Методология разработки экспертной системы. процесса шлифования

Экспертная система — это компьютерная программа, использующая экспертные знания для обеспечения высокоэффективного решения задач в узкой предметной области [192]. При создании экспертной системы исполь­

зована процедурная база знаний, т. е. в качестве инженера знаний и пред­метного эксперта выступает автор работы.

В экспертной системе используется как база данных, так и база знаний в предметной области алмазно-абразивной обработки и лезвийной обработки инструментом из СТМ. База данных содержит справочные данные о харак­теристиках алмазных кругов (связка, марки зерен, концентрация, зерни­стость и т. д.), физико-механических свойствах различных марок алмазных зерен и обрабатываемых СТМ. Экспертная система разработана на основе процедурной базы знаний. База знаний оперирует такими понятиями, как на­дежность лезвийного инструмента из СТМ, брак при его заточке, весовой вклад различных факторов в эффективность процесса обработки и построена по предложенному алгоритму определения оптимальных условий микрораз­рушения элементов системы «СТМ — зерно — связка», основанному на обес­печении нагрузки на единичное зерно. В качестве языка программирования использован Borland Delphi 5. В состав экспертной системы входит про­граммный комплекс по методу конечных элементов (МКЭ) типа Cosmos и Ansys.

Основное назначение экспертной системы — прогнозирование уровня выходных показателей при шлифовании различных марок СТМ, в том числе и вновь создаваемых, и оптимизация процесса обработки.

На отдельных этапах работы экспертная система предусматривает уча­стие эксперта. Эксперт обладает знаниями процесса и путей воздействия на его эффективность.

Структурно-логическая схема алгоритма экспертной системы пред­ставлена на рис. 8.1.

Согласно схеме экспертная система состоит из нескольких взаимосвя­занных между собой модулей и подсистем, каждый из которых решает свою конкретную задачу. Работа экспертной системы базируется на результатах исследований, проведенных в предыдущих главах.

После ввода в экспертную систему исходных данных — физико­механических свойств СТМ, зерен и связки, нормального давления или по­перечной подачи, скорости шлифования, зернистости и концентрации ал­мазных зерен, параметров рабочей поверхности круга (которыми можно управлять в процессе шлифования [34]), производится предварительная про­верка обеспечения бездефектности процесса обработки. Для этого выполня­ется расчет 3D НДС системы «связка-кристаллит-металлофаза-зерно». На этом этапе 3D моделирование НДС системы «СТМ-зерно-связка» анализи­руется уровень термосиловых напряжения и/или энергии деформации в по­ликристалле и проверяется, не превышают ли они критических значений. Аналитически подобная задача решена Новиковым Н. В. [127] применитель­но к разрушению композиционных сверхтвердых материалов, однако без учета силового фактора.

Если условия эксплуатации изделия из СТМ известны (например, лез­вийный инструмент), то расчет 3D НДС, например, режущего клина лезвий­ного инструмента осуществляется в экстремальных условиях его эксплуата­ции для обеспечения его надежности еще на стадии изготовления.

В теоретический модуль входят подсистемы: определения критической величины заделки зерен в связку, их заглубления в нее (методом 3D НДС); определения числа работающих зерен; определения относительной величи­ны фактической площади контакта в системе «РПК-СТМ»; определения на­грузки на единичное зерно. Если нагрузка на зерно достаточна для обеспече­ния его самозатачивания (микроразрушения), реализуется производительный процесс, если нет — прецизионный, где ответственными за съем припуска яв­ляются термоактивируемые процессы. Расчет объемов разрушенных СТМ и алмазных зерен ведется двумя способами. Если нагрузки в контакте «зерно — СТМ» достаточны для их микроразрушения при одноактном взаимодейст­вии, расчет ведется по методу конечных элементов (см. пп. 5.4, 5.5), если на­грузка не достаточна, решается усталостно-циклическая контактная задача (см. п. 5.9). В производительном шлифовании процесс микроразрушения СТМ и зерен может осуществляться при одноактном (за один контакт) взаи­модействии зерна с поликристаллом либо в режиме усталостно­циклического микроразрушения. В первом случае объемы разрушенного СТМ и зерен определяются при 3D моделировании НДС системы по величи­не закритических приведенных напряжений и/или энергии деформации в от­дельных элементах. По этим результатам расчета оценивается производи­тельность съема припуска, удельный расход и износ алмазных зерен.

Расчет

производительности

термоокислительного

процесса

Расчет

производительности
диффузионного съема

Определение
шероховатости
доведенной поверхности

і ~

НЗывод исходных и
полученных данных.

Рис. 8.1. Структурно-логическая схема экспертной системы процесса шлифования

В случае необходимости расчета процесса термоактивируемой довод­ки (прецизионной обработки) — решение принимает эксперт. Последователь­ность работы подсистем включает: расчет интенсивности термоокислитель­ного и диффузионного съема шероховатого поверхностного слоя СТМ, при термосиловом взаимодействии с железосодержащей металлической связкой, полученного после предварительной обработки СТМ; определение произво­дительности и времени необходимого для съема объема материала, находя­щегося в слое, по толщине соответствующем максимальной шероховатости предварительно обработанной поверхности (определяется методом лазерно­го сканирования).

В случае обработки нового сверхтвердого материала (эксперименталь­ные данные отсутствуют) исходные данные вводятся непосредственно в тео­ретический модуль, а полученные в результате его работы выходные показа­тели процесса алмазного шлифования или доводки новых СТМ могут быть скорректированы с использованием экспериментального модуля.

Теоретический модуль экспертной системы позволяет без проведения дорогостоящих и трудоемких экспериментов количественно оценивать про­изводительность шлифования, удельный износ, шероховатость обработан­ной поверхности в зависимости от марки СТМ, марки зерна, зернистости и концентрации, нормального давления, нагрузки на единичное зерно, скоро­сти шлифования, фактической площади контакта, относительной опорной площади РПК. Поскольку процесс алмазного шлифования осуществляется с комбинированным управлением параметрами РПК, основанном на дозируе­мом удалении связки и принудительном формировании на алмазных зернах режущего субмикрорельефа, следует определить параметры управления (подсистема разработана в гл. 7). При назначении технологических парамет­ров принудительного формирования субмикрорельефа на площадках износа зерен при ультразвуковом воздействии инструментом-ударником учитывает­ся марка зерен и зернистость РПК и ударника, а также их связка. Концентра­ция алмазов в ударнике определяется физико-механическими свойствами и размерами зерен РПК и ударника. Зернистость ударника должна быть в 2-3

раза меньше зернистости РПК, марка зерна максимально прочная (АС160Т,

1/2

К1С > 10 МПа-м1/2).

Экспериментальный модуль экспертной системы на базе компьютер­ной обработки широкой гаммы экспериментальных исследований позволяет с участием и/или без эксперта определить оптимальные условия процесса алмазного шлифования различных СТМ при конкретных ограничивающих факторах, т. е. при определенных реальных возможностях производства. Ме­тодом регрессионного анализа определен весовой вклад различных входных параметров процесса обработки, что позволяет системе принимать решение без участия эксперта.

Порядок работы экспертной системы в общем случае при различных вариантах ее использования определяет такую последовательность действия пользователя (см. рис. 8.1).

• Если по обрабатываемому СТМ есть результаты экспериментальных исследований, вводим исходные данные в экспериментальный модуль экс­пертной системы, получаем оптимальные условия (режимы) обработки дан­ной марки СТМ.

• В случае если изделие из СТМ — лезвийный инструмент, то в теоре­тический модуль вводятся данные по экстремальным условиям его конкрет­ной эксплуатации. Для этих условий (сила резания, температура) ведется расчет 3D термосиловых НДС режущего клина. Затем решается обратная за­дача для 3D термосиловых НДС системы «кристаллит СТМ-металлофаза — зерно-связка» и определяются условия нагружения этой системы (силы и температуры), при которых в процессе заточки инструмента эти напряжения будут несколько превышать эксплуатационные.

• Если полученные режимы алмазного шлифования или термоактиви­руемой доводки в экспериментальной экспертной системе вызывают брак при обработке, выдается команда «изменить режимы»; на этом этапе эксперт принимает решение, какие входные данные следует изменить. При условии выполнения данного требования (которое обеспечивает надежность лезвий­ного инструмента из СТМ уже на стадии его изготовления) продолжается расчет по теоретическому модулю.

• Если приведенные термосиловые напряжения или/и энергия дефор­мации превышают предел прочности СТМ, возникает большая вероятность образования на обработанной поверхности сетки микротрещин, т. е. брака, например, при заточке лезвийного инструмента. В этом случае следует вер­нуться в блок 2 и изменить исходные данные, например, уменьшить величи­ну поперечной подачи или интенсифицировать процесс управления парамет­рами РПК [196]. Если дефекты не образуются, то по той же методике в паке­те для метода конечных элементов путем расчета приведенных напряжений в контакте «зерно-связка» определяем критическую величину заделки зерен в связке при выбранных исходных данных (блок 4). Зная критическую вели­чину заделки зерен в связке, используя теоретические зависимости, полу­ченные нами [200] и в гл. 5 и скорректированные экспериментальным по­правочным коэффициентом, полученным при изучении параметров 3D топографии поверхности РПК и СТМ путем лазерного сканирования, оп­ределяем число зерен в контакте и величину фактической площади контакта. Для этой цели применена также разработанная В. Л. Доброскоком система 3D моделирования рабочей поверхности круга [55]. Используя полученные результаты, определяем нагрузку на единичное алмазное зерно. Если нагруз­ка на зерно достаточна для его микроразрушения (самозатачивания) или процесс формирования на зернах режущего субмикрорельефа осуществляет­ся целенаправленно путем наложения ультразвуковых колебаний [199], (оп­ределяет эксперт), то дальнейшие расчеты осуществляются по ветви «произ­водительное шлифование». При этом процесс производительного шлифова­ния анализируется в два этапа. На первом — методом 3D моделирования НДС системы «СТМ-зерно-связка» по методу конечных элементов определяются элементы, в которых либо приведенные напряжения, либо энергия деформа­ции превысили критические для СТМ и зерен значения, предопределив их разрушение. На втором — решается усталостно-циклическая задача микро­разрушения элементов системы «зерно-СТМ».