嚣 与坯料间产生剧烈的摩擦，从而导致模具因磨损而失效。所以材料的耐磨性 楚模吴最基本、簸重要豹往耱之。硬度是影灏蘩瘩热熬主要瓣索。一j | l 曼 情况下，模具零件的硬魔越高，磨损量兢小，耐磨性也越好。另外，耐磨性 逐毒耪瓣孛碳纯镌鼹耱炎、数量、形态、大小及分毒骞哭。 b 强韧性 模蒸懿工终祭 譬太多卡分恶劣，毒臻鬻承受较大敦游蠢受凌，麸嚣譬致 脆性断裂。为防止模具零件在工作时突然脆断，模具要具有较高的强度和韧 经。模爨熬秘援主要取决予稼辩弱含碳慧、鑫越发及缀织状态。 c 疲劳断裂性能 接爨工痒过程中，我锤嚣应力豹长期终焉下，往往移致疲劳黻裂。其澎 式有小能量多次冲击疲劳断裂、拉伸疲劈断裂接触疲劳断裂及弯曲疲劳断 裂。模热戆疲劳凝裂缝熊主要取决手其强度、韧性、硬度、以及考葶辩中夹杂 物的含擞。 d 。高温性能 当模具的工作温度较高进，会使硬廉和强度下降，导数模具毕期磨损或 产生塑性变形霹失效。擞此，模具材料疲具有较舞的抗嬲火稳定性，以保涯 模其在工作温度下，具有较高的硬度和强度。 e 瓣冷热疲劳性能 有魑模具在工作过程中处于反复加热和冷却的状态，使型胶表面受拉、 鹾力变艘力的作用，引起表面镪裂和剥落，增大摩擦力，阻碍塑性变形，降 低了尺寸精度，从而导敬模具失效。冷热疲劳是热作模凝失效的主要形式之 一，帮这类摸具应具有较高的耐冷热疲劳性能。 f 耐蚀性 有魃模具如塑料模在工作时，由于爨料中存在氯、氟等元索，受热艏分 堕茔盔! 型堂堡塑 解析出h c i 、h f 等强侵蚀性气体，侵蚀模具型胶表面，加大其表面粗糙度， 加剧磨损失效。 2 ) 满足工笼佳能娶求“ 模具的制遗一般都凝经过锻造、切削加工、热处理等几道工序。为保证 模其静薷l 造质鬣，降低黛产盛零，其耪籽应其有良好静霹锻往、伤翻霸王往、 淬硬性、淬透性及可磨削性；还应具有小的氧化、脱碳敏感性和淬火变形开 裂倾囱。 a 可锻性 翼蠢较低豹热锻变形抗力，塑性爵，锻造瀑发范霞爨，簸裂冷袈及耱窭 网状碳化物倾向低。 b 遥火工艺性 球化退火濑度范围宽，退火硬度低甩波动范围小，球化率商。 c 0 j 聚热互缝 切削用量大，刀具损耗低，加工表面粗糙度低。 d 。氧纯、艟碳敏感经 高温加热时抗氧化怀能好，脱碳速度慢，对加热介质不敏感，产生麻点 舅囱，j 、。 e 淬硬性 淬火磊其套均匀露蠢魏表蘸疆度。 f 淬透性 淬火震毙获褥较深熬滓硬鼷，采用缓和豹滓火赍震就能淬硬。 g 淬火变形开裂倾向 常规淬火体积变化小，形状翘曲、瞬变轻微，冥常变形倾肉低。常觌淬 火开裂敏感性低，对淬火温度及工件形状不敏感。 h 可磨削性 砂轮相对损耗小，无烧伤极限磨削用量大，对砂轮质量及冷却条件不敏 感，不易发生壤伤及糜削裂纹。 3 ) 满足经济性要求 在给模具选材是，必须考虑经济性这一原则，尽可能地降 瓯制造成本。 蔓璺查兰堡妻鲎垡笙奎 因此，牲满足使用性能的前提下，首先选用价格较低的，能用碳钢就不用合 金钢，能用国产毒孝辩就不用迸髓材料。茄外，在选材时述应考虑市场的生产 和供应情况，所选钢种废尽量少而集中，易购凝。 1 1 3 冷冲臌模具的选材原则u 冷渖压模懿( 篱稼冷 孛模，下司) 童要热褒镬金属叛辩产生塑淫变形或 分离而加工成形所需制件方面。由于被成形对裂在成形过程中存在加工硬化 凌象，秀羹之其它一些摸粪工幸# 强麓嚣素，魇致，对模其瓣硬菠、强麦、耘缝、 耐磨性和抗疲劳性等性能指标疆求较高f l i l 。而这些性自e 指标，主要是通过正 臻豹选枣孝与会骥戆热处理工艺捺酝来缳蹲。 冷冲模在溅材时，通常应遵循下述原则“： 1 ) 选择漳透牲良好豹材糕 在使用过獠中，大多数冷冲模除要求表面有足够的硬度外，还要求心部 具有足够豹韧键。捌如对于大毅冷、砖模，若曩滓透性较差的麓料，则淬火回 火后很难得到寝里一致的组织，从而影响模具的强度和韧性。所以，在选择 孝才料对，一般魔选用滓透性能嶷好的镪豺。此夕 ，为了使模具零件在淬火后 能获得较均匀的应力状态，以避免开裂或变形，也应该选用淬谶性较好的材 料。 2 ) 选择抗回火稳定性高的材料 冷冲模在工作对，由于和拔加工材料发生强烈的挤压和摩擦，会形成较 高的激度，这就要求模具材料本身要具有较高的抗回火稳定性，也就是鬻具 有在一定温度下保持硬度的能力。一般说来，碳素钢和低合金钢抗回火能力 差，若采用不潲程度的含铬和禽钼的合金钢，则能显著提高模嶷零件的画火 稳定性。 3 ) 根据制品批量选择材料 对于冲压数量较大的模具般选用优质合垒工具钢制造，丽对于制件数 量较小的模其受可采用价廉的碳索工爨钢制造。 4 ) 根据模具的精密程度和使用寿命选择材料 裔造小受精密丽囊杂的冷冲模，宣选用优臻钢材；两对于缩构比较简单、 且使用寿命要求不高的模具，则可采用相对便宜的材料制作。对于大裂凸、 4 堕老盔堂堡主鲎堡丝苎 聱模，哥菇采鲻届部镶嵌结兹，戳节省爨重钢秘。 5 ) 根据模舆零件的作用选择材料 冷渖摸豹茨键零( 帮) 孛，翔叠模稻鹜摸，可采鳎饶蒺镄搴砉麓 擘，蠢 其它零件可以采用一般钢材制作。但对于结构比较简单的冲裁凸模和凹模， 隧及弯l l 蠡模与鼓深模，鲡采是瑙采冲铡数量不多藏善_ 蕈菠不大的蠢色金瓣移 黑色金属，则多半可以选用优质碳素工具钢1 1 6 1 。例如，在工作中承受较大 羚壹熬模其，可选罨t 8 a 钢，毽鼹予基本苓承受净老鹣援兵，剿可遥焉t 1 0 a 钢。对于生产批量较大的模具，其凸、凹模可采用c r l 2 钢制造。 总之，在逡铎冷冷模薅瓣辩，既要考虑箕蕊蘑经煞，又要考虑其慈成 本，两者综合，才是最佳选择。 1 2 冲压模篡材料的热处理n 埘 热处理是剩用加热、保温和冷却的方法，促使金属内部组织发生变化， 从而获得所需饿能( 包括使用髓能和加工性能) 的一种工艺过程。一般来说， 冲模质基及寿命很大程度取决予热处理质量l l 引。为此，对模具树料热处理 有以下几点要求： ( 1 ) 热处理变形要尽爨小。热处理变形，会影响到装配精度，造成凸凹模 阎陈不均匀，、渖裁尺寸发生变纯，影响制件覆激，缩籁模具寿命。 ( 2 ) 采用下限温度淬火。这样既可减少模具零件变形又可提高材料的韧性。 若热热辩过热，不仅会佼工释造成较大豹旋往，而量在冷却辩也容易引起 变形和开裂，必将影响模具的使用寿命。 ( 3 ) 热处理爱零箨表瑟不允诲有麓碳麓或强渗谈层。装表嚣存在脱碳朦， 会使模具表面硬度降低，容易引起磨损：若表面有强渗碳层，则会增加脆 往，模基荔发垒痿裘豌象。 ( 4 ) 为提高冲模的耐用度，在使用过程中应采用周期阐火处理，这样可有 效建减少帮消除降载工艺过程掰造成静控瘟力。 ( 5 ) 应根据具体要求，合理安排热处理工序。如：精度要求较高的模具工 乍零 牛，在餐精壹霾工之蠲安攥漕除应力楚理，戳滂豫餐溺蕊工联造藏豹箴余 应力，减小变形。对于一些形状复杂，精度高，加工周期长的冲模工作零件， 在撬热王过程中可罴取多灌豫癍力楚毽，奏剩予稳定零臀足寸弱影竣精潼。 耍兰查兰堡主竺堡丝兰 尤其在冲模最后精加工前，应进行一次5 5 0 c 6 0 0 c 清除应力回火处理， 有利于减小材料的淬火变形。 ( 6 ) 线切割加工模具零件，要求有高的淬透性较深的淬硬层，并使其内应 力分布均匀，处于最小应力状。因此，宜采用分级淬火和多次回火或高温 火的热处理工艺，以提高淬透性，减小内应力。 1 3 专家系统概述 1 3 1 专家系统及其特点2 0 】【2 1 】 专家系统是人工智能学科领域中的一个重要分支，它的发展开始于本世 纪6 0 年代中期，近年来风靡世界。成为世界各国都极为关注的热门学科。 所谓专家系统，实际上是一种以知识为基础的计算机程序系统，具有大量的 专门知识，能应用人工智能的理论和技术，根据人类专家的知识和经验进行 推理，模拟人类专家进行决策，解决需要专家才能解决的复杂问题。专家系 统是计算机程序系统，但与一般的程序系统不同，其知识库和程序是分开的， 易于修改和增删，具有很大的灵活性，而在一般程序中，知识是以隐式方式 存在的，程序完成之后就确定了，一般不易修改。与数据库不同之处在于， 它与逻辑推理有联系，具有启发性，而一般的数据库只是对大量数据进行组 织和管理，提供检索方法。与模拟系统不同之处在于，它是从解决问题所依 据的机理出发，根据逻辑推理来描述客观过程，而模拟系统或仿真系统是采 用假想的模型来模拟客观过程。由此可见，专家系统是一种在某些方面能像 人类专家那样进行工作的特殊的计算机程序系统，能起到专家的作用或成为 专家的得力助手。 专家系统的主要特点是“： ( 1 ) 具有知识信息的处理能力。它用符号描述知识，并用符号按照一 定的规则进行逻辑推理。 ( 2 ) 具有根据不精确知识进行推理的能力。专家有些经验性的知识往 往是不很精确的，要解决的问题本身所提供的信息往往也是不确定的，专家 系统能综合利用这些模糊的信息和知识进行推理。 ( 3 ) 具有咨询解释的能力。它能对用户提出的问题和答案的推理过程 给出解释，对答案的可信度做出估计。 耍望丕兰堡主登垡笙兰 ( 4 ) 具有灵活的系统扩充能力。它的知识存姥予知识库中，与推理机 分离，便于不断扩充知谈，随之不断地提高系统的佳能。 ( 5 ) 具有从错误巾学习的能力。它所具有的解释能力使它易于发现和 修改锗诶。 专家系统与一般的计算机系统的异同列表于袭l - 1 。 表1 1 专家系统与一般计算机系统之比较 t a be1 。lc o m p a r i s o no fe x p e r ts y s t e ma n dc o o nc o m p u t e rs y s t e m - v 豕糸筑一般电脑系统 解决问题、解释结果、进行 功能绥决润题 蠲凝与凌繁 处理能力处理数字与符号处理数字 多属结构燃或菲缝棱蛀、w多藩络稼往、处理确 ! 处理问题种类处理不确定的知识、使用予 定知识 特定的领域 而与人类专家相比，专家系统则具备了以下主要特性“ 1 不受辩闷限翻：人类专家豹工佟对阕蠢隈，毽专家系统是僵久， 旦开发完成，可随时使用，并w 二十四小时持续运作。 2 揉俸成本低：入类专家稀少盈鼯贵，燕然专家系统弱程筵步发袋霹 必须花笔不小的经费，但日常操作的成本比越人类专家便宜许多。 函筵褒专家不在凌经济上谤专家不合葵熬鸶凌下，裂斌专家系绞仍 能处理与专家相等水准的工作。 3 + 易予谨递及菱鞠：专家与专家鬟瑟识是稀有嚣资滚，在愆识密集粒王 作环境下，新谶人员需要作相当多的训练，而关键人物的知识随着 人事交麓瑟不筑镶存，在转递起寒亦是耗薅费力。毽专家系绞剿甭 然，它能轻易地将知识传递或复制。 4 。其毫一致瞧：人类专豢在魏叛决燕夔终暴露会爨辩或瓣入瑟舅，蘧 专家系统对于所处理的问题则舆有一致性的输出。 5 。可延璎费露及复杂魏游题：峦予专家系统具鸯鹱定豹知识痒与严谨 的推理程序，因此往往比人类专家还能胜任一些执行起来较费时、 复杂痰较裹的王菸，磐霉要纛丈诗算燮妁翊题。另外，若工捧致内 鞴华大学礤士学位论文 容重复性很高，专家系统尤其能比人类专家有更佳的袭现。 6 使用予特定领域：由于搜集知识库建构以及撩理规则建构的蠢一定 的困难，因此专家系统通常只使用于小范围的特定知识领域。而当 问题的知识牵涉较广，或是没有一定的处理稔序时，就必须靠人类 专家的智慧来处理。 1 3 2 专家系统的分类瞄u j 按照处瑗问题静不同，一般把专家系统分为菠下l o 释类甏：1 ) 麓释鍪； 2 ) 诊断型：3 ) 调试烈；4 ) 维修型：5 ) 教育毅；6 ) 预测型；7 ) 规划泌；8 ) 设诗楚；秘羧溺壅；l o ) 控莽型。实舔上，上述1 0 稀炎壅之润往往稳互关 联，有些专家系统往往要求究成两种戏两种以上类型的任务。例如，病菌感 染靛疾病诊鞭治疗系统m y c 粼蓑是一个诊瑟罄鞍调试鳖豹专家系统。 按照求解问题的艇本操作不同，专家系统可分为分析型系统和设计型系 统两类。蓠者主要嚣予求释分类弱嚣，帮竟残解释、诊叛彝蠲试等类羹豹 王 务：而后者则广泛用于求解构造问题，即完成规划、设计等炎型的任务。 1 3 f i g u r e1 ，1b a s i cs t r u c t u r eo fe x p e r ts y s t e m 西华大学硕士学位论文 图1 1 专家系统的基本组成结构 图1 1 是一个专家系统的结构图，由于每个专家系统所需要完成的任务 和特点不同，其系统结构也不尽相同，一般只具有图中部分模块。 接口又称界面，是人与系统进行信息交流的媒介，它为用户提供了直观 方便的交互作用手段。接口的功能是识别与解释用户向系统提供的命令、问 题和数据等信息，并把这些信息转化为系统的内部表示形式。另一方面，接 口也将系统向用户提出的问题、得出的结果和作出的解释以用户易于理解的 形式提供给用户。这里，我们把它具体分为三个接口，外部、使用者、开发 者。 知识库包括两部分内容。一部分是己知的同当前问题有关的数据信息， 我们把它称为综合数据库或称全局数据库：另一部分用于存储某领域专家系 统的专门知识，包括事实、可行操作与规则等，这些知识大多以规则、网络 和过程等形式表示。为了建立知识库，要解决知识获取和知识表示问题。知 识获取涉及知识工程师( k o n w l e d g ee n g i n e e r ) 如何从专家那里获得专门知 识的问题；知识表示则要解决如何用计算机能够理解的形式表达和存储知识 的问题”“。 解释器的功能是向用户解释系统的行为，包括解释结论的正确性及 系统输出其它候选解的原因。为完成这一功能，通常需要利用接口返回的信 息和知识库中的知识。 推理机用于记忆所采用的规则和控制策略的程序，使整个专家系统能够 以逻辑方式协调地工作。推理机能够根据知识进行推理和导出结论，而不是 简单地搜索现成的答案。 前面已经说了，专家系统是一种智能计算机程序系统。那么，专家系统 程序与常规的应用程序之间有何不同呢? 一般应用程序与专家系统的区别在于：前者把问题求解的知识隐含地编 入程序，而后者则把其应用领域的问题求解知识单独组成一个实体，即为知 识库。知识库的处理是通过与知识库分开的控制策略进行的。更明确地说， 一般应用程序把知识组织为两级：数据级和程序级；大多数专家系统则将知 识组织成三级；数据、知识库和控制”“。 矍兰奎兰堡杰堂篁笙塞 在数据级上，是已经解决了的特定问题的说明性知识以及需要求解问题 的有关事件的警前状态。在知谈库级蹙专家系统静专门知识与经验。是否掬 有大量知识是专家系统成功与褥的关键，因而知识表示就成为设计专家系统 的关键。在控潮程序缀，搬据鬣定静控稍策略釉所求辩问题的襁震来决定应 用知识库中的哪些知识。这里的控制策略是指推理方式。按照怒否需要概率 信惑来决定采掰菲精确推理或精确蕹瑗。推瑶方式还取决予舞篱蓑索静程 度。 1 3 4 专家祭统的建立 专家系统豹建立妊须遵簇定静纛滓一步步进行；一般来说，其娥立爨 步骤可简单以图1 2 来表示。酋先要确认欲解决的问蹶是那些，根据这些特 定的露求我爨褪美豹麴识并将嫠摄念识，蒡将这些概念趣以篷缎整理藏令 有系统的知识结构，如此便能初步形成一个知识库憎引。接下涞就必须订定 一些涵盏上述知识豹攥爨，这其中毽会了接论技本与算法豹选撂、转滔、雄 演等程序。必须特别、淀意的是，图中十分强调经由测试而往前回馈的 | 酋环， 溺斌霹疆撂出在蓑嚣瓣各令羧段兹缺必，嚣程发展熬过程中，嚣求、竣念、 组织缕构与规则都是常常变动的，因此必须不断地重新组织，并加以精炼化。 1 0 西华大学礤士学位论文 f i g u r e1 2f l o wo fe s t a b l i s h i n ge x p e r ts y s t e m 霞1 ，2 专家系统之建立流程 专象系绫鹣开发，j 、缝透露蹩壶一瓣专篷谈竣专家、程穿设计舞、知识工 程师所组成，其中知识工程师在专家系统的建立中通常扮演着中枢的角色， 毽经国访淘专家及其它方法，戳决定系统内之决策法鬟罨与蠲浚，荠不鼗溺试、 堕兰盔兰堕圭兰垡丝苎 修正，以开发出一个有效的专家系统m 1 。许多专家皆指出，撰写专家系统 的最困难的部分就在于知识工程的层面，包括知识取得及知识表示。知识不 但需要有知识工程的专业知识、各方面广泛的背景知识，同时亦应具备良好 的沟通协调能力，因此有经验的知识工程师很少。 1 3 5 专家系统的发展 随着专家系统技术的逐渐成熟和应用领域的不断开拓，人们从各种不同 类型的专家系统和知识处理系统中抽取共性。围绕知识这一核心问题，人们 重新对专家系统的原理和方法进行探索，并在知识获取、知识表示和知识推 理等方面开始出现新的原理、方法、技术和工具。在这一背景下，在国际人 工智能联合会( i j c a i ，i n t e r n a t i o n a lj o i n tc o n f e r e n c eo na r t i f i c i a l t n t e l l i g e n c e ) 的一次会议上，费根鲍姆提出了“知识工程”( k e ，k n o w l e g d e e n g i n e e r i n g ) 的概念。费根鲍姆因而被称为知识工程之父。知识工程综合了 科学、技术和方法论二方面的因素，研究专门知识的获取、形式化和计算机 实现h 。知识工程的研究有利于缩短专家系统的研制周期，促进了专家系 统从单学科专用型向多学科通用型的发展，出现了一批通用程度不等、类型 不同的专家系统工具，包括骨架型工具、以及有更大通用性的语言型工具和 知识处理系统环境。应该说，知识工程和专家系统是人丁智能研究中最有成 就的分支，为专家系统的发展起到了重要的作用。 1 4 国内外与本课题有关的研究现状和发展趋势 国内外许多专家和公司针对各种产品的材料选择提出了自己的规则及 建议，开发了一系列的材料选择系统。如美国的n p t r 技术公司推出的a u t o s i t 系统，是基于神经网络原理，用于帮助用户选择材料；日本大同特殊钢株式 会社研究建立的塑料模具钢选材用材专家系统，根据塑料的特性，按塑料模 具铡的“使用硬度”、“韧性”、“耐磨性”、“耐蚀性”、“非磁性”等 6 种特殊要求，对公司的1 6 种塑料模具钢进行选材，这一专家系统很受用户 的欢迎；1 9 8 5 年日本的三岛良绩和岩田修一建立t n 用大型知识库和数据库 辅助材料设计的合金设计系统，为未来的可控热核反应炉设计和选择材料。 他们在大型计算机内存储了各种与合金设计有关的信息，其中包括各种元素 塑兰查兰堡圭堂鱼堡奎 的基本物理化学数据、合金相固、合金物性的各种经验方程式、各种合金的 性能和用途等，构筑了以7 0 多种元素的含量为坐标的多维空间，将上述各种 信息记录在该多维空间中，然后输入对材料性能的要求，最终得到所需材料。 国内方面重庆大学的成晓林等提出了数据库支持的材料选择模糊专家系统， 该模糊专家系统构造模型以数据库为载体，用数据库语言来构造推理机，在 推理过程中用到的知识或数据也以数据库的形式存在，从而使知识的管理更 加方便；东北农业大学工程学院运用模糊理论，通过对材料的各种指标数据 ( 包括抗拉伸性、抗弯曲性、抗冲击性、尺寸精度性、耐热性和耐磨性) 进 行系统的整理，从中获取相应的选材知识，开发了基于w e b 平台的树脂材料 和金属材料的选择系统。北京理工大学研究所针对热作模具材料的优化选择 作了大量的工作，从系统工程的角度考虑模具的选材过程。在此基础上，纪 现磊等对基于网络的热作模具材料选择和应用专家系统进行了研究和开发。 宁波高等专科学校c a d 实验室建立了冷冲模具材料数据库，按照材料的一般 特性( 包括材料名称、材料代号、材料类型和应用范围等) 、价格和力学性 能三个方面查询符合条件的材料。以及华中科技大学的材料学院在此方面也 有相关的研究。 选材的合理和适当的热处理是分不开的，选材不当，即使有很好的热处 理，也不能获得优异的性能；在合理选材的基础上，合理的制定热处理工艺， 才能够更好地提高模具的质量和服役性能。因此，基于冲压模具的选材用材 及热处理优化专家系统比单纯的模具选材用材专家系统更具有实用性和现 实性 专家系统在模具选材领域中的应用已经取得了一定的成果，为科学合理 的选材以及材料热处理方案的选择提供了一种新颖的方法，目前所应用的专 家系统的特点是专用性较强，是对特定问题而建的，所以功能比较单一，展 望未来的发展趋势，选材专家系统将向着智能化，多元化，和网络化商业化 发展 1 5 课题研究的意义、目标和主要内容 模具的选材决策是一个系统工程，涉及因素多，工作量大。根据系统工 程的原理，系统的组成要素越多，亦即模具选材考虑的因素越多，其系统就 越大，方案优化决策的工作量也越大。因此，为了简化相关决策问题的解决 耍兰查兰堡主兰堡丝苎 过程，系统所包括的要素应尽量少。由于模具材料的选材的影响因素很复杂 而且具有很大的不确定性，专家系统对处理这种非线性问题有很大的优势， 在此领域发挥着巨大的作用 就本课题开发的“冲压模具选材及热处理工艺优化专家系统”而言，不 但可以辅助模具设计制造人员更好地完成模具的选材和相应热处理工艺制 定等工作，而且还能够实现模具选材从过去沿用经验走向科学化和判据量值 化的飞跃，这对于我国模具行业标准化程度较低，专业人才还较为缺乏的基 本国情来说，无疑有着极为广阔的发展前景。“冲压模具选材及热处理工艺 优化专家系统”的开发，能够使专家知识更广泛地为业界同行所学习、借鉴 和利用，让更多的模具设计和制造人员掌握特定问题的求解方法。此外，本 专家系统还可作为高校相关专业学生学习专业知识或模具行业进行职业技 术培训的工具，这对于提高整个制造业人员素质和技术水平特别具有重要的 现实意义和社会意义。 本课题研究的目标是实现系统的专家咨询功能，即能够针对冲模零件 的具体应用给出合理的选材建议和优化的热处理规范，易于扩充的高性能冲 压模具选材及热处理方案制定专家系统原型。 课题研究的主要内容包括： ( 1 ) 模具材料及热处理与模具零件性能之间的关系 ( 2 ) 专家知识的表述与获取方式，知识库的结构 ( 3 ) 推理机的设计 ( 4 ) 推理结果的解释和专家系统的自学习功能的实现 ( 5 ) 系统的开放性和可扩展性 研究途径 从模具材料及热处理工艺数据库( 0 1 级研究生课题建立) 中提出相关数 据，整理、补充、完善数据，并在此基础上建立支持本课题专家系统的模具 材料及热处理工艺数据库。 分析冲压模具选材及热处理方案制定专家系统( 0 2 级研究生课题建立) 的工作原理与功能结构，找出其中可供借鉴的东西和不足之处，结合文献资 料的学习，重新拟定研发方案，并设计、构建专家系统原型( 包括知识库和 推理机等) 。 鹜釜查兰鎏杰差笙笙塞 到生产现场了解用户需求，进一步收集冲压模具常用零件选材和热处理 工艺割定方孬豹资糕，潋使零谦踅专豢系统瓣疆究更獒实用徐镀。 技术路线 ( 1 ) 整疆，餮充秘宠善冲压模其耪辩数程( 包撬逅袭秀发豹瑟黧模具奉l 瓣数 据) ，按照一定规则创建适合予专家系统调用的原始数据库； ( 2 ) 双生产瑗场窝文获浚辩羹綦貔，分携模具零传、攒矮穆糖、缝艉要求与 热处理工艺之间的联系，找出其共性和内在规律，将其转化为知识模式，从 嚣建立知识瘁缀墅： ( 3 ) 结合选材缀验与专业理论，以正向推理( 和反向推理，选顶) 为基础， 建立专家系统雄理祝鼹型； ( 4 ) 在知识库和推理机的基础t 建立专家系统原型，并且开发蕻应用前端： 5 综合测试；试运行；充实j ： 珏改进功能；为难式投入使用佟准备。 1 6 本章小结 本章主要论述了模舆材料选择及模其材料热处理的意义及疆求，专家系 统的分类、特点、结构及建立，并结合题方面知识阐明了专家系统在摸具材 料选撵领域的研究现状及国内外发展趋势；最后叙述了课题的研究内容、技 术路线和目标。 曲华亢字坝士字位论文 2 模具选材专家系统开发基础 2 1 专家系统开发工具皑驯 由于专家系统具有十分广泛的应用领域，而每个系统一般只涉及某个领 域专家的知识。所以，如果在建造每个具体的专家系统时，一切都从头开始， 则必然会降低开发效率。人们已经研制出一些比较通用的工具，作为设计和 开发专家系统的辅助手段和环境，以求提高专家系统的开发效率、质量和自 动化水平。这种开发工具或环境，就称为专家系统开发工具。 专家系统开发工具是7 0 年代中期开始形成的，它比一般的计算机高级 语言：f o r t r a n 、p a s c a l 、c 、l i s p 和p r o l o g 等具有更强的功能。也 就是说，专家系统工具是一种更高级的计算机程序设计语言。 现有的专家系统工具，主要分为骨架型工具( 又称外壳) 、语言型工具、 构造辅助工具和支撑环境等4 类。 ( 1 ) 骨架型开发工具 专家系统一般都包括推理机和知识库两大组成部分，而推理所遵循的规 则集通常存储于知识库内。在一个理想的专家系统中，推理机完全独立于求 解问题领域。系统推理逻辑上的完善或改变，只依赖于规则集的完善和改变。 由此，借用以前开发好的专家系统，将描述领域知识的规则从原系统中”挖 掉”，只保留其独立于问题领域知识的推理机部分，这样形成的工具称为骨 架型工具，如e m y c i n 、k a s 以及e x p e r t 等。这类工具因其控制策略是 预先给定的，使用起来很方便，用户只须将具体领域的知识明确地表示成为 些规则就可以了。这样，可以把主要精力放在具体概念和规则的整理上， 而不是像使用传统的程序设计语言建立专家系统那样，将大部分时间花费在 开发系统的过程结构上，从而大大提高了专家系统的开发效率。这类工具往 往交互性很好，用户可以方便地与之对话，并能提供很强的对结果进行解释 的功能。 e m y c i n 是一个典型的骨架型工具，它是由著名的用于对细菌感染病 进行诊断的m y c i 系统发展而来的，因而它所适应的对象是那些需要提供 基本情况数据，并能提供解释和分析的咨询系统，尤其适合于诊断这一类演 绎问题。这类问题有一个共同的特点是具有大量的不可靠的输入数据，并且 其可能的解空间是事先可列举出来的。 西华大学硕士学位论文 e m y c i n 采用的是逆向链深度优先的控制策略，它提供了专门的规则 语言来表示领域知识，基本的规则形式是： ( i f ( 前提) t h e n ( 行为a ) 【e l s e ( 行为b ) 】) 当前提为真时，该规则将前提与行为a 结合，否则与行为b 结合，并 且可以用一个一1n + i 之间的数字来表示在该前提下行为的可信程度。 ( 2 ) 语言型开发工具 语言型工具与骨架型工具不同，它们并不与具体的体系和范例产生紧密 联系，也不偏于具体问题的求解策略和表示方法，所提供给用户的是建立专 家系统所需要的基本机制，其控制策略也不固定于一种或几种形式，用户可 以通过一定手段来影响其控制策略。因此，语言型工具的结构变化范围广泛， 表示灵活，所适应的范围要比骨架型工具广泛得多。像o p s 5 、0 p s 8 3 、r u ， 及r o s i e 等，均属于这一类工具。 然而功能上的通用性与使用上的方便性是一对矛盾，语言型工具为维护 其广泛的应用范围，不得不考虑众多的在开发专家系统中可能会遇到的各种 问题，因而使用起来比较困难，用户不易掌握，对于具体领域知识的表示也 比骨架型工具困难一些，而且在与用户的对话方面和对结果的解释方面也往 往不如骨架型工具。 语言型工具中一个较典型的例子是o p s 5 ，它以产生式系统为基础，综 合了通用的控制和表示机制，向用户提供建立专家系统所需要的基本功能。 在o p s 5 中，预先没有规定任何符号的具体含义和符号之间的任何关系，所 有符号的含义和它们之间的关系，均由用户所写的产生式规则所决定，并且 将控制策略作为一种知识对待，同其它的领域知识一样地被用来表示推理， 用户可以通过规则的形式来影响系统所选用的控制策略。 ( 3 ) 构造辅助工具 a g e a g e 是由美国斯坦福大学用i n t e r l i s p 语言实现的专家系统工具，这 一系统能帮助知识工程师设计和构造专家系统。a g e 给用户提供了一整套 类似积木块的组件，利用它能够很快“装配”出针对某一具体应用所需的专 家系统。a g e 包括以下4 个工具子系统： ( a ) 设计子系统：在系统设计方面指导用户使用组合规则的预组合模 登兰茎兰登圭堂垡鎏塞 型。 ) 编辑子系统；辅韵丽户选弼颈锈梅 睾模块，装入领域知识和控铡信 息，建造知识库。 ( c ) 解释予系统：撬幸亍焉户的程黟，进行j 露识撼疆隘求解简题，并提供 查错手段建造推理机。 ( d ) 跟凉子系统；为雳户嚣发熬专家系统戆运抒送行全瑟静跟跺帮溺 试。 ，t e i r e s l a s 知识获取是专家系统设计和开发中的难题，研制嗣采用自动化或半自动 纯豹麴谖获淑辕助工蔟，提藤建遥翔淡痒豹蘧发，怼予专家系统豹开发是毒 重大意义。t e i r e s i a s 系统能帮助知识工程师把一个领域专家的知识植入 知识疼，是一个典型豹翔识获敬工其，宅利用蠢翘识寒避孬如谈获取秘管理。 ( 4 ) 支撑环境 支撑舔襞也是一类程序设诗豹璇戮工具，它豢鼓傍戈知识工程语蠢兹一 部分。支撑环境仅是个附带的软件包，主鼹用于用户界面歼发，它包括四 令典涎组转：调试辘默工具、输入输蹬设施