铸造方法选择专家系统

摘要

    铸件设计需要了解铸造工艺特有的各种相关因素，但是通常生产设计者并不具备这些必需的铸造知识。铸件设计者一般必需与铸造专家合作来保证所设计的产品的铸造工艺性并选择最佳的铸造方法。这使得设计周期延长，但是实际的设计时间又不够，就很容易产生错误的铸件设计。一个可以由设计者自行处理的计算机系统即可以缓和这一问题并且提高所设计铸件的生产可能性。
    本文提出了一个知识库专家系统，来协助铸件的生产设计者在产品设计阶段根据特殊的铸件设计要求选择最合适的铸造方法。并基于生产规则的知识模拟技术建立了专家系统的原型。本系统由一些自主而又相互关联的部分组成，每一部分处理一组特定的因素，比如铸造合金、形状和复杂度、精度要求和根据生产批量决定的比价等。用户界面的设计允许用户清楚地看到每一部分铸造设计因素如何影响铸造方法的选择，从而在必要时适当地改进设计，以提高所设计产品的铸造工艺性或者更加适合于所选择的铸造方法。
                                 绪 论

    在铸造生产中有很多复杂问题仅仅用常规算法技术是不能迅速解决的。解决这些问题通常依赖于多年的工作经验和专业知识。尽管常规的计算机程序算法能够加工、处理数据并得出结果，但是无法迅速处理人类的经验知识和直观推理过程。并且经验知识以及专家本身很稀少，难以找到而且代价很高。然而计算机专家系统却能够在无法迅速获得专家的专业指导时，解决常规计算机程序不能解决的特殊的铸造问题。
    专家系统（An Expert System--ES）,又称为知识库系统（A Knowledge Based System--KBS），实际上是一种能够模拟人类专家的思维方式去解决特殊领域的复杂问题的、具有“智能化”特征的计算机程序。【1】【2】一个专家系统基本上包括三个主要组成部分：知识库（the knowledge base）、推理机（the inference engine）、用户界面（the user interface）（图一）。知识库包括解决单个问题所需的知识。这种知识提供特殊领域的专家知识，可能是某种规则、直观推断或者解决问题的方法。知识库中的知识是结构化的，利用诸如生成式（Production）、If-Then 规则（If-Then rules）、语义网（semantic nets）、框架（frames）等不同的模拟技术、按照计算机所能够理解的方式来提供。【1】【2】推理机是专家系统根据知识进行推理的机构，包括机构、对策、处理和提供知识库中的知识的控制机构。
    用户界面部分使得系统与用户能够交互对话。它包括屏幕显示、咨询对策和解释部分。另外，专家系统为系统开发者提供接口，比如与数据库、扩展板和相似软件进行通讯。
    近年来专家系统开发工具的发展促进了专家系统在制造业中的应用，例如生产管理、工艺设计、缺陷诊断以及工艺控制等等。【1】【2】据报道，已经开发了很多解决各种铸造问题的专家系统，包括铸件设计【3】、工艺和合金选择【4】【5】、铸造缺陷诊断和预防【6】【7】【8】【9】【10】、熔模铸造的充型和补缩系统设计【11】和工艺过程控制【12】等。
    选择正确的铸造方法是铸造设计与制造中的重要部分。从根本上讲，铸造方法按照造型材料可以分成三种主要方法，即砂型铸造（sand）、金属型铸造（metal）和陶瓷型铸造（ceramic）。在每种主要方法中又产生了大量的技术变化。不同的铸造方法提供不同的技术和投资收益，选择合适的铸造方法要求充分了解铸件设计约束条件、要求的产品性能、各种铸造方法的技术局限、可用的铸件加工工具以及全部的投资决定因素之间的相互关系，因此，一个能够确定最佳的生产铸件的方法以满足特殊要求的工具对于铸件的生产者和设计者具有同样巨大的价值。
    本文就阐述了这样的一个工具，即“铸造方法选择专家系统”的开发与使用。这里提到的开发工作仍在进行，本文所涉及的专家系统的特征仅限于目前已经开发的部分。

铸造方法选择专家系统的开发
    在选择了正确的开发工具之后，知识库的结构设计就不需要熟练的软件程序员，但是同使用大多数应用软件一样，需要了解大量的计算机知识。开发铸造领域的专家系统应该适合于绝大多数铸造厂。开发一套成功的专家系统，必须有一个好的开发规划。系统地研究从开发领域的界定、到知识库的结构设计以及最后的系统执行程序的全过程是重要的，如图2所示。

领域分析和系统规划
    如果在实际中考虑到与应用专家系统有关的潜在利益，最初选择合适的领域就是决定性的。由于铸造方法的选择需要大量的专业知识，专家系统在这一领域的实用性就是显而易见的了。这个专家系统将包括很多不同方法的决定因素、各个因素之间的复杂关系、和根据这些因素选择铸造方法时的直观推断等等详细知识。
就系统规划而言，在全部完成之后，专家系统将由以下部分组成：
    1.“铸造方法选择”主要打算是为那些对在给定的新产品的准备和详细设计阶段确定合适的铸造方法感兴趣的铸造产品设计者开发的。当然，这一性能也可以由铸件的生产者为了同一目的而使用。
    2.“铸造方法验证”是验证一种预先选定的铸造方法对于一个给定的新产品的适用性的。这一功能也可以由铸造产品的设计者和铸造工程师两者使用。
    3.“数据修正”提供了一个修正知识库数据而不会影响知识库规则的简单途径。从系统开发者的观点来看，这一点对于系统的进一步扩展和修正是尤其重要的。
象后面将要提到的那样，选择一个合适的开发工具简单、快速地构造系统也是重要的。系统可以在IBM兼容的PC机上运行。

系统结构设计
    这一部分由知识获取、利用合适的专家系统开发工具进行知识描述和编码等等几个连续步骤构成，通常称为知识库建造（knowledge engineering）。

1)知识获取
    知识获取单元确定了如图3所示的、在特定环境下选择最合适的铸造方法的各种因素。这里确定的因素包括铸造合金类型、铸件尺寸和重量、铸件的几何特征、尺寸公差和表面质量要求，以及最后生产的相对成本。在每一种涉及到的铸造方法中，有关这些因素的、必要的、真实的数据和知识都通过各种途径收集到一起，包括直接与项目专家交谈、铸造教科书、杂志文章、专门的公司文献等等。还必需进行相当数量的知识提炼工作，尤其是在碰到各种说法相互矛盾的时候。
    对铸造方法选择有着重要影响的铸件的复杂程度是无法进行简单定量的，也没有一个简单变量可以对它进行准确估计。在本系统的开发中，主要考虑诸如造型及铸件起模所要求的分型面或者分型线的个数、形成铸件内部结构和严格的壁厚所需的下芯要求以及芯子的类型和尺寸等设计因素。
    由于给定铸造方法的铸件尺寸精度是铸件尺寸的函数，因此对于每一种铸造方法都利用线性回归分析产生了一系列可以适用于每一组铸造合金的线性方程。包括同一分型面上的（即沿着分型线方向）和垂直分型线方向的尺寸公差。利用相关方程描述这一特征的知识与数据能够大大减少规则的数量，在系统的开发中节省大量时间。
    在目前的开发中，关于各种铸造方法生产铸件的相对成本的知识仅仅按照预计的总产量计算，因此必需有一个最小的产量以收回最初的模具加工成本。当然，为了更加实际地比较各种铸造方法的成本，进一步扩展系统的这一部分的功能的工作正在进行之中。
    知识的获取只限于能够稳定地获取知识和数据的那些铸造方法。目前的状况下，知识库包含九种铸造方法：湿砂型铸造（Green sand）、干砂型铸造（Dry sand）、化学粘结剂砂型铸造（Chemically bonded sand）、壳型铸造（Shell mould）石膏型铸造（Plaster mould）、消失模铸造（Evaporative pattern(EPC)）、陶瓷型精密（Ceramic shell investment）、金属型铸造（Gravity die ）、压铸（Pressure die）。

2)知识描述
    在获得所需的全部知识以后，下一步的工作就是按照计算机可以使用的格式描述这些知识。生成式规则（Production rules）（即If-Then规则）确定为描述已有的知识特征的最合适的方法。利用一种类似于人类解决问题的推理方式来构造这些知识，可以直接进行正向知识描述。If-Then规则把前提或条件与相关的结论联在一起。换句话说，在获得一个确定的结论之前，某个条件必须成立或为真。前提一般包括一系列用逻辑AND或OR连在一起的很多条目。
    用这种知识描述方式通常通过正向链（forward chaining）或者反向链（backward chaining）进行推理。【1】【2】正向链推理，也称为数据驱动推理（data-driven reasoning），就是系统检查一条规则的If或者条件部分来决定它是真还是假，结论或者Then部分只有在条件部分为真时才为真。一直做到没有更多的规则可以进行匹配时，系统就报告其结论。在反向链推理中，推理机从一个假设的目标开始，通过规则决定目标状态成立所需的必要条件。因此，这种方式又称为目标驱动推理（goal-driven reasoning），本系统就是使用这种推理机理。
    下面的一条If-Then规则展示了本专家系统根据所考虑的方法选择影响因素，来选取合适的铸造方法X的知识描述：

IF 铸造合金的选择合适
AND 铸件的内部特征要求使用芯子
OR 不需要芯子
AND 所需芯子类型合适
AND 最小芯子尺寸合适
AND 铸件重量合适
AND 铸件最大长度合适
AND 铸件局部最小壁厚合适
AND 铸件局部最大壁厚合适
AND 所需的分型线个数合适
AND 沿着分型面方向尺寸公差合适
AND 垂直分型面方向尺寸公差合适
AND 表面质量要求合适
AND 生产批量合适
THEN 铸造方法X是合适的

    所以，整条规则的IF部分的所有条件都必需满足，铸造方法X才是合适的。

3)知识编码
    知识库的结构设计是利用一种叫做“专家系统骨架（expert system shell）”的个人计算机上的商业开发工具进行的。专家系统骨架提供除了知识库以外的开发专家系统所需的全部核心内容（图4）。所选的开发工具提供生成式规则的工具并且使用反向链推理策略。它还提供所需的其它大部分功能，包括与IBM PC 的兼容性，方便地产生友好的用户界面，与外部系统相结合的能力，对于一般的开发者的友好性和便宜的价格。

CPS：结构和性能
    在铸造方法选择专家系统（CPS）中，复杂的铸造方法选择问题被分成几个标准层次（levels），每个层次都有自己的分支知识库，分别处理整个方法选择问题的一个特定部分，使其开发、应用更加简单、更加有效。系统的知识库结构如图5所示。它包括四个独立而又相互联系的知识库（KB）或层次。这种方法的基础是在系统的四部分中的每一步（或层次）都淘汰不合适的方法，即合金的适配性（KB 1），铸件形状和其它设计特征的复杂程度（KB 2），所需的尺寸公差和表面质量的适配性（KB 3）和直接受到经济的总产量限制的生产成本（KB 4）。在第四层结束时提出最佳方法的建议。系统让用户按照顺序通过四个层次的每一层，并在每一层提出适当的问题。用户输入的答案或者数据在每一层都可以进行修正，从而可以探索个别因素的改变对于系统结论的影响。
铸造方法选择专家系统在每一层考虑的方法选择影响因素总结如下：
    1) 合金适配性（Level 1）
        a)铸铁，b)钢，c)铝，d)镁，e)铜，f)锌，g)镍，h)钛
    2) 铸件几何特征与尺寸的适配性（Level 2）
        a)铸件重量（Kg）
        b)铸件最大长度（mm）
        c)芯子的几何结构：根据铸件下芯特征而定的组合芯或金属芯的适配性
        d)最小芯子尺寸（mm）
        e)铸件局部最大壁厚（mm）
        f)铸件局部最小壁厚（mm）
        g)起模要求的分型线个数
    3) 尺寸精度和表面质量的适配性
        a)沿铸件分型面的最小尺寸公差(在特定长度上±mm)
        b)垂直铸件分型面的最小尺寸公差(在特定长度上±mm)
        c)所需的表面质量（μm）
    4) 产量的适配性（Level 4）
    合适的产量反映了一种产品的生命期或者需求期。

    这种标准结构允许用户清楚地看到单一的影响因素如何一步一步地接受或者拒绝各种铸造方法。系统允许用户在每一层修改输入和改进其选择，而不会影响其它的层次。比如，如果用户发现在第二层没有提出合适的方法，他可以在这一层通过改变几何复杂程度来改进他的设计，同时在前一层得出的判断对于最后的结论仍然是有效的。
    另外，由于新知识的添加或者知识库的修正可以在特定的层次进行而不会影响其它层，因此现有的标准方法对于系统的改进和扩展也有很多好处，能够为开发者和知识工程师在将来进行任何的知识库的扩展而提供友好的友好环境。
    CPS的用户/系统对话界面是经过仔细设计的，以便保证要求用户回答的所有问题的答案都是清楚而没有歧义的。通过内部的解释功能，可以对提出的问题或者要求输入的数据提供解释。还有，在每一层的结尾，系统可以解释为什么没有接受某一种铸造方法，从而使得用户在必要时交互地改变各种因素。当用户希望尝试改变特定的设计因素的影响，甚至他想引入必需的设计特征来满足一种给定的铸造方法时，这一点就显得很重要了。
    利用大量的工程零件进行的测试和验证表明，利用本系统选择的铸造方法与在铸造厂中实际应用的方法相当一致，比如下面将要提到的例子。
下面的例子说明了用户与CPS如何通过对话为一个汽车发动机零件，如图6所示的凸轮推杆，选择最佳的铸造方法。有关的部分影响因素如下：

零件名：凸轮推杆
铸造合金：LM25（Al-7%Si）
芯子要求：需要，简单的圆柱形芯子，金属芯、砂芯均可
最小芯子直径/壁厚：30 mm
铸件局部最小壁厚：4 mm
铸件局部最大壁厚：24 mm
铸件尺寸（长度）：800 mm
铸件重量：3.5 Kg
尺寸公差要求：长度方向±2.0 mm
表面质量要求：< 6 μm
预期产量：50000

    从主菜单（图7）中，可以选择铸造方法选择（CPS）的功能。如前所述，另外两部分功能仍处于开发阶段。在选择了CPS之后系统直接从第一层（Level 1）开始，（图8），系统调用合金的主菜单界面，然后是一个合金子菜单，允许用户输入铸造合金。在本例中，输入LM25（牌号为BS 1400），即Al-7%Si。CPS随之显示第一层的结论，即适合于LM25的铸造方法，如图8所示。这时，用户可以改变合金种类来改变结论，也可以继续进入下一层，即第二层（Level 2）。
    在第二层，系统根据本层考虑的因素，对用户提出一系列问题，或者要求简单地回答是或否，或者输入数据。在本文中不可能提供本部分的所有用户/系统对话界面，但图9a和图9b给出了一些典型界面。在第一阶段，如图9a所示，系统试图确定是否需要芯子以及如果需要那么选择芯子的类型（即金属芯或砂芯）。如果用户对本层次包括的铸造方法选择影响因素不熟悉，整个程序中提供的在线解释功能可以提供帮助。在本例中，系统判断需要圆柱形的金属芯或组合砂芯。关于分型线的问题，要求用户输入保证铸件或者模样起模所要求的最小分型线个数。做到这一点需要大量的经验，进一步的开发打算帮助用户确定对于给定的铸件形状需要的分型线个数。在本例中，为了方便铸件或者模样起模，两个分型线就足够了。根据提供的数据，即可得出这一层的结论，如图9a的最后一幅图所示。此时，用户又可以通过改变数据来改变结论，或者继续进行第三层（Level 3）。
    在第三层，（图10），要求用户在输入尺寸要求和在该尺寸方向上的铸造公差之前，输入平行或者垂直分型线方向上是否有尺寸精度要求，或者两个方向上都有。在本例中，包括沿着一条分型线的800 mm的全长上±2.0 mm的公差，表面质量要求小于等于 6 μm。基于这些数据，可以在图10的最后一幅图中看到系统的结论。
在第四层，（图11），系统要求用户输入在产品的生命期内或者在超出铸件模具制造成本的折旧的特定时间内，预期生产的估计产量。这是制造方法经济性的一个重要因素，因为必需根据确定的最小产量来决定最初的模具制造成本。在本例中，考虑到需要50000的最小产量，系统根据如此之高的生产批量认为所有的铸造方法都适合于这种生产规模。
    通过第四层之后，系统在作出最后的结论之前，显示全部四个层次根据给定的数据得出的结论（图12）。在本例中壳型铸造和金属型铸造都能满足全部四个层次的要求，因此在最后的结论中两种方法都可以接受。一旦用户回到任何一层改变或改进数据而不必返回整个系统都会得到新的结论。在实际生产中，这种零件当前使用的铸造方法是金属型铸造。当然，在充分开发之后，系统可以把选择减少到只有最佳的一个。
    在确定的条件下，最后的选择可能仅限于一种合适的铸造方法，比如图13中给出的例子，一种用L99（牌号为BS 1490），即Al-7%Si-Mg合金铸造的特级质量的电子框架。按照这种合金，有七种铸造方法可供选择。但是根据铸件的精度要求和形状限制，合适的铸造方法的数目相应地减少为三种和一种。因此，在这种条件下，陶瓷型精密铸造可以满足全部四个层次的所有要求，是系统最后的结论中唯一的可选方法。在这种特定条件下，实际使用的铸造方法是陶瓷型精密铸造，证明了CPS的精确结论。

使用方法选择专家系统的潜在利益
    铸件设计者通常只了解铸造技术的部分知识，不得不参考专家的意见保证他们设计的产品的铸造性能并且满足特定铸造方法的技术和经济限制。在设计阶段缺少铸造专家或者专家的支持不够往往导致的不仅仅是不正确的设计，而且延长设计时间，对设计和生产的成本产生不利影响。近年来并行或同步工程（？）的加强提高了产品设计者与铸造专家实时地接触的重要性。铸造方法选择的专家系统，比如CPS，可以为铸件设计者在初步设计和详细设计阶段提供帮助。设计者可以参考系统关于某一设计的最佳的铸造方法的建议，或者根据给定的铸造方法，系统可以简单地评价某一设计在这种方法中的铸造工艺性和适配性。
    设想之中铸造厂能够直接使用这样一个专家系统作为支持工具，帮助铸造工程师快速地估计一个新的设计的可用性或者查询一种预先选定的铸造方法。这样一个工具，尤其是对于帮助缺少经验的铸造工程师在无法得到专家或者有经验的员工的支持而作出决定时是及其有用的。更进一步，这种专家系统可以在铸造厂及学术界作为训练和教育的工具。

                                    结论

    在系统方法论的基础上，成功地开发了一个铸造方法选择的专家系统原型。系统基于生成式规则的知识描述技术，选择了一种使用简便、有效的标准知识库结构。系统目前由相互关联的四个层次组成，各自处理一组特定的影响选择铸造方法的因素，即铸造合金、铸件形状因素、铸件精度要求和最后基于产量的相对成本。系统可以适用于铸造产品的设计者和铸造工程师对于给定的设计选择最合适的铸造方法，和评价给定设计对于给定铸造方法的适配性。还有，为了系统的全面应用，进一步开发工作正在进行之中。
致谢
    作者希望对S.K.Bhattacharyya 教授提供研究条件以及那些提供有价值的建议和数据的个人及其组织表示感谢。