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在注塑模设计系统中应用基于模型推理技术.pdf

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在注塑模设计系统中应用基于模型推理技术.pdf

文章编号10014934200106005805收稿日期20010703作者简介蔡毅1977~,男,硕士研究生。在注塑模设计系统中应用基于模型推理技术蔡毅,娄臻亮,张永清上海交通大学国家模具CAD工程研究中心,上海200030摘要构建了基于模型推理的注塑模设计智能软件系统,阐述了基于模型推理技术在注塑模设计中的应用,并给出实例进行简要说明。关键词注塑模设计;智能软件;模型推理中图分类号TP391172文献标识码AABSTRACTTHEPAPEREXPOUNDSHOWTOAPPLYTHEMODE2BASEDREASONINGINTHESYSTEMOFINTELLIGENTINJECTIONDIEDESIGN,ESTABLISHESTHESYSTEMANDGIVESANEXAMPLEKEYWORDSINJECTIONDIEDESIGN;INTELLIGENTSOFTWARE;MODEL2BASEDREASONING0引言随着塑料制品在工业应用中越来越广泛,注塑成型作为塑料制品成型的主要加工方式也越来越受到人们的重视。由于塑件的质量很大程度上取决于模具的设计和制造,而注塑件千变万化,注塑结构复杂多变,因此,注塑模设计成为一项非常复杂的知识密集型产业。注塑模传统的手工设计方法已无法适应当前的需要,缩短模具设计与制造周期,降低模具设计与制造成本,减少设计人员重复性劳动,实现产品的快速更新的正确途径之一是采用计算机辅助设计CAD技术。在注塑模设计工作中,伴随着许多陈述性和经验性知识的判断、决策、重用,要想将知识集成到CAD系统中,解决通用型CAD系统智能化不高、专业性不强的问题,一种最有效的方法是应用基于知识的系统KNOWLEDGE2BASEDSYSTEM,KBS技术。所谓KBS即是一种问题求解的智能软件。在某一专业领域内,它把有关人类专家的知识和经验表示成计算机能够接受和处理的形式,采用专家的推理和控制策略,解决该领域内只有专家才能解决的问题。因此,将KBS技术应用于注塑模的设计中是十分有意义的。1基于模型推理技术简述基于知识的系统一般可以以知识推理KNOWLEDGE2BASEDREASONING,KBR进行分类。从推理方法上分类,KBR可分为以下三类1基于规则的推理RULE2BASEDREASONING,RBR;2基于实例的推理CASE2BASEDREASONING,CBR;3基于模型的推理MODEL2BASEDREASONING,MBR。基于模型的推理技术是随着计算机编程技术的发展而形成的。在早期,以面向过程的方法进行编程时,MBR被定义为模拟SIMULATION1,即以计算机建立一个真实世界进程的系统模型,由于系统建模是编程必要的步骤,MBR被逐渐淡化。但是,随着面向对象的编程技术的出现,随着面向对象的分析和设计方法OBJECT2ORIENTEDANALYSISANDDESIGN,OOA/D2~3的提出,MBR又被注入了新的活力。MBR技术在建模上可由整体到局部分为三个层次1组织模型MACHINERYMODEL这一总模85DIEANDMOULDTECHNOLOGYNO62001型负责分配PLAN和调度SCHEDULE整个系统中各个模块的功能。2模块模型MODULEMODEL这一类模型是用于进行变换、嵌套、组合以产生复合输入问题的解。3组件模型COMPONENTMODEL这一类模型是用于进行组件的功能特征和物理特征的构建及调试。MBR技术在理论上采用约束系统进行推理。首先,运用组件描述语言COMPONENTDESCRIPTIONLANGUAGE,CDL将组件的约束特征描述出来;然后,将约束特征转化入并行约束编程框架CON2CURRENTCONSTRAINTPROGRAMMINGFRAME,CCPFRAME,即约束系统CONSTRAINTSYSTEM,进行推理。CCP框架将输入问题的外部约束与组件及模块间的内部约束进行匹配、组合,最终得到输出结果。从以上说明可看出,模块模型是一个非常重要的概念。一个系统或一个产品可以根据其功能特征和物理特征划分为不同的模块,而组件可以看作为再划分的子模块。通过模块的组合和变换可以适应不同的系统或产生新的产品,这就是基于模块的设计MODULE2BASEDDESIGN,MBD。MBR由其特性决定了它具有以下优点1问题不匹配时可以解答。当不能完全满足输入问题的约束要求时,可对不满足的模块进行修改以满足问题。2部分继承成功设计的成果。可以将修改的模块存入模块模型库和模块数据库中,以备以后使用,如同将大问题分解为子问题,再将它们存为小CASE。3问题的创新性解答。不同于CBR是根据搜索出来的旧的结果给出解答,MBR是根据约束条件由模块组合出新的结果。4数据冗余性低、维护简单。对于不同的结果,其可以包含相同的模块,而且存储于数据库中相同位置,所以数据不冗余,维护简单。但是,MBR也有其不足首先是给出问题的约束要充分,否则会使系统无法控制约束,并最终无法获得结果;其次,其不具有经验知识的记忆能力,知识的学习完全局限于模块模型。对于RBR、CBR、MBR的简单比较可见表1。通过以上分析可以看出CBR、MBR各有优缺点,目前较好的方法是把CBR和MBR集成起来,CBR适合于解决经常遇到的问题;MBR适合于解决新问题。因此,可以把大问题进行分解,用CBR先发现和解决这些子问题,然后,再结合这些子问题的解,形成一个新问题,再用MBR解决这个新问题。表1RBR、CBR、MBR的比较RBRCBRMBR专家无法描述的设计经验否是否继承成功设计的成果是是部分问题不匹配规则可否解答否是是问题的创新性解答否否是知识库数据非冗余性是否是2MBR技术在注塑模设计中的应用211基于模型推理注塑模设计系统框架基于模型推理注塑模设计系统是在WINDOWSNT操作系统下开发的应用软件,其支撑软件是C语言编程环境VISUALC510/610,三维CAD/CAM软件PRO/ENGINEER,数据库开发环境SQL2SERVER。根据前面所述的模块化设计思想,按模具结构及设计特征将该系统划分为若干子模块,然后对这些功能模块单独开发,最后系统总体集成。该系统中主要应用MBR这一智能推理技术,同时也嵌入了一些规则推理技术。当然,交互设计也是系统不可或缺的部分。系统框架如图1所示。图1基于模型推理的注塑模设计系统框架212MBR设计系统的建模按照软件工程的实施步骤,系统三个层次的模型如图2所示。该系统被划分为几个既相互独立又彼此联系的子模块,包括模架MOLDBASE、浇注系统POUR、顶出系统EJECT、温控系统TEMPERATURE95模具技术20011NO6图2设计系统三层次模型CONTROL、抽芯系统EXTRACT、辅助机构系统AS2SISTANTSYSTEM这六个模块。模块模型是产品中所有零部件之间的层次关系、装配关系、设计参数及其约束关系等属性的一种描述。本文将模块模型表示为如下的多元组MMCOMPONENT2SET,SUBSTANCE2SET,AC2SET,PARAM2SET,CONSTRAINT2SET,OTHER其中COMPONENT2SET为产品的组件集合,COMPONENT2SET{COMPONENT0,COMPONENT1,,COMPONENTM1}SUBSTANCE2SET为构件的实例集合,SUBSTANCE2SET{SUBSTANCE0,SUBSTANCE1,,SUBSTANCEN1}AC2SET是装配条件的集合,ACSET{AC0,AC1,,ACK1}PARAM2SET是产品的设计参数集合,CONSTRAINT2SET是表示参数约束集合,OTHER保留,用以在系统扩充时记录其它信息,如功能信息、功能关系信息等等。在模块模型中,一方面,构件之间的关联信息表达了产品层次信息;另一方面,模块特征表达了构件之间的配合关联信息。213模块的调度与匹配各个模块之间的调度。在模块化设计中,模块的调度可分为线性化设计方法和并行化设计方法。根据实际情况采用便于控制的线性化设计方法。组件模型、模块模型约束的求解与匹配。采用CDL方法将约束特征表述后,转化入CCP框架中,由约束系统CS对约束进行顺序求解。顺序求解就是指不用将设计变量约束方程联立求解,就可以将可变的设计变量逐个求出。这种约束集称为可顺序求解的约束集,是最简单的约束集类型。可顺序求解的约束集的变量求解顺序,可以采用如下一个十分简单的算法来求得。算法说明中,设计变量均指当前可变的设计变量。顺序求解规划算法1用邻接布尔矩阵A表示待求的设计变量约束集C,具体方法是行表示设计变量约束,列表示约束中出现的设计变量,如果设计变量XJ出现在设计变量约束CI中,则矩阵元素AIJ1,否则AIJ0。该邻接布尔矩阵称为设计变量约束方程组的结构矩阵。初始化变量求解顺序链表SOL2SEQ;2如果结构矩阵A为空,则转5;3否则,找出所有只含一个设计变量的行即行中只有一个元素为‘1’,如果这种行的数量为0,则说明待求的设计变量约束集C不可以顺序求解,转6;4对所有只含一个设计变量的行作如下处理将相应的约束方程和设计变量名存入链表SOL2SEQ,从结构矩阵A中删除该设计变量所在的行和列;转2;5链表SOL2SEQ中约束方程和设计变量名的顺序,即为求解顺序;6输出求解信息,返回。组件模型、模块模型的匹配。根据约束求解信息进行检索匹配。当前模块推理的检索策略主要有最相邻近策略、归纳推理策略和知识引导策略,针对工程设计领域存在多属性并且各属性间无特殊的联系,采用加权最邻近法,即用模块中若干重要的属性形成索引。因此模块匹配为非完全匹配,每次选取以模块相似度来衡量当前需求和已有模块的匹配程度。其模块的相似度SIMILARI2TY计算如下SIMILARITY64I1WIMATCHI1MATCHI为各个关键字的匹配值,WI为各个关键字的权值。以模块模型及组件模块模型组成KBS的知识库和数据库,根据模型对数据、信息、知识进行认真仔细地分析后,分类进行存储,保持两者独立,使知识和数据的增加、修改、维护简单易行。3实例应用下面将以该系统的模架系统为例简要说明。模架子系统主要采用基于模型推理技术,根据产品信息,实现智能推理,近似匹配出一个最佳模架模型,模架模型的组件模块,由完全匹配方式从标准模架数据信息库中调取,给出模架尺寸及其结构信息。06DIEANDMOULDTECHNOLOGYNO62001目前所考虑的注塑模架事例特征,即塑件和模架的特征,包括塑件材料、几何外形、一模腔数、外形尺寸、壁厚、模架型号及其结构特征。特征定义一般有两个途径特征自动提取和交互式特征定义,考虑到模架特征有一定的语义抽象性,所以本文采用交互定义与自动提取两者相结合的方法来定义事例特征,结果存储在模架事例特征定义文件中。注塑件几何设计如图3所示,为一个简单的壳形件,其数据信息如图4所示。图3注塑件几何形状图4注塑件数据信息采用加权最邻近法,即用注塑模事例中若干重要的关键字注塑件类型,注塑件长,宽,高形成索引。如公式1。其中注塑件类型的权值取为3,注塑件的长,宽和高各取为1,这样可避免在类型不匹配而尺寸匹配时选中不同的类型。检索结果如图5、图6所示。图5模型实例匹配结果经工程实践,该系统可提高模架设计效率三倍以上。4结论本文提出了基于模型推理注塑模设计系统的建立,从基于模型推理技术的应用及其系统结构来看,本系统主要具有以下主要特点1智能化整个系统体现了注塑模设计的过程和内容,以局部智能化设计思想为指导,交互设计和基于模型推理相结合,大大提高了系统运行效率,具有较强的实用性。2模块化系统运用模块化设计思想,这样对系统功能的不满意或更多的需求可以图6匹配模架显示16模具技术20011NO6

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