（机械制造及其自动化专业论文）冲压模具智能设计中的知识发掘及重用技术研究.pdf

摘要 采用先进的计算机技术，以集成的方式，获取和重用冲压模具设计 过程中的知识并用于新的模具设计，减少开发费用和缩短开发周期，是 知识经济时代对于模具行业的要求，是提高模具企业核心竞争力的关键 所在，是企业创新设计的技术基础。因此，深入研究冲压模具设计知识的 发掘技术，最大限度地利用人工智能的最新研究成果，并结合网络技术 加强冲压模具设计知识的共享和交流对于促进模具设计智能化技术的发 展和应用有着重要的理论和现实意义。 本文的研究主要包括三个方面：( 1 ) 冲压模具设计中隐性知识的发掘 技术；( 2 ) 支持多种知识来源的冲压模具设计知识统一表达模型及其应 用；( 3 ) 面向网络应用的冲压模具设计k b e 系统的研发。 本文首先从模糊推理的理论出发，阐述了通过模糊推理技术实现冲 压模具设计隐性知识外显化的理论基础。利用相似冲压件特征的模具设 计的相似性，建立了从冲压件到模具设计的模糊推理规则。研究结果说 明，其规则的可信度取决于相似冲压件集合中各冲压件之间的相似程度。 从扩大知识来源的角度出发，本文提出了冲压模具设计知识的统一 表达模型( u k r m s ) 。该模型可以统一表述包括教科书、图册、期刊文献 和不同c a d 平台下的设计图纸中所包含的模具设计知识。该模型将知 识和其具体依附的信息载体分离，从而可以充分利用数据库和人工智能 的单元技术，有助于提高知识集成的效率和知识应用的广度。 冲压件特征模型是知识发掘的基础，其特征和属性定义的准确与否 将直接影响到知识发掘的成败。本文在研究了冲压特征及其属性对于模 具设计的影响之后，建立了面向知识发掘的冲压件特征模型，并提出了 冲压件的关键特性定义。该模型改变了以往冲压特征定义沿袭机械制造 领域的特征定义方式，将材料属性、几何特征等有机地融合到一起，并 综合应用了多种模糊化技术，符合设计人员的思维习惯，有利于知识的 发掘。 为了提高冲压特征定义的效率，本研究在u g s h e e tm e t a l 基础上通 过二次开发，采用基于特征的设计和人机交互定义相结合的方法实现了 冲压特征属性的半自动抽取。应用表明，这种方式有助于发挥设计人员 和计算机各自的优势，取得了自动化程度和灵活性二者较好的平衡。 本文引入模糊集和粗糙集等相关的数学工具，建立了一套完整的从 冲压模具设计中发掘设计知识的方法。该方法包括模糊聚类、属性约简 和规则发掘等一系列步骤，实现了模具设计图纸中的隐性知识的发掘。 所发掘的知识以产生式的规则显式地表示，从而统一了显性知识和隐性 知识的表达，可以为r b r 和c b r 等推理技术提供知识支持。通过对于 约简后的属性的分析，还有助于发现属性之间的内在联系：通过对于规 则的支持度和覆盖度的分析，可以帮助实现知识的去伪存真。 在上述的理论和方法研究的基础上，本文提出并实现了a s p 模式下 的冲压模具设计k b e 系统。该系统在k b e 系统的基于知识的产品建模、 工程知识的繁衍技术和工程知识的表示和推理技术等关键技术的研究方 面进行了深入的探索。在传统c b r 的4 r 模型基础上，结合本文的冲压 模具设计知识发掘技术，提出了一个全新的知识存储模型。在此知识存 储模型的基础上，提出了知识引导的特征检索和基于分解和重组的事例 重用方法。该方法可以在很大程度上改善目前工程设计领域建立事例索 引的困难，提高检索的效率。值得指出的是，和传统的c b r 检索技术不 同，本文将索引的建立和事例的检索分离，从而有助于充分利用关系型 数据库的检索功能和对于并发任务的支持，尤其适合网络多用户的应用 环境。 本文的冲压模具设计k b e 系统是建立在a s p 的模式下，以网络服务 的形式为设计人员提供服务的，免除了传统的软件购买、安装、维护等 环节，可以大大降低中小型模具企业信息化和智能化的门槛。此外，a s p 模式对知识实现统一的管理，可以促进模具设计知识的共享和交流，有 助于推动整个模具制造行业的技术水平的提高。 关键词：冲压模具设计；基于知识的工程；知识发掘；智能设计 i i a b s t r a c t a c q u i r i n ga n dr e u s i n gt h ed i ed e s i g nk n o w l e d g ei na ni n t e g r a t e dw a y t or e d u c et h ed e v e l o p m e n tc o s ta n ds h o r t e nl e a dt i m ei st h ed e m a n d so ft h i s k n o w l e d g ea g eo nt h es t a m p i n gi n d u s t r y i t sa l s ot h ek e yt oi m p r o v et h e c o r ec o m p e t i t i v ep o w e rf o rad i e m a k i n gc o r p o r a t i o na n dt h et e c h n i c a l b a s i sf o ri n n o v a t i v ed e s i g n a f t e rr e v i e w i n ga n da n a l y z i n gt h ee v o l u t i o no ft h ei n t e l l i g e n td e s i g n f o rs t a m p i n g ，t h ea u t h o rb e l i e v e st h a ti t so ft h e o r e t i c a l l ya n dp r a c t i c a l l y i m p o r t a n c et od i gi n t o t h ef i e l do fd i ed e s i g nk n o w l e d g em i n i n ga n d e n h a n c et h ek n o w l e d g es h a r i n ga n dc o m m u n i c a t i o nb ym a k i n gt h eb e s to f l a t e s ta ia n dw e bt e c h n o l o g i e s t h i sp a p e ri sc o m p o s e do ft h r e ep a r t s ：t h e f i r s to n ei st h et e c h n o l o g yo fm i n i n gt a c i tk n o w l e d g ef r o md i ed e s i g n s ；t h e s e c o n do n ei st h ec r e a t i o na n da p p l i c a t i o no fau n i f o r mm o d e lr e p r e s e n t i n g v a r i o u ss o u r c e so fd i ed e s i g nk n o w l e d g ea n dt h el a s to n ei st h er e s e a r c h a n dd e v e l o p m e n to faw e b b a s e dk b es y s t e mf o rd i ed e s i g n f i r s t l y ，t h ep a p e ri n t r o d u c e dt h ef u z z yi n f e r e n c et h e o r yf o rm a k i n gt h e t a c i td i ed e s i g ne x p l i c i t b a s e dt h i st h e o r y ，t h ef u z z yr u l e sw e r ec r e a t e d u s i n gt h es i m i l a r i t i e sb e t w e e ns t a m p i n gp a r t sa n dd i ed e s i g n ，a n dt h eb e l i e f d e g r e eo ft h er u l e sw e r ed e c i d e db yt h ed e g r e eo fs i m i l a r i t i e sb e t w e e nt h e s t a m p i n gp a r t si no n ef u z z ys e to fs i m i l a rs t a m p i n g s t o w i d e n i n g t h es o u r c e so f k n o w l e d g e ，a u n i f o r m k n o w l e d g e r e p r e s e n t a t i o nm o d e lf o rs t a m p i n g ( u k r m s ) w a sc r e a t e d t h em o d e lw a s a i m e dt o r e p r e s e n t a l lk i n d so fk n o w l e d g ef r o mt e x t b o o k ，d r a w i n g s ， j o u r n a l s a n dc a dm o d e l so fd i f f e r e n tp l a t f o r m i nt h i sm o d e l ，t h e k n o w l e d g ew a ss e p a r a t e df r o mi t si n f o r m a t i o nc a r r i e ra n dc o n s e q u e n t l yt h e d a t a b a s ea n da it e c h n o l o g i e sc o u l db e f u l l yu t i l i z e d t o i m p r o v et h e e f f i c i e n c ya n de x t e n to fu s i n gk n o w l e d g e t h ef e a t u r e b a s e ds t a m p i n gm o d e li st h ef o u n d a t i o na n dt h ek e yt o s u c c e s so fk n o w l e d g em i n i n g a f t e rc a r e f u l l ys t u d y i n gt h ee f f e c to ff e a t u r e a t t r i b u t e so nt h ed i ed e s i g n ，ak n o w l e d g em i n i n go r i e n t e dm o d e la n di t s k e yc h a r a c t e r i s t i c sw a sp r o p o s e d d i f f e r e n tw i t hc o n v e n t i o n a ls t a m p i n g f e a t u r ed e f i n i t i o n ，w h i c hi si n h e r i t e df r o mm a c h i n i n gf i e l d ，t h i sm o d e l i n t e g r a t e d t h em a t e r i a l p r o p e r t i e s a n dg e o m e t r yi n f o r m a t i o nt of o r m i i i c o m b i n e da t t r i b u t e s t h i sm o d e lc o n f o r m e dt ot h ed e s i g n e r sw a yo f t h i n k i n ga n di sh e l p f u lt ok n o w l e d g em i n i n g t oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fd e f i n i n gf e a t u r e ，f e a t u r e b a s e dd e s i g n a n di n t e r a c t i v em e t h o dw e r ei m p l e m e n t e dt o g e t h e rt os e m i a u t o m a t i c a l l y e x t r a c t i n g f e a t u r e sa t t r i b u t e sf r o mu g s h e e tm e t a lf e a t u r e s t h e a p p l i c a t i o no ft h i sm e t h o ds h o w e dt h a ti t t o o ka d v a n t a g e so fb o t hp e r s o n a n dc o m p u t e ra n dh a dag o o db a l a n c eo na u t o m a t i cd e g r e ea n da g i l i t y t h et h e o r yo ff u z z ys e t sa n dr o u g hs e tw a sa p p l i e di nt h i sp a p e rt o c r e a t ea ni n t e g r a t e dm e t h o do fm i n i n gk n o w l e d g ef o r md i ed e s i g n s t h e m e t h o dc o n s i s t so ff u z z yc l a s s i f i c a t i o n ，a t t r i b u t er e d u c t i o na n dr u l e s m i n i n g t h em i n e dk n o w l e d g ew a se x p l i c i t l ye x p r e s s e dw i t hh e u r i s t i cr u l e s ， a n dh e n c eu n i f i e dt h er e p r e s e n t a t i o nf o rt h et a c i ta n dt h ee x p l i c i t k n o w l e d g e b o t hr u l eb a s e dr e a s o n i n ga n de a s eb a s e dr e a s o n i n gc a nb e s u p p o r t e db yt h i sm e t h o d t h ea n a l y s i so fr e d u c t e da t t r i b u t e sw a sh e l p f u l t of i n dt h ei n t e r n a lr e l a t i o n sa m o n gt h ea t t r i b u t e s t h es u p p o r td e g r e ea n d c o v e r a g ed e g r e eo fr u l e sc o n t r i b u t e st ot h ee l i m i n a t i o no ff a l s ek n o w l e d g e o nt h eb a s i so fr e s e a r c hm e n t i o n e da b o v e ，ak b ea s ps y s t e mf o r s t a m p i n gd i ed e s i g nw a si m p l e m e n t e d s o m er e s e a r c h w a sm a d eo nt h e k n o w l e d g em o d e l ，k n o w l e d g er e p f e s e n t a t i o na n dr e a s o n i n gt e c h n o l o g yi n t h i ss y s t e m 。b a s e do nt r a d i t i o n a l4 rm o d e lo fc b ra n dt h ek n o w l e d g e m i n i n gt e c h n o l o g y ，ab r a n dn e wk n o w l e d g ed e p o s i t i o nm o d e lw a sp r e s e n t e d a k n o w l e d g eg u i d ef e a t u r er e t r i e v a lm e t h o da n dac a s er e t r i e v a lm e t h o db y d e c o m p o s i n ga n dr e c o m p o s i n gf e a t u r e sw e r ei n t r o d u c e d t h i s r e t r i e v a l m e t h o dt os o m ee x t e n to v e r c a m et h ed i f f i c u l t i e so fc r e a t i n gc a s ei n d e x i n g f o re n g i n e e r i n gd e s i g n sa n di m p r o v e dt h es e a r c he f f i c i e n c y f u r t h e r m o r e ， d i f f e r e n tw i t ht r a d i t i o n a lc b rr e t r i e v a lt e c h n o l o g y ，t h ei n d e x i n gc r e a t i o n a n dc a s er e t r i e v a lw e r es e p a r a t e di n t h i sm e t h o dt ol a r g e l yu t i l i z et h e s e a r c hf u n c t i o na n dt h ec o n c u r r e n tt a s ks u p p o r to fr e l a t i o n a ld a t a b a s e s o ， t h i sm e t h o di ss u i t a b l et ob eu s e di nt h ew e b sm u l t i u s e re n v i r o n m e n t ak b es y s t e mf o rs t a m p i n gd i ed e s i g nw a sc r e a t e dt op r o v i d ew e b s e r v i c ef o rd i ed e s i g n e r s t h ea s pa r c h i t e c t u r eo ft h i ss y s t e mf a c i l i t a t e d t h ei n f o r m a t i o n i z a t i o na n di n t e i g e n t i z a t i o no fs m e s ( s m a l la n dm e d i u m e n t e r p r i s e s ) b ya v o i d i n gt h ee x p e n s e s o np u r c h a s i n g ，d e p l o y m e n ta n d m a i n t e n a n c eo fi tp r o d u c t s f u r t h e r m o r e ，t h ek n o w l e d g em a n a g e m e n t u n d e ra s pm o d ew i l lp r o m o t et h ek n o w l e d g es h a r i n ga n de x c h a n g ea n d s p e e du pt h et e c h n o l o g i c a ld e v e l o p m e n ti nd i e m a k ei n d u s t r y k e yw o r d s ：d i ed e s i g n ：k n o w i e d g eb a s e de n g i n e e r i n g ：k n o w l e d g e m i n i n g ；i n t e l l i g e n td e s i g n v 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：荆鬯， 日期：夕觇年卜月口日 q l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南理工大学。学校 有权保存并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位 论文被查阅( 除在保密期内的保密论文外) ；学校可以公布学位论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论 文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 本学位论文属于： 口保密，在年解密后适用本授权书。 曰不保密。 学位论文全文电子版提交后： d 同意在校园网上发布，供校内师生和与学校有共享协议的单位浏览。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 指导教师签名。陟琦 日期：力记。，。 日期：工形o 第一章绪论 第一章绪论 1 1 现代模具工业的发展对智能化技术的要求 1 1 1 模具工业的发展及模具设计智能化方面的问题 在现代工业社会中，6 0 9 0 的产品需要依靠模具加工。据国际生 产技术协会预测，2 1 世纪，机械制造工业零件粗加工的7 5 和精加工的 5 0 都将依靠模具完成。模具设计和制造的水平已经成为衡量一个国家 工业水平的重要指标。 2 0 0 4 年我国模具的全年模具产值约为5 3 0 亿元，出口约5 亿美元， 进1 2 1 约1 8 亿美元【2 1 。我国是一个模具生产大国，但同时也是最大的模具 进口国。从目前的发展情况来看，我国在中低档模具的生产和销售中已 经出现供过于求的的状况，但是中高档模具的自配率只有5 0 t2 1 。虽然 我国的模具行业近年来取得了很快的进步，但和欧美的工业发达国家、 亚洲的日本、韩国以及我国台湾地区相比，我们国家的模具设计和制造 水平仍然处在一个整体落后的状况。这种落后是多方面的，在模具材料、 工艺装备、到企业管理体制、生产管理模式、技术研发水平、从业人员 素质等各个方面都存在着差距。从本研究的范围来看，下列存在的问题 值得关注： ( 1 ) 存在重硬件、轻软件的倾向，模具设计的知识管理及知识重用水平较 低。我国的模具企业长期存在片面注重硬件投资，追求“大而全、小 而全”，一方面导致一些设备的利用率不高，另一方面占用了大量的资 金，影响了软件方面的投入，阻碍了其技术研发水平的提高。而国外 的模具企业普遍是“小而专”、“小而精”，重点放在模具产品的开发和 设计，并注重知识积累，从而具备了较高的研发能力。知识管理水平 及知识重用水平低不仅削弱了企业的技术开发，还容易造成技术流失 和技术不稳定，现在一些模具企业不得不返聘退休技术人员的现象也 证明了这一点。 ( 2 ) 在模具设计的智能化、集成化和网络化方面还亟待提升。目前 c a d c a m c a e 技术已经在模具行业得到了广泛而卓有成效的应用， 大大提高了模具的设计制造水平。但是从整个行业来看，计算机技术 华南理下大学博十学臂论文 的应用水平在不同地区和不同企业之间的水平参差不齐，交流和协作 渠道不畅。充分利用计算机技术，发挥后发优势，是我国追赶世界模 具先进水平的一条捷径。 1 1 2 知识经济对于模具制造业的影响 q u i n n 在哈佛商业评论上撰文提出，在后工业时代，相对于实物 资产，一个企业的成功更加依赖于技术人员和软系统。对员工智慧的管 理和将其转化为产品和服务的能力正在快速地成为这个时代关键的经营 技能。 以知识的观点来看待企业的发展是一种新兴的观点【3 1 ，它认为企业 的竞争优势在于企业创建、保存和使用知识的能力。能够很好地应用其 内在知识的企业将会比那些不能充分应用其知识的企业更具有竞争力。 从现代企业的发展来看，不仅资源和设备是分布在不同的地方的，其知 识和专家也是呈现分布形态的。一个企业对于知识的应用好坏取决于两 个因素：( 1 ) 知识集成的效率，即企业对于获取、转化和应用特定知识的 能力；( 2 1 使用知识的广度，即企业连接其知识域和产品域的能力。企业 一方面需要充分发掘和利用内部的知识，另一方面在缺乏某方面知识的 时候需要有一个良好的机制去获取外部的知识。 在知识经济时代，模具企业要迸一步发展，必须改变以往过于重视 硬件而忽视软件的做法。未来模具企业的竞争核心将是企业的技术人员 和研发水平，而不仅仅是企业所拥有的先进设备。例如，目前在珠江三角 洲已经出现了很多专业小厂，专门进行机加工、线切割、电火花、加工 中心等加工。一个模具设计人员在完成模具设计后，甚至可以完全依靠 和这些专业小厂进行协作，完成整套模具的制造。当这种大规模的协作 发展成熟之后，现在一些模具企业依靠高端的加工设备所具备的竞争优 势将大大削弱。一旦普遍的专业化协作形成，一个协作厂的设备可以为 多家企业服务，原来昂贵的购置和维护成本相当于由多家企业分担，其 进入的门槛将大大降低，从而降低了单纯靠硬件所获得的竞争力。因此 未来模具企业的核心竞争力将在于一个企业对于模具设计和制造知识的 掌握。 也正是看到了这一点，将基于知识的工程( k n o w l e d g e b a s e d e n g i n e e r i n g ，k b e ) 引入模具设计和制造领域已经成为近年来的研究重点 和热点。美、日和欧洲各国都将k b e 技术的开发和应用列为其发展的重 要核心技术。 2 第一章绪论 1 1 3 冲压模具智能化设计的重要性 目前，在模具设计方面最能提供设计知识支持的就是数值模拟 ( n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ) 技术和人工智能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，a i ) 技术。 近年来，国内外对于塑性成形内在规律的研究取得了很大的进展， 在这些研究基础上发展起来的数值模拟技术，由于能够较为可靠地预测 冲压缺陷、应力应变等情况，受到了高度的重视 4 1 。随着数值模拟在广 大企业的成功应用，其对于冲压行业的重要影响已经得到了大家的公认。 但从目前应用的情况来看，数值模拟技术的作用还主要局限在模具 设计方案的验证，只能对设计人员给定的工艺方案进行计算分析，并预 测该方案是否可行，或者从多个备选的方案中找到最优的方案1 5 6 1 。而在 模具的概念设计阶段，模具的结构方案和很多具体的尺寸设计方面，它都 未能给出确定的方案。由于有限元计算前处理的大量工作，用有限元模 拟来辅助方案的设计，其成本是很高的；另外，在模具的详细设计阶段， 当模拟结果显示存在冲压缺陷时，设计人员也只能依靠本人的经验和计 算进行修正。数值模拟技术可以指出可能的缺陷，但并不能指导设计人 员去修正。 1 0 0 7 0 图1 1 不同设计阶段的成本和知识 f i g 1 - 1c o s ta n dk n o w l e d g ed i s t r i b u t i o n si np r o d u c td e v e l o p m e n tc y c l e 如图1 1 所示，在产品的开发过程中，概念设计阶段实际占用的成本 只有1 0 2 0 ，但它对成本的影响程度却占了7 0 1 7 1 ，它是最有创造性 和最关键的阶段，也是最需要知识的阶段。数值模拟技术对于概念设计 阶段的支持是不足的，因此在这个阶段需要引入人工智能技术来提高设 计的效率。从图中还可以看到，在概念设计阶段，隐性知识起着很重要 3 华南理t 大学博+ 学位论文 的作用【8 】。但是隐性的知识由于存在员工的头脑中，如果不能及时的显 性化，就有可能由于员工的离职或者退休而消亡。因此在这个阶段一方 面要充分利用企业的知识降低模具的研发成本和制造成本：另外一方面 要注意对于企业的隐形知识的发掘。 从8 0 年代开始，冲压模具的智能化设计技术一直是研究的一个热点。 作者认为，在模具的设计过程中，只有将智能技术和数值模拟技术二者有 效地结合起来，才能充分利用计算机技术来最大限度地提高冲压模具设 计的效率。 1 2 冲压模具设计智能化技术的研究历史和现状 从7 0 年代中期开始，日本的企业，如h i t a c h i 、n i p p o ne l e c t r i c ，f u i t s u a n dm a t s u s h i t ae l e c t r i cw o r k s 等公司，开始大规模地引入冲压模具c a d 系统【9j 。虽然以今天的标准来看，这些系统还比较原始。但是这些系统 已经实施了诸如刃口分割，模具零件和设计过程标准化等思想，为日后 冲压模具c a d 技术的发展打下了良好的基础。 从8 0 年代开始，由于各个c a d 软件厂家开始提供一些高级语言的 编程接口，冲压模具c a d 技术得到了进一步的发展。模具c a d 的建模 能力和交互能力更强。可以进行一些简单的计算和图形信息的抽取。但 是由于当时的开发环境还是基于图形的，在智能方面的发展还是非常有 限。其间比较有代表性的系统是芬兰的金属加工和热处理实验室开发的 基于a u t o t r o l 的冲压摸具c a d c a m 系统【l o 】。该系统以f o r t r a n 语言 为开发接口，实现了冲压力、弯曲力、弯曲半径、材料利用率等的计算： 并能够自动地选择模具零件和设置参数，输出零件清单。此外也出现了 一些商业化的冲压模c a d c a m ，包括t h ef a n u cp r o g r e s s i v ed i e c a d c a ms y s t e m 、t h ea d m sd i e sm a s t e rs y s t e m 、p r o s h e e t m e t a l 、 m e t a l c a d 等 1 0 l 。 随着人工智能技术的发展，很多学者开始探索如何将人工智能技术 进入到c a d 设计当中。作为人工智能技术的一个分支，专家系统( e x p e r t s y s t e m s ，e s ) 在6 0 年代中期开始得到了发展。专家系统是将人的大脑中 针对某个特定问题的知识，以特定的形式储存到计算机中。当用户需要 的时候，可以向计算机系统咨询；计算机系统结合储存的知识，通过推 理得到结论，并给出建议和解释，在需要的情况下，还可以给出推理的 过程，由用户检验其合理性。专家系统具有强大的功能和良好的柔性， 可以解决很多传统的方式不能解决的问题，因而在很多领域都得到了众 4 第一章绪论 多的应用【1 1 1 。 从8 0 年代末、9 0 年代初开始，由于人工智能技术和c a d 技术的进 一步成熟，很多学者开始探索如何将二者结合，发展出智能的冲压模具 设计系统。人工智能的模式识别( p a t t e r nr e c o g n i t i o n ) 、基于规则的推理 ( r u l e - b a s e dr e a s o n i n g ，r b r ) 、基于事例的推理( c a s e b a s e dr e a s o n i n g ， c s r ) 、模糊逻辑( f u z z yl o g i c ) 、神经网络( n e u r a ln e t w o r k ，n n ) 等方面的 技术都在冲压模具的c a d 系统中进行了研究和应用。其中比较有代表性 的系统如表1 1 所示。 从表1 - l 中可以看到，早期的智能冲压系统【9 1 2 - 15 】基本上都采用了 专家系统来实现其设计的智能化。由于专家系统本身的局限性，这一代 的智能设计系统普遍存在很多不足，具体表现在：( 1 1 缺乏对于异构的众 多领域知识的集成；( 2 ) 缺乏对多种任务和功能的集成。因此，其设计对 象的规模和复杂性都受到了限制1 1 6 1 。 从表1 1 中还可以看到，在后期开发的冲压模具智能设计系统针对冲 压模具设计的复杂情况，引入了多种的知识表达方式和c b r 、神经网络、 模糊逻辑等新的人工智能技术，在功能、体系结构、运作模式和知识建 模的层次等方面都有了显著的提高。但是值得注意的是，从目前的研究 情况来看，冲压设计知识获取方面的研究还是开展得不够。文献【1 7 ，1 8 1 中 所报告的研究情况还是非常初步的。 5 帐口斌雉堪霞g，制。皑 星r 霹 摧酲一a鼎壮 翼譬 螺期羁嚣 萎翥萎 弓了兰诋特懈秘罢邑 哎状燃、签枘篓 墨静 理g 辎胄 篓藩蓬 椒翌划叫碘 纛 噩 出卜 1 乓盯毯犀旧 蜇稽墓要。 悄。皑蹈罐 是始 墨善绯世鬃 j 封 霉袄蝴醢景累嫘基划 蚕霎 * 旧 蜊椒 世 藿喜孽莛 星盎倏三删 u 鬃舻稚麟螂王 l 蓁萋 g 副 尊磊 霞撩肇钭墨 辎辎斟匿 h 警、棼母 骥 牧i 五 制毯曩竖 酶 h 鸯羹藿凑 * 留 囊 巅裂 辎誊 霉餐掣萎 蜊臻餐g，爸 螺筐的 霆 藿羯要。 表喽 吞簧 一寸 l 帕辑咄卜圣夏 之中i 。 型 卜蟋爨跫王盼盎 一净 丑。1l 垤米韶枘 如葛星习空 出魁 辎螺宅柽卜星米卜j嫦出辎裂隹| 曼蚶皋 最器将鍪 辎幅器最 辎曩斟薜 镁霸辎* 爨列匿船 血审h 靶目 醐卜辎副 * 鲻 剐 醐h 醉暴 鼎 醐h 累菅 趔 醉墨 弗 巷靶球懈 = k 钆删懈 迂 3 2 基专面 蠼 耄重 袄 扑 - n l | | | 娶 喀 苫5 葛 盏 娶 辔 暑螽器 h _ 富 磊 当 0 叫圃 i 耄器薹5 邑心圃导 壶 山 蔓 叫 u 卜 垛 们 盏 【u m置id昌g们-ojiii磐们寿ii嚣i们口备岛兰$口一ogoi-一d毒 褥嘶盘蕃磷辎出是箍辩求箍_【-i摧 仪智e扑+墼扑kh剐证斟 袋 船 褂 躲 暑星叁霉螭 魁 塔辎霜 犁基魁 螽鬈登 吐 裂铽制卜 辎爿恹鬟晕 出馨矧星 封 是卜擗基鞲 出 旺肇镒鲻 * 一。 崔景韶蹯 辎跫q 3 如瞎景 押曼错窭林船 山认 蠊 | 划 刨景| * 粜 鼍差援掣帮燃 播霉 嚣萎誊萎 纂型 g 震如琳 哥皿j j ! 螺h 咪 灞 世 蒜篓姜 l j 豢 罨嘉 匠，旺骚 雕 + h 黉 襄蓬藿奏捌霉 熟露鼎彀群崔 卜婆辎理储嚣霜 g 窖 鬃蒌裴 罡h 豁录导旧* 宾拳g 舒口一 曩盎蜊牧辎栽 景器榻署 辎佰聪呆 辎曩刺辨 键舞辎* 爨毁 匿酶 醐h 鼗措 = 唾 ih 辎静 * 鲻 ：回 ih 僻墨 剥 掣 醐h 累菅 纠 游墨 摧 韪靶球懈 录 j l 州佰 足 趸蚕 基 耕 击 料扑 唔 k _ 髑 毫 “ 斗 l 时，g 表现为某一类特征和实现其特征的所 有可行的模具设计事例的联系；当c a r d ( s ，) 继续增大到一定数目 时，我们可以认为已经有足够多的事例证实了这种联系，该联系就 具有了普遍性，可以强化为规则。 2 2 3 规则的发掘 通过计算事例的相似性来建立s 到矿的映射关系g 后，可以知道某 一类的冲压件对应于某一类的模具设计。但是还无法知道决定这种分类 的依据是什么。如果将特征用其属性具体地表达出来的话，还需要了解 在这么多属性中，哪些是对这种分类模式起到主要作用的。因此这种映 射表达的知识还不够明确，需要进一步用规则的方式将其表达出来。 在建立s 到矿的映射关系g 之后，对于定义2 1 中的冲压特征，f ， 可以用其属性来表示：z = ( ，) 。用4 ，4 ，薹，4 来表示其属性，上 述的映射关系g 可以表达为g ：4 4 4 ，4 l 寸v 。利用租糙集理论 ( r o u g hs e tt h e o r y ，r s t ) ，可以找到属性集a = 4 ，4 ，4 ，a o ) 的一个精简 集r e d ( a ) = 4 ，4 ，4 ，以，m n ) 和4 对于特征集即具有同样的分类模式， 也就是说r e d ( a ) 去除了对于分类没有影响或者影响不大的属性，只保 留最能体现这种映射关系的属性。因此关系g 可以表示为 g ：4 4 4 ，以哼v 。具体的有关粗糙集算法和应用在第5 章介绍。 关系g ：4 4 4 ，以- v 可以方便地转化为产生式的表达方式。对于 “，) 斗，可以表达为i f t h e n 的形式，即： 腰4 = 耐a n d 4 = a n d 4 = a n d 4 = 以t h e n 一 2 3 知识的来源、表达和应用 一个冲压模具智能系统的性能不仅与系统的结构和推理策略的选择 密切相关，更为重要的是系统本身所占有的知识的数量、质量和组织。 能够支持的知识来源越丰富，系统就有更多机会去获取知识，从而丰富 3 4 第二章冲压摸具设计知识获取及表达模型 其知识库。同时，获取的知识必须有一个良好的表达模型，才能够被方 便地加以运用。本节从冲压模具知识表达模型所需要处理的知识来源， 冲压模具设计知识的表达模型及其建立方式出发，并结合上节中的知识 获取方法介绍冲压模具设计知识的发掘及应用。 2 3 1 冲压模具设计知识的来源 冲压模具的知识来源多种多样，包括：教科书、手册、图册、文献 ( 包括期刊和网络电子文档) 、模具设计指导文件、企业规范、图纸等。 按照其存在形式可以分为： ( 1 ) 文字形式在冲压模具设计的教科书、模具设计指导文件、企业规范 等资料中，其设计知识是以文字的形式表达的。 ( 2 ) 图片形式在教科书、图册、文章和图纸等资料来源中，很多知识是 以图片的形式存在的。包括一些模具或者零件实物、模具设计规则的 示例性说明、模具设计图纸和文献等以照片或者扫描图片的形式存在 的知识； ( 3 ) 图形各个c a d 平台上的模具设计是以图形的形式存在的。常用的冲 压模具设计的c a d 平台包括a u t o c a d 、p r o e n g i n e e r i n g 、u n i g r a p h i c s 、 c a t i a 等软件。需要处理的图形就是在这些不同图形格式的2 维或者 3 维的几何模型。 在上述的各种冲压模具设计知识来源中，其知识的表达方式又可以 分为两类： ( 1 ) 规则型在教科书、手册和文章中的知识以规则型为主。比如：“对于 一个有较小相对弯曲半径的u 型弯曲件，可以通过施加反向压力来对 回弹进行补偿”。对于这一类型的知识，可以采用产生式表示法。 ( 2 ) 事例型在图册、图纸中，其知识是以模具设计事例的方式表达。通 常可以将其分为两个部分：冲压件和模具设计。这一类型的知识适合 用基于范例的表示法。 2 3 2 冲压模具设计知识的统一表达 从上一节的叙述中我们可以看到，知识的存在形式多种多样，其适 合的表示方法也有多种。为了最大限度地利用已有的各种来源的知识， 必须建立一个统一的知识表达模型。该模型需要满足几个要求： ( 1 ) 支持各种知识存在形式，包括文字、图片和图形。 3 5 华南理- r = 大学博+ 学位论文 ( 2 ) 各种存在形式的知识有统一的检索模式。 ( 3 ) 知识的转换方便。可以方便地将各种方式表达的知识转化为形式化的 知识表达，转换的过程要尽量少地丢失信息。 ( 4 ) 有良好的可扩充性。对于冲压模具设计而言，该模型需要能够适应新 的特征和属性的加入、新的知识来源的出现等变化。 ( 5 ) 知识的表达不依赖具体的平台。 出于上述考虑，本论文提出了如图2 - 6 所示的冲压设计知识统一表达 模型( u n i f o r mk n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o nm o d e lf o rs t a m p i n g ，u k r m s ) 。 该模型利用2 2 所描述的利用特征映射所发掘的产生式知识来实现隐性 知识的显性化。该模型中，每个事例包括冲压件模型和对应的冲压模具 设计。冲压件模型中包括了该冲压件的各个特征，每个特征包括了多个 属性。其属性值可以是文字、数值和图形等各种形式。冲压件模型采用 x m l 语言表达和具体的平台无关。事例中的冲压模具设计部分支持文字、 图片和图形等各种知识来源。 冲压件特征模型可以采用人工定义和自动抽取的方法来进行定义。 对于图形形式的知识，其知识的形式化采用人工或者自动的方式。由于 现在的c a d 软件并不是面向冲压特征的，所以要进行自动的特征识别必 须进行二次开发。本文第四章介