基于模糊推理规则的注射制品缺陷修正系统设计与实现.pdf

8 模具工业 2 0 1 1 年第3 7 卷第 l O 期 扩 蠕 二 咐 匈 i模 具c A D c A M l f 矗 也 膏南 基 于模 糊 推 理 规 则 的注射 制 品 缺 陷修 正 系 统 设计 与实 现 时拓 崔树标 黄志高 周华民 华中科技大学 材料成形与模具技术国家重点试验室 湖北 武汉4 3 0 0 7 4 摘要 设计并开发 了基于模糊推理规 则的注射制品缺 陷修正 系统 简述 了该 系统的设计原理与流程 建 立 了模糊推 理过程 中需要 的知识库和模 糊规 则库 介绍 了模 糊推理 算法的设计 与系统 的实现 包括数 据库的建立及基于面向对象的程序设计 通过将冲突消解置于模糊推理之前 减小了模糊推理过程的 复杂程度 在推理过程中加入修正系数以减小缺陷修正的振荡幅度 试验证明 该系统易于操作 快 捷 有 效 关键词 注射成型 模糊推理 缺 陷修正 修正 系数 中图分类号 T G 2 4 1 T P 3 1 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 2 1 6 8 2 0 1 1 1 0 0 0 0 8 0 6 De s ig n a n d d e v e l o p me n t o f p r o d u c t d e f e c t c o r r e c t io n s y s t e m f o r in j e c t io n mo l d in g b a s e d o n f u z z y in f e r e n c e S HI Tuo CUI S hu bi a o HUANG Zh i g a o Z HOU Hu a min S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f Ma t e r ia l P r o c e s s i n g a n d Die Mo u l d T e c h n o l o g y Hu a z h o n g U n iv e r s i t y o f S c ie n c e a n d T e c h n o l o gy Wu h a n H u b e i 4 3 0 0 7 4 C h i n a Ab s t r a c t Ba s e d on t he f u z z y i nf e r e n c e a p r od uc t d e f e c t c o r r e c t i on s y s t e m Was d e s i g ne d a n d d e v e l o pe d an d t he d e s ig n p r in c i pl e a n d p r oc e s s we r e s tat e d The k no wl e d g e ba se s an d f uz z y r u l e ba s e s o f t he i nf e r e nc e s y s t e m we r e s e t u p an d th e d e s ig n o f fu z z y alg or it h m and imp l e me n t o f the s y s t e m i nc l u d in g t h e d a t a b a s e s a n d o b j e c t o r ie n t e d p r o g r a mmi ng we r e int r o d uc e d The s y s t e m p r o po s e d a me t ho d of pu t t ing c o l l is io n r e l ie v ing be f o r e f u z z y i nf e r e n c e an d a c o nc e pt o f c o rre c t i on f a c t or f o r t h e fi r s t t ime r e s ult in g in a de c r e a s e of f u z z y i n f e r e n c e c o mp l e x ity an d o s c il l a t io n a mp l i t u d e i n t h e d e f e c t c o rre c ti o n E x p e ri me n ta ti o n de m o n s t r a t e d t h a t t h e s y s t e m i s e f f e c t i ve an d fle xi bl e Ke y wo r ds e c ti o n mol di ng f uz z y i nf e r e n c e de f e c t c o r r e c t ion c o r r e c t io n f a c t or 1 引言 注射成型过程是一个多因素 多变量交叉影响 的复杂过程 注射制 品的质量与所用塑料原料 的 质量 注塑机类型 模具设计与制造 工艺参数 的设 定与控制 以及生产环境和操作者等有关 其 中任何 收稿 日期 2 0 1 l 0 6 2 2 基金项 目 教育部博士点基金 2 0 0 9 0 1 4 2 1 2 0 0 4 4 湖北省 自然科 学基金创新群体 2 0 1 0 C D A 0 6 7 作者简介 时拓 1 9 8 8 一 男 山东泰安人 硕 士研究生 主要从 事智能型全电动塑料注塑机 的研究 地址 湖北省武汉市华中科 技 大 学 材 料 成 形 及 模 具技 术 国家 重 点 试 验 室 电话 1 5 2 7 1 8 l 0 0 7 1 电子信箱 s c h it u o 1 6 3 c o rn 一 项 出现 问题 都将影响制 品的质量 使制 品产生 缺 陷 1 因此 确 定无缺 陷制 品注射 r 艺参数 的过 程 是一个多 目标优化 问题 不 能通过精确 的数学 模型来描述 属于弱理论 强经验领域 而人工智能 和 软计算技术对 人类 思维进行建 模 对处 理弱理 论 强经验领域中的问题有很大优势I 模糊推理是典型的软计算方法之一 它提供 了 系统 的 以 自然语 言表 示知 识和信 息的计算 I 具 通过使用隶属 函数所表达 的模糊集合定义语言值 的语义 并借助于数值 计算 有效地对人类专家知 识和思维过程进行建模 给复杂大系统 的分析提供 了有效 的途径p J T A N等 提 出了修正制 品缺 陷的 模具工业 2 0 1 1 年第3 7 卷第l0 期 9 模糊 多 目标优 化方法 马 建华等 采用开放 式设 计 将注射成型模糊推理中的模糊推理模块设计成 开放式 在使用系统 时可根据 需求 自由选择 实现 合理 的系统结构 得到优化 的结果 郁滨等嘲 采用 了 基于规则的模糊推理来消除制品缺 陷 但 以上2 个 系统 的设计还 不是严格的基于模糊推理方法 的设 计 设计过于简单 且需要用户给 出修正方向 采用 的隶属度函数是连续的 在 软件实现 时增加 了系统 的工 作量 不便 于用 户根据 需要微 调隶属度 函数 以下基 于模糊推理 方法 采用 离散的隶属度 使用 户可以根据需要调整各个点的隶属度值 该系统 能根据制 品缺陷程度及注塑机 当前工艺参数值 自 根 据 缺 陷 修 正 结 果 动给 出可正 可负的修正值 不需要 用户给出修正 方 向 2 系统设计与算法 2 I 系统设计 在试模过程 中 制品一般 同时存在多个缺陷 i 1 2 m 对缺 陷 的修正需要调整 多个 工 艺 参数P j 1 2 其调整量 受制 品缺 陷程度 和上次试模时该 工艺参数大小 工艺参数当前值 的 制约 制品缺陷修正系统的设计为工艺人员提供 了在线调整及消 除制 品缺陷的功能 原理如图 1 所 示 图1 制品缺陷修正系统原理 工艺人员可 以通过用户 界面在线输入试模过 程中产生的制品缺陷类型及缺陷程度 参数当前值 则通过用户输入或采集系统r s 获得 该系统根据 已获得 的制 品缺陷类型及缺 陷程 度 D l 2 及工艺参数当前值 日 1 2 进 行模糊推 理 为系统 经过冲突 消解 模糊 化 模糊推理 反模糊化后的输 出值 为经过修正 系数后的工艺参数修正值 该系数可以改变系统 的 修正效果 防止因 过大造成不同缺陷的来回振荡 或过小造成参数调整不足 2 2 算法 2 2 1 知识库的建立 知识库 是任 何基于知识 的系 统的重要组成部 分 系统性能几乎完全取决于知识库 中知识的准确 性和完整性 知识库对 于修 正注射 制品缺陷是非 常有用 的同 制 品缺陷修正系统基于 以下几点建立而成 1 供用户选择的制 品缺陷类型及与缺 陷修正 有关 的工艺参数类 型 该系统初 步设计时可 以进 行模糊推理修正的缺 陷类型有 l0 种 艺参数为 7 个 如表 1 所示 表 1 中 关联系数的值越接近于 l 则表示该缺 陷类 型的产生与相应 的工艺参数的关 联性越大 若为0 则表示该缺陷类型不是由此工艺 参数的设置不当所引起的 2 与制品缺 陷修正相关的 I 艺参数 如 表 1 所示 表 1 中的关联系数若为 0 则表明该工艺参数 与相应 的缺陷修正无关 若大 于0 则表 明该工艺参 l 0 模具工业 2 0 1 1 年第3 7 卷第l 0 期 数与所对应的缺陷修正相关 3 用于冲突 消解的数据库 该系统可 以同时 修正 多个制 品缺 陷 缺 陷修 正与 多个 艺参数有 关 因此不同的制 品缺陷可能对应不 同的 艺参数 修正值或修正方 向 需要根据该数据库进行选择 如表 1 所示 若产生冲突 选择关联系数最大的制品 缺陷进行模糊推理 4 模糊推理规则库 包括隶属度表 模糊推理 规则库 表1 制品缺陷关联系数表 缺 陷 料筒 注射 注射 保压 保压 背压 注射 类型 温度 眶 力 速度 压力 时问 压力 行程 欠注 O 5 0 6 O 3 0 8 O 0 3 0 9 粗糙度差 O 7 O 6 0 7 O O O 0 气泡 O 3 o 9 0 8 0 O 7 0 0 烧 焦 0 8 0 6 O 7 0 0 3 O 6 0 飞边 0 8 0 9 0 7 0 0 3 O 0 3 翘 曲 0 8 0 9 O 5 0 7 0 6 O O 银丝纹 O 6 0 0 6 O 0 O O 分层剥离 O 6 O 0 0 0 O 0 收缩 凹陷 O 6 0 7 0 8 O 7 0 6 O O 表面 暗色 0 7 O O 7 O 0 6 O 5 0 2 2 2 算法模型 制 品缺 陷修正 系统的核心 为模糊推理算法部 分 其算法模型如图2 所示 用户通过系统 界面将制 品缺 陷类 型及缺陷程 度借助模糊推理接 口输入到算法模型中进行模糊 推理 在模糊推理前先进行冲突消解 将冲突消解 放在模糊推理前可 以减少模糊推理子系统 的个数 从而减少系统的 J 二 作量 冲突消解的方法有以下儿 种 1 根据表 l 所示数据库中制 品缺 陷关联系数 的大小进行消解 选择关联系数最大 的缺陷与该 J 艺参数进入模糊推理子系统 2 根据制 品缺 陷程度 的大小进行冲突消解 选择缺 陷程度最大的缺 陷与相应的工艺参数进入 模糊推理子系统 3 先进行关联系数的 比较 若相 同 再根 据 缺陷程度 的大小进行冲突消解 制 品缺陷修正系 统采用该方法进行冲突消解 能更接近人的思维 方式 完成冲突消解后 即可进行模糊推理 其中模 糊推理子系统 的个数为与所有需要修正的制品缺 陷相关 的 I 艺参数并集 的个数 在进行模糊推理 之前 已经过冲突 消解 不会 出现无效的模糊推理子 系统 图2 模糊推理算法模型 模糊推理子系统的输入值为缺陷程度 d i 及工 艺参数值 f 输出值为缺陷修正值 则 a p i 厂 f f 1 式 中 A p i 缺 陷修正值 经模糊 推理子系统获得的值 广一 I 艺参数修正系数 可 改善系统的缺 陷修正效果 2 2 3 算法实现 图2 所示模糊推理子系统的输入值为缺 陷程度 及 艺参数值 f 对 于不 同的制 品缺 陷和工 艺参数 其模糊规则库不一样 以下 以短射 与保压 压力为例描述模糊推理子系统的实现 1 取模糊推理子系统中的变量D 缺陷程度 和 P I 艺参 数值 的模糊 集合 为 P B 极 火 L B 大 L S 小 P S 极小 2 取变量 P 参数调整 量 的模糊集合 为 N B 负大 N M 负中 N S 负小 z 零 P S 止 模具工业 2 0 1 1 年第3 7 卷第l 0 期 小 P M 正中 和P B 正大 D和 P的论 域 值 域 即取 值 范 围 为 0 0 1 0 P 的论域为一 5 5 二者均分为 l 1 档 在量化过程 中 均对各模糊输入值进行线性分档 通过 r艺参 数 的最大 值 最 小值 设置将 P线性 映射到其 论域 内 D P的隶属度 若对论域 中的任一元素 都 有一个 数A 0 1 与之对应 则称 为 上 的模 糊集 A 称为 对 的隶属度 如表2 所示 P的 隶属度如表 3 所示 表 2 3中D P或 A P 的取值 的 隶属度越 接近于 l 表示 D P或 P 的取值属 于相 应 的模糊集合的程度越高 隶属度越接近于 0 则表 示属于相应 的模糊集合 的程度越低 表2 D P的隶属度 模糊 0 0 0 1 O 2 O 3 0 4 0 5 O 6 0 7 O 8 0 9 1 O 集合 P B O O 0 0 1 0 2 O 3 O 5 0 7 0 9 0 9 5 1 L 8 0 0 O 1 O 3 O 5 0 8 0 9 l l 0 8 0 7 L S O 1 O 4 O 7 0 9 l 0 7 0 5 O 3 0 1 O O Ps O 3 O 8 1 O 8 O 5 O 3 0 2 O 1 O 0 O 表3 P的隶属度 模糊 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 集合 PB 1 0 8 O 0 0 O O 1 O 2 0 3 0 8 1 PM 0 0 O 0 O 0 1 O 2 0 4 O 6 1 O 7 PS 0 0 0 0 O 0 2 0 9 1 0 7 0 3 0 1 Z 0 0 2 O 3 O 7 0 9 1 0 9 O 7 0 3 0 2 O Ns O 1 O 3 O 7 1 O 9 0 2 0 0 O O O NM O 7 l 0 6 O 4 O 2 0 1 0 0 O 0 O NB 1 0 8 O 3 O 2 O 1 O O O O 0 O 按专家实践经验与技术知识 采用输出 r艺参 数调整值的模糊控制规则如表 4 所示 表4 模糊控制规则 P D P B PS L S 加 P8 NB NM P M PB PS NM PB P M PB L S NM Ns ps PM L 8 Ns Z Z PS 在计算模糊关系R和近似推理合成过程中 为 简便模糊推理过程 均采用Z a d e h 算法 即最大 最 小算法 反模糊化采用面积中心法 3 系统实现 该系统运行平台选择 Win d o w s 操作系统 采用 V is u a l C 6 0 作为开发工具 A c c e s s 作为后台数据 库 数据库设计如下 1 缺陷隶属度表 D e f e c t Me m b e r S h ip 缺陷 隶属度表用来确定跟制 品缺 陷有关的材料 工艺类 型 从而确定各 r艺参数 的最大值和最 小值 该表 包含了用于模糊推理的隶属度值 2 艺 参 数 隶 属 度 表 f C u r r e n t P a r a m e t e r Me m b e r S h ip 该表 包含了用于模糊推理 的隶属度 值 3 工 艺参数修 正值 隶属度 表 P a r a m e t e r A d j u s t m e mb e r S h ip 该表包含 了用于模糊推理 的隶 属度值及工艺参数修正程度 4 模糊 推理 规则 库 I n f e r e n c e R u l e Me m b e r s h ip 该表包含了用于所有模糊推理的规则库的查 询 5 缺 陷修 正关 联系数 D e f e c t Ad j u s t T a b l e 该表用于与缺陷修正有关的工艺参数和冲突消解 当遇 到缺 陷不同而所需要修改 的工艺参数相同时 可 以通 过该表 比较关 联度 的大 小 以实现冲突 消 解 注 射制 品缺 陷修 正 系 统 的程 序 部分 是基 于 VC 6 0 使用 C 语言 采用面 向对象 O b j e c t O r ie n t e d o o 的思想进行设计 模 糊模 型的推理计算过程 如图3 所示 内容包括 1 窗 口类 C H s z D e f e c t A d D l g 完成用户与 模糊推理系统的交互工作 2 句柄类 C H s z D e f e c t Mg r 管理整个制 品 缺 陷 包 括缺 陷类 型 冲突 消解 以及最 终控制参数 的输出 3 缺 陷类 C H s z S in g l e D e f e c t 用 于描述单 个制 品缺陷 包括缺 陷名字 缺陷程度值 与该缺 陷 修正有关的 L 艺参数类型及该缺陷的隶属度 4 工艺参数类 C Hs z P a r a me t e r 用 于描述单 个 I 艺参数 包括 艺参数名字 当前 艺参数值 与该 I 艺参数有 关的制品缺陷类 型及该工艺参数 的隶属度 5 模糊输出类 C H s z P a r a A d j u s t 完成模糊 推理的运算过程及反模糊化 6 模糊规则类 C H s z F u z z y R u l e 用于模糊 规则的描述及控制 1 2 模具工业 2 0 1 1 年第3 7 卷第l 0 期 图3 模糊模型推理计算过程 4试验验证 制品为盒形件 外形尺寸1 5 5 m mx 9 6 m m x 3 0 m m 选用 H T L 9 0型注 塑机 模具为 1 模 1 腔形式 为验 证系统的性能 设置表 5 所示试验参数 表5 试验参数 参数 数值 参数 数值 材料 P P 制品质量儋 6 1 4 7 0 平 均壁厚 m m 2 6 3 6 最大壁厚 m m 2 6 2 9 最大流长 mm l 1 4 1 0 0 浇 口数量 个 1 流道 长度 m m 4 7 3 7 流道 质量 g 1 0 9 4 投 影面k l m m 1 46 4 9 模具温度 4 0 按表 6 所示 工艺参数 的初始值 进行注射 试验 7 9 试模后获得图4 a 所示制 品 该制 品存在短射和 翘 曲现象 在用户界面中选择短射和翘 曲并设置制 品缺陷程度分别为0 3 0