（材料加工工程专业论文）注塑制品缺陷诊断及工艺优化专家系统的研究开发.pdf

摘要 y 6 3 9 0 5 8 注塑制品质量受材料性能、模具设计、注塑工艺参数的设置以及环境的状 况等因素的影响，其中工艺参数设置对成型过程中熔体的状态和最终制品质量有 直接的影响。传统的工艺设置方法是靠人工进行注塑缺陷诊断以优化工艺，强烈 依赖于操作人员的知识和经验。因此，建立基于知识和经验的注塑制品缺陷诊断 和工艺优化专家系统对辅助注塑工艺设置具有重要意义。 本文重点对注塑成型的成型工艺和制品质量进行了分析，深入研究了注塑生 产工艺和制品质量的影响关系，在此基础上结合专家系统开发原理和方法，选用 流行的图形用户界面开发工具v i s u a lc + + 6 0 ，在w i n d o w s2 0 0 0 平台上设计开发 了注塑制品缺陷诊断和工艺优化专家系统。 知识库是专家系统进行推理诊断的基础和前提。知识库中存有诊断和优化工 艺操作相关的理论知识、常识性知识，也含有操作专家凭经验得到的启发性知识 等。本文通过专家经验、注塑手册、实验设计分析和实际生产过程多种途径获取 知识：采用框架表示法和产生式表示法表示事实知识和规则知识；针对注塑成型 制品缺陷及相应规则难以量化的特点，采用模糊技术，对不确定性知识进行模糊 化处理，建立了知识库和知识库之间的关系网络。 推理机是专家系统的组织控制机构，通过运用由用户提供的征兆数据，从知 识库中选取有关的知识并按照定的推理策略进行推理，直到得出相应的结论。 本文具体分析了知识库结构，结合注塑制品缺陷诊断和工艺优化的实现过程特 点，用基于产生式规则的推理方法和模糊推理技术建立了系统推理机。推理过程 以正向推理作为推理机的宏观推理策略，并采用了启发式搜索策略。 专家系统整体结构采用模块化设计，通用性强，用户界面友好，操作简单， 可进行包括欠注、凹痕等在内的1 1 种常见注塑制品缺陷的原因诊断，优化工艺以 消除或减轻制品缺陷。应用该系统对一工业产品的缺陷进行诊断，取得了良好的 效果。 关键词：注塑工艺：工艺优化；专家系统：模糊推理 t h e q u a l i t y o f i n j e c t i o nm o l d i n gp a r t i sr e l a t i v ed e e p l yt om a t e r i a l p r o p e r t i e s ，m o l dd e s i g n ，p l a s t i cp r o c e s s i n gp a r a m e t e r ss e t u p ，a n d e n v i r o n m e n tc o n d i t i o ni ni n j e c t i o nm o l d i n g p r o c e s s o f a l lt h ef a c t o r s ，t h e p r o c e s ss e t u ph a s d i r e c te f f e c to nt h em e l tb e h a v i o ra n dt h ef i n a lp a r t q u a l i t y t h ec o n v e n t i o n a l m e t h o d d i a g n o s e sp l a s t i cp a r t sf l a w sa n d o p t i m i z ep r o c e s sv a r i a b l e sm a n u a l l y ，w h i c h i sd e e p l y d e p e n d o nt h e o p e r a t o r sk n o w l e d g e a n d e x p e r i e n c e s oi ti ss i g n i f i c a n t t od e s i g na n d d e v e l o p a n e x p e r ts y s t e m f o r p a r tf l a w sd i a g n o s i sa n dp r o c e s sv a r i a b l e s o p t i m i z a t i o no fi n j e c t i o nm o l d i n g b a s e do n k n o w l e d g e a n de x p e r i e n c e i nt h i s p a p e r ，t h e r e s e a r c ho n p l a s t i cp a r tq u a l i t y c o n t r o la n d p r o c e s s o p t i m i z a t i o ni ni n j e c t i o nm o l d i n gp r o c e s s i sm a i n l yc a r r i e do u t o nt h e b a s i co f t h e r e s e a r c h ，c o m b i n i n gc o m m o np r i n c i p l e sa n dm e t h o d so f e x p e r ts y s t e m sd e v e l o p m e n t ，a ne x p e r ts y s t e m f o c u so nt h e p a r tf l a w s d i a g n o s i sa n dp r o c e s sp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o no fi n j e c t i o nm o l d i n g i s d e v e l o p e du s i n gg u i t o o l v i s u a lc + + 6 0o nw i n d o w s2 0 0 0 p l a t f o r m t h e k n o w l e d g e b a s ei st h eb a s i sa n d p r e m i s e o f e x p e r ts y s t e m t o m a k e r e a s o n i n g k n o w l e d g ed a t a b a s ei n c l u d et h e o r y ，g e n e r a la n d h e u r i s t i ck n o w l e d g e a c q u i r e df r o me x p e r t ，i n j e c t i o nh a n d i n gb o o k ， e x p e r i m e n td e s i g n a n d a n a l y s i s ，a n dt h er e a lp r o c e s so f i n j e c t i o nm o l d i n g t h ef r a m e r e p r e s e n t a t i o nm e t h o d a n dt h e p r o d u c t i o nr e p r e s e n t a t i o n m e t h o da r ea d o p t e dt oe x p r e s st h ef a c tk n o w l e d g ea n dt h er u l e k n o w l e d g e ， i i a n d f u z z yt e c h n i q u e i su s e dt od e a lw i t ht h eu n c e r t a i n t yk n o w l e d g e o f p a r tf l a w s a n d c o r r e s p o n d i n gr u l e s ，t of o r m t h ek n o w l e d g ed a t a b a s ea n d t h er e l a t i o n s h i pa m o n g k n o w l e d g e d a t a b a s e i n f e r e n c ee n g i n e e ri st h eo r g a n i z a t i o na n dc o n t r o lc o n s t r u c t i o no f e x p e r ts y s t e m a n du s et h ed a t ao f f e r e db yu s e rt oc a r r yo u tt h ei n f e r e n c e p r o c e d u r ef o l l o w i n g t h ed e t e r m i n a t ei n f e r e n c e p o l i c y o n t h eb a s i so f t h e s t r u c t u r eo f k n o w l e d g ed a t a b a s ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i co f i n j e c t i o n m o l d i n gp r o c e s s ，t h es y s t e m i n f e r e n c e e n g i n e e r i sd e v e l o p e d u s i n g t h e p r o d u c t i o n r u l ei n f e r e n c ea n dt h ef u z z yi n f e r e n c e t h e p o s i t i v ei n f e r e n c e t e c h n i q u e i su s e da st h em a c r o s c o p i c a li n f e r e n c e p o l i c ya n d t h eh e u r i s t i c h u n t i n gp o l i c yi su s e d i nt h ei n f e r e n c es y s t e m m o d u l a r i z a t i o n d e s i g n i sa d o p t e di nt h es y s t e m ，w h i c hh a s s t r o n g p o r t a b i l i t y a n d f r i e n d l yi n t e r f a c e t h ee x p e r ts y s t e m c a l ld i a g n o s e11 k i n d so f p a r tf l a w si n c l u d es h o r ts h o ta n d s i n km a r k , e t c f u r t h e r m o r e ，i t c a nh e l pm a nt og a i nt h ea d j u s t m e n tv a l u e so f t h e p r o c e s sp a r a m e t e r s t h a t r e d u c et h ei n t e n s i t yo ff l a w so r c o m p l e t e l ye r a s et h e m a t l a s ti ti sp r o v e d t h a tt h ei n j e c t i o nm o l d i n g p a r tf l a w sd i a g n o s i sa n dp r o c e s so p t i m i z a t i o n e x p e r ts y s t e m h a saf i n ea c h i e v e m e n t t h r o u g ha p p l i c a t i o n o na n e x a m p l e k e y w o r d s ：i n j e c t i o nm o l d i n g ；p r o c e s so p t i m i z a t i o n ；e x p e r ts y s t e m ； f u z z y i n f e r e n c e n i 1 1 引言 第一章绪论 人类社会的进步与材料的使用密切相关。其中塑料是2 0 世纪才发展起来的 一大类新型材料，是高分子材料中最大的一类，由于塑料具有密度小、重量轻、 绝缘性能好、介电损耗低、化学稳定性高及耐磨性好等特点而被广泛应用于工业、 农业、建筑、包装、国防尖端工业和人们的日常生活等各个领域，并且其增长率 已经跃居四大工业材料( 塑料、钢铁、木材和水泥) 的首位。“咀塑代钢”、“以 塑代木”成为了当今世界发展的趋势。正是由于企业生产和人们日常生活中对 塑料制品的强烈需求，以及塑料制品原材料的来源也很丰富、廉价，极大地促进 了塑料工业特别是塑料机械工业的不断发展与进步，促进塑料加工技术和工艺的 不断完善。 塑料的加工方法主要包括挤出、注塑、压塑和吹塑等。其中以注塑成型技术 在塑料制品的生产中的应用最为广泛，塑料总重量的大约3 2 是采用此项技术 成型的。注塑成型是将成型材料加热熔融成流动态( 称为塑化态) ，施以高压注 射进模具，保压结束后再经过冷却定型，然后从模具中顶出制品，得到具有设定 几何形状和尺寸的塑料制品。注塑成型工艺具有成型周期短，能一次成型外形复 杂的模制件，尺寸精确，生产效率高，易于实现机械化、自动化操作等优点，是 一种比较经济而先进的成型技术0 1 。 1 2 注塑成型工艺及特性 完整的注塑工艺流程如图1 1 所示，其中塑化、注射、保压和冷却是注塑过 程中的四个主要阶段。 圈1 1 注塑过程示意图 f i g u r e l 1 i n j e c t i o nm o l d i n gp r o c e s s 塑塑查堂三兰堡主堡奎一 ( 1 ) 塑化 塑化是指塑料在料筒内经加热达到流动状态并具有良好的可塑性的全过程。 塑料原料在与旋转的注塑机螺杆摩擦产生的热量，或者柱塞式注塑机料筒外部的 加热器供给的热量的作用下，高温均匀熔融，为注射入模具型腔做好了准备。可 以说塑化是注塑过程的准备过程。塑料熔体在进入型腔之前应达到规定的成型温 度并能在规定时间内提供足够数量的熔融塑料，熔料各点温度应均匀一致，不发 生或极少发生热分解以保证生产的继续进行。 ( 2 ) 注射 这一阶段从柱塞或螺杆开始向前移动起，将已被塑化的塑料熔体注入模具型 腔，直至模腔被塑料熔体充满为止。充模开始时模腔中压力为零，待模腔充满时， 料流压力迅速上升而达到最大值。模塑压力与充模的时间有关，在充模过程中， 熔体一方面因为与冷模壁的接触而迅速冷却，使得阻力增大，另一方面，较高的 注射速率将在熔体内产生较大的剪切率，从而需要较高的注射压力。两种效应的 综合作用决定了注射压力的大小。注射压力的大小与充模时间的关系如图1 2 所 刁弋。 注射 压力 射速率 充模时间 图1 2 充模时间对压力的影响 f i g u r e l 2i n j e c t i o nt i m ev a r i a t i o nv e r s u si n j e c t i o n p r e s s u r e 充模时间过长，先进入模内的塑料受到较多的冷却，粘度增高，后面的塑料 就需要在较高的压力下才能进入模腔，塑料熔体受到较高的剪切应力，分子取向 程度比较大。由于料温较低，分子取向没有足够时间松弛，制品固化，制品中冻 注塑制品缺陷诊断及工艺优化专家系统的研究开发 结的取向分子将使制品具有各向异性。这种制品在温度变化较大的使用过程中会 出现裂纹，裂纹的方向与分子取向方向是一致的。而且制品的热稳定性也较差， 这是因为塑料的软化点随着分子取向程度增高而降低。高速充模时，塑料熔体通 过喷嘴、主流道、分流道和浇口时将产生较多的摩擦热而使料温升高，型腔充满 时，塑料熔体的温度就能保持较高的值，分子取向程度可减少，制品熔接强度也 可提高。充模过快时，在嵌件后部的熔接往往不好，致使制品强度不高。 ( 3 ) 保压 这是指熔体充满模腔时起至柱塞或螺杆撤回为止的一段时间阶段。当模腔 被完全充满后，塑料熔体会因受到冷却而发生收缩，但塑料仍然处于柱塞或螺杆 的稳压下，料筒内的熔料会向模腔内继续流入以补足因收缩而留出的空隙。如果 柱塞或螺杆停在原位不动，压力曲线略有衰减；如果柱塞或螺杆保持压力不变， 也就是随着熔料入模的同时向前做少许移动，则在此段中模内压力维持不变，此 时压力曲线即与时间轴平行。通常情况下，压力与时间的关系如图1 3 所示。 保压阶段对于提高制品的密度、降低收缩和克服制品表面缺陷都有影响。 此外，由于塑料还在流动，而且温度又不断下降，定向分子容易被冻结，所以这 一阶段是大分子定向形成的主要阶段。这一阶段时间愈长，分子定向程度也将愈 大。保压阶段中，模腔内的熔体保持在高压状态，直到熔体冷却凝固，保压压力 应保持足够高以避免制件出现凹痕，但是压力过高，会造成脱模不易，以及残余 应力过大等不良后果。保压阶段结束后，浇口冻结，成型过程进入冷却阶段，同 时螺杆开始旋转或者柱塞开始移动并后退，进行下一个成型期的塑料塑化。 压力 时间 图1 3 注塑成型过程压力变化曲线 p r e s s u r ec u r v ei np l a s t i ci n j e c t i o n m o l d i n gp r o c e s s ( 4 ) 冷却 这一阶段是指浇口的塑料完全冻结时起到制品从模腔中顶出时为止。模腔内 压力迅速下降，模腔内塑料继续冷却，以便制品在脱模时具有足够的刚度而不致 发生变形。在这一阶段内，虽无塑料从浇口流出或流进，但是模内还可能有少量 的流动，因此依然能产生少量的分子定向。由于模内塑料的温度、压力和体积在 这一阶段内均有变化，到制品脱模时，模内压力不一定等于外晃压力，模内压力 与外界压力的差值使制品内产生残余应力。残余应力的大小与压实阶段的时间长 短有密切关系。残余应力正值时，脱模比较困难，制品容易被刮伤或破裂；残余 应力为负值时，制品表面容易有凹痕或内部有真空泡。所以，只有在残余应力接 近零，脱模才比较顺利，并能获得满意的制品。 1 3 注塑制品质量控制及专家系统在注塑制品质量控制方面的研究状况 虽然当今注塑成型技术已经是一项比较成熟的技术，但是随着注塑制品在家 电、汽车等高科技领域的应用，对制品的质量、性能及产品更新换代提出了更高 的要求。高质量高精度高灵敏度的严格要求成为阻止塑料制品快速进入这些高尖 领域的限制和束缚，如何提高注塑产品的性能成为该领域的重要研究课题。注塑 成型过程是一个高度非线性、时变性的多参数作用过程。由于此过程具有多个参 数相互作用并随时间变化的特性，所以每个参数对最后制件质量的优劣都具有不 同程度的影响。导致在注塑生产过程中，经常会因为注塑参数设置的不合理而出 现各种各样的加工缺陷，当出现缺陷时，对制品缺陷的诊断主要依赖于模具设计 和成型加工人员的知识与经验。但由于知识与经验各不相同，因此要得到统一的 诊断，普遍接受的解决方法或建议并非是轻而易举的事情，多数情况下还是通过 “凑试”的方法来设定注塑参数从两达到消除缺陷的目的，这样就给注塑生产 带来了不必要的人力、物力和时间的浪费，如何在产品的生产过程中对注塑质量 进行很好的控制，当出现质量缺陷时，及时地找出原因并排除它成为注塑行业的 一个很迫切的问题。 1 3 1 注塑质量控制方法概述脚 生产过程中，对于注塑成型制品的质量主要取决于三个方面：模具的设 计与加工；材料的性能；成型过程。传统的提高注塑制品质量的方法主要是 改进模具设计和采用性能较好的树脂：一方面，随着计算机技术在望料成型领域 4 中的应用，可以很方便的用c a e 技术对模具的设计进行分析、改进，以避免昂贵 的机械失误并缩短生产周期，但是模具设计的改进仍然受到很多的条件限制，如： 制件的复杂程度、机械加工的难度等；另一方面，尽管材料的性能在不断的提高， 其性能的改善通常动摇不定，令成型加工很难达到稳定的状态。而且，即使采用 最佳的模具设计和最优的材料性能，有时仍然很难获得令人满意的制品。因此找 到制件成型的最优工艺条件，对注塑成型过程进行工艺控制，是提高塑料制品质 量的有效途径。 数值模拟技术的应用，可在开模前预测熔体的充模情况，在很大程度上减 轻了试模负担，但这种方法仍然依赖于设计人员的经验，无法直接得出最优工艺 参数值。目前，注塑质量控制的方法有有s q c ( s t a t i s t i c a lq u a l i t yc o n t r o l 统计质 量控制法) 、s p c ( s t a t i s t i c a lp r o c e s sc o n t r o l 统计工艺控制法) 、p i d ( p r o p o r t i o n a l i n t e g r a ld e r i v a t i v e ) 算法和a n n ( a r t i f i c i c i a ln e u r a ln e t w o r k ) 、专家系统等。 s q c 通过定期人工抽查制件，收集制件质量信息，参照注塑机近期的运作 情况反馈给操作人员，操作人员根据经验通过设定点判断进行质量控制“。 s p c 矛t j 用中心控制室监控工艺参数，每个被监控的参数都有一个预先通过统 计分析得到的设定范围，如果被监控的参数中发生超出预定范围或者出现相对于 工艺窗口漂移的现象，监控人员就会得到存在潜在问题的警告。 p i d 算法为比例积分微分算法，是最经典的控制方法之一。它具有使用方便、 适应性强、鲁棒性强等优点。正是由于该算法的成本低廉、易于操作、对于绝大 部分控制对象不必深究其模型机理直接应用p i d 校正就可以基本满足对性能指标 进行控制的要求。当然，p i d 的局限性在于不能对大延迟系统和性能指标要求高 的系统进行控制，需要采用结合先进控制方法或采用先进控制方法才能解决。 人工神经网络模仿大脑神经网络结构和功能而建立的一种信息处理系统。 它是由大量神经元相互连接而成的复杂网络，具有高度的非线性，能够进行复杂 的逻辑操作和模拟复杂的非线性系统。 专家系统是一种具有专家水平的，基于知识的、智能化的计算机程序，是 研究如何运用专家知识来解决某专门问题而建立的人机系统的方法和技术，在某 些特定领域能以人类专家的水平动态地建立和解决该领域的问题0 1 。 s q c 和s p c 法已经成功应用于注塑成型领域中，但是这两种方法的理论基础 是统计学，是一种事后的优化方法，需要消耗时间和材料，要在从实际生产采集 到的数据上进行统计后，才能发挥出算法的优越性。其d p s p c 有两个缺陷：一方 面，只能在成型过程中固定的一个或者两个特定时刻采集数据，并使用这些离散 的数据进行质量控制：另一方面，由于没有考虑各个工艺参数之间的相互作用， 导致该方法具有较高的错误率。 郑州大学工学硕士论文 人工神经网络和专家系统属于人工智能的范畴，近年来理论和应用得到了 大力的发展。人工神经网络可以用于成型过程的模型模拟、工艺参数的优化、材 料的优化选择等方面。 专家系统主要应用于制品质量缺陷诊断和参数修正。在工艺寻优的应用中， 专家系统可以根据要生产制件的尺寸、材料等条件从现有的工艺数据库中匹配出 最接近的算例，并把这个已有算例的工艺条件输出作为生产制件的工艺条件。当 在注塑生产或者充填模拟中产生注塑缺陷后，可以利用专家系统知识库中的知 识，通过推理机的推理算法，推导参数修正值，以达到消除缺陷的目的。如果数 据库中存储的知识不够，推理就会失败。因此，专家系统的知识库需要不断补充 和更新，也只有具有相对完备知识库的专家系统才能做出较为正确的判断和更为 接近真值的参数修正量。 a n n 和专家系统的计算能力强、所用时间短、而且具有不断完善自身的功 能，同时在减少成本方面这两种算法要远远好于s p c 和s q c 算法。 因此，本文运用知识工程和专家系统的相关理论及技术，开发注塑制品缺 陷诊断及工艺优化专家系统，以辅助成型工艺设置，提高制品质量。 1 3 2 基于专家系统的注塑质量控制的研究概况 注塑成型由于制品质量受多种因素的影响，制品质量与影响因素之间的关系 很难用确定的表达式来描述，因此，基于知识和经验的专家系统成为注塑制品质 量控制的重要方法。应用专家系统，可对注塑制品缺陷进行诊断，优化工艺，从 而提高制品质量，目前，国内外都已经开展了许多研究并且取得了一定的成果。 ( 1 ) 国外的主要研究状况 m o l d f l 。w 公司开发的m p x ( h i o l d f l o wp l a s t i c s x p e r t ) 自动工艺控制系 统，可以提供稳定的系统的优化工艺的方法。 m e i n g 和h a i j c e k “1 开发了一种用于消除注塑机产品缺陷的专家系统，该系 统研究了5 种高分子材料的i i 种缺陷，每一种情况都给出了可能的解决方法需 要用户回答诸如什么是该产品中的主要缺陷之一、当前的主要工艺条件是什么等 问题。 d e p a u l s o n 和c f p a u l s o n ”3 提出一种解决注塑产品质量问题的专家 系统，建立了一个覆盖3 0 种缺陷的知识库，从分子运动的观点，采用并行程序 来分析注塑制品的问题，给出了可供查询的用于解决缺陷的专家知识库。 j a n 和0 7 b r i e n 。描述了一种改进注塑产品存在缺陷的专家系统原型及其 兰望型曼堡堕兰墅丝三茎垡些主塞至堕竺堡垒茎垄一 改进，主要对原料的选取提供支持，尽可能为用户提供解决问题的建议 s h e l e s h - n e z h a d 和s i o r e s 研究了一种用于获得重要过程参数的人工智 能系统，该系统应用基于规则的推理和基于经验的推理。 k w o n g e t a l 等人n 0 1 研究了一种基于经验推理的系统来确定注塑模型的参数， 经验库用于存放旧的知识和经验，基于经验的推理机用于对以前知识的修改、补 充。 ( 2 )国内的主要研究状况 艾方1 着重探讨了专家系统用于注塑制品缺陷诊断方面的一些基础理论； 并提出征兆与缺陷识别关系等有关问题，注重缺陷识别这一重要环节 张星星等“4 对塑料制品缺陷分析专家系统的知识库构成及推理机的实现方 法迸行了系统地分析与讨论，研制出塑料制品缺陷分析专家系统；但其不足之处 在于采用确定性推理机，推理过程过于简单化。 胡俊翘等“”建立了一个基于知识的注塑制品缺陷诊断专家系统( k 1 3 d d e s ) ； 采用不精确推理及确定性理论；按人类专家处理问题的思维方式来协调各专家对 问题假设的不确定性，运用正反向混合推理的控制策略，对常见的注塑制品缺陷 及注射过程中的故障进行诊断；分析产生原因并提出解决方法及建议。系统知识 的表达采用了“框架十规则”的复合表达技术；使不同层次的知识源统一于同一 知识表达结构内。 周华民等“”用c + + 开发了一个塑料成型缺陷诊断专家系统( p p f d e s ) ，可 以根据制品缺陷进行原因诊断，并提供参考方法，调整参数。该系统采用基于规 则的知识表示方法；考虑到缺陷诊断领域内知识的不确定性和模糊性；其推理采 用了m y c i n 的不精确推理模型，同时使用了混合推理方法。由于c + + 支持面向 对象程序设计，功能强大，故该系统逻辑表达清晰，界面友好，易于使用。 强海平“”等人研究的产生式专家系统i m d d e x p ，采用不精确推理方法和确 定性理论，得到致使产生缺陷的原因和相应的置信度，并输出解法或建议。 将人工神经网络技术应用于注塑制品缺陷智能诊断方面目前还不太成熟； 徐能谦和谭险峰“在这个领域做出了积极有益的探索。总结注塑制品常见的缺陷 征兆原因表，对注塑制品缺陷进行正向诊断；描述了b p 网络的建模过程， 最后采用c 语言，编制了实现智能诊断的软件。然而必须进一步细化注塑制品缺 陷征兆一原因表，加入足够多的学习样本，才能使建立的注塑制品缺陷智能诊断 系统的使用范围更加广泛。 这些相关的研究都将给本文的研究提供有用的理论基础和知识来源。 1 4 本文主要工作和论文结构 前面已经介绍，生产中注塑成型制品缺陷的诊断主要依赖于模具设计和成型 加工人员的知识与经验，给注塑生产带来了很多不必要的浪费。另外一方面，在 这一领域里，有着大量由设计者和熟练操作人员多年来积累的经验，他们通过分 析产品缺陷的类型和机器的状况，可以迅速找到缺陷产生的原因和解决的方法。 随着人工智能，特别是专家系统技术的飞跃发展，我们选用专家技术的控 制方法，采集专家的经验，从而用计算机代替这些专家，使得迅速诊断和消除缺 陷成为可能，这对于提高生产率，有效利用资源具有显著的实际经济意义。 本文主娶工作是运用知识工程和专家系统相关理论及技术，充分收集，整理 有关经验知识，构建合理的推理规则和过程，建立一个注塑制品缺陷诊断和工艺 优化专家系统，使其能够模拟领域专家解决实际问题的过程和方式，辅助工艺人 员根据具体的生产实际条件和环境对制品常见的一般缺陷如充填不足、飞边及气 泡等进行原因分析，在诊断结果的基础上，按照选择的注塑质量控制算法得出合 适的注塑工艺参数设置，从而提高注塑成型制品质量。 本文主要工作： ( 1 ) 注塑制品缺陷诊断及工艺优化专家系统的总体结构设计 基于专家系统基本理论，对注塑制品缺陷诊断及工艺优化专家系统进行系 统分析，确定本专家系统的总体结构。 ( 2 ) 注塑制品缺陷诊断及工艺优化专家系统知识库的建立 在对制品缺陷及影响因素关系分析的基础上，采用产生式表示法和框架表 示法结合的知识表示方法，针对注塑成型制品缺陷及相应规则难以量化的特 点，采用模糊技术描述知识，建立了注塑制品缺陷诊断及工艺优化专家系统。 ( 3 ) 注塑制品缺陷诊断及工艺优化专家系统的推理研究 根据系统知识结构和缺陷诊断及工艺优化过程的特点，以正向推理作为推 理机的宏观推理策略，采用启发式搜索策略，以不确定性推理和模糊推理相结 合的方法，建立了专家系统的推理机制。 ( 4 ) 专家系统实现 基于上述理论，结合专家系统开发的一般原理和方法，选用流行的图形用 户界面开发工具v i s u a lc + + 6 0 ，在w i n d o w s2 0 0 0 平台上设计开发了注塑制品 缺陷诊断和工艺优化专家系统。 垦望型曼堡堕堡堑墨三苎垡些童窒墨堕堕旦塑苎望| _ 一 第二章注塑制品缺陷诊断和工艺优化专家系统的总体设计 2 1 引言 专家系统是人工智能领域的一个重要分支。自1 9 6 8 年费根鲍姆等人成功研制 出第一个专家系统d e d d r a l 以来，专家系统技术已经成为人工智能应用研究最 活跃和最广泛的课题之一，它实现了人工智能从理论研究走向实际应用，从一般 思维方法探讨走向专门知识运用的重大突破。目前已被成功的运用到工业、农业、 军事、医疗、教育等众多领域，并已经产生了巨大的社会效益和经济效益。如美 国已有8 0 以上的大公司应用了专家系统，日本已拥有的处于不同阶段的专家系 统达2 0 0 0 多个，西欧各国专家系统的年增长率也在3 0 以上1 。 2 2 专家系统概述 2 2 1 专家系统的定义“7 ”1 目前，对于什么是专家系统还没有一个严格公认的形式化定义。作为一种一 般的解释，可以认为专家系统是一种具有大量专门知识与经验的智熊程序系统， 它能运用领域专家多年积累的经验与专门知识，模拟人类专家的思维过程，求解 需要专家才能解决的困难问题。以下是从不同侧面对于专家系统的定义： ( 1 )一种意见认为：专家系统是一种使用知识和推理的智能计算机程序， 它要解决人类专家思维都很难解决的一些问题；这些知识加上推理必须达到这样 的水平，即可被认为是某一特定领域中最佳实践者的专家模型；专家系统中的知 识由事实和启发式信息构成，其事实构成了一个广为共享且为专家们认可的信息 体，而其启发式信息则是一些颇具个性、鲜为人知的判断准则( 如似然推理的规 则、优化猜测的规则等等) ，正是这些规则构成了其特定领域中专家水平及决策 的特征；一个专家系统的性能水平是它所具有的知识库的大小和能力的一个函 数。 ( 2 ) 另有一种意见认为：专家系统是一个具有知识库和具体计算机的系统， 其知识库中的知识来自于领域中专家的技能：它能对某一任务提出聪明的建议或 智能的决策；另外，它还能判断自己的推理路线并以简明易懂的方式告诉询问者： 它常采用基于规则的程序设计。 9 郑州太学工学硕士论文 ( 3 )还有一种意见认为；专家系统是利用具有相当数量的权威性的知识来 解决特定领域中实际问题的计算机程序系统，它能根据用户提供的数据、信息或 事实运用系统中存储的专家经验或知识进行推理判断，最后给出结论及结论的可 信度以供用户决策之用。 上述对专家系统功能和范围理解上的差异并不造成对专家系统概念上的混 淆。从以上解释可以看出，专家系统包括三个方面的含义： 1 )专家系统是一种程序系统，但又具有智能，因此它不同于一般的程序系 统，而是一种能运用专家知识和经验进行推理的启发式智能程序系统。 2 )专家系统的智能来源于领域专家的知识、经验以及解决问题的诀窍。为 此，专家系统内部包含有大量专家水平的领域知识与经验，并且能够在 运行过程中不断的增长新知识和修改原有知识。它已使传统的“数据结 构十算法= 程序”的应用程序模式发生了变化，使之变成为“知识+ 推理= 系统”。 3 )专家系统所要解决的问题一般是那些本来应该由领域专家才能解决的 问题。 2 2 2 专家系统的分类。”1 专家系统可以按许多不同的方法分类。最常见的分类方法是按照专家系统的 应用领域来分类，如化学专家系统、注塑专家系统、医疗专家系统等。除了这个 之外，最常用的分类方法就是按任务类型分类了。 按任务类型主要分为以下几类： 解释型：分析采集的数据，进而阐明这些数据的实际含义。 预测型：根据处理对象的过去和现在的情况推测未来的演变结果。 诊断型：根据输入信息找出处理对象中存在的故障。 调试型：给出已确认故障的排除方法。 维修型：制定并实施纠正某类故障的规划。 规划型：根据给定的目标拟订行动计划。 设计型：根据给定的要求形成所需要的方案或图样描述。 监督型：多用于完成实时监测任务。 控制型：通常完成实时控制型任务。 教育型：一般是诊断型和调试型的结合体。 0 2 ，2 3 专家系统的特点。7 。 在专家系统中，说明性知识与推理机制的分离为问题的求解带来极大的便利 和灵活性。因此，尽管专家系统也是一类计算机程序，但这一分离确定专家系统 的作用已远远超过了传统计算机应用程序的功能。 实际上，在常规的计算机应用程序也有知识，也可解决“专家级水平”的问 题。但常规的计算机应用程序是将知识隐含于程序结构中。由于其结构是固定的 且不易修改，适应范围就受到一定限制。对不同类型的问题，必须编写不同的程 序。而在专家系统中，专家的知识则用零碎的或分离的知识( 知识单元) 进行描述， 每一个知识单元描述一个比较具体的情况以及在该情况下应采取的措旖，而专家 系统总体上则提供了一种机伟4 一通常称之为推理机制曙。这种推理机制使其可以 根据不同的处理对象从知识库中选取不同的知识单元构成不同的求解序列。或者 说生成不同的应用程序，以完成某一指定任务。一旦推理机制和某一专业领域的 知识库已经建成，该系统就可以处理本专业领域中各种不同的情况，这就好像为 每一个具体问题都编制了一个具体的程序一样。而这些程序的调试修改也只需要 修改相应的知识元即可，其推理机制可保持不变。这就使得系统的具有很强的适 应性和灵活性，而常规的计算机应用程序很难做到这些。 在总体上，不管是哪种类型的专家系统，都具有以下一些共同的特点： ( 1 )可具有一个或多个专家的知识和经验，能以接近于人类专家的水平在 特定领域中工作。 ( 2 )能高效、准确、迅速地工作，不会像人类专家那样产生疲倦和不稳定。 ( 3 )使人类专家的领域知识突破了时间和空间的限制，专家系统程序可永 久保存，并可复制任意多的副本或在网上供不同地区或不同部门的人 使用。 ( 4 )能进行有效推理，包括各种精确性推理和非精确性推理等等。 ( 5 )具有透明性，能以可理解的方式解释推理过程。 ( 6 )具有自学习能力，可以总结规律，不断扩充和完善系统自身。 ( 7 ) 能提高生产率，产生巨大的社会效益和经济效益。 ( 8 ) 专家系统在解决实际问题时不受周围环境的影响，而人则不然，由于 有感情因素搀杂其间，在处理实际问题时，人往往要受到周围环境因 素( 包括自然的、社会的和自身韵各种因素) 的影响。 塑型查堂王兰堡圭堕苎 2 3 注塑制品缺陷诊断及工艺优化专家系统的总体结构o “2 专家系统的结构是指专家系统各组成部分的构造方法和组织形式a 不同应用 领域和不同类型的专家系统，其体系结构和功能也都不尽相同。注塑制品缺陷诊 断及工艺优化专家系统的基本结构以推理机和知识库为核心，共包括知识库、综 合数据库、推理机、解释机、知识获取机和用户界面6 个部分，如图3 1 所示。 i 推理机 l 工 解用 释户 l 知识库综合数据库 - 呻 机界 面 u 一取机l ， 用户 洼塑领域专家 a i 专家 图3 1 注塑制品缺陷诊断及工艺优化专家系统的基本结构 f i g u r e 3 1t h eb a s i cs t r u c t u r eo f i n j e c t i o nm o l d i n gp a r t s f l a wd i a g n o s i sa n dp r o c e s so p t i m i z a t i o ne x p e r ts y s t e m 本系统主要模拟注塑专家诊断制品缺陷和优化工艺的过程，首先由领域专家 给出一些先决条件( 如产生缺陷的制品尺寸信息等) 和输入一些必要的数据( 如 缺陷强度等) 与相应的规则库中的规则进行匹配，经过推理，得到缺陷产生的原 因和优化的工艺参数调整值。 2 3 1 知识库 知识库是专家系统的知识存储器，其主要功能是用来存放求解问题的领域知 识。通常，知识库中存储的知识主要有两种类型：一类是领域中的事实，称之为 事实性知识，这是一种公用的知识，也即写在书本上的知识及常识；另一类是启 发性知识( 领域专家的个人知识) ，它是领域专家在长期工作实践中积累起来的经 验总结。正是这些启发性知识是领域专家在关键之处能作出训练有素的预测，辨 别出有希望的解题途径，以及有效地处理错误或不完全的信息数据。专家系统开 发中的一个重要任务就是要十分认真细致地对专家的这类知识进行分析。在知识 库中，知识必须表达为一定的规范形式。知识的规范表示方式很多，其中最常用 的有产生式( 规则) 表示法、语义网络表示法和框架结构表示法等。知识库一经建 1 2 注塑制品缺陷诊断及工艺优化专家系统的研究开发 立，便可供专家系统在推理时使用。 本文的专家系统知识库中存放了注塑制品缺陷诊断和工艺调整的专门知识。 它含有诊断和优化工艺操作相关的理论知识、常识性知识，也含有操作专家凭经 验得到的启发性知识等。对领域问题的专家知识，首先需要用相应的知识表示方 法将其表示出来，然后再进行形式化并经编码放入知识库中。知识库建立和具体 结构将在第三章详细讨论。 2 3 2 综合数据库( 工作存储器) 综合数据库是用来存储有关领域问题的事实、数据、初始状态( 证据) 和推理 过程中得到的各种中间状态及目标等。实际上，它相当于专家系统的工作存储器， 用来存放用户回答的事实、已知的事实和由推理得到的事实。数据库的规模和结 构可根据系统的目的不同来确定，而且随着问题的不同，数据库的内容也可以是 动态变化的。 在专家系统中，综合数据库中数据的表示和组织，通常与知识库中事实的表 示和组织相容或相一致，以使推理机能方便地去使用知识库中的知识和综合数据 库中描述问题当前状态的数据去求解问题。 2 3 3 推理机( 推理控制机) 推理机面向最终用户，是一组用来控制、协调整个专家系统的程序。它根据 数据库当前输入的数据，利用知识库中的知识，按一定的推理策略，去求解当前 的问题、解释外部输入的事实和数据，推导出结论并向用户提示等等。为了保证 专家系统的透明性和灵活性，应力求知识库和推理机相分离，以免知识的修改引 起推理机的改变。推理机是专家系统的核心部分，具体有关推理方法和机制将在 第四章详细讨论。 2 ，3 4 艇释机 专家系统应该能够对用户的问题进行分析，分解其中的关键信息，以便正确 驱动推理机。同时以用户便于接受的方式解释自己的推理过程。例如，回答用户 提出的“为什么? ”，给用户说明“结论是如何得出的? ”等，通讨该种解释，既 可以使专家系统更取信于用户，又可以帮助系统建造者发现知识库及推理机中的 错误。解释机构实际上也是一组程序，它包括系统提示、人机对话、能书写规则 的语言以及解释部分程序，其主要功能是解释系统本身的推理结果，回答用户的 丝型查兰三堂堡主堡茎一一 提问，使用户能够了解推理的过程及所运用的知识和数据，是实现系统透明性的 主要模块。 在基于规则的专家系统中，系统的解释通常是与某种规则的追踪形式相联系 的，当系统进行解释时，那些被追踪的规则将被触发。当然，要相对于一个结论 作出更满意的解释，还需要系统能把推理领域的基本原理( 常识性知识) 联系起 来。 2 3 5 知识获取机 这是专家系统中能将某专业领域内的常识性知识和领域专家所特有的经验 性知识转化为计算机可利用的形式并存人知识库的功能模块，同时也负责知识库 中知识的修改、删除和更新。其基本任务是把知识加人到知识库中，并负责维持 知识的一致性及完整性，建立起性能良好的知识库。在不同专家系统中，知识获 取的功能和实现方法差别不大，有的系统首先由知识工程师向领域专家获取知 识，然后再通过相应的知识编辑软件把知识送到知识库中；有的系统自身就具有 部分学习功能，由系统直接与领域专家对话获取知识；有的系统具有较强的学习 功能，可在系统运行过程中通过归纳、总结，得出新的知识。无论采取哪种形式， 知识获取都是目前专家系统研制中的一个重要问题，同时，知识获取也是专家系 统建设中的一个“瓶颈”问题。 本文的注塑制品缺陷诊断和工艺优化专家系统知识库