（机械设计及理论专业论文）人工智能专家系统在曲轴圆角滚压校直中的研究.pdf

武汉理i 人学硕十学似论文 摘要 f 曲轴是一种重要的机械零件，其制造质量要求很高，由于曲轴结构特性 复杂，在加工过程中出现的弯曲变形问题，远比一般轴类零件复杂。 曲轴圆角滚压校直是根据曲轴在滚压时变形的规律，对工件某些部位进 行再滚压，使工件产生与原变形相反的塑性变形，以达到校直的目的。滚压 校直可以提高曲轴的整体强度和可靠性，从而提高曲轴抵抗交变应力的能力， 满足疲劳强度的要求，而且还可以降低加工成本，市场经济价值可观，现在 在汽车发动机曲轴加工中应用同益广泛。 本文在理论分析的基础上，对曲轴进行了滚压运动分析，并对曲轴滚压 变形的数学模型及校直过程中的工作机理进行了探讨，为曲轴滚压校直专家 系统的建立提供了理论依据：本文采用神经网络技术和c + + b u i l d e r 编程 语言，建立了一个专家系统来指导曲轴的滚压校直加工；利用神经网络所具 有的自学习、自组织能力，来实现系统输入与输出参数之阳j 的非线性映射； 通过输入学习样本验证神经网络，证明建立的专家系统对学习过的样本有较 好的逼近能力，改进后的神经网络，对学习样本有很好的推广能力；文章最 后对h o p f i e l d 网络进行了探讨，并和b p 网络进行了比较。 关键词 啦轴校直神经网络神经元专家系统 武汉理j 人学硕士学位论文 a b s t r a c t c r a n k s h a f ti sai m p o r t a n tm e c h a n i c a lp a r to fh i g hm a c h i n i n gq u a l i t y a sa 】e s u l to fi t sc o m p l i c a t e ds t r u c t u r ep r o p e r t i e s ，c r a n k s h a f ti sf a rm o r ec o m p l e xt h a n o r d i n a r yc r a n k s h a f tw h e n i tp r o d u c e sb e n d i n gd i s t o r t i o ni nm a k i n gp r o c e s s a c c o r d i n gt ot h ed i s t o r t i o nr u l eo f c r a n k s h a f tr o l l i n g ，c o n t r a r yd i s t o r t i o no f c r a n k s h a f tc a nb ep r o d u c e dt oa l i g ni t s e l fb yr o l l i n gs o m ep o s i t i o n so fc r a n k s h a f t b e i n gs a t i s f i e dw i t ht h er e q u i r e m e n to ff a t i g u ei n t e n t i o n ，t h ew h o l ei n t e n s i t ya n d r e l i a b i l i t yo fc r a n k s h a f tc a ni m p r o v e db yr o l l i n ga n da l i g n i n g ，a n dt h ea b i l i t yo f c r a n k s h a f tc o u n t e r a c t i n gm e t a b o l i cs t r e s sc a nb ei m p r o v e dt o o a n dt h ec o s tc a n a l s ob er e d u c e di fr o l l i n ga n da l i g n i n gi su s e di nt h ep r o c e s so f c r a n k s h a f t b e c a u s e o ft h ec o n s i d e r a b l ee c o n o m i cv a l u ea tm a r k e t ，t h en e w t e c h n i q u ei sm o r ea n d m o r e p r e v a l e n ti nm a c h i n i n g c r a n k s h a f to f a u t o m o b i l ee n g i n e i nt h ed i s s e r t a t i o nt h er o l l i n gm o v e m e n to fc r a n k s h a f ti s a n a l y s e d ，t h e m a t h e m a t i cm o d e lo fc r a n k s h a f ti n r o l l i n g a n dw o r km e c h a n i s mi n a l i g n i n g c r a n k s h a f ti sd i s c u s s e d ，a n ds o m et h e o r i e sf o re s t a b l i s h i n gc r a n k s h a f tr o l l i n ga n d a l i g n i n ge x p e r ts y s t e ma r ep r o v i d e d b yu s i n gt h en e u r a ln e t w o r kt e c h n i q u ea n d t h ep r o g r a m m el a n g u a g eo fc + + b u i l d e r , ae x p e r ts y s t e mm m i n ga ts u p e r v i s i n g t h er o l l i n ga n da l i g n i n gt e c h n i c so fc r a n k s h a f ti sf o u n d e di nt h ed i s s e r t a t i o n n e u r a ln e t w o r ki sp r o v i d e dw i t ht h ea b i l i t yo fs e l f - s t u d y i n ga n ds e l f - o r g a n i z i n g n e u r a ln e t w o r kc a nr e a l i z en o n l i n e a rm a p p i n gb e t w e e ns y s t e mi n p u ta n do u t p u t i nt h ed i s s e r t a t i o ni ti sd e m o n s t r a t e dt h a t e x p e r ts y s t e mh a sb e t t e ra p p r o a c h i n g a b i l i t y a f t e r i n p u t t i n g v a l i d a t e dd a t a ，a n dh a sb e t t e r s p r e a d i n ga b i l i t y a f t e r a m e l i o r a t i n gn e u r a ln e t w o r k i nt h el a s t ，t h en e u r a ln e t w o r k h o p f i e l di sd i s c u s s e d a n d c o m p a r e d i tw i t ht h en e u r a ln e t w o r k b pi nt h ed i s s e r t a t i o n 1k e yw o r d s 】c r a n k s h a f ta l i g n m e n t n e u r a ln e t w o r kn e r v ec e l l e x p e r ts y s t e m 武汉理i ：人学硕+ 学付论文 第1 章绪论 1 1 概述 曲轴是汽油机、柴油机的心脏，其制造质量要求很商。在发动$ j l - e 作时， 每一个工作行程都有很大交变载荷通过活塞，连杆组件作用其上，使其承受 反复的冲击。同时，这些交变载荷在曲轴的各个部位产生弯曲，扭转等复杂 的交变应力，极易造成疲劳断裂。曲轴又是典型的非对称结构零件，它的弯 曲刚度较低，而且各向异性，这一结构特点，加上曲轴材料的不均匀性，冷 热加工工序客观条件以及加工中所产生的残余应力等因素的综合影响，使其 在制造过程中出现的弯曲变形问题，远比一般轴类零件复杂。 由于曲轴的形状较为复杂，其横断面上轴线方向变化很大，轴颈及圆角 经过车拉加工，轴颈表面感应淬火，圆角滚压等工序后，残余应力重新分布， 造成曲轴弯曲，主轴颈跳动超差，如不采取合格的校直工艺，就使曲轴后续 磨削加工时余量分布不均，难以减少弯曲变形，从而使得发动机在工作时造 成轴瓦的不必要磨损。 滚压校直工艺是有效提高曲轴疲劳强度的一种先进工艺手段。曲轴圆角 滚压是在曲轴的曲柄与主轴颈、曲柄与连杆轴颈之间的圆角上采用滚压轮旋 转加压进行机械强化，从而使拐点圆角处产生压应力，提高曲轴的疲劳强度。 图i - l 曲轴滚压位置示意图 如图l i 箭头所指即为施加滚压力的部位，曲轴在进行圆角挤压强化时， 利用滚压轮在图示圆角处施加滚压力，以使曲轴圆角处在滚压后产生局部残 武汉理i ：人学硕十学位论文 余压应力，以达到提高曲轴抗疲劳强度的能力。 1 2 研究现状分析 1 2 1 曲轴滚压校直技术现状 2 1 曲轴滚压校直技术是2 0 世纪7 0 至8 0 年代发展的一种新技术。据统计， 国外圆角滚压的发动机曲轴在整个曲轴中所占比例已从七十年代的5 0 提高 到现在的8 0 以上，而轿车发动机曲轴则几乎无一例外采用圆角滚压工艺进 行强化，因此曲轴圆角滚压工艺、设备及其相关技术的研究已成为当前发展 汽车工业特别是轿车工业必不可少的关键技术之一。 国内外现应用的圆角滚压技术已比较先进。可一次对所有圆角进行滚压 完成，且可作到主支承轴颈与连秆轴颈圆角的压力不同，同一连杆轴颈圆角 在不同方向上压力也可不同。这样可经济地达到最佳的滚压效果。最大限度 地提高曲轴的抗疲劳强度。经德国赫健斯测特( h e g e n s c h e d t ) 公司测定，球 铸曲轴经滚压后寿命可增至2 8 0 ，钢制热处理曲轴经滚压后寿命可提高至 2 3 7 。滚压加工时洲只需2 4 3 0 s 。 国外从五十年代就丌始已着手进行滚压工艺与装备的研究，八十年代由 于计算机实时控制技术发展，具有较理想的全自动的滚压设备面市，我国一 些特大型企业如一汽、上汽、南汽等都已进口了该类专机。但曲轴经滚压后 常有变形，于是在九十年代出现了在经滚压后自动测量曲轴直线度的智能柔 性系统，可以对弯曲的曲轴继续进行再滚压，对曲轴进行校直。国外将这种 具有圆角滚压，自动测量不直度和校直功能合而为一，且带有校直专家系统 的专用设备称为曲轴圆角滚压智能柔性加工系统。从囡外曲轴滚压技术的发 展进步可以看出，曲轴圆角滚压： 艺设备及相关技术的研究已成为当前发展 汽车工业，尤其是轿车工业必不可少的关键技术之一。 由于我国轿车工业起步较晚，因此国内在曲轴圆角滚压工艺技术研究与 应用方面都非常薄弱。从七十年代起，国内曾陆续作过一些研究与尝试。进 入九十年代已逐步实现了工业化批量应用。一是开发研制了滚压工艺专用技 术设备。如东j x l 汽车公司经过长期努力，于9 0 年代初先后研制了e q 6 1 0 2 曲 轴滚压机床和s r l 型单头滚压装置，并成功将圆角滚压的球墨铸铁曲轴取 2 武汉理i ：人学硕士学位论文 代了钢轴，应用于6 1 0 2 d 柴油机，实现了批量生产；二是引进曲轴滚压工艺 的国产化。随着国内汽车工业尤其是轿车工业的发展与进步，从七血至九五 期f b j ，国内新进的七条汽车、轿车发动机曲轴圆角滚压加工生产线中，全部 的九套圆角滚压设备均是从国外引进的，如上海大众桑塔纳，一汽奥迪、神 龙雪铁龙、南汽依维柯和天津大发等。其中，广西玉林柴油机厂、山东曲轴 总产等分别引进了三台具有滚压校直功能的智能柔性加工系统。 i 于引进没 备并不等于引进了技术，尤其是国内与圆外材料的差异，滚压工艺办会不尽 相同。因而丌发研究能适应国产材料，适应批量生产的滚压工艺是消化吸收 国外先进技术进而国产化的关键所在。 总的来看，我国曲轴滚压加工与国外先进水平比较存在相当大的差距： 一是国外滚压工艺已发展至滚压校直一体化工艺技术装备；二是采用了c n c 控制技术，滚压工艺不仅是作为专机使用，而是与其它装备一起形成了半自 动和自动化的生产线。 曲轴滚压校直技术将滚压强化和自动校直两道工序在一台专用设备中 予以实现，酋先对工件实施圆角滚压强化，然后通过在线检测，获得曲轴的 变形规律。再针对被校工件变形的具体情况，在计算机专家系统指导。f ，用 适当的压力对工件的某些部位( 圆角处) 进行滚压，使工件产生与原变形方 向相反的变形，从而达到校直的目的。采用这种工艺，不仅提高了生产效率， 使工件的被校部位得到强化，从而提高了曲轴的整体强度和可靠性。而且， 滚压校直工艺对于被校工件在校正前的变形程度的限制远远低于传统的压力 校直，表明其适用范围更大。 目的已由武汉理工大学、东风汽车公司工艺研究所、青海第二机床厂等 单位共同合作研制此类机床，机床系统机构复杂，集机、电、液、计算机、 专家系统j 体，足一种能够将圆角滚压强化、曲轴不直度测量和滚压校直 三道工序和而为一的柔性智能加工设备。首先对工件实施圆角滚压强化，然 嚆通过在线检测，获得曲轴的变形规律。再针对被校工件变形的具体情况， 茁计算机争家系统指导下，用适当的压力对工件的某些部位( 圆角处) 进行 滚压，使工件产生与原变形方向相反的变形，从而达到校直的目的。采用这 种工艺，不仅提高了生产效率，使工件的被校部位得到强化，提高了曲轴的 整体强度和可靠性。其整机性能可与进口机相比，而造价只有进口设备的五 武汉理i ：人学硕十学佾论文 分之一，填补了我国在这方面的空白，达到国际先进水平1 3 1 。 1 2 2 专家系统及其发展动态【4 1 专家系统是从人工智能发展起来的一个应用领域。设计一个专家系统， 其基本思想是使计算机的工作过程能竭尽全力地来模拟领域专家解决实际问 题的过程，即模拟领域专家如何运用他们的知识与经验来解决实际问题的方 法与步骤。所以专家系统实际上是一个( 或一组) 能在某特定领域内，以人 类专家水平去解决该领域中困难问题的计算机程序。出于专家系统的功能主 要依赖于大量的知识，这些知识均存在知识库中，通过推理机按一定的推理 策略去解决问题，所以它也被称为知识基系统。专家系统是研究用解决某专 门问题的专家知识来建立人机系统的方法和技术。 专家系统的发展有两次高潮，第一次在1 9 8 6 年达到顶峰，第二次可能 在近年将会出现。这两个高潮的起落决定于一下因素：一个是人工智能的实 用性和计算机对专家系统支撑技术的发展，另一个因素是应用领域应用专家 系统的积极性及能力。 第一个高潮的系统较小，它包括小知识系统，它们可用于培训、现场管 理及使雇员完成一些原先需要密切监督和具有丰富知识的高级专家过问爿能 完成的特殊任务。因为它们能在不打乱主要程序情况下，在现有的事务环境 中完成这个系统，并且它们可迅速地提供足够大的利益，因而，这些系统很 快在工商业得到应用。还有一些小型知识系统直接安装到芯片上，装备各式 各样的灵敏仪器，同时也流行某些小型的自然语言接e l 。个人计算机起了不 小作用，某些小系统就在p c 机上丌发和使用。在这个期l 副也会出现许多大 型专家系统，它们为第二个高潮出现作了舆论和技术上的准备。 第二个高潮包括的系统远比第一个复杂，比如大型综合性专家系统、大 型自然语苦接口和智能性程序设计等，因此需要更多的基础工作。目的开发 大型综合性系统的专家工具和技术的研究已做了许多工作。但还要求突破机 器学习的难点，研制出有并行处理的新机器和更有效、便宜的个人工作站。 人工智能的应用有两个主要趋势：一个是向小型知识系统发展，它可以 由用户而不是程序员就可以建立起来，这种系统可以辅助问题分析和决策， 但不能完全替代专家，它很注重与用户的友善，而不试图模拟复杂的认知处 武汉理i ：人学硕一 学何论文 理。另一个方向是向大型专家系统发展，它必须用大型系统丌发工具来研制， 用传统技术是很难丌发的，而且开发它们还要有大量的时间与训练有素的分 析员和程序员的技术。 专家系统的发展十分迅速。随着各领域中专家系统不断地涌现，在解决 实际问题中所起的作用也越来越大。专家系统能如此迅速发展，是山于它具 有下述重要的意义和作用： ( 1 ) 专家系统可以使专家的知识在不受时间和空问的限制下更广泛地 为人类服务。专家的经验和知识是及其宝贵的，但他们不能永远工作。在他 们退出工作岗位以前，把他们的知识集中归纳起来，构成专家系统，永远保 留下来，这就是不受时问限制的意义。此外，专家总是少数，可以将专家的 知识和经验用于各地，这就是不受空间限制的意义。 ( 2 ) 专家系统可靠性好，工作效率高。专家系统能克服人类专家的许 多弱点，如一个专家在工作中难免有疏忽、遗漏，此外还有精神紧张、疲倦 及受周围环境的影响等因素。而专家系统却能不知疲倦，不受干扰，准确无 误地工作，避免了人类专家地许多失误。 ( 3 ) 专家系统能促进领域学科地发展。专家系统地研制将促使领域专 家们认真深入地总结他们的专业知识和经验。专家系统有良好的透明性，它 具有解释和教学功能，能回答有关它做的一切，能把它的知识传授给用户， 而且专家系统能汇集许多领域专家的知识，使它解决问题的能力和知识的广 博，优于单个专家的作用。专家系统具有这种总结知识、传播知识及自学功 能，便可促进领域科学的发展。 ( 4 ) 专家系统能促进计算机科学的发展。专家系统的研制和丌发一方 面扩大了计算机的应用领域，另一方面不断向人们提出新的研究课题，推动 了新的计算机体系的研究，促进了计算机科学的进一步发展。 ( 5 ) 专家系统的使用具有良好的经济和社会效益。世界各国已经在化 学分析、医疗诊断、地质勘探、故障处理、语音识别、图象处理、过程控制、 经济和军事等领域研制了大量的专家系统，有些系统在性能上已达到甚至超 过了同领域中人类专家的水平，它的应用已丌始产生了巨大的经济效益。 随着专家系统的逐步成熟，专家系统在知识的表达和知识库的建造、系 统的解释机制、系统对知识的获取、不精确推理技术、几乎自然语言的交互 武汉理1 人学硕十：学位论文 式人机接口以及专家系统通用性等关键技术方面有了进一步的研究和改进。 当前关注的是建造专家系统的骨架系统，自动知识获取系统以及知识库的管 理问题和知识库管理系统的研制。正在开发的第五代计算机，也称为人工智 能计算机，其核心技术正是专家系统的应用，美国、日本等国家纷纷投入了 第五代计算机的研制，专家系统前景十分诱人。 在过去的几十年中，基于知识库的专家系统被作为最具有丌发前途的应 用技术，然而专家系统列丁二不断变化的、复杂的和丌发的机械制造系统环境 不是十分有效，另一方面神经网络的鲁棒性、自适应性以及联想能力在机械 制造业显示了许多优势，具有潜在的应用i ；i 景。尤其是将专家系统和神经网 络技术结合在一起，可以优势互补，改善专家系统的灵活性，给用户提供一 个单一的、灵活的人机界面。 1 3 研究的目的、内容 1 3 1 研究目的 曲轴圆角滚压校直是根据曲轴在滚压时变形的规律，在计算机系统的指 导下，对工件某些部位进行再滚压，使工件产生与原变形相反的塑性变形， 以达到校直的目的。 曲轴滚压工艺可以改变危险截断面处的拉应力状态，使之形成合理分布 的压应力场，从而提高曲轴抵抗交变应力的能力，满足疲劳强度的要求，经 圆角滚压后的球墨铸铁材料曲轴可代替目前常用的锻压钢曲轴或铸钢曲轴， 经此替代后，可以节约曲轴加工成本，我国每年生产数百万根曲轴，采用此 工艺后的经济价值十分可观。 可见，通过对曲轴进行圆角滚压强化，不仅可以改善曲轴性能，提高抗 疲劳变形能力，还具有成本低、效率高和强化效果显著的优点，滚压后通过 校直，可以有效解决曲轴滚压强化过程中造成的曲轴弯曲问题。因而，曲轴 滚压校直工艺在汽车发动机曲轴加工中应用同益广泛。 1 3 2 本文的研究内容 曲轴圆角滚压是在曲轴的曲柄与主轴颈、曲柄与连杆颈之间的圆角上采 6 武汉理1 人学硕十学位论文 用滚压轮加压、旋转进行机械强化，从而使圆角内产生压应力，提高曲轴的 疲劳强度。但曲轴经滚压后常有变形，若再进行一般的弯曲校直，则原来的 经校直产生的压应力将消失，失去了原滚压强化的意义。于是出现了在滚压 后，设备自动测量曲轴的不直度，若产品不合格，在曲轴的某些部位用不同 的压力继续进行滚压，直到曲轴校直以满足要求。 曲轴形状复杂，实际变形计算时问长，且因弹塑性力学理论一k 的局限性， 理论计算校直量也很不准确，因此，需要根据各种曲轴变形实验数据编制一 个校直专家系统，以对曲轴再滚压进行指导，提高滚压校直的效率。 本文是曲轴滚压智能系统研究中的一部分，拟根据系统对曲轴的在线检 测结果，对滚压后弯曲变形量超过系统允许范围的部位进行校直，为曲轴滚 压校直机床内置专家系统的丌发提供一套有效的算法模型，具体所做的工作 如下： ( 1 ) 对曲轴滚压变形的数学模型及校直过程中的工作机理进行了探讨，为 专家系统的建立提供理论依据，模型的建立和计算流程要与此相符。 ( 2 ) 运用三层前馈神经网络建立曲轴滚压校直网络模型，探讨如何运用合 理的方式进行网络输入层、隐层、输出层节点数的选择，对于所设计 的神经网络算法，探讨几种典型方法，提高网络的学习速度，增强系 统的自学习、自适应能力。 ( 3 ) 探讨了网络训练算法中训练过程的不确定性、冗长的训练时问、实时 性差等问题，对学习收敛速度慢，存在能量函数局部极小值等问题进 行了改进，并探讨了学习样本采集在同一平面，不同平而时训练网络 的情况。 ( 4 ) 将神经网络技术和专家系统相结合，利用c + + b u i l d e r 编程语言为曲 轴滚压校直力的求解提供实用工程软件，提供一个单一、友好的人机 界面，以实现专家系统在曲轴滚压校直机床中的应用。 ( 5 ) 探讨其它神经网络算法，主要是h o p f i e l d 网络同三层前馈网络进行比 较，分析它们之问的优缺点，尝试h o p f i e l d 网络在曲轴圆角滚压校直 中的应用。 武汉理i ：人学硕+ 学位论文 1 4 本章小结 本章分析了曲轴加工过程中的变形问题，概叙了滚压校直技术在曲轴加 工中的应用及意义，对曲轴滚压校直技术现状进行了探讨，并研究了专家系 统及其发展动态，文章最后提出了本文的研究目的及内容。 武汉理1 人学硕+ 学位论文 第2 章曲轴滚压校直神经网络应用理论 2 1 关于曲轴圆角滚压校直 2 1 1 曲轴滚压校赢的工作机理1 5 1 滚压校直是在曲轴经过滚压后，由机内测量系统测量r i l j j 曲轴对两端支 承轴颈的跳动量和跳动方向，将结果反馈给计算机管理系统，由计算机管理 系统算出每个位罨上所需加载的压力，控制系统接受计算机管理系统的信息 后，发出滚压校直指令，连续在轴颈周围每个位置上施加不同的压力进行滚 压，使曲轴产生与原变形方向相反的塑性变形，从而达到校直效果。 滚压校直工艺可以在各位置上进行校直，解决了冷弯曲单点校直的局限 性，利用曲轴的不对称结构、各位置变形的不同，曲轴在滚压校直时产生局 部的弹塑性变形。滚压校直工艺优势在于给曲轴校直时连续在轴颈施加了压 力，消除了拉应力对原有应力场的破坏。 dj 于多缸发动机曲轴变形状态十分复杂，各主轴颈变形矢量的方向往往 不同，有时甚至相反。因此在大多数情况下，一个工件的校直需要采用多个 校直矢量爿能满足要求。建立曲轴滚压校直专家系统面临的困难是：首先在 运用某一校正矢量时，有可能使各主轴颈的径向跳动量出现此消彼长的现象， 其结果也可能是多样的，这就要求专家系统能根据具体情况，运用相应的判 断，控制校直运算进行的程度。 其次，为了提高校直的效率，总是希望曲轴滚压校直专家系统能次给 出全部的滚压工艺参数，但由于滚压参数与工件校f 矢量之阳j 在定量上的不 确定性，往往又会出现给滚压工艺参数越多，预测的变形状态与实测的变 形状态相差越大的结果。因此，专家系统要把握住适当的度，否则滚压校直 可能适得其反。同时，由于影响工件滚压变形的因素十分复杂，不同的批次 之间有可能存在差异，为此，所建立的曲轴滚压校直专家系统应具有一定的 自学习能力，能够根据在校直过程中积累的经验，对数据库中的数据及时进 行修改和补充。 武汉理1 人学硕十学位论文 2 1 2 曲轴滚压校直的工艺内容 曲轴圆角滚压强化工艺包括两部分1 6 1 1 ) 曲轴圆角滚压 这一工艺过程利用滚压钳上的滚轮，分别对曲轴主轴颈和连杆颈处的圆 角进行滚压。在滚压过程中，由伺服传动系统控制曲轴旋转的转速和旋转角 度，同时由滚压钳压力控制系统控制滚压过程的压力加载曲线，对每个主轴 颈和连抒颈依次完成整个滚压过程。 2 ) 曲轴滚压校直 这一过程用于对滚压后产生变形的曲轴进行校正。曲轴圆角滚压后的塑 性变形会造成曲轴本身的弯曲变形，对弯曲的曲轴的校直处理分两步进行： 首先检测曲轴的弯曲变形数据，即弯曲的大小和弯曲的相位方向，检测的方 法是用摆差传感器检测各主轴颈处的摆差；然后由专家系统数据库对摆差数 据进行分析处理并给出校直方案，即给出在某几个主轴颈或连杆颈上的再施 压方案。利用专家系统的施压方案重新滚压产生新的变形来消除曲轴的弯曲， 摆差检测示意如图2 1 所示 幽2 1 曲轴滚压机机械系统示意图 压力传感器 曲轴滚压校直机械系统由送卸料机构、曲轴旋转火紧机构、曲轴旋转传 动机构、滚压钳、滚压钳位置传动机构、摆差测量机构和机械本体构成。送 卸料机构用于将待滚压曲轴送至滚压加工位和将滚压加工完成的曲轴返回。 1 0 加压油缸 武汉理i ：人学硕1 ：学位论文 它由送料油缸、送料架、小头央紧油缸和一些行程丌关组成。其中，小头夹 紧汕缸用于曲轴在送料架，t 的定位固定。 i t h t l l 的旋转兴紧在曲轴的两端进行。曲轴小头端出油缸驱动的尾架顶尖 对曲轴中心孔夹紧定位。曲轴法兰端由中心孔定位，由三爪活动卡对法兰端 面夹紧。曲轴滚压中的旋转运动，由三爪活动卡将传动机构的运动传给曲轴。 曲轴旋转传动机构完成曲轴滚压和校直的旋转主运动。由于曲轴滚压和 校直时的旋转运动的转速和转角控制要求较高，因此，传动机构采用大惯量 三相交流伺服电机驱动和蜗轮蜗杆机构传动。 滚压钳为曲轴滚压的加压装霞，有动钳和静钳两种。动钳用于主轴颈加 压，静钳用于连杆颈加压，为提高滚压效率，两套滚压钳同时工作，滚压钳 加压采用杠杠原理，利用油缸产生压力。滚压钳位置传动机构一部分用于控 制每套滚压钳在曲轴的轴向位置，从而控制曲轴主轴颈和连杆颈的滚压顺序。 此传动机构采用步进电机控制滚珠丝杆实现。对应两套滚压钳有两套驱动控 制机构；一部分用于控制每套滚压钳相对曲轴的径向运动，这部分采用驱动 油缸即可；还有一部分用于调整每套滚压钳的两滚压钳之间的距离。为适应 不同种类的曲轴，动钳和静钳之间的距离应能调整。调整机构采用步进电机 丝杆机构，一般针对不同曲轴利一类调定后固定。 摆差测量机构用于支撑安装摆差传感器，并且控制摆差测量动作，它由 7 个摆差传感器、传感器架、导轨和驱动油缸组成。测量时，由驱动机构将 摆差传感器送至测试位，使传感器和各主轴颈接触，然后曲轴旋转便可测得 各主轴颈处的摆差，从而判断曲轴滚压后的弯曲变形情况。 机床本体用于将各机构和控制部分连成一体，设计时主要满足强度和刚 度要求，并考虑工业造型和人机工程设计。 2 2 曲轴滚压校直的数学模型i ，i 在研究曲轴的弯曲变形中，将曲轴在滚压校直过程中最大径向跳动量作 为变形矢量的模，在最大径向跳动量的点所处的横截面上，圆心与最大跳动 量的点的连线所指的方向为变形矢量的方向。假定变形后各主轴颈的轴线仍 保持与工件的轴线平行，则各主轴颈变形矢量可简化为一组与工件轴线垂直 的平行矢量。这样在处理的时候就可以将他们作为平面矢量来对待，即用矢 武汉理l 人学硕十学何论文 径与相位角两个参数对它们进行描述。于是对于具有，| 个轴颈的曲轴其弯曲 变形状态可用下述矢量柬描述： d2 婶l ，d 2 ，d 3 一，d 。 式中，d ，d ：，d ，d 。为各轴颈变形矢量。 设以为曲轴允许的轴颈最大跳动量，当 m a x d i ； d l 时，说明曲轴的弯曲变形超过了允许的最大跳动量，需要进行校直，如 果以某一组滚压参数滚压某一部位所产生的一组变形矢量矩阵j ，与d 迭加： r 斗d = ( y l + d 1 ) ( y 2 + d 2 ) ( y 。+ d 。) = e i 2 1 e 。 若有 m a x y ，+ z | d l 则该曲轴被校直或部分校直，y 称为d 的校正矢量矩阵。由此可以看出， 变形矢量和校币矢量在本质上是相同的，它们都是滚压变形所产生的，所谓 滚压校直，只是有意识地产生所希望的滚压变形而已。 曲轴的滚压校直专家系统的主要任务，是利用滚压参量与校币矢量之间 的关系，针对工件的具体变形状态( d ) ，从数据库中寻找合适的校币矢量( 1 ，) 通过一次或多次的校直操作，最终实现滚压校直。 2 3 神经网络的基本理论 神经网络可分为生物神经网络及人工神经网络。生物神经网络般指动 物及人体中大脑和脊髓中有高级神经放射的神经组织。在工程中常称的神经 网络则是指用电路或软、硬件结合实现的具有模拟大脑功能的系统。神经网 络的结构由神经元及它们之阳j 的相互连接所决定。 人工神经网络( a r t i f i c a ln e u r a ln e t w o r k ，简称a n n ) 是由大量简单的元件 连接而成的，是对生物神经元的简化和模拟。人工神经网络反映了人类脑功 能的许多基本特征，对复杂的人脑神经系统进行简化、抽象和模拟。人脑作 为一个智能的信息处理系统，具有并行分布处理、神经系统的可塑性和自组 织性、神经系统的系统性及系统的恰当退化等特征。 人工神经网络以脑神经系统的组成原理为构造基础，模拟了神经信息处 理系统的四个基本特征，在工程应用中具有广泛的应用价值。本文中的神经 武汉理1 人学硕十学位论文 网络f 是基于以上特征，从曲轴滚压校赢试验数据中寻找规律，推导建 立一个网络模型，并应用于实践。 2 3 1 人工神经网络的基本组成 9 1 1 ) 人工神经元 人工神经元( 简称神经元) 是根据生物神经元的结构、作用机制简化而 成，它是神经网络的基本处理单元，由加权和、非线性动态系统及非线性函 数映射三部分组成，其结构如图2 2 x x 2 x h 图2 - 2 神经单元示意幽 0 神经元是人工神经网络的基本处理单元，一般是如图所示的多输入、单 输出的线性单元。作用于神经元上的函数有三个： 组合方式，一般是输入的加权和： 激活函数，出上一级的激活函数值和当前的输入决定； 输出函数，由激活值产生的输出。 每一个神经元( 如神经元i ) 接受其它神经元( 如神经元，) 的信息传递， 总输入为 = 珊i 巧+ 0 ， ( 2 - 1 ) ，二l 2 1 式中棚。表示神经元研口神经元，的结合强度，称为连接权； x 为神经元，的输出； 0 。表示神经元f 的阀值。 大多数人工神经网络将激活函数和输出函数组合成一个激发函数。神经 元i 的输出为0 ，= f ( 1 ，) ，这早，称为激发函数，根据，的不同，可将神经元 模型分为不同的类型，下面是三种常用的激发函数图形： j矿( ，) l j f u ，) 1 一 ， j矿( ，) 1 l i 矧2 - 3 测值型 图2 - 4s 刑幽2 - 5 分段线性刑 阀值型神经元没有内部状态，函数为一阶跃函数；s i g m o i d 型神经元一 般没有内部状态，函数连续取值，其i o 特性常用对数或正切等l j i j 线表示。 2 ) 人工神经网络的两种基本形式 人工神经网络是出许多单个神经元模型组成，网络的拓扑结构对网络的 特性有重要的影响，根据网络中神经元的连接方式，将网络分成如图2 - 6 、 2 7 所示的两种基本形式： 图2 - 6 前向网络 图2 7 反馈网络 前向网络中各神经元接受前一级的输入，单输出到下级，无反馈。 反馈网络中所有神经元可同时接受输入，并向外界输出，双向箭头表示 神经元之间的信息是双向传递的。 3 ) 人工神经的学习方式 神经网络由三种因素决定：神经元特性，网络连接和学习算法。学习算 法对网络学习速度、收敛特性、泛化能力等有很大影响。 人工神经网络近似函数、处理信息的能力完全取决于网络中各科，神经元 之洲的耦合权值。对于较大规模的网络，权值不可能一一设定，因此网络本 身必须具有学习的功能，即能够从示范模式的学习中逐渐调整权值，使网络 1 4 武汉理i ：人学硕士学位论文 整体具有近似函数或处理信息的功能。 人工神经网络的学习问题归根结底就是网络连接权的调整问题。神经网 络连接权的确定一般山两种方式：一种是通过设计计算确定，即所谓的死记 式学习；另一种是网络按一定规则通过学习训练得到的，大多数神经网络使 用后一种方法确定其网络的权值。 网络的学习i j i i 练归纳起来有如下几种类型： 从学习过程的组织与管理而言有：有监督学习和无监督学习。 从学习过程的推理和决策方式而言有：确定性学习( 大多数学习方法属 于此类) 、随机学习和模糊学习。 下面对各种学习算法的含义及特点做简要介绍。 1 、死记式学习网络的连接权是根据某种特殊的记忆模式事先设计 好的，其值不变。以后当网络输入有关信息时，这种记忆模式就会被回忆起 来。h o p f i e l d 网络作为联想汜忆和优化计算时就属于这种情况。 2 、有监督学习在神经网络的学习过程中，对于网络的学习结果， 即网络输出的正确性必须有一个评价标准。网络根据实际输出与评价标准的 比较，由其误差信号决定连接权的调整。此评价标准是人为由外界提供的， 即相当于有一位知晓正确结果的教师示教给网络，故这种学习方式称为教师 示教学习方式。其原理图如图2 8 所示 学习 输 图2 - 8 有监督学习示意幽 本文中的曲轴滚压校直人工神经网络采用有教师示教学习，评价标准为 成功滚压校直的经验数据。 3 、无监督学习无监督学习是一种自组织学习，即网络的学习过程 完全是一种自我学习的过程，不存在外部教师的示教，也不存在来自外部环 境的反馈指示网络应该输出什么或者是否正确，网络能够根据其特有的网络 武汉理1 ：人学硕十学位论文 结构和学习规则，对属于同一类的模式进行自动分类，这利，网络的学习评价 标准隐含于网络的内部，其原理图如图2 - 9 所示 学习 输 图2 - 9 无监督学习示意幽 所谓自组织学习，就是网络根据某种规则反复地调整连接权以响应输入 模式的激励，直到网络最后形成某种有序状态。也就是说，自组织学习是靠 神经元本身对输入模式的不断适应，抽取输入信号的规律( 如统计规律) 。一 旦网络显现出输入数据的统计特征，则网络就实现了对输入特征的编码，即 把输入特征“记忆”下来。而且在记忆之后，当它再出现时，能把它识别出 来。自组织学习能对网络的学习过程进行度量，并优化其中的自山参数。可 以认为，这种学习的评价准则隐含于网络内部，神经网络的这种自组织特性 来源于其结构的可塑性。 在自组织学习中，常用的学习规则有h e b b 学习规则和相近学习舰则， | j i 者产生自放大作用，后者产生竞争作用。故自组织学习是通过放大、竞争 以及协调等作用实现的。 输入数据的冗余性为神经网络提供了知识。某些知识可以由观测输入数 据的统计特征( 如均值、反差和相关矩阵等) 得到。如果没有这种冗余性， 则自组织学习就不能发现输入数据中的任何模式和特征，故输入数据的冗余 性足白组织学习的的必要条件。 4 、有监督无监督混合学习有监督学习具有分类精细、准确的优 点，但学习过程较慢。无监督学习具有分类灵活、算法简练的优点，但精度 不高。如果将两者结合起来，发挥各自的长处，就能形成更为有效的学爿方 法。 混合学习过程一般是先用监督学习抽取输入数据的特征，然后将这种内 部表示送到无监督学习部分进行处理，以达到输入到输出的某种映射。由于 武汉理i ：人学硕一l 学位论文 对输入数据进行了预处理，将会使有监督学习以及整个学习过程加快。 5 、无监督竞争学习竞争学习是无监督学习中的一种重要学习方 法，在神经网络中有广泛的应用这种学习方法的特点是按某种评价确定竞争 层“获胜”神经元。获胜神经元的输出置1 ，其它皆为0 ，连接权的调整仅在 获胜神经元与输入之间进行，其它皆不变。连接权的调整按相近学习规则计 算，即 w ，( ，十1 ) = w ，( ，) 十( f ) 【x ，一w 。( f ) 式中，x ，为输入信号，j = 1 , 2 ，月：( ，) 为f 时刻的学习速率。 6 、无监督h e b b 学习此种学习是在自组织学习中采用h e b b 学习 规则调整网络的连接权值，以适应输入模式的激励。它是无监督学习中的另 一种重要的学习方法，因而在神经网络中有广泛的运用。 2 3 2 前馈神经网络的计算能力及函数逼近i j 用人工神经网络解决实际问题时，首先要确定网络的结构和网络中各层 神经元所采用的激发函数，然后就是确定网络中神经元之间的连接权以及神 经元的阀值，确定连接权的方法和过程称为人工神经网络的学习。对f 单层 网络，不论用什么样的激发函数其分类能力都一样。增强网络分类计算能力 的途径是采用多层前馈网络，即在输入输出层恻加上隐层构成多层日口馈网络， 加上隐层，前馈网络就可以实现任何布尔函数。 假定前向网络输入单元为n ，输出单元为7 ，从网络学习训练过程可知， 网络的作用是从n 维空间尺”到，维空间月7 的映射。 原苏联数学家于1 9 5 7 年就证明了任何一种非线性都可以用一个三层前 向网络来实现，任何定义在单位闭区间，“( n 2 ) 的多变量连续函数f ( x ) 都可 以表示为如下形式： ，( 却= 易【4 ( ) 】 i k - i i k - l ( 2 2 ) 2 - 2 式中g ，h ，都是连续的单变量函数，且 。为与厂( x ) 无关的单调函数。 d a s p r e c h e r 又证明了函数组 ，可化为a , h ，的形式，其中a l 是常数，上 式可进一步写成 武汉理i 人学硕十学位论文 2 肼1 月 ，( 曲= 易【砟亏( ) 】 ( 2 3 ) 2 3 式可直接对应一个输出层只含有一个神经元的三层前向网络 在以上定理的基础上，通过复杂的证明，得出如下定理 令妒( x ) 为非常量有界单调增加连续函数，k 为的紧致子集， 厂( x ) = f ( x ，x ：，x 。) 为k 上的实值连续函数，则对任意s 0 ，存在整数 和实常数c ，、0 ( i = 1 , 2 ，一，月) 以及彬，( f - 1 , 2 ，n ；j = 1 , 2 ，h ) 使得 ( ，) = 烈一 ( 2 - 4 ) s ：- i ，_ f 满足 l l m a x “肖，“) 一( 4 ，) i 0 ，存在一个三层前向网络，其隐层神经元的激发 函数为毋( x ) ，输入及输出层神经元的激发函数为线性的，此三层前向网络的 输出为是式2 - 4 ，使得2 5 式成立，这一结果，给前向人工神经网络的实际应 用奠定了理论基础。 虽然上面的定理证明了任何一个非线性映射都可以用一个三层前向网 络来很好地逼近，但由于难以确定( x ) 的具体形式，所以并不能利用这一定 理设计解决实际问题的具体网络。在应用神经网络解决实际工程问题时，工 程实际问题所涉及到的函数往往是未知的，因此，不能够明确确定隐层神经 元数，本文中曲轴滚压校直神经网络是根据经验数掘，经过反复训练学习， 确定一个合适的隐层神经元数，将未知的数据输入系统，能够一确的预测滚 压效果，并能够给出需要校直的参数数据值。 2 3 3 多层前馈网络作用的分析 前向网络可逼近任何非线性映射，在具体运用中，对未在训练集中出现 的样本及输出结果的可靠程度，都是通过输入样本学习训练来决定的。样本 ( 输入输山对) 是随机选取的，所以从概率的观点理解网络的作用，样本之 间的真实关系可用联合分和密度p ( x ，y ) 表示，则输入空间的概率密度为 p ( x ) = lp(x，y)dy(z-6) 武汉理i ：人学硕十学位论文 给定输入条件下输出的概率密度为 p ( y ix ) ：趔 ( 2 - 7 ) p ( z ) 为了学到p ( x ，y ) ，可用一个参数模型( 前向网络) p ( x ，y ，) 来表示它 ( 缈指连接权与阀值组成的向量组) ，参数的值通过学习来确定，以便 p ( x ，y ，) 能逼近真实的p ( x ，y ) 。 当用作函数逼近时，网络输出可理解为y 对x 的回归函数，对于未知学 习样本，并非都能给出j 下确反映，有一定的误差是容许的。对于出现概率p ( x ) 大的未知样本，由于附近的学习样本多，输出的f 确率高，相应的可信度也 高；处于稀疏区( p ( x ) 小) 的未知样本，正确率就低，通过增加学习样本数 目，可以有效的解决学习结果疏密问题。 2 3 4 神经网络的特点 众多的神经元广泛地连接就构成了神经网络，总结起来，神经网络系统 具有以下基本特性： 1 、分布存贮和容错性 信息在神经网络内的存贮是按内容分布于许多神经元中进行的，而且每 个神经元存贮多种信息的部分内容。网络的每部分对信息的存贮具有等势作 用，这类似于全息图的信息存贮性质，部分的信息丢失仍可以使完整的信息 得到恢复，因而使网络具有容错性和联想记忆特性。也f 因为如此，人脑和 数字计算机相比分别表现出明显的健壮性( r o b u s t ) 和脆弱性( b r i t t l e n e s s ) 。 2 、可塑性、自适应性和自组织 生 神经元之间的连接