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基于知识的注塑制品缺陷分析专家系统 摘要 注塑产品的质量主要与聚合物类型、模具设计和注塑参数设定等因素有关。 在制w 1 2 1 的注塑过程中，前两个方面都是固定的，只有注塑参数可以由操作者根据 注塑情况和经验知识进行调整。因此，当注塑制品产生缺陷而出现质量问题的时 候，通过调罄注塑工艺参数，可达到减少或消除制品缺陷的目的，因而，对控制 产品的质量起着重要作用。传统的工艺设置方法是靠人工进行注塑缺陷诊断以优 化工艺，强烈依赖于操作人员的知识和经验。因此，建立基于专家经验和知识的 注塑制品缺陷分析系统对提高产品质量具有重要意义。 本文重点研究了注塑生产工艺和制品质量的影响关系，并将基于知识的人工 智能技术应用于注塑工艺分析领域，把注塑制品缺陷的专家经验与知识表示成符 合专家系统c l i p s 语法规范的产生式规则形式，建立注塑制品缺陷分析知识库， 并采用c l i p s 的不确定性推理机制和模糊推理技术完成了知识的推理，从而实 现了注塑制品缺陷的智能诊断和分析。 知识库是注塑制品缺陷智能分析专家系统重要的组成部分，是推理机进行推 理渗断的基础和前提。本文通过总结专家经验、应用注塑技术手册的途径获取了 1 0 种常见的注塑制品缺陷知识，把这些相关的专家经验与知识表示成符合c l i p s 语言规范的产生式规则形式，建立了注塑制品缺陷分析知识库。且针对注塑制品 缺陷及相应规则难以量化的特点，采用模糊技术刺不确定性知识进行了模糊化处 理。 推理机是专家系统的组织控制机构，本文根据注塑缺陷知识的不确定性和模 糊性，运用c l i p s 的推理机制完成注塑制品缺陷知识的不确定性推理，再运用 模糊推理技术，找出缺陷产生的可能原因并给出合理的解决方法和建议。 在刑上述基本理论和技术方法的研究基础上，结合专家系统开发的原理和方 法，本文采用专家系统开发工具c l i p s 和图) p , j t i 户界面开发工具v i s u a lc + + 6 0 ， 在w i n d o w sx p 平台上设计开发了注塑制品缺陷分析专家系统。然后通过对较为 典型的工业产品实例的缺陷进行珍断，验证了系统的运行及结果，取得了较好的 效果，这列于提升注塑模具的设计水平，优化注塑工艺，获得好的产品质量具有 一定的指导价值。 关键词：注裂工艺：缺陷分析：c l i p s ；专家系统：模糊推理 i n j e c t i o np r o d u c td e f e c t sa n a l y s i se x p e r ts y s t e mb a s e do n k n o w l e d g e a b s t r a c t t h eq u a l i t yo ft h ei n j e c t i o nm o l d i n gp r o d u c t si sm a i n l yc o n n e c t e dt ot h ek i n d so f t h ep o l y m e r ，m o l dd e s i g na n di n j e c t i o np r o c e s sp a r a m e t e r s s e t u pa n ds oo n t h e p r e v i o u st w of a c t o r sa r ec o n s t a n td u r i n gt h ep r o c e s so fi n j e c t i o nm o l d i n g ，o n l yt h e p l a s t i cp r o c e s sp a r a m e t e r sc a nb er e g u l a t e db yt h eo p e r a t o rw i t ht h ei n j e c t i o np r o c e s s a n de x p e r i e n c ek n o w l e d g e t h e r e f o r e ，r e g u l a t i n gi n j e c t i o np r o c e s sp a r a m e t e r sc a n d e c r e a s eo rr e m o v ed e f o c tw h e nt h ep r o d u c th a st h ep o o rq u a l i t yb e c a u s eo ft h ed e f e c t s oi ti si m p o r t a n tt or e g u l a t ei n j e c t i o np r o c e s sp a r a m e t e r sf o rf i n a lr e m o v i n gd e f e c t s w h e nt h ep r o d u c t sh a v ep o o rq u a l i t y t h ec o n v e n t i o n a lm e t h o dd i a g n o s e sp l a s t i c p r o d u c t sd e f e c t sa n do p t i m i z e sp r o c e s sp a r a m e t e r sm a n u a l l y ，w h i c hi sd e e p l yd e p e n d o nt h eo p e r a t o r sk n o w l e d g ea n de x p e r i e n c e s oi ti ss i g n i f i c a n tt od e s i g na n dd e v e l o p a ne x p e r t s y s t e mf o ri m p r o v i n gt h eq u a l i t yo ft h ep r o d u c tb a s e do nt h ee x p e r t e x p e r i e n c ea n dl m o w l e d g e t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e st h ee f f e c tr e l a t i o n s h i pb e t w e e ni n j e c t i o np r o c e s s p a r a m e t e ra n dp r o d u c tq u a l i t y , a n da p p l i e sa r t i f i c i a li n t e l l i g e n tb a s e do nk n o w l e d g e i n t oi n j e c t i o np r o c e s sp a r a m e t e ra n a l y s i s w et r a n s f o m _ lt h ee x p e r te x p e r i e n c ea n d k n o w l e d g ei ni n j e c t i o np r o d u c t sd e f e c t si n t oaf o r m a ta c c e p t e db yc l i p s ( cl a n g u a g e i n t e g r a t e dp r o d u c t i o ns y s t e m ) ，e s t a b l i s hi n j e c t i o np r o d u c td e f e c t sa n a l y s i sk n o w l e d g e b a s et h e nw eu t i l i z ec l i p su n c e r t a i ni n f e r e n c e e n g i n ea n df u z z yt e c t m i q u et o a c c o m p l i s hk n o w l e d g ei n f e r e n c e ，h e n c er e a l i z et h ei n t e l l i g e n td i a g n o s i sa n da n a l y s i s o f i n j e c t i o np r o d u c td e f e c t s t h ek n o w l e d g eb a s ei sa ni m p o r t a n tp a r to fi n j e c t i o np r o d u c td e f e c t sa n a l y s i s e x p e r ts y s t e m ，a n di st h eb a s i sa n dp r e m i s eo fe x p e r ts y s t e mt om a k er e a s o n i n g t h i s p a p e rg a i n st e nk i n d so fc o r r f f l l o ni n j e c t i o np r o d u c td e f e c t sk n o w l e d g eb yc o n c l u d i n g e x p e r te x p e r i e n c ea n da p p l y i n gi n j e c t i o nr e f e r e n c eb o o k st h e ne x p t e s s e st h e s er e l a t i v e e x p e r te x p e r i e n c ea n dk n o w l e d g et oap r o d u c t i o nr o l ea c c e p t e db yc l i p st ob u i l d i n j e c t i o np r o d u c ta n a l y s i sk n o w l e d g eb a s ef u z z yt e c h n i q u ei su s e dt od e a lw i t ht h e u n c e r t a i n t yk n o w l e d g eo f p r o d u c td e f e c t sa n dc o r r e s p o n d i n gr u l e s i n f e r e n c ee n g i n ei st h eo r g a n i z a t i o na n dc o n t r o lc o n s t r u c t i o no fe x p e r ts y s t e m t h i sp a p e ru t i l i z e sc l i p si n f e r e n c ee n g i n et or e a l i z eu n c e r t a i ni n f e r e n c eo fi n j e c t i o n p r o d u c td e f e c t sk n o w l e d g ef o rt h es p e c i a lk n o w l e d g ei su n c e r t a i na n df u z z y ，a n dt h e n i i u s ef u z z yt e c h n i q u et of i n dt h ep o s s i b l ec a l 1 s eo fd e f e c t sa n dg e tr e a s o n a b l es o l u t i o n s a n da d v i c e o nt h eb a s i so ft h ea b o v et h e o r i e sa n dt e c h n o l o g i e s ，c o m b i n i n gc o m m o n p r i n c i p l e sa n dm e t h o d so fe x p e r ts y s t e m sd e v e l o p m e n t ，a ne x p e r ts y s t e mf o c u s e so n t h ep r o d u c td e f e c t sd i a g n o s i so fi n j e c t i o nm o l d i n gi sd e v e l o p e du s i n gg u it o o l v i s u a lc 十+ 60a n de x p e r ts y s t e mt o o l - - c i i p so nw i n d o w sx pp l a t f o r mf i n a l l y ，t h e e x m n p l e so nm o r et y p i c a lp l a s t i cp r o d u c t sg i v e nt oi l l u s t r a t et h er u n n i n go ft h es y s t e m s h o wag o o da c h i e v e m e n t i th a sp r o v e dt h a tt h i ss y s t e mh a sac e r t a i nv a l u eo n i m p r o v i n gi n j e c t i o nm o l dd e s i g n ，o p t i m i z i n gi n j e c t i o np r o c e s sa n dg a i n i n gag o o d q u a l i t y k e y w o r d s ：i n j e c t i o np r o c e s s ；d e f e c ta n a l y s i s ；c l i p s ； e x p e r ts y s t e m ； f u z z y i n f e f e n c e 南昌大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作声签名：李殳豆林 日期：2 0 0 6 年6 月日 南昌大学 学位论文版权使用授权书。 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 南昌大学可以将本学位论文的全部或部分| = i ；| 容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：杏奴杯 指导教师签名 日期：2 。o 侔6 月1 日 曰期： 。( 年月 第一章绪论 1 1 注塑成型o a e 技术及其研究进展 注塑是生产塑料制品的主要方法之一，注塑模具由于能够一次成型结构复 杂、尺寸准确、精度高的产品，适用于高效率、大批量的生产方式。在传统注塑 模具的设计及加工中，其设计过程中的许多重要数据大多依靠人工的经验而获 得。注塑模具只有在制造、装配完毕后通过试模才能验证模具设i - i + 是否成功。一 套注塑模具往往需要多次试模、修模，不断重复，直至注塑出合格的试样为止， 这对人力、物力资源都是很大的浪费。采用计算机辅助工程( c a e ) 技术可以提高 生产效率，减少生产成本，因此在模具行业受到了广泛的重视和采用，并给模具 没计制造方法带来了深刻的变革。 c a e 广义地说是产品开发过程中的形状发计、制图、分析、实验等一系列 综合工程作业，有的还涉及与制造工程有关的工程编排、工夹具设计、制作数控 纸带等，也就是一个使整个生产达到合理化的系统。从狭义上讲【2 ，它是用计算 机来生成新产品模型，从而取代试作模型，并由计算机来预测产品性能，即利用 计算机进行分析和仿真的过程。塑料注塑模具c a e 集工程、设计、制造和测试为 一体，其工作过程如下所述：首先f h c a e 系统对制件进行全面分析，提出制件的 设计方案和注塑工艺，然后由c a d ( 计算机辅助设计) 设计系统根据c a e 软件所提 供的有关t * - t ：- 参数进行模具图纸设计，再将模具部件的几何数据转变为数控加工 数据输入给c a m ( 计算机辅助制造) 制造系统，并由c a m 实现模具加工和测试的全 过程，晟终的注塑模具部件根据设计初衷进行检测，检测信息再反馈n c a e 工程 系统进行综合比较分析，将分析结果再次输x ： o c a d 设计系统，对初始设计进行 修改，重新输出模具部件的加工指令，整个系统不断地蘑复上述过程，直至产品检 测合格为止i 。c a e 作为计算机在塑制模具行业的一埙新型应用技术，除了具有 本身固有的特性和内容以外，还将补充和完善现有的c a d c a m 系统的功能。它 的兴起预示着计算机技术在塑料模具的应用上朝着集成化方向发展。近2 0 年来， 国外注塑模具c a e 技术发展很快。在国际商品化软件市场上也是注塑模具c a d c a m c a e 软件居多。 注塑成型c a e 技术是根据塑料加工流变学和传热学的基本理论，建立塑料熔 体在模具型腔中的流动、传热的数理模型，利用数值计算理沦构造其求解方法， 实现成型过程的动态仿真分析，使对塑料成型过程的认以从宏观进入微观、从定 性进入定量、从静态进入动态，为优化模具设计和控制产品成型过程以获得理想 的最终产品提供科学依据和设计分析手段【。注塑过程模拟c a e 的指导意义十分 广泛，它能够辅助模具设计师优化流道系统，帮助产品设计师从工艺的角度改进 产品形状，选择最佳成型性能的塑料，帮助模具制造者选择合适的注射机。 自2 0 世纪7 0 年代末c a u s t i n 首次推出注塑成型软件m o l d f l o w 以来，对注塑成 型的模拟成为国际上的研究热点，由中而模型、表面模型发展到今天的实体模型 模拟，一维的黏性流动、二维黏性流动发展到今天的黏弹性模拟、三维模拟及新 型注射工艺的模拟( 共注射、反应注射等) ，有多个商品化软件推出，女h c m o l d 、 m o l d l i l o w 、m o l d e x 等，使c a e 技术广泛应用于模具设训。 国内研究起步较晚，在国家自然利学基金项目、科技攻关项目、攀登计划和 “8 6 3 ”计划项目的资助下，中国在2 0 l = 纪8 0 年代初开始高聚物成型数值模拟方 面的研究，近年来在数学建模、数值算法、前后置处理以及实验验征、二 ：厂运用 等方面取得了较大的发展，研究领域涉及固体输送、熔融、熔体输送、流动、保 压、固化、相变、分子取向、纤维取向、翘曲变形等塑判成型过程的变形历史和 相态变化。目前，该领域的研究非常活跃，多家研究单位都在开展相关的研究工 作，推出商业化c a e 软件，如郑州大学的z m o l d 、华中科技大学的h s c a e 等。注射 成型c a e 技术按成型工艺过程的特点，分为充填、保压、冷却、残余应力及翘曲 分析等软件模块l “。 注塑c a e 在模型建立、数值方法上将日趋完善，使模拟结果更接近于真实情 况，减少简化条件或使简化更合理，主要发展方向为l oj ： ( i ) 实现塑件最终品质的预测； ( 2 ) 模型复杂化，以三维代替二维半，以非线形代替线形：尽可能用同一的模 型完成充填、保压、冷却、脱膜等注塑成型过程的描述； ( 3 ) 引入概率统计、优化方法，使设计j 3 1 ：l中的人工经验量化，从而简化计 算并保证计算结果的可靠； ( 4 ) a u t o c a e 概念的引入。将人工智能技术，如专家系统、神经网络等加入 设计计算中，使模拟程序能“智慧”地选择注塑工艺参数，提供修正塑件尺寸、 冷却管道布置方案，减少人工对程序的干涉，使用户更具广泛性。 注颦模具c a b 技术的迅速发展主要有咀下原因【7j ：( 1 ) 塑料工业迅速发展， 塑料制品的需求量不断增加，注塑模具供不应求；( 2 ) 塑料制品的快速更新换代 迫切要求缩短模具的设计和制造时间；( 3 ) 注塑模具传统的设计和加工方法已不 能适应塑料制品高精度、高性能的要求：( 4 ) 注塑模具的标准化、系列化工作易 于开展，为成功引入c a e 技术创造1 r 条件；( 5 ) 注塑模具采用c a e 技术后经济效 益明显。常用塑料在本世纪4 0 年代才出现。短短4 0 余年，塑料加：l 行业飞速发展， 从而带动了注塑模具的迅速发展。塑料工业对模具的迫剀需要是注塑模具c a e 技 术发展的原动力，而近2 0 年来，塑料流变学、几何造型技术、数控加工技术、 计算机技术的飞速发展为注塑模具c a e 系统的开发创造了有利条件。 近年来，塑料注射成型c a e 技术不论是从理论上还是在应用中都取得了长足 进展，有限元模型从最初简单的一维、2 2 维、中性层模型发展到现在的实体表面 模型，并真正向三维方向发展，模拟的真实感和准确度不断提高，能成功分析以 往无法处理的大型零件( 如电视机、洗衣机外壳) 。但是，在c a e 系统分析能力提 高的同时，对软件使用者的要求也在提高，用户必须具备分析和理解c a e 分析结 果的能力。实际上，技术人员使用c a e 软件的主要目的是验证工艺方案的合理性， 以及通过方案之间的比较优选工艺参数等，对用户的过高要求势必影h i 自c a e 应用 的普及。注塑c a e 分析向网络化、智能化、精确化、集成化高速发展的同时，目 前在c a e 应用方面存在些不足：f 1 ) c a e 应用的事后弥4 1 、型，即当试模不合格时 才想到用c a e 软件分析寻找修改的措施。c a e 的应用应陔在产品设i , - i 开始时同时 使用，通过模拟在殴计早期就对不合理模具殴计进行修正；( 2 ) 在分析和解释 c a e 数值计算结果并进行相关l ! ； 计修改方面还有很多工作要做。目前，各种注塑 分析软件，如：m o l d f o l w 和c m o l d t m 的后处理器充分发挥了优异的图形 性能，以等高线、矢量、云图、动画、多模型、多窗口、图表、表格等方式，高 速表现分析结果，但又缺乏对有限元分析结果进行符号解释和评价功能。同时， 对设计的修改也要由设计者和分析人员协同进行分析和判断自行给出方案，而没 有利用计算机强大的计算和推理功能对设计的修改进行优化指导1 8 1 。 c a e 的发展历程经历了从一维、二维到三维的过程。通过注塑流动模拟，可获 得充模过程中所需锁模力、模腔平均温度、平均压力等信息，从而帮助设计人员 设计合理的浇注系统，优化注塑工艺参数，发现可能出现的成型缺陷并提出相应 对策1 9 1o | 。 1 2 注塑成型工艺特性及其对制品质量的影响 完整的注塑过程上包括塑化、填充、保压、冷却四个主要阶段1 ，如图1 1 。 型腔喷嘴螺杆 厂= 厂 厂 保压冷却卜一一j 注射成型l | 加热熔化 1 j l 一 【，一 图11 注塑机基本组成及成型过程图示 阶段1 ：填充阶段，工艺特性：这个阶段，模具闭合，熔体在压力的驱动下 注入模腔。在注射阶段，熔体温度、注射时f 司、流动速率是影响最终制品质量的 重要因素。注射时i i - j 直接影响到注射压力，注射时问短熔体需要以较高的体 积流率流入型腔，则注射压力就大。而当注射时问过长时，由于熔体在冷模壁的 作用下稳定降低，粘度增大，使流动阻力变大，则注射压力又变大。 熔体温度对最终制品的质量特性也有重要的影响，熔体温度影响着熔体的粘 度，决定了熔体的流动阻力。稳定低，粘度就商，则熔体流动性就差，充模困难。 反之，温度升高会降低熔体的粘度，使充模容易。 充模速率决定着制品充入模腔的速度及速度沿厚度方向的曲线分布。速度曲 线对剪切速率、分子取向有重要的影响，从而影响制品质量和性能。 对制品质量的影响：注射阶段对制品的外观质量和内部性能都有重要的影 响。如短射、飞边、流痕、熔接线、气穴等缺陷都是在充填阶段成型不当引起的。 其中，短劓、飞边、流痕和气穴直接影响到制品外观质量。熔接线处，由于取向 通常平行于熔接线，因此制品强度降低。另外，由于流动速率影响制品的内部分 子取向，从而影响制品的内部性能。 阶段2 ：保压阶段，工艺特性：当模具被完全充满后，螺杆在原位置保持一 定的时问，使得熔体继续充入型腔，这个阶段为保压h 寸i h i ，在这个阶段，额外的 熔体注入型腔以弥补冷却引起的收缩。随着冷却的进行，尺寸较小的浇口凝固， 此时，模具内的熔体仍然保持很高的压力，当熔体继续冷却和固化，压力逐渐降 低。在冷却和固化阶段，型腔内的压力必须足够高以避免冷却引起的缩痕( 又叫 沉降斑) ，但过高的压力又会使熔体从型腔向外倒流。保压时间和保压压力使保 压阶段两个重要的工艺参数。 对制品质量的影响：保压阶段对制品尺寸、表明和材料性能都有影响。例如， 如果保压时间短，保压不足，会出现过量收缩，使得制品尺寸洪差增大，还可能 引起缩痕和内部空洞等缺陷。然而，如果过保压，收缩降低，但制品内应力会增 大，影响到制品的强度。保压阶段的熔体温度变化速率和保压时间还影响到冷凝 层内的结晶性能，从而影响制品内部形态。保压压力确定了在固定的保压时问内 补料的多少。如果保压压力过低，在浇口凝固前难以补充足够的熔体到型腔，而 如果保压压力过大，义会出现过保压。可见，保压时间牙保压压力的选择对最终 制品的尺寸、重量和内应力有重要的影响。 阶段3 ：冷去| j 阶段，工艺特性：在冷却阶段，制品固化。通常，冷却阶段的 模具温度、熔体温度、材料的热传导率决定了制品的冷却速率，从而会影响内部 结晶，同时，型腔内的温度分布补均匀会引起热残余应力。在冷却阶段，由于浇 口凝固，型腔补料结束，型腔内部与外界没有了物质传递，但型腔内部熔体还没 有完全固化，由于模具结构的差异和温度的差异，熔体在型腔内部的固化和收缩 不同，仍然会存在少量熔体的流动，此时，型腔内部冷却效果起决定性作用。熔 体由壁面向型腔中心逐渐冷却固化，直到满足脱模要求。 对制品质量的影响：冷却阶段确定了最终制品内部的结晶度、制品内部的残 余应力及取向。翘曲是制品的一个重要缺陷，结晶、残余应力及取向正是引起制 品翘曲的主要原因。另外，如果充填和保压阶段的补料不足，在冷却阶段制品就 会出现缩痕或内部空洞。在成型过程中，由于冷模壁的作用，制品外部先冷却 固化，冷却作用使熔体体积收缩，外部固化层和芯部熔体之间存在着拉力，此时， 如果制品表面强度足够，则熔体被拉向表而，形成空洞。如果模壁温度较高，制 品表面的强度难以抵抗拉力的作用，则制品表面下沉，形成缩痕( 又叫沉降鳓：) 。 当型腔厚度变化较大时，在厚壁部位容易产生沉降斑，筋板处由于厚度比周围的 大，也容易产生沉降斑。可通过改变模具设计来改善沉降斑的分布，如减小厚壁 部分的厚度、使浇口位于厚壁部分或增大浇口尺寸延迟浇口凝固时间、增加保压 压力和保压时间、降低熔体温度和模具温度也可改善沉降斑的分布。 1 3 智能消除注塑制品缺陷的研究现状 注塑成型由于制品质量受多种因素的影响，制品质量与影响因素之间的关系 很难用确定的表达式来描述，因此，基于知识和经验的专家系统成为注塑制品质 量控制的重要方法。应用专家系统，可剥注塑制品缺陷进行渗断，优化工艺，从 而提高制品质量，目前，国内外都已经开展了许多研究并且取得了一定的成果。 ( 1 ) 国外主要研究状况 b r y c e 2 - 1 5 1 对消除缺陷的过程做了分析，针对注塑过程中出现的各种缺陷， 分析了各种缺陷产生的原因，并说明了解决方法，指出参数调整的方向。 y e u n g 和l a u i 】6 j 分析了c m o l d 结构及其在消除缺陷方面的应用，提成一种 “t a g u c h i 方法”，并通过实验验证了此方法在初始参数设定上的有效性。此方法 强调通过决定各注塑参数问的相互关系来减少缺陷的产生，它将参数设置分成三 个等级：l e v e li ，l e v e l1 1 和l e v e l i i i ，提出由下式来决定各参数的重要性： r l p w ll e v e l ll g w l m a x f 弓；弓；z w a ，；l l ，= l 一6 j = ，一5，= f 一6 j 其中，j 为质量特性，渺相应特性的权重，p 为参数i 对特性j 的影响值。 针对如何有效的消除注塑制品缺陷，t a n 1 7 提出了一种设定注塑参数与消除 缺陷的方法，他从简单结构的注塑件和单一缺陷入手，进而研究复杂结果注塑件 的多缺陷问题，强调从注塑机、聚合物材料性质和注塑模具几何尺寸出发对初始 参数进行设定，提出寻找缺陷消除有效方向的原则和算法，对缺陷消除中的参数 设定问题进行了深入的研究，并用c m o l d 对其方法进行了验证。 p a t e l 1 8 - 1 9 以尼龙注塑件为研究对象，通过不断改变参数 设计不同的实验 来研究各种缺陷和注塑参数间的关系，提出根据缺陷的严重程度，将缺陷分出 l o 级，再根据其严重程度设定缺陷消除优先级，并用c m o l d 仿真对缺陷的消除 方法进行了研究。他提出将知识库系统和c m o ld 结合起来进行注塑机过程参数的 设定。由于注射速度、保压压力、熔体温度等参数及其相互间的作用与材料、注 塑机、注塑件密切相关，因此他们提出开发个采用分组技术( g r o u pt e c h n o l o g y , g 1 1 ) 的知识库系统( g r o u pt e c h n o l o g yg a l o w l e d g e b a s e d ，g t k s ) 。注塑过程中根 据材料、注塑件、注塑机的不同加以归类，针剥各个类别有不同的专家知识，运 用专家知识进行参数没置，然后由c m o d 仿真来校验是否有缺陷存在，直到获得 优化的参数为止。 n n 和y u e n 2 0 1 考虑到注塑过程参数主要由材料类型、注塑机型号和模具几何 7 眵状决定，提出建立一个基于模糊逻辑推理基础上的计算机辅助系统来设定注塑 过程初始参数。首先只考虑材料类型和注射机型号，决定可能的初始参数，然后 根据具体的模具儿何形状，结合经验规则，进行模糊逻辑推理，从而得至l j t _ i 塑过 程初始参数。 k s h e l e s h n e z h a d 和e s i o r e s 2 将r b r 和c b r 结合起来，开发了一个注塑 过程参数设定的智能系统。c b r 用于初始参数的设定，即首先从范例库中获得 最匹配的范例，在其基础上修正，获得初始参数，而后系统采用r b r ，根据缺 陷项对参数进行进一步修正，直至获得满意的结果，范例库是利用m o l d f l o w 分 析软件状得的。 c h a n 和l a u p 刈等针对如何优化注塑工艺参数并即时采取相应措施的情况进 行了深入的研究，提出了对注塑工艺参数进行在线监测的基于知识的专家系统， 通过采用该系统可以预测注塑工艺参数的发展趋势，从而帮助操作人员即时采取 合适的措施以避免注塑质量问题的发生。 k a z m e r 和r o w l a n d 【2 jj 等广泛且深入探讨了注塑机参数和注塑过程变量与注 塑产品质量之问的关系，引入了一个用于控制这些参数和变量的复杂在线璐测系 统，该系统包括如下几个部分：利用流动模拟以优化产品和工艺过程，从而得到 系统初始输入；用于在生产现场消除制品缺陷的专家系统；设计一些实验方法以 校验注塑j 艺过程的稳定性及模具的动力学品质，这为自动化生产过程的监测器 提供了有用的信息。l t - l 夕b ，关于该在线质量监测系统的设计基础、应用及其他益 处电得到了深入的讨论。 ( 2 ) 国内主要研究状况 国内在注塑制品缺陷智能分析方面的研究主要集中在利用专家系统技术建 立缺陷知识库，开发注塑制品缺陷诊断专家系统。开发诊断专家系统一般有两种 方法，一利! 是用通用的面向人工智能的程序设计语言，另一种是用专家系统开发 ： 具【2 4 。 周华民网等用c + + 开发了一个塑料成型缺陷诊断专家系统p p f d e s ，可以根 据缺陷来进行原因诊断，并提出参考方法，调整参数。该系统采用基于规则的知 识表示方法；考虑到缺陷诊断领域内知识的不确定性和模糊性；其推理采用了解 m y c i n 的不精硎推理模型，同时使用了混合推理方法。由于c + + 支持面向对象 程序殴计，功能强大，故该系统逻辎表达清晰，界面友好，易于使用。 上海模具技术研究所开发了利用产生式专家系统i m i ) d e x p 珍断常见注塑模 塑件缺陷的系统| ：2 6 。对常见的注塑模塑件的成形缺陷，该系统采用不精确推理方 法和确定性理沦，得到致使产生缺陷的原因和相应的置信度，并输出解法或建议。 该系统收集了常见注塑模型件的成形缺陷，产生的各利原因和相应的解法或建 议，以及常见工程塑料的性能参数和成形工艺，并建立了知识库。 叶力和杨继隆等研究了在注塑机方面专家系统的开发与应用，着重描述了 注塑机专家系统的推理机制，应用这些推理机制，能有效地推理出注塑机注塑过 程中所需的参数。注塑机专家系统主要由知识库、推理机及其他辅助数据库单元 等组成。知识库是专家系统的核心，专家系统的优劣j ；双决于知识库的完善程度。 关于推理机制，综合传统的正向推理、反向推理和不精确推理三种机制导出了记 忆型、学习推理型和经验推理型三种推理方法。如所要生产：的制品在历史库中有 直接记录，则采用记忆型推理机制，否则根据历史库中同种材料的记录情况决定 采用学习推理型或经验推理型机制。 将人工神经网络技术应用于注塑制品缺陷智能诊断方面目前还不太成熟，徐 能谦等总结了注塑件常见的缺陷征兆原因表，应用人工神经刚络技术对注 塑件缺陷进行了正向诊断，描述了b p 神经网络的建模过程，最后应用c 语言， 编制了智能诊断的实现软件。 郁滨等研究了如何利用注塑专家的经验知识采用基于规则的模糊逻辑推 理寻找无缺陷注塑过程参数的方法，尽量减少对操作者的专业知识的要求，首次 将基于经验知识的模糊逻辑系统运用于注塑过程参数的自动设定，实现了初步的 系统。 胡俊翘3 0 i 等建立了一个基于知识的注塑件缺陷诊断专家系统( k b d d e s ) ，采用 不精确推理及确定性理论，按人类专家处理问题的思维方式来协调各专家对问题 假设的不确定性，运用正反向混合推理的控制策略，刺常见的注塑件缺陷及注射 过程中的故障进行诊断，分析产生原因并提出解决方法及建议。系统知识的表达 采用了“框架+ 规则”的复合表达技术，使不同层次的知识源统一于同一知识表 达结构内。 这些相关的研究都将给本文的研究提供有用的理论基础和知识来源。 1 4 课题的来源、意义及主要研究工作 1 4 1 课题的来源与研究意义 本课题的来源：教育部重点科技项目：基于知识工程的薄壁注塑技术参数化 及制品质量控制；江西省跨世纪学术和学科带头人项目：智能化薄壳注塑成型技 术应用研究。 注射成型生芹中，注射工艺的合理性对于制品的质量起着重要的作用，注射 工艺参数的合理配置必须将特定的模具结构和工艺参数结合一起来考虑，c a e 技 术可较好地预测成型结果，并提供有价值的工艺参数，用来指导以后的试模乃至 于生产，这将有效地提高效率和质量。随着对制品性能和质量要求的日渐提高， 将专家系统应用于注荆成型过程，可使得工艺参数没置不再单纯依赖有限的人力 资源。将专家系统结合使用，会为专业技术人员优化二 艺参数设置提供有效帮助。 因此有必要引入专家系统理论和技术，构建智能型的注塑模c a e 软件。利用优化 理论和算法，结合人工智能及知识工程的有关理论，建立有效的辅助注塑模c a e 软件进行结果分析的专家系统，从而为设计中的优化指出明确的改进方向和尺 度。这对于优化模具设汁参数和成型工艺参数具有重要的实际意义。 实际上，大部分注塑模c a e 软件已经或多或少地引入了人一r 智能技术，利用 专家知识建立起的知识库来辅助使用者对软件分析结果进行评价。然而它们大多 着重于分析、模拟的数值化本身，而对利用专家知识解决制品缺陷问题没有给予 足够的重视，因此有必要单独开发注塑件缺陷辅助分析专家系统，这样可以帮助 使用者就c a e 分析结果进行评价，发现其不合理时，可用它进行原因分析以修改 参数，从而获得正确结果。 随着专家系统和人工神经网络技术在各领域中的应用，以及研究工作的不断 深入，专家系统在实际应用中遇到的困难( 例如知识获收和推理过程) 日渐凸现， 而神经网络在实际应用中的优越性也为越来越多的专家和学者所认识，因此，将 专家系统技术和人工神经网络技术结合起来，开发基于人工神经网络的专家系统 已成为当| j 1 _ 故障诊断领域的研究热点。 目前，国内外对于人工神经网络和专家系统技术在注塑制品缺陷分析诊断领 域的研究和应用已经取得了相当的进展，并在诊断效率、诊断准确率等方面都显 示出传统的诊断方法所不能比拟的优越性。但同时也存在着不足：( 1 ) 很多已开 发出来的专家系统的推理过程采用“i f t h i j n ”的基于规则的推理模式，推理方 法简单且不灵活：( 2 ) “知识获取”仍是专家系统开发的瓶颈：( 3 ) 关于注塑制 品缺陷分析诊断过程中存在的模糊性问题及相应解决办法的研究很少。 因此，在注塑制品缺陷分析诊断技术研究领域，开发符合注塑制品诊断实际 要求的专家系统的同时，结合人工智能技术的最新发展，充分利用专家系统技术、 模糊逻辑和人工神经网络技术，使得开发出的系统具备更强的适应能力、更快的 渗断速度和j 更高的诊断精度，是当前注塑制品缺陷分析诊断技术的发展趋势。 1 4 2 本文的主要研究内容 本课题主要研究内容是采用基于c l i p s 设计专家系统的理论和技术，充分利 用注塑缺陷领域专家的经验知识，开发基于知识和经验的注塑制- 舄缺陷分析专家 系统，从而帮助模具工艺人员结合具体情况进行制品缺陷原因分析，有效的找到 正确的解决方式。本文主要的研究内容包括： ( 1 ) 建立基于知识和经验的注塑制品缺陷分析专家系统的总体框架。 ( 2 ) i i 殳集、整理有关注塑制品缺陷方面的知识与经验，采用专家系统c l i p s 产生式规则的知识表示方法表示缺陷知识，并针对注塑成型制品缺陷及相应规则 难以量化的特点，采用模糊技术描述知识，建立注塑制品缺陷知识库。 ( 3 ) 根据缺陷专家经验知识的不确定性和模糊性，在基于c l i p s 专家系统平 台上实现注塑制品缺陷知识的不确定性推理，并结合模糊理论完成刘、缺陷的模糊 推理，从而得到二 艺参数的调整量，得到参数优化值。 ( 4 ) 基于上述理论，结合专家系统开发的一般原理和方法，选用流行的图形 用户界面开发工具v i s u a l c + + 6 0 和专家系统开发工具c l i p s ，在w i n d o w sx p 平台上设计开发了注塑制品缺陷分析专家系统。 1 5 本章小结 介绍了注塑成型c a e 及其研究进展和智能消除注塑制品缺陷的研究现状，在 此基础上指出了传统c a e 技术向智能化转变的必然性。总结分析了注塑工艺参数 对制品质量的影n 向，以及目前存在的问题，提出了建立注塑制品缺陷专家系统， 并采用c l p s 自动完成知识推理实现知识的不确定性推理以及模糊推理技术来 完成注塑制品缺陷的：| = _ _ 艺参数的优化，以实现制品缺陷的诊断和优化，从而明确 了本文的研究对象与研究意义。 第二章注塑制品缺陷分析专家系统框架的设计 2 1 专家系统的原理与特点 专家系统( e x p e r ts y s t e m ) 就是对传统人工智能问题中智能程序设计的一个 非常成功的近似解决方法。自1 9 6 8 年费根鲍姆等人成功研制出第一个专家系统 d e d d r a l 以来，专家系统技术已经成为人工智能应用研究最活跃和最广泛的课 题之一，它实现了人工智能从理论研究走向实际应用，从一般思维方法探讨走向 专门知识运用的重大突破。目前已被成功的运用到工业、农业、军事、医疗、教 育等众多领域，并己经产生了巨大的社会效益和经济效益。如美国已有8 0 以上 的大公司应用了专家系统，日本已拥有的处于不同阶段的专家系统达2 0 0 0 多个， 西欧各国专家系统的年增长率也在3 0 以上p “。 211 专家系统的定义 目前，对于什么是专家系统还没有一个严格公认的形式化定义 = ；l j 口“。作为 - - g e 一般的解释，可以认为专家系统是一种具有大量专门知识与经验的智能程序 系统，它能运用领域专家多年积累的经验与专门知识，模拟人类专家的思维过程， 求解需要专家才能解决的困难问题。以下是从不同侧面对于专家系统的定义： ( 1 1 一种意见认为：专家系统是一种使用知识和推理的智能计算机程序，它 要解决人类专家思维都很难解决的一些问题；这些知识加匕推理必须达到这样的 水平，即可被认为是某一特定领域中最佳实践者的专家模型；专家系统中的知识 由事实和启发式信息构成，其事实构成了一个广为共享日为专家们认可的信息 体，而其启发式信息则是一些颇具个性、鲜为人知的判断准则( 如似然推理的规 则、优化猜测的规则等等) ，正是这些规则构成了其特定领域中专家水平及决策 的特征；一个专家系统的性能水平是它所具有的知识库的大小和能力的一个函 数。 ( 2 ) 另有- - * 4 意见认为：专家系统是一个具有知识库和具体计算机的系统， 其知识库中的知识来自于领域中专家的技能；它能列某一任务提出聪明的建议或 智能的决策；另外，它还能判断自己的推理路线并以简明易懂的方式告诉询问者； 它常采用基于规则的程序设计。 ( 3 ) 还有一种意见认为：专家系统是利用具有相当数量的权威性的知识来解 决特定领域中实际问题的计算机程序系统，它能根据用j 。提供的数据、信息或事 实运用系统中存储的专家经验或知识进行推理判断，最后给出结论及结论的可信 度以供用户决策