珩磨工艺设计优化与智能诊控专家系统的制作方法

专利名称：珩磨工艺设计优化与智能诊控专家系统的制作方法
技术领域：
本发明专利涉及一种对精密偶件孔珩磨工艺进行设计优化，对珩磨工艺过程进行参数智能诊断和控制的专家系统。
背景技术：
珩磨技术背景珩磨作为一种磨削加工的特殊形式，又是一种高效率的加工方法。它不仅能去除较大的加工余量，而且是一种提高工件的尺寸、几何形状精度和表面粗糙度的有效加工方法。近年来，它已成为发动机气缸套、气缸体孔以及工程机械中重要的液压缸等精密偶件孔加工主要工艺手段，通过高质量的珩磨，在发动机方面，缩短了发动机跑合时间，减少了燃料消耗，避免了孔的拉毛划伤；在液压偶件孔方面，它通过均匀的工作表面的油膜，提高偶件间配合精度，增强密封性能，提高液压系统的稳定性与功率增长。珩磨工艺质量直接影响气缸套、气缸体、液压缸等关键基础件的使用寿命，决定了发动机的大修时间、油耗和尾气排放以及液压系统的稳定性与可靠性。
随着工程技术领域对发动机运行机理的深入研究，精密偶件间的配合对珩磨技术要求有了大幅提高，由七十年代以前单纯追求珩磨工艺获得内壁尺寸高精度的尺寸公差和形位公差，发展到当今控制尺寸精度、形位公差同时，更注重控制珩磨网纹的微观结构，如网纹石墨裸露率、表面金属折皱、波峰与波谷形态等，研究不同珩磨类型的适用性，如镜面和平台网纹等，其中平台网纹以其理想的网纹结构，在大功率重载、高速类汽车发动机和中低速船柴发动机中得到普遍重视。
在当今发动机气缸套、气缸体以及工程机械液压系统制造业，由于珩磨工艺技术较为复杂，影响珩磨质量的因素繁多，珩磨技术出现只有五十多年，还一直处于发展阶段，无论是国际还是国内，珩磨制造技术一直没有系统地形成理论，因此各制造厂商珩磨水平存在差距，以我国为例，因珩磨技术采用起步迟、理论研究薄弱，与当前先进珩磨技术相比，仅处于国际上个世纪七、八十年代水平，其中对珩磨控制的参数仅有Ra/Rz/tp/Sk等少数几组参数，而国际先进标准及一些发达的发动机主机厂家根据气缸磨擦副机理研究，提出控制珩磨石墨裸露率等技术要求，现在国际先进的珩磨技术石墨裸露率需求达25％以上，我国珩磨技术已远远满足不了现代工业、汽车工业的技术需求，因此，对于进口汽车、船舶，部分精密工程机械等还需从国外进口，还无法实现出口为国际先进发动机提供机体、气缸套等关键部件，参与国际竞争，在大功率的工程机械行业出口方面，存在同样的问题。
当前，在先进的发达国家，对珩磨技术方面的研究主要侧重新型珩磨技术研发，如德国拉格尔公司研制的双向双进给平顶珩磨，德国格林公司最新研制的激光珩磨，美国善能公司新开发的涮珩技术。在表面粗糙度检测仪器研究，主要是为适应精密偶件珩磨技术的发展而发展的，根据珩磨网纹微观结构，国际先进的检测仪器可检测70种以上参数，通过对这些参数的检测，操作人员或技术人员对珩磨切削参数进行调整，从而获得较为理想的珩磨网纹，著名的检测系统有英国泰勒、德国霍梅尔、德国马尔、日本精工等。这些工艺、检测技术的研发，改善了发动机运行机能，延长了发动机的使用寿命，但均存在各自利弊通过激光珩磨技术，可以获得近似矩形的交叉网纹沟槽，有利于提高发动机气缸套、缸体使用寿命、耐磨性、配副性、储油性等，但加工时间长，工效低，难以适应发动机大批量生产需求；涮珩为当前国际一种新型珩磨技术，通过刷珩，使表面轮廓的顶部变成圆形，这就意味着表面的贮油性能高、切削深度小、与平顶结构相似，但该技术对机床配置、性能有较高要求，且涮磨头的材质还处于试验研究阶段，目前很难获得普及；德国拉格尔公司近几年开发研制出的一种新型珩磨技术，主要针对传统珩磨工艺中存在的金属折皱、石墨裸露率低等问题进行了技术改进，该技术优点加工过程，通过对网纹沟槽双向磨削，彼此清除槽内的金属折皱、加大对金相组织的石墨切割，有利于网纹的规则、清晰，目前已成为国际发动机制造业普遍认可的成熟的珩磨技术，其存在的缺点是必须对珩磨操作人员的技能要求较高，高精度的网纹参数工艺设计与诊断完全由操作人员和检测人员把握和控制调节，珩磨网纹的加工质量取决于操作人员技能，如何减少人为影响因素，实现珩磨工艺设计优化、工艺过程智能诊断，在珩磨加工中形成系统的理论与经验，已成为当前发动机制造业科技发展的一项前沿课题。
专家系统专家系统(ES，Expert System)是一种模拟人类专家解决领域问题的计算机程序系统。专家系统内部含有大量的某个领域的专家水平的知识与经验，能够运用人类专家的知识和解决问题的方法进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，来解决该领域的复杂问题。
专家系统是人工智能应用研究最活跃最广泛的应用领域之一，经30多年的发展，各种专家系统已遍布国民经济的各个领域，均在发挥着作用。
专家系统应用于珩磨工艺设计与诊断控制在珩磨工艺设计中，产品的质量和效率取决于少数珩磨专家或操作人员，人为因素较大，造成珩磨水平的巨大差异。如果能在珩磨工艺设计与加工过程方面引入专家系统，充分利用专家积累的丰富科学经验和广博的技术标准数据，配以必要的推理与专业训练来解决珩磨加工工艺中的各种问题，发挥专家系统人工智能的作用，从而推动珩磨加工工艺的系统发展。
专家系统运用于精密偶件孔珩磨加工，实现工艺设计优化及智能诊断控制，目前这类方面的研究，经国家一级查新机构查新国内未见报道。经国际检索，将专家系统运用于汽车、工程机械、军工机械等检测、故障诊断、过程控制、工艺设计等领域的研究已十分广泛，但珩磨工艺中采用专家系统的研究还未见公开报道。

发明内容
本发明要解决的技术问题当前精密偶件孔珩磨技术主要还停留在行业内相互间的零星式借鉴引进等层次，各制造厂家能设计和生产科学的珩磨网纹较少，仅是在某一方面积累局部经验，珩磨质量受人为影响因素制约，不能系统的掌握和运用科学珩磨工艺。
目前对内孔珩磨加工存在四大误区其一是通过单向的双进给可实现平台网纹。根据本发明中已收集并掌握的平台网纹技术，这是不科学的。单向的双进给缺点是无法通过自身珩磨砂条清除网纹沟槽中的金属折皱，影响网纹沟槽清晰度及石墨裸露率；其二是通过金刚石砂条实现平台网纹。金刚石砂条因其粘接基体为铜，它的自锐性较差，在珩磨过程中，通过加大珩磨机的高压涨油压实现对平台网纹中深沟槽拉削，其缺点是加工过程同时导致金属折皱的增多，影响石墨裸露率和网纹沟槽内加工质量，不利于气缸套与活塞环间的配副性；其三是对平台珩磨加工技术认识贫乏，还无法全面理解网纹参数，对Mr1、Mr2、Rpk、Rvk、Rk、Wt及石墨裸露率等参数认识模糊，无法在加工过程对之加以控制和改善，本发明中，系统地采用国内已建立起来的工艺经验及国际平台网纹检测标准，检测和控制平台网纹相关参数；其四是对平台网纹理解存在缺陷，单纯追求平台网纹。平台网纹在重载、中低速类车船已得到运用，它具有降低机油耗、缩短气缸磨擦副间跑合时间，延长内壁使用寿命等优点，但同样因珩磨网纹的存在，在轻载、高速类小型机工作过程中，却因高速会使机油油膜无法及时形成而引起自润性部分失效，反会容易造成拉缸、早期磨损等缺陷，在此类气缸套的方案解决上，适宜通过改善材质，添加合金元素提高材质配副性能，采用镜面珩磨技术等技术方案。
国内珩磨应用领域能够进行系统地研究珩磨工艺、优化设计及智能诊断控制技术还是空白，在国际珩磨领域，对本项目的技术研究目前也处于前沿阶段。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案本发明基于人工智能应用研究领域最活跃的专家系统手段，实现对精密偶件孔珩磨加工工艺设计优化，并在珩磨过程中进行检测数据采集、判断、推理，给出科学的诊断结论，提出合理地整改方案，实现珩磨过程对工艺参数进行智能控制，获得科学合理的珩磨质量，推动精密偶件孔珩磨加工技术进步。
本专家系统采用国际标准化最新颁布实施的ISO 13565珩磨技术规范标准，实现对国际先进发动机、工程液压系统对气缸套、气缸体、液压缸等精密偶件孔珩磨网纹中要求的Mr1、Mr2、Rpk、Rvk、Rk、tp、Wt及石墨裸露率等各类技术参数的进行控制，使该技术达到国际同类先进水平。通过本发明，对珩磨网纹的设计与加工实施系统指导与智能诊断控制，可为发动机气缸系统、工程液压系统在工作过程中提供良好的油膜形成条件，保证运动偶件间始终保持一层油膜层，防止基体直接接触磨损，缩短发动机气缸系统、工程机械液压系统的跑合时间，降低气缸油耗，减少金属基体磨损颗粒脱落，并抑制了积碳、磨粒的形成，从而最终改善发动机尾气排放质量，为车船尾气排放达欧II排放标准提供了优质的工作环境；对工程机械而言，提供性能可靠、功率强劲的系统性能。
一、本专家系统的结构专家系统的结构是指专家系统各组成部分的构造和组织形式。本系统采用专家系统中普遍应用的一般结构，如下所示
二、本专家系统的开发环境专家系统的开发环境常采用传统的人工智能专用语言(如Lisp、Prolog等)来进行，但由于这些智能语言在运行效率、移植性、过程性和实现方便性等方面受到限制，使得很多情况下难以满足实际应用。但进入90年代后，随着面向对象技术的日益成熟，采用面向对象技术的C++语言已成为程序设计语言的主流，被广泛应用与系统程序设计及人工智能开发等方面。采用C++开发专家系统具有以下优点 计算能力强，可以很方便地处理字符和进行数值运算； 支持面向对象技术，软件开发过程更接近人类思维； 系统内核小，具有良好的可移植性，程序代码优化，开发效率较高； 采用流行的GUI编程，软件的开发可生成友好的用户界面； 程序的编辑和调试方便。
故本系统采用VC++为开发工具，用SQL构建知识库的基本框架结构，借用MFC的数据库操作类DAO来实现对知识库的开发和维护。
一、知识库(Knowledge Base)的设计1、知识获取。
知识库是专家系统的核心，是以某种存储结构存储的珩磨工艺的专家知识，包括事实和可行的操作与规则等。本系统的知识来源于丰富的珩磨技术积累、以及专家们的实践经验和相关的国家标准、国际标准和参考文献资料。系统索取的原始参数包括国家最新标准所有参数要求、国际标准ISO 13565所有技术要求，以及国际先进主机如德国大众斯科达、奥地利斯太尔、美国康明斯、意大利依维科等对气缸套最新珩磨网纹技术要求，其中主要有Ra\Rz\Rsk\Rvk\Rk\Wt\Mr1\Mr2\tp，以及网纹沟槽数、网纹夹角、石墨裸露率等近30种以上的参数进行采集，参数采集超过国家颁布的珩磨网纹技术标准，同时系统根据参数要求，进行程序编制，使系统可以推理出适合的工艺参数。
在知识库的知识获取形式中，本系统设置了对检测数据实时获取功能，使系统实现在珩磨加工过程中，自动对检测数据的采集与总结，并不断地自我训练，使系统功能不断得以更新，实现系统数据更新的可持续性与先进性。
2、知识的表示知识的表示有一阶谓词式、产生式、框架式和语义网络等几种，而产生式表示法是一种应用简单且最为成熟的方法，目前已成为人工智能领域应用最多的一种知识表示模式，为大多数专家系统所采用。
本系统采用的产生式可以用于表示具有因果关系的知识，其基本形式是P→Q，或者IFPTHEN Q，其中P是产生式表示法的前提，用于指出产生式是否可用的条件；Q是一组结论或操作，用于指出前提P被满足时，应得出的结论和要执行的操作。
为了提高本专家系统的推理搜索效率，系统首先根据珩磨工艺进行分类，具有可分为珩磨切削参数(主轴转速、往复速度、高压涨、低压涨、液压夹紧力)、珩磨头的种类(激光珩磨、涮珩、双进给珩磨、珩磨头的精度等级、珩磨头的长度)、砂条参数(材质、粒度、浓度、硬度、长度、宽度、结构)、然后再针对不同的工件(材质、孔径、长度、加工精度、技术要求)进行细分。这样做的目的是为了便于知识库的构建、维护和管理，更重要是能缩小搜索范围，提高效率。
三、全局数据库的设计知识库的维护和管理是采用DBMS来实现的，利用它可以很方便地实现对知识的组织和管理，系统分析后得到总的E-R。
通过对总的E-R图分析，并进行关系模型的转化，对数据库进行逻辑结构设计和物理设计后，确定数据库最终要存储在物理设备上的存储结构和存取方法。
四、全局数据库的实现全局数据库又称为总数据库，它用于存储求解问题的初始数据和推理过程中得到的中间数据。本系统采用SQL server系统构建数据库各表的框架，然后对用MFC的DAO编程技术来实现对数据库的操作和管理。本专家系统使用的类有CDaoDatabase类、CdaoTableDef类、CdaoQureyDef类和CdaoRecordsrt类。
系统利用CdaoDatabase类来访问数据库；利用CdaoTableDef类访问数据库对象的表同时该类还可以完成创建表的字段和索引；利用CdaoQureyDef类实现系统在推理过程中的查询操作等；利用CdaoRecordsrt类来实现对数据库的编辑，完成对记录的查询、修改、增加和删除等操作。
五、推理机的设计推理机根据全局数据库的当前内容，从知识库中选择可以匹配的规则，并通过执行规则来修改数据库中的内容，再通过不断推理导出问题的结论。推理可以分为正向推理、反向推理和混合推理。本系统采用正向推理技术，即根据珩磨工件的缸径、材质、网纹参数等，并结合相应的工艺参数，分层次进行推理，同时通过友好的用户界面给出系统的推理值。如用户需要对数据进行调整，可在组合框内选择适当的数值，或直接将数值输入编辑框中，修改后的数值将作为新的工艺参数被添加到知识库中，使知识库得以不断更新。
本系统还建立可与多检测的数据链接，实现加工过程中检测数据的自动采集。主要实现与国际著名的德国霍梅尔、德国马尔、日本精工、英国泰勒检测仪检测系统、以及中国的哈量、上量等检测仪进行数据链接，从而使知识库自动处于更新状态。
系统的推理过程为根据综合数据库中给出的已知事实，正向使用规则，即把规则的前件和当前数据库的内容进行匹配来选取可用规则，若有多条规则可用，则按照冲突消解策略从中选择一条规则执行，将执行结论添加到综合数据库中，直到问题求解或没有可用规则为止。
系统推理步骤为本系统根据用户所选择的输入参数，首先给出网纹参数要求，然后系统结合其他初始条件进一步推理出珩磨切削参数值、珩磨类型、珩磨砂条特性等其他工艺参数，整个过程可在系统工艺设计向导下指导完成。
通过与不同检测系统的数据链接，使本项目专家系统实现加工检测数据分析，通过科学推理，系统提供合理诊断结论，提出科学可行的实施方案。
本发明的有益效果本发明采用人工智能应用研究领域最活跃的专家系统，实现对精密偶件孔珩磨加工工艺设计优化，并实现对珩磨过程中进行检测数据采集、判断、推理，给出科学的诊断结论，提出合理地整改方案，形成珩磨工艺系统的操作规范。
运用专家系统高新技术手段，基于对珩磨加工过程及评定方法的知识库的建立，对珩磨加工进行工艺设计指导与工艺过程智能控制。
具体实施例方式
设备以可以实现双向双进给珩磨机作为设备配置，进行参数调试。
工件分别采用我国发动机通用的高磷铸铁、硼铸铁，以及各类合金铸铁和或机械性能较强的贝氏体材质气缸套作加工工件，采集各类珩磨数据。
工艺检测检测系统采用德国马尔测量仪。
珩磨网纹参数检测采用英国泰勒表面粗糙度检测仪。
系统研制设施配置本专家系统设计、调试安装在与英国泰勒检测仪驱动程序同一台计算机上。
数据采集a.珩磨工艺数据采集，确定完整的评定参数体系；b.珩磨技术标准采集采集珩磨网纹国家技术标准、国标技术标准采集，以及国内外有关主机厂、工程机械集团先进的珩磨网纹技术要求。
c.珩磨切削参数采集采集国内外各类珩磨设备的所有相关参数，主要包括主轴转速、往复速度、高压涨、低压涨、液压夹紧力。
d.珩磨类型采集采集国内外各类珩磨特征、特性，主要包括单向单进给珩磨、单向双进给珩磨、双向双进给珩磨、激光珩磨、涮珩磨。
e.珩磨头结构采集采集各类珩磨头类型与结构，主要包括珩磨头的材质、长度等相关技术要求，以及与加工件特征量关系，国内外各类珩磨头的类型与特性。
f.砂条数据采集采集国内外砂条类型、特征，主要包括材质、粒度、浓度、硬度、长度、宽度、结构等。
g.冷却液数据采集采集国内外冷却液种类、特性，主要包括冷却液种类、成分、浓度、温度、流量等。
h.提取现有泰勒测量仪的原始数据，解决各参数的算法，实现现有仪器的底层数据开放； 系统建立与管理 通过正交工艺实验方法，研究分析各工艺参数与各质量参数之间的量化关系； 确定专家系统的基本结构，选用适当的开发环境和开发工具； 建立专家系统的珩磨工艺参数知识库，对专家知识与技术经验进行获取与表示； 建立专家系统的全局数据库，实现对珩磨工艺参数知识的组织和管理； 建立专家系统的推理机，实现从珩磨工艺参数知识库中选择可以匹配的规则，并通过执行规则来修改数据库中的内容，再通过不断推理导出珩磨工艺优化问题的结论； 系统运行调试，并在原始系统模型上改进得到健壮的完整系统。
运用较为全面、完善的专家系统来指导珩磨工艺设计，主要包括各类网纹参数选择、工艺参数选择等 建立在本专家系统上，并通过与检测仪驱动程序的实时链接，实现对加工过程中检测参数进行正确评定、判断，得出学结论，提出合理解决、调整方案，实现智能诊控。
系统的结构运作过程由设计人员根据成品图内孔珩磨技术要求，使用本专家系统进行问答式知识交流，由本专家系统确定工艺方案、拟制工艺执行参数(包括珩磨机的系统压力、珩磨砂条选择、夹具体的精度选择等)，并由本专家系统将相关工艺设计优化的方案提供操作人员，由操作人员按有关工艺要求进行初期珩磨加工与调试。调试过程中由检测仪对珩磨质量进行检测，检测参数通过软件数据接口与本专家系统进行数据链接，由本专家对检测数据进行分析、处理，得出处理结果，并提出解决方案，调整珩磨工艺方案，操作人员根据本专家系统进行珩磨调整与操作，然后再重新检测，并重新由专家系统进行数据分析与处理，如此循环，其目的有二一是完成满足成品技术要求的珩磨加工；一是对专家系统进行了知识库积累与自学习过程，丰富专家系统经验。
权利要求
1.一种珩磨工艺设计优化与智能诊控专家系统。应用于精密偶件孔珩磨工艺设计、加工与检测中的智能数据处理，其特征是采用人工智能应用研究领域最活跃的专家系统，实现对精密偶件孔珩磨加工工艺设计优化，并实现对珩磨过程中进行检测数据交互式采集、判断、推理，给出故障诊断结论，提出整改方案，实现珩磨工艺技术的全面、科学、系统管理与应用。
2.根据权利要求1所述的专家系统，其特征是系统采用VC++为开发工具，用SQL构建知识库的基本框架结构，借用MFC的数据库操作类DAO来实现对知识库的开发和维护。
3.根据权利要求1所述的专家系统，其特征是系统的知识来源于丰富的珩磨技术积累、以及专家们的实践经验和相关的国家标准、国际标准和参考文献资料，系统索取的原始参数包括国家最新标准所有参数要求、国际标准ISO 13565所有技术要求，以及国际先进主机如德国大众斯科达、奥地利斯太尔、美国康明斯、意大利依维科等对气缸套最新珩磨网纹技术要求，其中主要有Ra\Rz\Rsk\Rvk\Rk\Wt\Mr1\Mr2\tp，以及网纹沟槽数、网纹夹角、石墨裸露率等近30种以上的参数进行采集。
4.根据权利要求1所述的专家系统，其特征是系统利用CdaoDatabase类来访问数据库；利用CdaoTableDef类访问数据库对象的表，同时该类还可以完成创建表的字段和索引；利用CdaoQureyDef类实现系统在推理过程中的查询操作等；利用CdaoRecordsrt类来实现对数据库的编辑，完成对记录的查询、修改、增加和删除等操作。
全文摘要
本发明涉及一种对精密偶件孔珩磨工艺进行设计优化，对珩磨工艺过程进行参数智能诊断和控制的专家系统。当前精密偶件孔珩磨技术主要还停留在行业内相互间的零星式借鉴引进等层次，各制造厂家能设计和生产科学的珩磨网纹较少，仅是在某一方面积累局部经验，珩磨质量受人为影响因素制约，不能系统的掌握和运用科学珩磨工艺。本发明基于人工智能应用研究领域最活跃的专家系统手段，实现对精密偶件孔珩磨加工工艺设计优化，并在珩磨过程中进行检测数据采集、判断、推理，给出诊断结论，提出整改方案，形成珩磨工艺系统的操作规范，实现珩磨过程对工艺参数进行智能控制。
文档编号B24B1/00GK1569395SQ0313202
公开日2005年1月26日 申请日期2003年7月14日 优先权日2003年7月14日
发明者王泽民, 张顺先, 郑永芹, 王林高, 李伯奎 申请人:王泽民