平面磨削工艺专家系统的研究
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摘 要
随着计算机技术的普遍应用和人工智能的高速发展，如何利用这些技术使磨
削加工更加规范化，并使之能科学地选择工艺参数，成为众多企业急需解决的一
个重要课题。
本文建立了一个基于知识与专家经验的平面磨削工艺专家系统。磨削工艺专
家系统是企业工程信息系统 EIS 的一项基础性工作，主要是向计算机辅助工艺设
计CAPP 提供最优的磨削方案，平面磨削工艺专家系统可以收集优秀的平面磨削
案例，分析并从中提取磨削知识，为今后解决类似的问题提供专家建议。
平面磨削工艺专家系统的主要功能为：
基本功能。在此系统里可以输入、查询、修改以及删除工艺案例；
磨削工艺案例的评价功能。在众多案例中，通过灰色关联度分析算法获得
最优的磨削案例和最大影响磨削质量的工艺参数；
磨削方案的推荐功能。通过模糊学习算法以及专家经验，可以获得磨削过
程中的刀具选择和磨削参数。
本文提出了平面磨削工艺专家系统的数据流程图，说明该系统采用模块化设
计的方法。每个功能模块具有相对独立的结构，与其他模块没有数据的依赖性。
整个专家系统分为以下几个模块：磨削案例输入模块、磨削案例查询模块、磨削
案例修改和删除模块、磨削案例评价模块、磨削方案推荐模块、数据维护与系统
管理模块
本文重点讨论上述六个功能模块中两个含有算法的模块：磨削案例评价模块
和磨削方案推荐模块。
磨削案例评价模块通过基于灰色关联分析的算法对案例的磨削工艺参数进行
评价优化。通过正交试验设计实验方案进行算法验证，可以得到相同或相近加工
要求和加工条件下最优的工艺案例。
针对磨削实际情况提供合理的磨削方案这是磨削案例推荐模块的主要功能，
建立简洁可行的结构化数据来描述磨削实例经验模型将以前磨削加工积累的磨削
案例和经验储存于磨削数据库中。根据查询条件，查询最符合要求的案例。当没
有符合检索条件的案例时，磨削方案推荐模块通过模糊学习算法完成了量化工艺
参数的推理，并根据专家经验，给出了非量化的最优工艺参数。
关键词：平面磨削工艺专家系统 磨削案例评价 灰色关联分析 磨削方
案推荐 模糊学习算法
ABSTRACT
With the development of AI(Artificial Intelligence) and the popular application of
computer technology, it has become a subject which need to solute badly for many
enterprises that how to make machining standardize and enable it choose the craft
parameters scientifically such as tool, grinding essentials, etc.
The paper gives a solution of setting up an intelligent plane grinding expert system
based on knowledge and expert experience. A grinding process expert system is a
fundamental work of the Engineering Information System (EIS), which mainly provides
an optimized grinding scheme to CAPP. The system is able to collect best grinding
scheme and make case study on grinding cases, from extract grinding knowledge is then
extracted, thus provides expertise suggestion for the similar problem solution in the
future.
The main functions of the grinding process expert system:
The fundamental function. Input, retrieval, modification and deletion the
grinding cases can be established in this system.
The function of evaluating cases. By way of the grey relational analysis
algorithm, the optimized grinding case and the most influential process
parameters can be chosen among many cases.
The function of grinding scheme suggestion. Configuration schemes and
grinding parameters can be obtained from the expert system by way of fuzzy
reasoning algorithm and grinding knowledge.
The paper provides a data flow chart on the grinding process expert system and
represents that the system applies the modularized design method. Each module has its
relatively independent structure and does not have data-dependence on other module.
The whole expert system consists of the following modules: Grinding Cases Query
Module, Grinding Cases Evaluation Module, Grinding Scheme Suggestion Module,
Data Maintenance Module.
The paper primarily discusses three implementation modules of the above four
function modules: the Grinding Cases Query Module, the Grinding Cases Evaluation
Module and the Grinding Scheme Suggestion Module.
The main function of the Grinding Cases Query Module is to provide appropriate
grinding cases according to the actual grinding situation. According to the query, the
most qualified case can be given.
The Grinding Cases Evaluation Module can optimize the grinding process
parameters by way of the grey relational analysis algorithm. The algorithm is verified
throughout experiment designed by orthogonal experimental design, and the optimal
grinding scheme case is obtained under the same or similar machining requirements and
conditions.
The function of grinding scheme suggestion can accomplish the inference of
quantizing process parameters. In addition, according to expert experiences in grinding
expert system, the parameters that needn’t to be quantized can be obtained.
Key Words: plane grinding process expert system, grinding cases
evaluation, grey relational analysis, grinding cases
suggestion, fuzzy learning algorithm
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 .....................................................................................................................1
§1.1 专家系统的研究现状 .......................................................................................1
§1.1.1 专家系统的发展 ..................................................................................... 1
§1.1.2 专家系统的概念 ..................................................................................... 2
§1.1.3 建立专家系统的必要性 ......................................................................... 3
§1.1.4 专家系统的开发过程 ............................................................................. 4
§1.2 机械加工专家系统概述 ...................................................................................4
§1.2.1 先进制造技术 ....................................................................................... 4
§1.2.2 机械加工专家系统 ............................................................................... 5
§1.3 磨削工艺发展现状 ...........................................................................................6
§1.4 磨削工艺数据库国内外研究现状 ...................................................................7
§1.5 课题意义和研究内容 .......................................................................................7
§1.5.1 课题意义 ................................................................................................. 7
§1.5.2 课题研究内容 ......................................................................................... 8
§1.6 本文的基本结构 ...............................................................................................9
第二章 平面磨削工艺专家系统的理论框架 ...............................................................10
§2.1 磨削加工原理和相关知识 .............................................................................10
§2.1.1 磨削加工原理以及分类 ....................................................................... 10
§2.1.2 平面磨削方法简介 ............................................................................... 11
§2.1.3 平面磨削加工三要素 ........................................................................... 13
§2.1.4 平面磨削刀具 ....................................................................................... 13
§2.2 系统需求分析和功能的确定 .........................................................................14
§2.2.1 系统需求 ............................................................................................... 14
§2.2.2 系统设计目标 ....................................................................................... 15
§2.3 系统的数据流程图和功能框架图 .................................................................15
§2.3.1 系统的数据流程图 ............................................................................... 15
§2.3.2 功能模块分析 ....................................................................................... 16
§2.4 平面磨削工艺专家系统的特点 .....................................................................17
§2.5 本章小结 .........................................................................................................17
第三章 灰色关联度分析算法在工艺案例评价中的应用 ...........................................19
§3.1 灰色关联度分析 ..............................................................................................19
§3.1.1 实验数据预处理 ................................................................................... 19
§3.1.2 灰色关联系数与灰色关联度 ............................................................... 20
§3.2 实验验证 .........................................................................................................21
§3.2.1 实验准备 ............................................................................................... 21
§3.2.2 实验结果 ............................................................................................... 23
§3.2.3 实验结果分析 ....................................................................................... 24
§3.3 本章小结 .........................................................................................................29
第四章 模糊学习算法在工艺推理中的应用 ...............................................................30
§4.1 模糊数学概述与模糊集合基础概念 .............................................................30
§4.4.1 模糊数学概述 ....................................................................................... 30
§4.4.2 模糊集合基本概念 ............................................................................... 30
§4.2 模糊学习算法 .................................................................................................31
§4.2.1 模糊推理定义 ....................................................................................... 31
§4.2.3 模糊化方法 ........................................................................................... 32
§4.2.4 知识库 ................................................................................................... 35
§4.2.5 模糊推理 ............................................................................................... 37
§4.2.6 解模糊化 ............................................................................................... 38
§4.2.7 模糊学习过程中案例的个数控制 ....................................................... 39
§4.3 模糊学习算法在平面磨削工艺参数推理中的应用 .....................................40
§4.3.1 模糊学习算法在平面磨削工艺参数推理中应用概述 ....................... 40
§4.3.2 平面磨削工艺模糊推理规则的生成 ................................................... 40
§4.3.3 案例学习数目控制方法 ....................................................................... 41
§4.4 根据专家经验直接写入规则 .........................................................................42
§4.5 实验验证 .........................................................................................................43
§4.5.1 实验准备 ............................................................................................... 43
§4.5.2 实验结果 ............................................................................................... 45
§4.5.3 实验结果分析 ....................................................................................... 46
§4.6 本章小结 .........................................................................................................49
第五章 平面磨削工艺专家系统应用程序设计 ...........................................................50
§5.1 系统运行流程 .................................................................................................50
§5.1.1 界面开发工具的选择 ........................................................................... 50
§5.1.2 系统运行流程 ....................................................................................... 51
§5.2 系统运行实例 .................................................................................................51
§5.3 本章小结 .........................................................................................................58
第六章 总结与展望 .......................................................................................................59
§6.1 总结 .................................................................................................................59
§6.2 展望 .................................................................................................................59
参考文献 .........................................................................................................................61
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 专家系统的研究现状
§1.1.1 专家系统的发展
专家系统是人工智能的重要应用领域，自 60 年代开始，经历了近五十年的发
展历史，取得了很大的成功，数以万计的专家系统相继出现，被广泛地应用于国
民经济的各个领域，如：医学、农业、军事、气象、地质、法律、科学技术、教
育等方面。专家系统的成功应用使社会看到了人工智能研究的价值，特别是知识
表示、知识获取、不确定性推理的研究，大大丰富和扩展了人工智能（Artificial
Intelligence，AI）的研究领域，人们开始从探索思维规律转向智能行为的研究，提
出了新的课题—知识工程[1]。
所谓专家系统(Expert System，
ES)就是基于知识的计算机程序系统，它具有模
拟专门领域中专家求解问题的能力，能对所面临的问题做出专家水平的结论[2]。
ES 是AI 研究的一个重要应用领域，在国外也称为知识库专家系统，它与自
然语言理解、机器人一起并列为 AI 研究最活跃的三大领域。ES 技术的产生和发
展过程大致可以分为孕育、形成、基本成熟和进一步发展四个阶段[3-5]。
孕育阶段(1965 年以前)：从 1956 年A.Newell 和H.A.Simon 在逻辑论(Logic
Theorist)LT 和通用问题求解程序 GPS(General Problem Solver)的研制为专
家系统的产生奠定了基础。
产生阶段：1965 年至 1968 年，Stanford 大学的 E.A.Feigenbaum 教授等人
进行了 DENDRAL 系统的研究。DENDRAL 系统的问世，标志着 AI 研究
中一个崭新的应用领域—专家系统的诞生。
基本成熟阶段：70 年代，随着一批卓有成效的专家系统开始出现，关于
专家系统通用性研究的骨架系统和通用表示语言的思想已在形成(即专家
系统开发工具)。1977 年，E.A.Feigenbaum 教授在第五届国际 AI 联合会上
对专家系统的思想作了系统总结，提出了知识工程的概念，至此，专家系
统技术已基本成熟。
发展阶段：1978 年，ES 的应用开始进入了商品化阶段，并逐渐产生巨大
的经济效益。其技术发展一方面向专家系统开发工具方向倾斜。如骨架系
统(Skeletal System)等建造 ES 的工具系统的出现，以及构造 ES 工具的工
具。另一方面，求解内容向复杂化深入。如以 Stanford 大学研制的生物学
平面磨削工艺专家系统的研究
2
专家系统 MOLGEN 为代表的设计型 ES 问世的标志。它们所求解的问题
一般难以分解，求解这样的问题需要先进行求解步骤的规划[6]。
随后，人工智能 AI 的其它成果如神经网络技术及遗传算法也相继应用到 ES
中，这类专家系统被称为先进专家系统。
80 年代开发出的种类繁多的面向特定领域的独立的 ES 形成了一系列的“智能
化孤岛”(Islands of Intelligence)[7]，而 80 年代末 90 年代初兴起的智能制造技术
IMT(Intelligent Manufacturing Technology) 和开发智能制造系统 IMS(Intelligent
Manufacturing System)的需要，也要求 ES 技术将这些制造业中众多的“智能化孤
岛”在 IMT 和IMS 中能够融合其它环节。这也是人工智能技术由一般到特殊再由
特殊到一般的辨证发展的必然趋势。因此，在智能制造工程中专家系统与其它环
节的融合是一个必然的发展方向。此外，面对应用实际的需求和待求解问题的复
杂性，ES 的发展新趋势还表现在一方面与其它技术(如决策支持系统，Decision
Support Systems，DSS)的结合上，这是一种向其它技术渗透或与其交叉发展的趋势。
另一方面它与应用领域内其它实用技术相结合而拓宽应用的范围，从而增强它的
生命力，这是尤其值得我们倍加关注的方向。
总之，专家系统越来越展现出它蓬勃发展的美好前景。
§1.1.2 专家系统的概念
一个典型的专家系统通常包括了三部分[8]：知识库、推理机与界面，其基本架
构可以图 1-1。
图1-1 专家系统基本框架[8]
摘要：
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摘要随着计算机技术的普遍应用和人工智能的高速发展，如何利用这些技术使磨削加工更加规范化，并使之能科学地选择工艺参数，成为众多企业急需解决的一个重要课题。本文建立了一个基于知识与专家经验的平面磨削工艺专家系统。磨削工艺专家系统是企业工程信息系统EIS的一项基础性工作，主要是向计算机辅助工艺设计CAPP提供最优的磨削方案，平面磨削工艺专家系统可以收集优秀的平面磨削案例，分析并从中提取磨削知识，为今后解决类似的问题提供专家建议。平面磨削工艺专家系统的主要功能为：基本功能。在此系统里可以输入、查询、修改以及删除工艺案例；磨削工艺案例的评价功能。在众多案例中，通过灰色关联度分析算法获得最优的磨削案例...
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