Comparison of the knowledge representation methods based on a production model and a a network of semantic structure for search for the causes of defects in castings

Kamaev Valerii Anatol'evich Doctor of Physics and Mathematics Professor, Department of CAD and PC, Volgograd State Technical University 400050, Rossiya, Rokossovskogo oblast', g. Volgograd, ul. Rokossovskogo, 58 dkamaev71@rambler.ru

Voronin Yurii Fedorovich Doctor of Technical Science Professor, Department of CAD and PC, Volgograd State Technical University 400011, Rossiya, g. Volgograd, ul. Alekseevskaya, 21 voronin@vstu.ru

Анализ работы литейных цехов показывает, что доля бракованного литья в России стоит на достаточно высоком уровне. В результате заводы несут многомиллионные убытки. Причина трудности ликвидации дефектов состоит в бессистемном подходе к их ликвидации. Зачастую борьба с браком проводится методом проб и ошибок, а иногда и бессмысленных действий. В частности (пример из практики), газовые раковины из отливки пытаются выводить через прибыли для питания термических узлов или забывают, что форма может способствовать образованию газовых раковин при наличии в нижней полуформе термических узлов. Можно приводить множество примеров неправильных подходов при разработке литейных технологий.

Следует помнить, что литейное производство относится к классу сложных систем, формальное представление которых затруднительно. Это вызвано значительным количеством параметров, определяющих функционирование системы, сложностью, а подчас и не возможностью точного определения их значений.

В течение многолетней работы по повышению качества отливок нами проведен системный анализ и создана новая методология выявления и ликвидации дефектов литых заготовок ^[1]. Она позволяет рассмотреть и использовать различные направления по повышению качества отливок. Схема методологии представлена на рис. 1. Методология использует качественные и количественные методы, способствующие выявлению и ликвидации дефектов, или моделированию литейных процессов ^[2].

Качественные методы не требуют специальных математических расчетов и базируются на логическом или эмпирическом определении дефектов. К качественным методам в представленной методологии относится

методика логического определения дефектов, содержащая:

─ дерево систематизации дефектов, позволяющее по характерным отличиям точно определить разновидность дефектов;

─ граф цепочек причинно-следственных связей, который создается при исследовании этапов процесса формирования дефекта. По графу можно определить истинную причину возникновения дефекта;

─ граф способов ликвидации дефектов, способствующий определению наиболее эффективного способа устранения дефекта.

Методика предназначена для технологов, которые владеют информацией о протекающих в литейной форме процессах формирования и затвердевания отливки. Если же знания о литейных процессах недостаточны,

Рисунок 1. Дерево компонентов методологии выявления дефектов и снижения брака отливок

можно использовать методику эмпирического определения дефектов ^[3]. В настоящей информации, в качестве примера, рассмотрим методику логического определения светлых гладких блестящих раковин, которые зачастую образуются от повышенного содержания влаги, азота и ряда других веществ в форме или стержне ^[4].

В качестве начальной стадии проработки системного подхода к определению дефектов, проведен тщательный анализ известных, а иногда и не описанных разновидностей пороков отливок из железоуглеродистых сплавов. В результате анализа было сформировано многоуровневое дерево разновидностей дефектов.

Многоуровневое дерево является совокупностью представления характерных отличий дефектов, причин их возникновения и способов ликвидации. Они объединены единством цели, заключающимся в полном описании цикла определения и ликвидации дефектов. Объединение в систему осуществляется в результате формирования последовательных накопительных образов дефектов, причин их возникновения и способов ликвидации.

При создании общего многоуровневого дерева сформировано 7 отличительных групп ^[1], в которые входили конкретные дефекты в количестве 37 разновидностей.

1. Несоответствие по геометрии (коробление, механическое повреждение, искажение размера, смещение).
2. Неслитины и недоливы (неспай, недолив).
3. Несплошности в теле отливки (раковины, трещины, королек).
4. Приливы (залив, распор, задир, размыв, обжим, обвал, подрыв).
5. Несоответствие по структуре металла (ликвация, отбел).
6. Неметаллические включения (шлаковые включения).
7. Дефекты поверхности (пригар, ужимины, складчатость, окисные плены).

Описанное выше содержание многоуровневого дерева дефектов дает направление для дальнейшего расширения детального обследования разновидностей дефектов. Таким направлением является разработка инфологического метода идентификации разновидностей литейных дефектов ^[5]. Результат проработки состоял в построении логического дерева по определению разновидностей дефектов с их характерными отличиями ^[6].

На рис. 2. представлена часть логического дерева по классификации усадочных дефектов, которая позволяет определить конкретные характерные отличия рассматриваемых дефектов.

Рисунок 2. Фрагмент логического дерева по определению дефектов усадочного характера

Первым шагом качественного анализа дефектов отливки является идентификация дефекта. После идентификации дефекта и определения причины его возникновения, является определение способов его ликвидации. Структура экспертных знаний по выбору способов устранения дефекта представлена с помощью концептуальной модели. При этом совокупность уже известных фактов или представлений относительно исследуемого объекта или системы истолковывается с помощью некоторых специальных знаков, символов, операций над ними или с помощью естественного или искусственного языков ^[7].

На первом уровне модели рассматривается группа дефектов, описанная выше.

На втором уровне модели рассматриваются основные причины возникновения дефектов.

На третьем уровне рассматриваются основные способы ликвидации дефектов. Здесь показано, что следует снизить повышенное содержание влаги в стержне или в форме и повысить газопроницаемость. При затруднении проведения этих мероприятий, их можно компенсировать созданием хорошей вентиляционной системы формы.

На четвёртом уровне рассматриваются дополнительные способы ликвидации дефектов в виде схематического изображения равнодействия технологических параметров. Например, при возможности увеличения металлостатического напора можно снизить время заливки металла и уменьшить его температуру. Можно сделать и другой вариант. Следующим шагом после идентификации дефекта и определения причины его возникновения, является определение способов его ликвидации. Структура экспертных знаний по выбору способов устранения дефекта представлена с помощью концептуальной модели. При этом совокупность уже известных фактов или представлений относительно исследуемого объекта или системы истолковывается с помощью некоторых специальных знаков, символов, операций над ними или с помощью естественного или искусственного языков ^[8]. В основу автоматизированной системы качественного анализа технологии изготовления отливок положен метод, описанный выше.

В процессе производства отливок технологические параметры претерпевают частые динамические изменения в различных направлениях от оптимального значения. Математическое описание таких изменений практически невозможно в связи с большой сложностью улавливания направлений реализации технологического процесса. Исследование процесса оптимизации качества литья сводится к изучению моделей (набора технологических параметров), совершенствование и развитие которых определяется анализом экспериментальных и теоретических результатов при их сопоставлении. Исследуя одну и ту же динамическую систему (к примеру, заливку металлом литейной формы) в зависимости от степени учета различных технологических параметров, можно получать различные модели ^[9].

После определения разновидности дефектов возникает очередная сложность, заключающаяся в определении истинных причин возникновения дефектов. Одним из эффективных способов определения причин возникновения дефектов является результат обобщения личного опыта с практическим опытом литейщиков. В процессе проработки материалов созданы матрицы вероятностей возникновения дефектов от воздействия негативных технологических параметров производства отливок. Рассматривается возможность использования такого способа на примере устранения газовых раковин ^[10].

Сложность определения причин возникновения дефектов заключается в том, что часто образование газовых раковин возможно от различных факторов и причин, которых в общем случае насчитывается до 20 и более на один дефект ^[11]. При этом одновременно могут оказывать влияние несколько факторов и причин.

Причины и факторы могут оказывать влияние как самостоятельно, так и могут взаимодействовать и между собой, тем самым усиливая или ослабляя общее воздействие на возникновение дефекта отливки ^[12]. В табл. 2 приведены причины возникновения дефектов на различных уровнях, где отражено положительное воздействие фактора (например, 1.1), средне расчетный уровень причины (например, 1.2), который наиболее часто используется в производстве, и негативный уровень – причина (например 1.3), приводящий отливку к возникновению брака.

Таблица 2. Причины и разновидности возникновения дефекта «Газовая раковина»

Обобщая изложенное, можно предположить следующее. Если логически определить степень влияния каждой причины на возникновение дефекта (в %) и степень взаимодействия этих причин между собой, то можно построить обобщенную матрицу влияния технологических параметров на качество отливки в общем или на возможность ликвидации конкретного дефекта. Используя конкретные технологические параметры изготовления отливок и базу данных матрицы, можно построить трехмерные графики влияния причин на вероятность возникновения, например, газовой раковины ^[13]. По этим графикам легко определить основную причину возникновения дефекта. Кроме этого, варьируя изменениями причин и факторов, можно моделировать условия снижения и полной ликвидации дефекта с созданием устойчивого техпроцесса. Следовательно, для создания экспертной системы определения дефектов отливок строится таблица «Причины возникновения дефектов и их разновидностей» (табл. 2) и матрица «Вероятностная оценка парных связей разновидностей факторов и причин возникновения дефекта» (табл. 3).

При разработке интегрированной экспертной системы, основанной на знаниях идентификации литейных дефектов и выявления причин их возникновения, было детально изложено научное решение и реализация ряда сложных вопросов ^[14]:

1. Процесс заполнения литейной формы металлом, последующее его затвердевание и происходящие динамические превращения относятся к реальной, слабоструктурированной динамической системе. Это позволяет состояние системы с числом N технологических параметров представить как движение значений параметров в N-мерном фазовом пространстве и

Таблица 3. Вероятностная оценка парных связей разновидностей факторов и причин возникновения дефекта

создать матрицу одинарных, парных и более сложных взаимодействий технологических параметров между собой.

2. Разработана методология создания матрицы моделирования условий ликвидации дефектов изделия, основанной на результатах обобщения практического опыта большинства специалистов данного направления на примере литейного производства.

3. Построена модель структурно-древовидной экспертной системы определения дефектов изделий и на ее основе создана новая автоматизированная система определения и выявления дефектов при использовании вероятностной оценки парных связей разновидностей факторов и причин.

4. Производственные испытания подтвердили высокую эффективность разработанной системы при моделировании условий образования и ликвидации дефектов отливок.