环轧成形专家系统项目设计方案

环轧成形专家系统项目设计方案第1章绪论11概述111研究的目的和意义工业技术的发展对环形件产品的要求越来越高，而计算机技术的快速进步，为塑性加工工艺的扩展提供了便利条件。传统的环轧工艺设计过程高度依赖工艺人员的经验，而这些经验又全靠工艺人员的领悟和师父的传授，以上过程是一个长期而缓慢的积累过程。由于依靠自身积累的经验性知识因人而异，不同的人对同一工艺过程的理解会有很大的差异。同样的零件，不同的工艺人员设计的方案会有较大差异。这种工艺设计的不规范性和随意性都给环轧工艺设计质量和效率的提高带来了很大的困难。辗环生产工艺复杂，应用计算机技术有助于了解环件在轧制过程中的变化规律，制定合理的工艺方案，从而提高环件的精度，缩短生产周期，推动环件轧制向更高水平迈进。自从电子计算机诞生以来，其主要的功能就是进行数值计算与数据的处理，其知识处理能力即智能却很低，然而人工智能ARTIFICIALINTELLIGENCE，简称AI）的出现，改变了这一现状。人工智能经过几十年的发展，已经形成了八个大的方向，而其中专家系统理论最为成熟、应用最为广泛。由于环件轧制成形工艺涉及到许多工艺参数的计算和设置问题，所以确定一整套工艺方案是非常复杂的，而且人工制定工艺方案不可避免具有许多缺点。专家系统（ES）是一个智能计算机程序，它利用知识和经验，通过推理来解决某领域中只有人类专家才能解决的难题1。它集中了人类专家的灵活性和计算机系统的智能性两大优点，且具有比人类专家更多的优越性，如继承了计算机系统快速、准确的优点；不受时间地域限制的优点；可以综合许多个专家的优点；可以将专家知识长久保留的优点。此外，培养一个人类专家需要大量的投入，经过十几年甚至几十年的时间才能成功，而专家系统就不一样了，许多专家系统可能在开发的时候要大量的人力和物力，但是，一旦开发成功，可以在瞬间完成成百上千个专家系统的复制工作，即在短时间内造就许许多多的“专家”。因此，专家系统在环轧制造中的应用可以大量的缩短产品设计时间，提高效率，同时也能减轻工艺设计人员的劳动量。12环件轧制的分类及特点环件轧制（又称环件辗扩或扩孔、辗环）是借助辗环机使环件壁厚减小、直径扩大、截面轮廓变形的塑性成形工艺，与整体模锻比较，它具有大幅度降低设备吨位和投资、振动冲击小、节能节材、生产成本低等显著优点，是轴承环、齿轮环、法兰环、火车车轮及轮箍、燃汽轮机环等各类无缝环件的先进加工技术，在机械、汽车、火车、船舶、石油化工、航空航天、原子能等许多工业领域日益得到广泛应用2。轧制的环件外径尺寸为4010000MM，环件高度为154000MM，环件的重量为0482000KG。常见的轧制环件产品有轴承环、齿轮环、火车车轮及轮箍、燃汽轮机环、电机集电环等，最大的轧制环件是直径10000MM、高度4000MM的核反应堆容器环件。环件轧制可以分为径向轧制和径一轴向轧制。图11是径向轧制的基本原理图。图11（A）所示为三个辊的径向轧制，其中驱动辊为主动辊，同时作旋转轧制和直线进给运动；芯辊为被动辊，做从动旋转轧制运动；导向辊和信号辊都可自由转动。在驱动辊作用下，环件通过驱动辊与芯辊构成的轧制孔型产生连续的局部塑性变形。当环件经过多转轧制变形且直径扩大到预定尺寸时，环件外圆表面与信号辊接触，驱动辊停止直线进给运动并返回，环件轧制过程结束。驱动辊旋转轧制运动由电动机提供动力，直线进给运动由液压或气动装置提供动力，其它轧辊运动无需再提供动力，而在环件摩擦力作用下随环件做从动转动。图11（B）为四辊轧制，驱动辊在电动机地驱动下作恒速的旋转运动，无进给运动；压力辊向驱动辊移动，完成径向进给运动；为了使环件在轧制过程中定心和防止振动，轧环机上设置一对抱辊，抱辊从环件的两侧以一定的抱辊力抱住环件，随环件径向地增大，两个抱辊臂逐渐张开。抱辊的作用是对环件施加一定的抱辊力，保证轧制过程稳定进行，在轧制的最后阶段，抱辊起着归圆的作用。中、大型轧环机多采用此种结构，这种轧机结构简单，价格低，工艺控制容易，适用广泛，一般用于矩形截面、沟槽形截面环件的生产。图11（A）环件径向轧制原理图图11（B）环件径向轧制原理图图12是径轴向轧制的基本原理图。相比径向轧制中的四辊轧制，径轴向轧制增加了轴向端面轧辊机构，同时从径向和轴向对环件进行轧制，使得径向轧制产生的环件端面凹陷再经过轴向轧制而得以修复平整。径轴向轧制的锥辊表面线速度基本与环件端面线速度同步，上端面锥辊做向下进给运动，同时整个轴向机架随环件径向地增大做向外水平移动，完成环件的轴向轧制。目前，只有较先进的大中型轧环机采用径轴向联合轧制工艺，径轴向轧环机适用于壁厚、大轧制比或截面复杂的环件加工，生产效率高。图12环件径轴向轧制原理图环件轧制与环件的其它生产方式相比，在技术上具有很多优点（1）设备吨位小，加工范围大其成形过程是局部加压连续小变形的积累，工件与工具的接触面积小，因此，变形工艺力小，所需设备吨位小，小吨位设备可加工大的无接缝环件，扩大了环件的加工范围。（2）材料利用率高环件轧制的工件截面形状更接近成品，材料利用率比模锻提高L0以上。（3）产品质量好轧制环件的金属纤维沿环件圆周方向连续分布，与环件使用中的受力和磨损相适应。其内部组织致密，晶粒细小，力学强度、耐磨性和疲劳寿命明显高于其他加工方法生产的环件。（4）劳动条件好，生产率高环件轧制类似于静压轧制，无冲击、振动，噪声低，改善了劳动环境。环件轧制又易于机械化和实现自动化，生产率高，劳动强度低。轧制速度通常为12M/S，轧制周期为10S36S，最大生产率1000件/H，大大高于其他方法加工环件的生产率。（5）生产成本低据有关资料统计，环件轧制与自由锻相比，材料消耗降低4050，生产成本降低75。用环件轧制生产EQ140汽车后桥从动锥齿轮环件时，比模锻单件材料消耗降低5KG，成本降低20。和一般锻造相比，环件轧制生产的模具费用可减少70以上3。环件轧制工艺通常是以锻锤轧环机、平锻机轧环机、锻锤压力机轧环机等设备配置在一起连线组织生产。与传统的环件自由锻造工艺、环件模锻工艺、环件火焰切割工艺相比，有较好的技术经济效益。13专家系统概述131专家系统的基本概念和基本特征专家系统是人工智能应用研究最活跃和最广泛的课题之一。自从1965年第一个专家系统DENDRAL在美国斯坦福大学问世以来4，经过20年的研究开发，到80年代中期，各种专家系统已遍布各个专业领域，取得很大的成功。表11专家系统和常规程序的比较专家系统常规程序专家系统知识推理常规程序数据结构算法专家系统将知识组织成数据级、知识库级和控制级常规程序将知识组织成数据级和程序级专家系统是通过推理获取问题的解或证明某个假设，本质上是符号处理常规程序一般是通过查找或计算获取问题的解，本质上是数值计算专家系统处理的数据大多数是不精确的、模糊的常规程序处理的数据多数是精确的专家系统一般具有解释机构，它可以对自己的行为做出解释常规程序一般不需要具备解释功能专家系统是一个智能计算机程序系统，其内部含有大量的某个领域专家水平的知识与经验，能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来处理该领域问题。也就是说，专家系统是一个具有大量的专门知识与经验的程序系统，它应用人工智能技术和计算机技术，根据某领域一个或多个专家提供的知识和经验，进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，以便解决那些需要人类专家处理的复杂问题。它和传统的常规程序的区别如表11所示5。一般讲，专家系统具有如下一些基本特征6（1）具有灵活性一般都采用知识库与推理机分离的构造原则，可以在系统运行时根据不同的要求分别选取合适的知识构成不同的求解序列，实现对特定问题的求解。（2）具有透明性专家系统一般都设置了解释机构，用于向用户解释它的行为动机及得出的某些答案的推理过程，可以使用户能比较清楚地了解系统处理问题的过程及使用的知识和方法，从而提高系统的可信程度。（3）具有交互性可以与领域专家或知识工程师进行对话以获取知识，同时可以通过与用户对话以索取求解问题时所需的知识以及回答用户的询问。（4）具有实用性专家系统是根据领域问题的实际需求开发的，这一特点决定了它具有坚实的应用背景。可以用于多种领域，取得巨大的经济效益及社会效益。132专家系统的产生与发展专家系统属于人工智能的一个分支，产生于60年代中期，是人类长期探索机器智能的智慧结晶和升华。它的发展进程大致可分为四个时期68（1）孕育期（1965年以前）专家系统是在人工智能的发展中孕育产生的。1961年JSLAGLE设计的符号积分程序SAINT，在解不定积分问题时所表现出的能力达到了麻省理工学院（MIT）优等生的水平。为达到这一水平，SAINT中使用了大量有关不定积分的知识，其中包含了专家系统思想的雏形。在这一时期，人工智能研究者在人工智能的基本理论和方法的研究上取得了较大的进展，如在知识表示（KNOWLEDGEREPRESENTATION），推理方法（INFERENCEMETHOD）、搜索策略（SEARCHSTRATEGY）等方面均获得了有益成果。这些成果为专家系统的产生打下了良好的基础。（2）初始期（19651971）1965年FEIGENBAUM研究了以往人工智能系统成功的经验和失败的教训，发现人类专家之所以能够很好地解决许多困难问题，其主要原因在于他们拥有大量的专门知识，尤其是检验性知识。基于这种想法，FEIGENBAUM与JBEDERBERG和CDIERASSI合作开发的DENDRAL系统获得了极大的成功，它解决问题的能力已经达到了专家水平，在某些方面，该系统甚至超过了领域内的专家。DENDRAL系统的成功，标志了人工智能的一个新领域专家系统的诞生。（3）成熟期（19721977）七十年代专家系统趋于成熟，先后出现了一批较成功的专家系统，其中有代表性的有MYCIN、CASNET、AM、PROSPECROR等，这一时期开发的专家系统比初创时期的第一代专家系统有了较大的改进。在此期间，专家系统取得的较大进展是RDAVIS提出元知识的概念和FEIGENBAUM提出的知识工程（KNOWLEDGEENGINEERING）的概念。（4）发展期（1978）随着专家系统的成熟，专家系统的应用领域迅速扩大，处理问题的难度也不断增加。由于七十年代末骨架系统的出现，大大缩短了专家系统的研制周期。以商品化为目的的专家系统开始投入使用，如XCON系统等。我国于70年代末期，在医疗领域内首先开展专家系统的研究，80年代初开始渗透到其它领域。到了80年代中期，由国内研制的一批专家系统开发工具相继出现，如上海工业大学的RETRIEVER、东南大学的TME和吉林大学的MES等。133建立专家系统的必要性既然有人类专家可以解决专门问题，为什么还要建立专家系统呢其目的可以归纳为如下几点（1）使专家知识形式化我们要建立专家系统的领域常常是这样一些领域，即在这些领域里专家们有丰富的实践和经验，但尚没有形成完整的见解。也就是说，人们的知识还落后于专家的经验和实践。专家系统则可以帮助从这些经验中获取知识，将知识形式化。这个将知识形式化的过程也就是逐步明确如何去解决问题的过程。（2）建立推理模型对于专家系统要解决的这类复杂问题，专家们常常只能非正式地和不准确地说明他们的推理过程，因此无法建立典型的数学模型来进行计算分析。而专家系统技术则可以帮助建立合适的推理模型，并试验各种把事实组合起来以产生专家推理结果的途径，对专家的推理决策过程进行试验和模拟。（3）综合多个专家的知识和推理过程在某一领域内，专家用以解决同一问题的方法和途径可以是不相同的。专家系统有助于比较和判别这些不同的方法或综合多个专家的知识和推理过程。在国外，如MYCIN和CASNET等医疗专家系统中在建立其推理模型时使用了几个专家的知识。又如，由国家地震局地球物理研究所等单位建立的地震预报专家系统（ESEP）就是一个能综合多个专家意见的系统。（4）便于传播专门知识和推广专家经验由上述三点可以看到，建立专家系统的过程也是一个利用先进的专家系统技术将知识形式化并逐步明确如何利用知识进行推理的过程。在这个不断完善的过程中使专家系统能达到人类专家的水平。由于专家的数量少，远不能满足实际需要，而且培养和雇用专家的费用昂贵，因此建立达到人类专家水平的专家系统就便于在较大范围内传播专家经验，推广专门知识并代替一些专家进行推理决策，解决现实世界中提出的问题。这就是为什么有了专家我们还要建立专家系统的原因。14国内外研究现状141专家系统的研究现状作为人工智能一个重要分支的专家系统,是在20世纪60年代初期产生和发展起来的一门新兴的应用科学，而且正随着计算机技术的不断发展而日臻完善和成熟。目前已研究的专家系统模型有很多种，其中较为流行的有7基于规则的专家系统、基于案例的专家系统、基于框架的专家系统、基于模糊逻辑的专家系统、基于DS证据理论的专家系统、基于人工神经网络的专家系统和基于遗传算法的专家系统等。国外对专家系统的研究与开发相对时间较长，目前已经有上万个专家系统投入使用。另外还有许多系统正在试验阶段。二十世纪八十年代以来，专家系统的研制开发明显地趋于商品化，直接服务于生产企业，产生了巨大的经济效益。例如，DEC公司与卡内基一梅隆大学合作开发了XCON（R1）专家系统，用于为VAX计算机系统制定硬件配置方案，节约资金近1亿美元；工MB公司为3380磁盘驱动器建立了相应的专家系统，创利1200万美元著名的AMERICANEXPRESS信用卡通过使用信用卡识别专家系统，避免损失达2700万美元。在我国，专家系统的研制始于70年代末，首先在中医领域发展，在80年代中期掀起专家系统研究的热潮。“七五”期间，国家投资在10个不同领域开发了几十个专家系统，取得很大的经济效益和社会效益。我国在专家系统的研制开发方面虽然起步较晚，但也取得了佳绩。例如，中国科学院合肥智能机械研究所开发的农田施肥专家系统，中国科学院西北水土保持研究所开发的旱地小麦综合管理专家系统，南京大学开发的新构造找水专家系统，吉林大学开发的勘探专家系统及油气资源评估专家系统，浙江大学开发的服装剪裁专家系统及花布图案设计专家系统，北京中医学院开发的肝病诊断专家系统等都取得了明显的经济效益和社会效益，对推动专家系统与人工智能理论和技术的研究起到了重要作用。我国的专家系统研究开发正在走出实验室与计算机科学界，开始进入各个应用领域。研究队伍也由计算机专业人员演变到由领域专家，计算机专业人员与了解用户需求的专业人员构成的新组合。目前在工程设计，工业企业的生产与管理等方面的专家系统的研制与开发正方兴未艾。目前专家系统的研究在国内外正如火如荼的不断进行中，专家系统的研究不再满足现有的各种模型与专家系统的简单结合,形成基于某种模型的专家系统了,而是在不断向深层次方向发展。针对专家系统的核心知识表示和知识获取,探索更方便、更有效的方法,解决困扰专家系统的知识获取瓶颈、匹配冲突、组合爆炸等问题；针对现在数据多、知识少的特点,将数据挖掘引入专家系统之中；将多AGENT技术用于专家系统,以提高专家系统的性能。142环轧技术的研究现状1968年，英国学者WJOHNSON1012首先开展了环件轧制试验研究。他们在立式二辊轧机上进行基本参数的试验研究，发现环件轧制时径向变形区的径向对称点存在塑性铰。同年，JOHNSON等在实验室建造了小型卧式环件轧机，其结构形式与工业生产轧机相同，在该轧机上，CADDEU的试验指出，环件轧制生产的金属硬度变化，沿轴向、径向及周向差别不大，平均硬化程度比轴向压缩试验引起的硬化小25左右。1973年，HAWKYARD13在UMIST实验室安装了一台专用的环件试验轧机。1976年，MAMALISLE1416用测压针方法研究了不同材料在不同孔型中轧制时的单位压力分布。1979年以来，HAWKYARD17深入分析了异形截面轧制时，金属在各种孔型中的流动特性，观察了压下速度、摩擦条件、环坯形状及孔型尺寸变化对环件截面变化的影响，目的在于提高孔型的充满率，另外，国外的HIRAI等用塑泥（PLASTICINE）研究了轧制T形截面和矩形截面环件轧制时横截面应变分布。BOUCLYL等用模拟材料，在试验轧机上研究了各种异形截面环的轧制及变形特点18。国内燕山大学的许思广1920等，对恒压力轧制条件下环件宽展变形进行了研究，许思广等人用视塑性试验方法分析了环件轧制中金属产生较大变形后的应变分布，其用于试验的材料为铅锑合金，发现轧制时，受轧制力影响，环件的圆心有从轧辊连心线向咬入侧偏离的趋势，导致驱动辊与芯辊接触弧长发生变化。武汉理工大学的华林等人在D51一160A轧环机上进行了环件车L制的试验研究，设计了环件轧制测试系统，对环件轧制中的力学和运动学参数进行了试验测试和研究21。15研究内容环轧成形工艺设计涉及到许多工艺参数的计算和设置问题，本文要解决的问题是根据产品的需求信息进行产品工艺加工自动化设计，以此为重点，本文的主要研究内容有（1）根据环件轧制成形理论，对环件轧制工艺进行系统地研究，分析该工艺的物理学本质，建立环件轧制成形工艺参数的计算方法和确定原则，全面系统地了解掌握环件轧制成形过程中各种工艺参数对成形过程的影响规律，为环件轧制工艺专家系统的工艺参数计算和选择提供理论依据。（2）深入研究和分析企业对环轧工艺专家系统的功能需求，建立专家系统框架。（3）通过对专家系统结构研究，以及对环轧工艺设计专家系统的实例研究，建立环轧专家系统结构模型。第2章环轧成形工艺设计流程21环件轧制过程的基本条件211环件咬入孔型环件连续咬入孔型是环件转动并实现稳定轧制的必要条件。忽略导向辊对环件的作用力，由环件咬入孔型的力学模型，得到环件咬入孔型条件与进给量关系，亦即用每转进给量表示的咬入条件为（21）RRRH12121MAX0H环件在轧制孔型出口处的壁厚环件在轧制孔型入口处的壁厚0环件轧制中每转壁厚减小量环件咬入孔型所允许的最大每转进给量MAXH环件与轧制孔型之间的摩擦角212环件塑性锻透条件环件连续咬入孔型只是使环件产生轧制运动，并不一定能保证环件产生轧制变形，所以环件咬入孔型仅是环件轧制变形的必要条件。要使环件既咬入孔型又产生轧制变形，除了满足咬入条件外，还应满足塑性锻透条件。环件锻透条件与进给量关系亦即进给量表示的锻透条件为（22）RRRRH121113MIN056213环件塑性弯曲失稳分析环件轧制中的塑性弯曲失稳现象是指环件在导向辊的压力作用下压扁而成为废品。由已提出的环件在导向辊压力作用下产生塑性弯曲失稳力学模型得到环件在轧制中不产生塑性弯曲失稳的刚度条件（其中为环件内外半径初始时0AR的平均值，、分别为环件轧制前的壁厚、轧制中的壁厚、和轧制0HMIN结束的环件壁厚允许达到的最小值（23）102MIN1830RHRHA实际生产中在己知轧辊尺寸时，可应用上式来校核环件的刚度，或在未知轧辊尺寸时，可应用环件刚度条件来设计轧辊。214环件轧制直线进给运动分析直线进给运动用进给速度表示。根据环件轧制条件，每转进给量有一个V极限范围，由此可以得到环件轧制直线进给速度的极限范围MAXIN,H（2RRRRNV1211213IN0564）（2RRV12121MAX5）以上分析的轧制理论是环件轧制成形的充要条件，也是环件轧制成形工艺设计及校核的基础。22环件轧制成形工艺设计221环件设计及推理计算方法环件环件图是在环件零件图基础上，考虑加工余量、轧制公差、轧制余块等绘制而成的。设计环件图时，应注意（1）由于环轧是在敞开或半敞开式型槽中成形的，金属轴向流动量较小，所以环件的截面形状不能过于复杂，并应尽量减小轴向形状的非对称性。为此，可附加余量或将不同截面形状的零件组合设计来达到形状简化的目的；（2）加工余量和尺寸公差。由于环件轧制工艺不能排除多余金属，金属轴向流动量较少，因此要在环件上留有储存多余金属的部位，并适当加大其余量和公差。对大型环件一般应将这种部位设置在内孔面上。加工余量和公差的选取是由环件的外径决定的，可采用下面的推理计算方法进行。矩形截面的环件设计（26）FDPF（27）FDPF（28）FBF表1列有部分零件的加工余量及公差值环形零件外径的加工余量FD环形零件内径的加工余量FD环形零件高的加工余量FB矩形截面环件的外径F矩形截面环件的内径FD矩形截面环件的高F表21轧制环件的加工余量和公差外径内径高度环件外径余量公差余量公差余量公差803105305231581120310530523151211503105305231515118035105305235151812203510535052351522125045141335152513005145134230135055151352222毛坯设计及计算推理过程（1）轧制比轧制比简称轧比，它定义为轧制前的环件毛坯截面积与轧制后的环件环件截面积之比。设、A分别为轧制比、轧制前环件毛坯截面积、轧制后环0件环件截面积，、H分别为轧制前毛坯壁厚和轧制后环件壁厚。0则（29）A0对于用封闭孔型轧制矩形截面环件，由于环件轴向尺寸不变，轧制比可以用环件毛坯壁厚与环件环件壁厚之比表示，即，其中若环件毛坯的壁厚H0过大，则可能出现锻透和咬入条件不能同时满足的情况。因此环件毛坯的最0H大壁厚不能超过，其求解公式为MAX（210）RH21MAX057并得到最大轧比（211RA2110MAX）作为一种极限情况，取则得到最大轧比的极限值为LIM0,120RRA55，即轧比设计中，应按55进行校核。环件轧制工艺设计中，为了MAX计算方便，通常用轧制后的环件环件孔径，与轧制前的环件毛坯孔径之比FD0D值来表示轧比，这个轧比记做当量轧比K。当量轧比K，也就是说，当量轧比取值范围比轧比的取值范围大。实际生产中轧制比选择遵循一定的规律，与环件形状规则有相关联系，可采用下表所列规则进行推理。表22轧制当量比的选择选择条件K值简单的异形截面225复杂的异形截面233有端面碾压时23（2）毛坯尺寸设计对于不同形状的环件，设计时一般规律为截面为矩形的环件，一般选用矩形截面毛坯；为防止端面产生凹陷现象，对沟形截面环件，采用梯形截面的毛坯比较合适；对轧制比大的环件，毛坯截面可做成鼓形；对异形截面的环件，毛坯形状应与环件截面形状尽可能相似。根据环件形状不同进行下面推理对于矩形截面的环件，毛坯尺寸如下确定内直径（212）D0KF外直径（根据体积相等原理得到）（213）DFF202K轧制比矩形截面毛坯的内径0D矩形截面毛坯的外径D对于外台阶环件毛坯设计方法如下首先由环件轴向尺寸确定毛坯轴向尺寸；BFB0SFS0式中，、分别为外台阶环件和毛坯大环部分的轴向尺寸；、BFB分别为外台阶环件环件和毛坯小环部分的轴向尺寸。SF再按当量轧制比K确定毛坯内孔直径D0KF按体积不变原理初选毛坯大环和小环的外径；（214）DFBFB20201（215）DFSFS式中，为毛坯大环的初选直径；为毛坯小环的初选直径。B01S01最后为了保持轧制稳定性和合理分配毛坯大环和小环的体积，应对毛坯径向尺寸进行修正。从小环部分的内孔表面减去体积，使之加到大环和小环的1V外表面处。为了使轧制中外台阶环件内、外表面所受轧制力的合力作用线尽可能重合，以减小它们构成的倾翻扭矩，使体积和的截面呈三角形，体积12的截面呈矩形。根据体积不变条件得3V321（216）DHT1（217）0101100122SBSSBDBTDDB（218）010110013SBSSSTT式中为比例系数，其值为；为芯辊在轧制中总进给量，其2DH值按下式计算；、分别为21102FBFBMDDRRH1R2与大环部分对应的驱动辊和芯辊工作表面半径；为外台阶环件环件和毛坯MR大环部分的外半径平均值，；外台阶环件环件和毛坯大环4/01BFMDRR部分的内半径平均值，于是得到修正后的外台阶环件毛坯径/0DRF向尺寸为3012TDB（219）SS10TD223下料设计及推理计算方法（1）下料重量计算记为下料重量，则可按下式计算W22（220）431制坯加热的火耗重量与下料重量、加热设备和加热次数等有关，其值按下式计算式中，其中为火耗系数（221）314环件重量1下料重量2为制坯冲孔的废料芯重量3为制坯加热的火耗重量W4（2）下料尺寸计算轧制用毛坯的制坯工序通常由墩粗、冲孔、冲连皮、整形等工步组成。第一个工步墩粗要求料段具有合理的高径比或长径比，端面平整，且与中心线垂直。料段高径比的合理数值应为（222）21L生产实践表明，料段高径比以18为最好。所以取81L224初选设备按照环件轧制设备结构特点分类，环件轧制设备可分为立式轧环机和卧式轧环机两类。按照轧制变形特点分类，环件轧制设备可分为径向轧环机、径轴向联合轧环机和多工位轧环机。立式轧环机通常采用径向轧制变形，属于径向轧环机，适用于中小型环件轧制成形。卧式轧环机既有采用径向轧制变形的，也有采用径轴向联合轧制变形的，适用于大型和特大型环件轧制成形。多工位轧环机通常也采用径向轧制变形，它同时轧制多个环件，适用于小型环件轧制成形。国内常用的立式轧环机主要技术参数列在表4中。根据毛坯尺寸初选设备D51160。表23国产立式轧环机主要技术参数轧环机型号D51160D51250D51350轧制环件半径/MM45160250350轧制环件宽度/MM355085环件材料强度极限/MPA959595最大生产率/件1H500400200公称轧制力/KN5098155滑块最大行程/MM70110130轧制线速度/M1S2252122主轴转速/RMIN1208062驱动辊外径/MM360380500520680700压缩空气公称压力/MPA050505芯辊中心高/MM6708751050驱动辊与芯辊最小中心/MM185265365电动机功率/KW1853775机床外形尺寸LWH/MMMMMM220015501850289019902400405018003000机床总重量/KG2800650010000225环件轧制模具设计及推理方法轧制用轧环机一般包括主轧辊（主轧辊进给时又称为驱动辊）、芯辊、端面轧辊或导向辊和信号辊等。由于设备型号不同，轧制工具的结构形式、设计要求也有一定的差异。导向辊和信号辊，除环件的外轮廓是非直线的以外，一般都为圆柱形外廓。（1）驱动辊驱动辊材料通常为5CRMNMO、5CRNIM、GCRL5SIMN，也有用45铸钢，其热处理硬度为4550HRC。基本结构尺寸按照所选设备进行设计，见表3。其中,3R121MBRF，锻件环件相应的圆角半径锻件矩形截面环件的高FB角度、系数M、和驱动辊直径根据不同的设备进行选值。2A1D表24驱动辊的结构尺寸设备规格1DE1HH1A1H22ALM1603602808512502022504203291001626483030535069050018025557040408（2）芯辊芯辊材料通常为3CR2WSV、5CRMNMO、5CRNIIMO，热处理硬度通常为4348HRC，可分为细颈式和圆柱式两种。芯辊工作直径大小取决于环件的要求、生产效率、本身的强度等因素。直径大则轧制速度慢、环件椭圆度较小、端面比较整齐。但直径过大，则导致毛坯内径大，增加制坯工序（需要扩孔）。而直径小则轧制速度快、宽展小、生产效率高、所需的压力较小。芯辊的结构尺寸见表4。表25芯辊结构尺寸轧环机规格2D2H16070/5510/8125/8025075/60145/90350130355其中其中F、E分别为轧制结束,2,32102MBEFDDF时，驱动辊与芯辊之间的径向间隙和芯辊工作部分进入驱动辊型槽的深度，一般取,5MF,103E（3）驱动辊及芯辊的校核为了使环件既能连续咬入孔型，又能锻透，则根据环件轧制咬入条件和锻透条件可知，轧制中环件锻透所需的最小每转进给量不得超过环件咬入所允许的最大每转进给量亦即由该条件可得到环件轧制咬入条件,MAXINH和锻透条件所要求的驱动辊工作半径和芯辊工作半径之间的关系（223）RR51721对该式进行整理得轧辊的极限直径为（224）,51712MINRRR（225）,2I2驱动辊的工作半径1芯辊的工作半径2R轧制环件的外半径R轧制环件的内半径驱动辊最小工作半径MIN1芯辊最小工作半径I2轧辊和环件之间的摩擦角轧辊的工作面最大半径也有限制。对于芯辊。其最大工作半径不能超过环件毛坯的内孔半径，否则，环件毛坯不能套入芯辊。对于驱动辊，其最大工作半径也受到轧环机所允许的驱动辊与芯辊中心距尺寸限制。因此所设计的轧辊工作半径可按其极限尺寸进行校核，保证轧辊工作半径在极限尺寸的范围内。226环件轧制成形工艺参数设计（1）环件极限壁厚若环件毛坯的壁厚过大，则有可能出现锻透和咬入条件不能同时满足的情况，亦即环件锻透时不能咬入，或者咬入时不能锻透。若环件壁厚过小，则有可能在导向辊压力作用下使其压扁。为了实现轧制变形，要求，MAXINH得到，前面已求证。RH21MAX057根据环件轧制的刚度条件，已得出最小壁厚（见式22）。轧制的环件环件壁厚和相应的环件毛坯壁厚应按照环件的极限壁厚进行校核。（2）计算轧制力并选择设备环件轧制力能计算是环件轧制技术设计的重要内容。力能计算不但是环件轧制孔型强度设计和轧制工艺进给设计的依据，而且也是轧环机结构设计、工作参数设计和机电液零部件选择的依据。环件开式轧制力计算所谓开式是指环件两个端面不受孔型限制，即驱动辊和芯辊都为简单的圆柱形状，环件在两辊缝隙中产生轧制变形。设矩形截面环件开式轧制力、单位面积轧制力及轧制力矩分别用尸、P、M表示，则利用开轧制力能上限可以得到（2260083412HLMKBLP）（227）001HKP（228）018342HLMBRML接触弧长K环件材料在轧制条件下的剪切屈服强度环件原始壁厚0HM摩擦因子驱动辊半径1R环件闭式轧制力计算式这种轧制中环件两个端面封闭于轧制孔型内部，环件轴向宽展变形受到孔型侧壁限制。利用连续速度场上限法可以得到矩形截面环件闭式轧制力能计算的方法如下（各符号含义与上同）（229）BLMHLKBP43841200（230）P00（231）BLHLHKBRM43841201（3）设备校核在己知零件尺寸及形状的情况下可以按表3中的技术参数初选轧制设备，并根据选择的设备设计出模具孔型，然后进行模具孔型校核，并按式（226）（231）进行轧制力的校核，如果满足轧制力，则可选用该设备，如果不满足条件则需选更适合的设备重新进行设计及校核。（4）每转轧制进给量的设计及校核从轧制条件来看，环件轧制的每转进给量不得小于锻透所要求的最小每转进给量，同时又不大于咬入孔型所允许的最大每转进给量，即。其中、按（22）、（23）进行计算。由、MAXMINHHMINHAXMINH所决定的每转进给量范围较大，所以每转进给量H的设计有一定的自由AX度。一般来说，环件轧制温度较高，或者轧环机力能较富裕的，每转进给量可取较大值。从轧制设备的力能条件来看，所能提供的每转进给量是有限的，其具体数值可按第一条中的轧制力能公式计算。以下根据环件开式轧制力式（227）来确定轧环机所能提供的每转进给量。实际轧制力不得超过轧环机的额定轧制P力，即，代入式（227）得CPC（232）0083412HLMKBL上式L即对应的轧环机所能提供的轧制变形接触弧长，对上式进行求解PL可以得到的表达式，将之代入环件与轧辊接触弧长公式得轧环机在额定轧制P力下所能提供的每转进给量为PH021002014381831639RRKBHPMKBMHHCCP（233）式中额定轧制力下所能提供的每转进给量P环件毛坯壁厚0H轧辊与环件之间的摩擦因子M轧环机额定轧制力CP轧制条件下环件材料剪切屈服强度K（5）轧制进给速度的设计及校核环件轧制中，通常驱动辊旋转轧制转速是恒定的，而直线进给速度则是根据轧制工艺的需要而确定的。在驱动辊转速恒定的情况下，直线进给速度的大小直接影响到每转进给量和轧制时间。进给速度大，则每转进给量大，轧制时间短。每转进给量的大小，是直接通过进给速度来控制和实现的。为了满足轧制条件，每转进给量应位于极限每转进给量范围内，相应地轧制进给速度也应位于极限进给速度范围内，式中、分别VMAXINMINVAX为环件轧制最小和最大进给速度，其值分别按式（24）、（25）计算。除了轧制条件外，进给速度还受到了轧制设备的力能条件限制，即进给速度不能超出轧制设备所能提供的轧制进给速度。在进给速度设计中，可按照轧制设备所能提供的每转进给量和环件毛坯与环件的平均外圆半径初步确定进给速度（234）RHNVAPP1式中，分别为轧制设备所能提供的进给速度和环件毛坯和环件的VPAR外圆半径平均值。若按上式设计的进给速度，能同时满足最小进给速度及最大进给速度的极限范围，则所设计的进给速度同时满足轧制设备力能条件和环件轧制条件的要求，是可以实现的轧制进给速度。若按上式设计的进给速度不满足进给速度的极限范围的轧制条件，则可以考虑用环件毛坯外圆半径取代代入式（234）AR重新设计，以提高进给速度；或者考虑用环件环件外圆半径取代代入式（234）重新设计，以降低进给速度；也可以考虑适当减小轧制设备提供的每转进给量，以降低进给速度。（6）环件轧制时间轧制时间是指一个环件开始轧制至轧制变形结束所经历的时间，即环件轧制生产率。轧制时间表达式为（235）00HHTFFVDDT式中环件轧制中的瞬时环件壁厚H环件初始壁厚0轧制结束时的壁厚F通常，环件轧制过程大致可分为三个阶段（以进给速度和时间为坐标，环轧过程下图“环轧过程三个阶段”所示）1咬入孔型阶段、2稳定轧制阶段、3整形轧制阶段。生产中合理的分配轧制变形的三个阶段，可以获得合格的轧制环件。在环件轧制工艺设计中，可以根据轧制设备所能提供的进给速度来计PV算轧制时间，由此式计算出的轧制时间是设备完成环件轧制变PTPFPVH0形所需的最短时间，也是轧制设备生产中所能达到的最快节奏。图21环轧过程三个阶段23具体零件实现过程本系统工艺设计流程如下不满足条件不满足条件轧制参数的设计及校核不满足条件不满足条件模具设计芯辊设计模具的校核极限壁厚的校核轧制力的计算及设备的选取输入环形零件尺寸信息锻件的设计毛坯、下料设计及初选设备模具设计驱动辊设计满足条件满足条件满足条件图22工艺设计流程具体零件的设计过程（1）下图是一个简单的矩形截面环件，零件尺寸信息已标注图23矩形截面零件（2）环件尺寸计算由321推理过程，得到3,3,3FFFBDD5710FFF（3）毛坯设计由322推理，零件为简单矩形截面，得到K1582963,38000BD（4）下料设计下料重量W43123147059G下料尺寸L/181058165,L1904681（5）设备初选由环件半径为50MM,查表可初选设备D51160（6）驱动辊和芯辊的设计和校核根据设备型号D51160，得到8,35,1802R同时进行模具设计的校核，尺寸满足条件RMIN2IN1,所以,21，驱动辊和芯辊的尺寸为（7）轧制成形工艺参数的设计计算轧制力并选择设备代入参数计算得PP公称,设备符合要求HPMAXMIN毛坯及环件壁厚的校核输入参数计算得毛坯及环件壁厚满足要求设计轧制进给速度并校核VPMAXIN校核满足要求。以上是一个矩形截面零件在系统中的轧制成形工艺过程设计实例。第3章环轧专家系统的设计思路31专家系统的开发过程专家系统的构造开发过程称为知识工程。一般来说，一种工程技术不仅要求相当成熟的理论基础，而且需要有一套工程设计方法，目前专家系统的构造还不存在统一的方法和模式。要成功开发一个专家系统必须要求领域专家提供知识和求解方法，用户提供要求，知识工程师从专家那里获取知识，并将其转换到计算机上。专家系统开发过程中，知识的获取和知识的形式化表示是开发过程中的难点和瓶颈。专家系统开发的过程见图31。图31专家系统的开发过程311专家系统的设计思想针对环轧工艺设计的独特性，本系统将知识库分为两部分规则库和知识概念库，规则库存放各类知识规则和专家经验，用于决策推理之用；知识概念库存放环轧工艺的各种知识概念。为了选择合适的系统模型，我们归纳了所需要处理知识的特点，其中既有启发性知识、定性推理方法，又有定量计算，并涉及到算法非常复杂、计算量很大的数学模型，应用领域的情况比较复杂。在系统的许多模块中，需要针对不同的知识进行处理，而这些知识归纳后的类型基本相似。我们首先考虑构造一个具有通用性的专家系统模型，用此模型来实现对知识的存储、管理以及基于知识的推理等功能，然后将此模型与需处理的知识结合起来，最终实现系统的各个组成部分。本系统的主要设计思想是（1）提供有效的知识表示方法，将领域专家的知识形式化，建立知识库模型。（2）建立有效的推理机制，能充分利用知识库里的知识进行推理。（3）领域专家能比较方便的对知识库进行更新、改进。（4）实现各类复杂数学模型的计算。（5）摸索建立环轧工艺设计专家系统的过程，为以后建立复杂的专家系统奠定基础。312专家系统总体结构专家系统的一般结构包括知识库、推理机、知识获取、解释器等，但针对具体的设计内容，为有效组织复杂的专业知识，需要构造具有专业特点的专家系统结构。采用面向对象技术的专家系统总体结构如图22所示。在这样的系统中，为了便于知识规则管理，知识获取模块只是针对专家和知识工程师。图32专家系统总体结构313各模块的基本功能和特点本系统由知识库、知识库查询系统、知识获取系统、用户界面、推理控制模块、设计模块组成。各模块的基本功能和特点如下（1）知识库查询模块可对知识库中的知识进行查询访问，但不能对其进行修改、添加、删除等操作。该模块是针对普通用户的。（2）知识获取模块可对知识进行各种操作，包括对知识规则的修改、添加、删除，友好的人机界面方便了知识工程师和专家对知识库的维护。（3）知识库分为两个部分，规则库和知识概念库，规则库用于存放各种知识规则和各种对象，包括对象的属性方法等；知识概念库用于存放环轧工艺的各种基本知识。（4）推理控制模块用于联系知识库和分析模块、设计模块，对外功能模块通过推理控制模块从知识库中调用各种规则进行推理决策。（5）分析模块和设计模块是专家系统的对外功能模块，它能辅助用户进行环轧工艺的设计。32专家系统的知识表示321知识的表述任何智能系统的核心都是知识，知识获取、知识表示、知识处理是构造人工智能系统的三大支柱，而知识表示处于中心地位，知识表示直接对智能系统的知识库的操作产生最重要的影响。所谓知识表示，就是关于如何描述事物的一组约定。对于知识表示，现在已有不少表示方法，如状态空间搜索法、逻辑表示法、产生式表示法、框架表示法、语义网络表示法、脚本表示法、过程表示法、PETRI网表示法、面向对象表示法等等。对同一知识，一般都可以用多种方法进行表示，但其效果却不一样。由于不同领域中的知识一般都有不同的特点，而每一种表示方法也各有自己的长处与不足，则在建立一个具体的智能系统时，究竟采用哪种表示模式，目前还没有统一的标准，也不存在一个万能的知识表示模式21。推理机是在知识库基础上分析与解决问题的，因此，知识的表示及组织方式影响推理机的构造及效率。知识的表述是将事实、事实之间的关系、过程等组织成一种合适的数据结构。由于要建立的专家系统是一个专用的系统,其规则数量相对较少,结构也比较简单,所以选用产生式规则表示法22。产生式规则（PRODUCTIONRULE）表示法的具体表示如下IFPREMISE,THENCONCLUSION（ACTION）；规则的动作部分可以是向用户问一个问题,执行一个标准的程序过程等。运用产生式规则的基本思想就是从初始的事实出发,用模式匹配技术寻找合适的产生式,如果带入已知的事实后使产生式的前提为真,则这个产生式就被激活,从而推出新的事实,并将新的事实作为可匹配前提的事实。依次类推,直到没有新的结论被推出为止。该专家系统的产生式规则表示法有许多优点。模块化规则基系统的一个显著的特性就是规则库中的规则能够容易地增加、删除、修改。改变一条规则,虽然会影响系统的特性,但不会直接影响系统其它的规则。这是由于规则之间是通过知识库中的事实通讯的,它们之间并不直接调用。一致性由于所有的知识都是按产生式规则的形式编码,这就使控制、操作和修改都比较容易。自然性它能自然地表达知识,容易使人们理解。322知识库的管理与维护考虑到专家系统在使用时,会对知识库添加、删除和修改一些知识,开发了对知识库操作的工具。（1）添加、删除知识出于系统安全和便于维护、管理等方面的考虑,选择了字典这种方式在系统和用户之间提供了一个接口。当需要添加新知识时,如果使用到字典中没有的新关键词,用户必须首先给字典添加关键词,然后在“知识库维护”中选择字典中的关键词,来添加新知识。知识的删除可以直接在“知识库维护”中,选择需要删除的规则,然后按“删除”按钮将其删除。（2）规则的一致性检查在增加规则后,为了防止新规则与原有的规则相矛盾,进行一致性检查。33专家系统推理机的结构专家系统是人工智能应用研究的主要领域。正如专家系统的先驱费根鲍姆所说专家系统的力量是从它处理知识中产生的，而不是从某种形式主义及其使用的参考模式中产生的。它实质上是一个计算机程序系统，能够以某一领域专家的水平解决该领域的复杂问题。推理机（INFERENCEENGINE）是专家系统中实现基于知识推理的部件，是基于知识的推理在计算机中的实现，主要包括推理和控制两个方面，是知识系统中不可缺少的重要组成部分。推理是指依据一定的规则从已有的事实推出结论的过程。专家系统能够高效地求解复杂问题，除了拥有大量的专门知识外，更重要的是能够合理选择及有效运用知识。基于知识的推理所要解决的问题是如何在问题求解过程中，选择和运用知识，完成问题求解。知识的运用模式称为推理方法，知识的选择称之为推理控制，它直接决定着推理的效果和推理的效率。331专家系统推理机的构成专家系统的根本任务是求解领域内的现实问题。问题的求解过程是一个思维过程，即推理过程。推理机是专家系统的“思维”机构，是推动专家系统运转的核心部分。推理机的任务是模拟领域专家的思维过程，控制并执行对问题的求解。它能根据当前已知的事实，利用知识库中的知识，按一定的推理方法和控制策略进行推理，求得问题的答案或证明某个假设的正确性。推理机的性能和构造一般与知识的表示方式及组织方式有关，但与知识的内容无关。推理机的功能是根据一定的推理策略从知识库中选择有关知识，对用户提供的证据进行推理，直到得出相应的结论为止。推理机包括推理方法和推理策略两部分。专家系统推理机结构如图33所示。推理控制部件当前绝点缓存用户接口规则解释器控制黑板外部数据库知识库知识库接口用户图33专