冷弯成型设备制造中的专家系统应用研究

李国昌杨　仙

（1.河北科技大学经济管理学院，石家庄050018；2.河北工业职业技术学院，石家庄050091）

冷弯型材得到了广泛应用，其质量很大程度上取决于冷弯型材制造设备和轧辊孔型的设计与制造质量。由于冷弯成型过程中存在不可预测的情况，成型设备的设计很难用规范的数学表达式实施。如何将人工智能方法合理地引入冷弯成型设备的设计中，同样是较难实施的问题，需要解决知识库和推理机制如何构造，以及针对不同的设备设计引入不同的知识表示和推理方法，推理树如何产生等。

冷弯型钢和方矩管的制造由冷弯成型设备完成，构成冷弯成型机组的设备大致有:开卷机、剪切对焊机、活套、主机、轧辊、飞锯、矫直机、辊道、打包机等。在设计和生产这些设备时，会用到人类的经验知识。经验知识的使用与人的实际经验密切相关，不同的设计人员会使用不同的经验知识，从而导致设计效果不同。如何将良好的经验知识用于设备设计中，设计出优质的设备，是冷弯成型设备设计中的重要问题。但冷弯成型设备种类较多，所用的经验知识也不尽相同，如何建立冷弯成型设备的智能化专家知识系统，成为较好地使用专家知识的关键。

1　专家知识的分类

由于各种冷弯成型设备的作用和结构不尽相同，在设计过程中所使用的专家知识也就不同。要建立设备设计专家系统，必须针对不同设备应用不同的经验。所以要先将专家知识进行分类，然后再针对性使用。知识的分类有多种方法，针对冷弯成型机组中各设备功能独立性较强的特点，采用模块化分类方法。即对机组中各功能设备知识进行综合提炼，构成该设备的知识模块，机组设备与知识模块的对应关系如图1所示[1]。

图1　机组设备与知识模块对应关系

2　专家系统的构成

专家系统的核心逻辑部件由推理机和知识库两部分构成。推理机负责推理，找出用户提出问题的答案或解。知识库存放的是解决问题的知识，这种知识可以是推导的算式，也可以是人类的经验知识。在解决问题时，专家系统根据用户提出的问题到知识库中调用相关知识到推理机，推理机根据知识启动推理机制，最终推出解决问题的方案或给出无解提示（一般是因为知识库的知识不够，不足以解决当前用户的问题）。

此外，专家系统还需要用户输入界面和答案输出界面、保存独立的知识库和中间结果存放空间等，基本的专家系统构造和知识库构造如图2所示[2]。

图2　专家系统与知识库构造图

3　专家系统求解过程

专家系统求解过程有多种方式，主要有2种:①用户提出问题专家系统给出答案；②专家系统给出属性判断，由用户仅答“Yes”或“No”，最后确定答案。前者问题的针对性较强，后者的运行效率较高，不需用户键入多个文档，仅按“Y”或“N”键即可。如图3所示[3]，用户答“Y”则继续扫描下一个属性结点，答“N”是扫描下一个链的第一个不同属性。因为下一属性链与上一属性链的相同结点已在上一属性链得到扫描，所以跳到下一属性链的没扫描的结点开始判断。

图3　相同属性结构指针跳跃扫描图

4　专家系统在冷弯成型设备设计中应用

虽然说专家系统中的知识可以是算式形式的，也可以是经验形式的，但一般情况是经验形式的，这是因为算式形式的知识规律性较强，可以直接通过运算获得结果。而经验形式的知识规律性较差，用于专家系统更为合适。

冷弯成型设备有多种，其专家系统中应存放着不同设备的非算式形式专家知识。根据专家系统的一般构造拓展出冷弯成型设备设计专家系统的构造，如图4所示[4]。

图4　冷弯成型设备设计专家系统构造图

由于各种冷弯设备的差异性，专家系统的知识构造和推理机也不尽一致，下面主要讨论较难的一种——孔型设计专家系统构造与应用。

5　孔型设计专家系统的应用讨论

孔型设计的一般步骤是:①确定坯料宽度；②确定型钢对水平辊中心线位置；③选择型钢成型基本中心线及基准线段；④确定型钢过渡断面数量和形状（俗称辊花图）；⑤画断面轧辊图和单个轧辊及辊片图；⑥导卫及辅助工具设计绘图。

5.1　坯料宽度确定中的专家知识应用

坯料总宽度计算公式为

式中:bwi—各弯曲弧段宽度，

bzi—各直线段宽度；

ai—弯曲区之间对应角；

ρ—弯曲区段中性层圆弧半径，ρ=RB+KS0,mm；

RB—弯曲区内圆弧半径；

S0—坯料厚度[5]。

K值与坯料的厚度和弯曲程度有关，K值的选择在工程上采用一些经验或试验数据。这些数据可以作为专家知识存放在专家系统的知识库中，一旦进行坯料宽度计算，需要计算ρ时，可利用专家系统的知识和推理给出相对应的值。

确定K值专家系统推理树举例如图5所示。在该推理树中，也可以加入专家经验修正。

5.2　确定型钢对水平辊中心线的位置

型钢在轧制成型时的位置与其使用位置是不一样的。其轧制位置主要考虑成型方便和精准。

图5　确定K值的专家系统推理树

水平辊的中心线是水平辊的轴向中心，它是轧制过程中型钢在孔型中心的对称点，合理地确定型钢对水平辊中心线的位置，可以为整个轧制过程提供通畅的、受力均衡的轧制通道。

型钢有多种断面形状。对称型的可采用对称基准线与水平辊中心线重合的方法确定型钢与轧辊水平中心线的位置，但要考虑轧辊切槽不宜过深，宽、高比不宜过大等因素。非对称型一般采用型钢的基本中心线与水平辊中心线重合成有一个常数C距离的方法，这样便于控制轧制过程。

根据上面的型钢对水平轧辊中心线的位置确定方法，可建立相应的专家推理树，如图6所示。

图6　确立型钢对水平轧辊中心线位置推理树

5.3　型钢基本中心线的选择

型钢基本中心线是指在坯料纵向上，纵贯各过渡断面，在成型过程中始终不改变其位置的一条直线。正确选择基本中心线对于非对称断面的型材轧制非常重要，主要的确定原则有:①基本中心线两边弯曲次数应尽可能相等；②基本中心线两边成型水平力（弯曲力、拉伸力）尽量平衡；③基本中心线尽可能通过断面最低部分，以增加成型过程坯料的稳定性[5]。

上述3个原则作为专家系统中心专家知识，用于确定型钢基本中心线，推理树如图7所示。

图7　型钢基本中心线的选择推理树

5.4　确定型钢过渡断面数量和形状（辊花图设计）

确定轧制道次数和弯曲角是孔型设计中最难解决的问题，需要根据用户要求的断面进行力和弯曲角的拆解。断面弯曲角个数越多越复杂，轧制道次和弯曲过渡角的设计就越困难，单靠数学计算式是无法完成设计任务的。根据企业实际制造用的型钢断面形状与成型道次间的关系，将型材断面分为4类:对称断面、非对称断面、宽幅断面、方矩管和圆管。根据实际成型弯曲角数n，建立与轧制道次的对立关系，如图8所示。

图8　各种辊式弯曲截面型材的成型道次与弯角数的关系

由图8可以看出，冷弯成型的成型道次，由断面的对称性、板厚、弯曲角个数和大小决定。

在孔型设计中，确定轧制道次非常重要，因为确定了轧制道次和各道次弯角数就确定了孔型和各道次的轧辊形状。目前常用确定道次的方法之一是引入形状因子函数，与断面总弯曲角数n，板料厚度t，左右立边长度之和F有关系，对于对称断面形状因子函数为:

根据实际设计经验知识，形状因子函数与各种断面型材的轧制道次的对应关系如图9所示。

图9　对称断面的形状因子与轧制道次关系

设计人员可以通过图9，在计算结果得出的情况下，确定轧制道次。由于此图是专业经验的总结，所以将其作为专家系统中的设计知识内容更为合理。

对于非对称断面型钢的形状因子函数，在不斜轧的情况下，基准线两边各自计算分开形状函数最后求和，即

式中:F1—中心线左边的立边长度；

F2—中心线右边的立边长度；

n1—中心线左边弯曲角个数；

sn2—中心线右边弯曲角个数。

斜轧L型钢如图10所示。在斜轧的情况下，设置某一顶点为基准线，形状因子函数为

图10　斜轧L型钢状态图

如果道次不精准，可以加入专家知识进一步调整，但调整道次一般在一道或二道。

对于宽幅断面成型道次的形状因子函数，是由加工前钢板宽w1与制品宽w2的比值，波高h和波数n计算得到，即成型道次与形状因子函数之间的关系如图11所示。

圆管成型较为简单，不需要设置形状因子函数，近年来一般采用W成型法，其定径道次采用固定的7道次成型，6道次立辊，共13道次完成轧制。专家系统推理树结构如图12所示。

图11　宽幅断面的形状因子与成型道次关系

图12　道次确定的专家知识推理树结构

5.5　成型弯曲角的确定

成型弯曲角的确定与成型道次数的确定同样重要，根据解析几何的方法，得到对称断面弯曲角计算公式,

式中:θi—第i道次的成型弯曲角；

θ0—立边最终弯曲角；

N—总变形道次数。

为了调整轧辊角度分配，式（6）加入了变动指数K。

K值可选±0.1，±0.2，……，选正值可使成型前段部分弯曲角度增量小，选负值则相反。

非对称断面与对称断面轧辊弯曲角度分配基本相同。

宽幅断面轧辊弯曲角分配公式为

式中:θi—第i道次的弯曲角；

q—波纹斜边长；

a—波纹顶边长；

b—波纹底边长；

K—断面单侧波数；

yi—第i道次的半幅宽。

焊管轧辊弯曲角度分配方式有以下3种：

（1）单半径方式

（2）边缘弯曲成型方式

（3）双半径成型方式

专家系统推理树模型如图13所示。

图13　弯曲角专家知识推理树结构

需要指出的是，推理树中的算式是专家系统中的定量知识，这些知识能够基本确定弯曲角的度数，但不能精准确定。所以还需要专家的经验知识对此加以修正，修正方法是专家凭多年的设计经验，根据材料厚度、强度等直接给出。例:以某式计算出第一道次弯曲角为12°，但凭专家经验13°较好，则定为13°。为什么定为13°，是专家根据情况凭经验而定。关于此类的知识，收集起来较为困难，而且统一性较差，但这种知识处理问题的效率较高，有待于进一步开发。

5.6　过弯角确定

由于坯料在轧制过程中有回弹，所以在成型中要有一定的过弯量。因为成型过程主要是以角度变化为主，所以过弯量主要表现为过弯角的形式。过弯角受到坯料的物理和化学两方面性能的影响，而且不能找到一个基本定量的算式，仅能在完成弯曲角计算的基础上，利用专家系统经验知识进行调整。表1给出了部分钢材的力学性能，在长期的轧辊设计中，专家们积累了大量的过弯角知识，可根据不同材料、厚度、弯曲角大小等因素准确确定过弯角[7]。

确定过弯角的推理过程如图14所示。

5.7　轧辊设计

道次、弯曲角和过弯角设计完成后，进行轧辊设计。轧辊设计的复杂性决定了智能化方法的复杂性。轧辊设计分为轧辊直径、轧辊曲面和宽度等部分设计。首先要确定水平轧辊的轴径，而轴径由设计主机的人员根据原料的厚度和材质情况而定。然后是确定水平轧辊某一架的喉径，喉径根据机组参数确定。当该喉径确定后才能确定其他各道次的轧辊喉径及所有轧辊结构尺寸。轧辊轧制曲面设计是以辊花图为基础，再加上相应的过弯量，构成上、下辊的轧制曲面。轧辊的宽度设计是根据轧制曲面在辊轴上的投影宽度，再加上相应的边缘构成。由于涉及内容较多，实施智能化方法较复杂。在这里仅提出基本构想[8]。

（1）将原料厚度、材质与对应的各道次辊轴直径作为专家知识和参数送入知识库。

（2）根据型材断面几何形状、机组参数等确定喉径的方法和参数送入知识库。

（3）将利用喉径确定各道次轧辊直径的方法和参数送入知识库。

（4）建立前向推理机制，根据用户输入的断面几何形状、原料厚度和材质，依次推出辊轴直径、喉径和各道次轧制曲面，最后确定各次的各轧辊结构尺寸。

表1　部分材料性能

图14　过弯角专家知识推理过程结构图

6　专家系统的构建

能够基本实用的专家系统应具备如下几个模块:①用户输入；②知识库建立；③知识库文件建立及调用；④推理机制构建；⑤系统输出。

6.1　用户输入

用户输入是将用户需要解决的问题送入专家系统。一般采用2种方案，一种方案是专家提问式，另一种是用户问题输入式。

6.2　知识库构建

建立知识库分为2部分，一部分是知识库结构的建立，另一部分是知识的存储。

知识库是存储专家知识的地方，所建的知识库结构应能充分容纳知识表示字段。在建立知识库结构时，知识存储单元应根据所需知识设置相适应的长度。知识库是配合推理机解题用的，推理机在解题时，要调用和查询知识库中的知识，然后利用知识解题，所以知识库的结构应便于搜索。为了便于搜索和合理利用存储空间，将知识库构建成链式结构，即有n组解结点，每组解结点对应着m个属性，在解题时，通过属性匹配求得解结点[9]。表达式为

式中:G—波纹斜边长；A—属性集合。

拓扑结构如图15所示。

图15　知识库结构图

6.3　知识库文件建立与调用

建立知识库时，根据专家系统要解决的问题，建立大小对应的知识库。若建大型知识库，则需在一个软件开发平台上建立，这个平台会自动生成相应的知识库文件。用户在调用专家系统的时候将知识库调入运行内存，这样就不需单独建立知识库文件。如果建立小型的专家系统，不需要软件开发平台，则需建立知识库文件。因为将知识送入知识库时，仅仅存放在内存的知识库中，一旦关机，知识则自动清除。为了保存输入的知识，将其以文件的形式存入外存储器。

6.4　推理机制的构建

推理机是专家系统中解题的核心机构，它根据用户要解决的问题，调用知识库中相关知识进行逻辑推理，并得到相应的解。根据知识库中有专家提问和用户问题输入2种方式，推理机的逻辑推理也采用2种方法，一是提出问题判断用户给的是“Y”还是“N”，决定继续推理和中止推理，最后得出答案；二是调用知识库中的字符串，与用户输入的问题字符串进行匹配，如果匹配上，则给出解，若有一个不匹配，则另行讨论。

由于知识库采用了链式结构，所以推理机在推理中，应对属性库的各特点进行扫描、比较、判断，以得出结论。推理机制一般有2种形式:前向推理和后向推理。前向推理是根据属性的匹配情况确定客体，后向推理是根据客体推演属性的正确匹配性[10]。

6.5　系统输出

当专家系统完成推理后，要给出推理结果，即专家系统的答案输出。如果无解，给出相应的字符提示，如果获得了解，系统输出可以是多样的。输出最常见的是以字符串或数值的形式输出。采用哪种输出方式，可根据用户需求选择。例如，已推出轧辊轴径是90 mm，可以直接输出90 mm字符串或数值。也可以输出辊轴的机械图，但这时知识库的客体结点中不再是存放的90 mm字符串。而是存放了一个指向辊轴机械图的指针。通过这个指针直接调用机械图。当然，如果需要也可以构成加工数据流，通过局域网直接流向加工中心，开始加工辊轴[11]。

7　结语

人工智能方法主要侧重于解决实际中那些定量算式不能描述的问题，主要是利用人类在实践活动中积累的大量经验知识解决问题，该方法解决问题更有效，更精准。冷弯型材的使用“瓶颈”主要在于冷弯成型设备和轧辊的设计与制造上，这是因为成型理论的力学分析不能有效地指导设备和轧辊的设计与制造。而设计与制造所采用的专家经验知识也是局部的、有限的，而且是粗浅的。如何有效地总结专家知识，精准地利用专家知识解决设备和轧辊设计中的实际问题，是冷弯成型设备制造业面临的一个重要拐点。当然，人工智能并非仅有专家系统，它的分支较多，例如:知识表示、问题求解、多Agent系统等。在本研究中主要讨论了专家系统的应用，而专家系统正是人工智能学科的一个重要应用领域。我们仅将近年来所做的研究工作进行系统的叙述，有些地方还需根据生产情况进一步研究和实践，希望引入新的解决问题的方法，无论是在冷弯成型的理论方面或者设备设计与制造方面，能快速、有效、精准地解决问题，以使冷弯成型工业获得更大的理论和技术的进步。

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