基于知识的工艺问题解决方法研究

张 喆，王庆文，周建慧，陈少恒，李龙雨，高 鹏

（北京航空航天大学，北京 100191）

0 引言

机械制造过程受到多种工艺因素的动态影响，如刀具的磨损、环境温度的波动和原材料性能的差异等，每一种因素都对具体的工艺有不同的影响，而且这些因素之间也存在相互影响，这为工艺问题的解决带来了极大困难。然而，企业丰富多样的知识资源可以帮助工艺人员来对问题做出判断和提出解决方法，使企业摆脱设计得出产品，却难以制造出合格产品的困境。目前针对工艺问题解决的研究很广泛，文献[1～3]等针对某一零件加工或是加工中出现的某一类工艺问题的解决进行论述，文献[4]阐述了通过合理利用工艺知识来改善工艺设计质量的问题，文献[5]和[6]则研究将TRIZ理论引入到工艺领域，实现问题的创新解决。

近年来，国内制造企业已经注意到工艺知识的重要性，陆续使用了多种工艺知识管理系统。然而工艺知识管理系统的建立，绝不仅仅是为了获取知识和保存知识，更重要的是为了知识重用和知识创新。目前，针对工艺知识的应用以面向知识为主，即根据用户的知识需求，以检索为手段来提供知识，本文探讨提出一种面向问题的知识应用方法，方法的核心思想是围绕待解决的问题来提供各类相关知识，并最终集成为综合的问题解决方案。在此思想指导下，本文提出一种包容多种工艺问题解决方法的框架结构，在解决工艺问题的过程中通过不同方法提供不同知识来共同帮助解决问题。

1 基于知识的工艺问题解决方法分析

当人们遇到一个工艺问题时，最直接的反应是将问题归类，然后从中找出以往处理过的类似问题的相关经验知识，即通过了解以前类似问题的解决方法来解决新问题。当缺乏此类知识时，人们通常考虑从一些已有的、成熟的工艺知识中获取帮助，这些知识是工艺加工过程中总结出的、一般工艺人员都熟练掌握的一类知识。当此类知识依然难以解决问题时，可能需要请教他人，而这种做法的实质是通过了解他人在生产过程中积攒的经验知识来解决问题。当这些现有工艺知识都无法解决问题时，则可以尝试将一些专业领域外的知识应用到工艺问题的解决中来，实现问题的创新解决。

通过上述分析可知，面对一个工艺问题，有4类知识可以为问题的解决提供帮助。其中，运用解决旧有相似问题的知识来解决新问题的方法中，比较常见是基于案例推理的方法。使用案例推理来解决工艺问题的过程中，以案例的形式承载知识，案例即是知识的单元，这便于知识的组织、分类，有利于快速的检索和匹配，实现问题的解决，以下给出工艺问题解决案例知识的定义，

定义1 工艺问题解决案例知识是记录着包括问题描述、分析直至解决方案在内的工艺问题解决全过程的知识集合。

前文提到的一般工艺人员熟练掌握的知识，这里称为工艺原理知识，下面给出工艺原理知识的定义，

定义2 工艺原理知识是来源于书本、工艺手册及工艺规程等的具有较强指导性的知识。

由工艺原理的定义不难发现，工艺原理知识是生产过程中总结出的具有较高的成熟度和普遍适用性的一类知识，充分运用这些知识可以明确常见工艺问题的解决方向。基于规则的推理是工艺领域中一种运用广泛的提供成熟知识的问题解决方法，然而由于使用结构化数据描述和提取规则比较困难，且工艺问题影响因素众多，推理难度大，这使得运用基于规则的推理技术解决工艺问题的效果不尽理想。本文提出了一种基于影响因素的工艺问题解决方法，通过对问题影响因素的定位，提供适当的工艺原理知识来解决问题，关于方法的具体情况将在下一节论述。

定义3 工艺经验知识主要是指在生产加工实践中积累的经验、技巧和决策性知识。

工艺经验知识一般是具体生产中的一些加工技巧和诀窍，多存在于专家的头脑中，具有较强的针对性，可有效解决加工中遇到的具体的工艺操作和工艺决策等问题。随着知识管理系统在企业中的推广，通过采用隐性知识显性化等手段，对这部分知识的管理日趋成熟。面对知识管理系统中大量的经验知识，传统的基于关键字的检索已经难以满足人们的需求，作为一种能够快速准确地检索到所需信息的技术手段，知识检索更适合从海量工艺经验知识中搜索解决问题的相关知识。

在各类工艺知识都不足以辅助问题解决的情况下，可以转而寻求一些创新性知识，一些外部领域的知识。TRIZ是苏联的G.S.Altshuller教授及其领导的一批研究人员自1946年开始在研究世界各国250万件专利的基础上提出的是一套能够解决创新问题的逻辑方法。TRIZ理论主张利用跨学科，跨领域的知识彻底解决本领域问题中所存在的矛盾，而不是传统上所采用的折中的解决方式。通过采用TRIZ提供各种分析工具、算法来分析和解决问题，并提供解决问题的参考知识，可有助于打破思维定势，实现工艺问题的创新解决。

由前面的分析可知，四种工艺问题解决方法分别以四类知识为核心，可以在不同角度辅助工艺问题的解决，具体如表1所示。

表1 基于知识的工艺问题解决方法

2 工艺问题解决框架

通过前面的分析， 四类知识在相关方法的支撑下，可以从不同的角度辅助问题的解决。然而，一些复杂工艺问题的解决，已经不是可以依靠一条知识、一个工艺过程案例所能解决的。例如，面对一个工艺问题，仅仅依靠基于CBR的解决方法，一旦出现没有适当参考案例的情况，问题的解决将难以进行下去。又如，当单独使用基于TRIZ的解决方法，又难以保证问题的解决符合实际，这就又需要其他方法来提供知识支撑。单独采用一种方法很难保证工艺问题的解决，但多种问题解决方法的组合，不仅可以从不同角度和不同层次来解决工艺问题，其解决复杂问题的能力也远大于单独使用任意一种解决方法。因此，为了最大程度实现问题的解决，充分发挥各解决方法整合解决问题的能力，本文提出了一种分层解决工艺问题的框架结构，该框架根据问题解决的需要，分层次的使用不同解决方法来提供知识帮助，图1是基于分层思想的工艺问题解决平台总体框架结构。

图1 工艺问题解决平台总体框架结构图

如图1所示，框架包含4个层次，每个层次均提供不同的工艺问题解决方法，分别是基于工艺问题案例的解决方法、基于工艺原理的解决方法、基于知识检索的解决方法和基于TRIZ的解决方法。通过分析可以发现，基于CBR的解决方法便于快速的提供解决方案，基于工艺原理的解决方法着眼于分析问题后提供解决方案，基于知识检索的解决方法适用于目标明确地提供经验知识，而基于TRIZ的解决方法适合提供开创性解决方案。据此，将4种解决方法应用于解决过程的不同阶段中，基于分层框架的工艺问题解决，主要分为五步：描述问题、分析问题、解决问题、综合方案和输出。描述问题不仅仅是对问题简单的文字描述，而且需要重新认识、深入了解问题，达到对问题有效定位的目的。问题的描述信息包括问题产生的背景信息、问题现象的描述信息及后续其他方法解决问题时所需的特定信息。要解决所发现的问题，必须明确问题的性质，也就是弄清有哪些矛盾，它们之间有什么关系，以确定所要解决的问题要达到什么结果，进而找出关键矛盾。获取了问题的描述信息之后，基于工艺原理的解决方法将分析工艺问题产生因素，并将其以规范的形式进行表达，以供在解决问题时提供知识。在解决问题这一步中，四种解决方法分别提供解决工艺问题的方法，基于工艺问题案例的解决方法提供的是采用查询问题案例分类树的方法，基于工艺原理的解决方法提供的是分析问题工艺矛盾因素的方法，基于知识检索的解决方法提供的是由本体技术支撑的知识检索方法，基于TRIZ的解决方法则根据自身算法、工具对问题分析与解决。最终，各解决方法提供的知识在规范化后汇总于工艺问题案例上，形成最终的解决方案，形成的方案可以根据具体需求进行输出。

包容多种解决方法的框架，不是简单的提供各种解决方法，而是充分融合各个方法，这使得

框架中的解决方法不再是单独解决问题，而是尽可能的协同工作，在发挥出各自独特作用的同时，形成了一个功能完善的整体。另外，由于框架的结构与常规的工艺问题解决流程相吻合，这符合工艺人员解决问题的思维逻辑，便于问题的快速解决。

3 基于工艺原理的工艺问题解决方法

在加工过程中总结出的工艺原理，对于常见的工艺问题可以提供较好的知识支持。而面对一个工艺问题，如何选择合理的工艺原理知识，其本质是如何快速有效的建立起该问题与相关工艺原理的联系。然而，由于工艺问题的种类多种多样，产生的原因各不相同，一个薄壁件变形的问题就涉及到毛坯、切削参数、刀具、工件、装夹方式和机床等多种影响因素，直接建立工艺问题与工艺原理的联系的效果难以理想。在这种情况下，依靠分类的方法可以较好的克服这些困难。当出现一个问题时，将该问题映射到给定的类别中，通过提供该类问题相对应的工艺原理知识，也就为解决该问题提供了指导方法。由于工艺问题的解决大量依靠经验知识，对于问题的解决尚未形成大量完善的理论支撑，使得工程领域中常规的基于故障分析树的分类方法难以运用。通过分析大量工艺问题发现，工艺系统中的各类因素结合人为因素、环境因素等共同引发了工艺问题，这些因素相互冲突是问题产生最直接的原因。引起工艺问题的原因往往正是一个或几个工艺因素的变化带来的负面影响，这些因素是有限的，那么两两因素间的冲突形成的问题也是有限的，这些问题可以直接关联工艺原理，采用工艺原理来消除这些因素间的矛盾，实现问题的彻底解决。产生一个工艺问题有多个因素，了解其中两个因素相冲突所导致的问题的工艺原理不一定能够解决工艺问题，但是通过了解其他因素引起的问题的相应工艺原理，可以从多角度了解工艺问题可能的解决方法，最后运用逻辑思维和创造性思维把匹配的工艺原理集成起来,形成当前问题的解决方法。由此，本文借鉴TRIZ关于矛盾矩阵的思想，提出了基于矛盾矩阵的工艺问题解决方法。该方法的核心是构建工艺问题矛盾矩阵，矩阵由三部分组成：工艺矛盾参数、工艺问题及工艺原理知识。工艺矛盾参数是对工艺过程中可能对工艺质量产生影响的因素的总结,此处的工艺问题指有对应工艺矛盾参数冲突所产生的典型工艺问题。

为了解决工艺问题，将工艺矛盾参数间的矛盾关系以图2中的矩阵表形式表示，图中第一行和第一列都是工艺参数。不同的是，第一列所列的是工艺系统需要改善的参数的名称，而第一行所列的是工艺系统在改善参数的同时可能导致恶化的另一个参数的名称。在矩阵单元格内的问题，均为典型的工艺问题，每一工艺问题都有与之对应的原理知识，这些原理知识是解决此工艺问题的优先参考。在应用工艺矛盾矩阵解决实际问题的时候，选择影响工艺问题产生的某两个因素转化为工艺矛盾参数，由两个参数在矛盾中确定单元格，在该单元格中选定问题，再由此获得解决此问题的工艺原理知识。例如当遇到一个刀具热变形问题的时候，考虑可能是由改变加工运动参数（如切削速度），导致的其与温度的矛盾引起的。在工艺矛盾矩阵中找到这两个参数，对应到相应的单元格，找到变形问题，进一步查询可知，解决该问题可以依靠降低切削速度、改善冷却情况等知识，其过程如图2所示。

工艺系统由工件、机床、刀具和夹具组成，在总结工艺问题矛盾因素时，重点分析了此四部分在生产过程中其自身因素所可能带来的工艺问题，如工件的材料、结构等因素。进而，分析了工艺系统加工过程中涉及到的加工运动参数（如切削速度、进给量等）、控制参数（如机床运行参数等）、环境参数（如温度等）和加工效果参数（如生产率、表面质量等）等四类参数在工艺问题产生中发挥的影响。最后，借鉴TRIZ有关矛盾参数的思想将所有因素按照物理、化学、几何、工艺等类型进行归纳分类，总结出了13个工艺矛盾参数（表2）。这些参数的提出有助于实现具体问题关键信息的一般化表达，相较于TRIZ的矛盾参数，这些参数对工艺问题的解决更具有针对性，更适合描述工艺系统所发生的问题，方便工艺人员对工艺问题的定位，提高解决问题的效率。

这种方法通过2个参数来快速定位问题类型，进而获得解决该类问题的工艺原理知识。当引起问题的原因是单因素时，该方法也可以将问题定位为自身矛盾引起的问题（如速度与速度之间的矛盾），多于两个因素时，任意选择两个因素也可以快速定位问题。同时，由于采用基于工艺矛盾矩阵来解决工艺问题的本质是发现问题中的矛盾因素，在确定因素的过程中实际上也是分析问题的过程，这有利于抓住问题的本质来解决问题。

图2 工艺问题矛盾矩阵的使用流程

表2 工艺矛盾参数

4 实例分析

本文按上述思想，开发了基于知识的工艺问题解决平台。平台以课题组先期开发的企业工艺知识管理系统TechKnowhow为基础，该系统可以对加工过程信息以案例形式完整保存和呈现，并能有效的管理包括工艺原理知识、工艺经验知识以及情报资料等多种企业知识资源。系统主要特色是以工艺过程作为知识的载体，通过与工艺业务活动相结合实现工艺经验知识的随时获取，解决了隐性工艺知识表达和获取的瓶颈。下面以某雷达罩联接环铣削加工变形问题案例[1]为例来验证工艺问题解决平台，以下是该问题的相关信息。

该联接环的材料为铝合金7050-T7451，总体长度 727.8mm，总体宽度 483.5mm，高度 47mm，最小壁厚小于 1.2mm，属于典型薄壁零件，加工中出现加工变形问题，最终提出的解决方案包括：1）制定合理的加工路径；2）选用合理的切削参数和刀具参数；3）采用辅助支撑。

表3 平台在解决该加工变形问题过程提供的知识

采用工艺问题解决平台来解决该问题，各层次（模块）分别针对问题提供了不同的知识，具体知识如表3所示。

其中，在问题描述模块通过分析确定了问题的工艺矛盾为加工运动参数与几何参数（即由于提高切削速度导致的联接环变形），在工艺原理模块（如图3所示）获取了解决加工变形的关工艺原理知识，包括改善切削力和刚度。

5 结论

本文通过分析解决工艺问题的知识构成，将工艺问题解决过程中可能需要涉及的四类知识分阶段提供给解决问题的流程，在此基础上，提出了基于知识的工艺问题解决框架。以造成工艺问题的矛盾因素为切入点，提出了通过定位矛盾因

图3 工艺问题解决平台工艺原理模块

素来明确问题本质，进而获得解决该类型问题工艺原理的方法。文中以某雷达罩联接环铣削加工变形案例为例，实现了基于问题解决框架的工艺问题解决平台解决工艺问题的基本过程，各方法的协同工作，不仅突显了各类知识在解决问题中发挥的独特作用，同时也较好的验证了框架的包容性。通过对问题的分析，平台提供了解决薄壁件变形的相关工艺原理知识，验证了基于工艺矛盾矩阵提供工艺原理方法的有效性。平台可以在企业生产过程中指导工艺人员解决工艺问题，并能在一定程度上启发创新灵感，降低解决工艺问题的难度。

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