（机械设计及理论专业论文）基于实例的冲裁工艺设计技术研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 为了缩短工艺准备周期，提高企业产品在市场上的竞争能力，促进计算机辅助工艺 设计系统的实用化，本文针对智能化c a p p 系统所面临的问题，研究了基于实例推理的 c a p p 系统中的关键技术。本文采用了基于实例推理( c a s e b a s e dr e a s o n i n g ，c b r ) 的 方法，进行冲裁工艺决策和工艺推理，对c b r 冲裁工艺设计中实例表达模型、相似检 索方法和实例的复用与修正等关键技术进行了研究。 全面分析总结了国内外c a p p 相关研究成果和动态。在此基础上提出基于实例推理 的冲裁件工艺设计方法，并建立了基于实例的冲裁c a p p 系统功能模型，给出了系统工 艺设计流程。根据c a p p 系统的功能模型和工艺设计流程，提出了冲裁件c a p p 系统的 框架结构。 研究了支持实例推理的零件实例表达模型与工艺模型。采用区别于传统对象模型的 扩展对象模型，建立了基于实例推理c a p p 系统的零件实例表达模型。该模型支持在实 例推理过程中对信息的需求能力。 研究了基于图形信息的零件相似计算方法。本文针对二维图形的识别问题，在分析 二维图形特点的基础上提出了图形的外部与内部相似性，给出了二维图形的内部相似性 特征和内部相似度的计算方法，并设计了二维图形的识别算法。该方法解决了零件的相 似度计算问题，能够准确地找到相似零件的加工工艺，指导当前零件工艺制定。 开发了基于实例的冲裁工艺设计原型系统。给出了实例模型与零件信息输入、实例 索引结构与实例特征相似计算、实例工艺修改方法与工艺方案评价等模块。最后对全文 进行了总结，并指出进一步研究方向。 关键词，冲裁工艺设计实例推理图形相似图形识别 i 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h ek e y t e c h n o l o g i e so f c a p ps y s t e mb a s e d o nc a s e - b a s e dr e a s o n i n g ( c b r ) a r er e s e a r c h e di no r d e rt os h o r t e np r e p a r et i m e ，g a i nc o m p e t i t i v ea d v a n t a g eo ft h ee n t e r p r i s e a n d p r o m o t et h ea p p l i c a t i o nl e v e lo f c a p p t h em e t h o do fc b ri su s e df o rb l a n k i n gp r o c e s s d e c i s i o na n d r e a s o n i n g i n c b ro f b l a n k i n gp r o c e s s ，c a s e b a s e dp r e s e n t a t i o nm o d e l ， s i m i l a r i t yr e t r i e v a la l g o r i t h m ，c a s e b a s e dr e u s ea n dr e v i s ea r es t u d i e d t h ef o l l o w i n ga s p e c t s a r ei n c l u d e di nt h i sp a p e r ： t h er e l e v a n tr e s e a r c h e sa n dt h en e w e s tt r e n d sa r es u m m a r i z e do nc a p p t h eb l a n k i n g p r o c e s sd e s i g no f c b ri sp r o p o s e d f u n c t i o nm o d e lo f b l a n k i n gc a p ps y s t e mb a s e do nc a s e i sc o n s t r u c t e d , a n dt h ed e s i g nf l o wo f p r o c e s sp l a n n i n gi sa r r i v e d b a s e do n t h ea b o v ew o r k s ， t h ef r a m e w o r ko f b l a n k i n gc a p p s y s t e mi sb u i l t t h ep a r t p r e s e n t a t i o n m o d e lb a s e do nc b ra n dp r o c e s sm o d e la r es t u d i e da n d c o n s t r u c t e d t h ee x t e n d e do b j e c tm o d e li su s e df o rt h ep a r tp r e s e n t a t i o nm o d e l sb a s e do n c b ri nc a p p s y s t e m ，w h i c hc a ns u p p o r t i n f o r m a t i o np r o c e s s i n gi nc b r p h a s e t h e s i m i l a r i t ya l g o r i t h mo f b l a n k i n gp a r tb a s e d0 ns h a p ei n f o r m a t i o ni sp r o p o s e d i nt h i s p a p e r ，t h er e c o g n i t i o na l g o r i t h m o n g e o m e t r i cs h a p e f e a t u r ei si n t r o d u c e d s o m eb a s i c m e a s u r e so f s h a p es i m i l a r i t yi n c l u d i n g e x t e r n a la n di n t e m a lf e a t u r e sa r e p r o p o s e d m e t h o d so fc a l c u l a t i n gt h ed e g r e eo fs i m i l a r i t ya r ed e s i g n e d t h i sa l g o r i t h mc a r ls o l v et h e p r o b l e m o ft h ep a r ts i m i l a r l yc a l c u l a t i o na n df i n dt h es i m i l a rp a r ta n dp r o d u c t i o np r o c e s s i n g a c c u r a t e l yi no r d e r t og u i d et h ep r o c e s so f c a p p t h e b l a n k i n gp a r tc a p ps y s t e mb a s e d o nc b ri si m p l e m e n t e da n da p r o t o t y p es y s t e mi s d e v e l o p e d t h i sp r o t o t y p es y s t e mi n c l u d e s t h ef o l l o w i n gp a n s ：i n f o r m a t i o ni n p u to fc a s e m o d e la n db l a n k i n g p a r t ，c a s e r e t r i e v a l s t r u c t u r e ，s i m i l a r i t y c a l c u l a t i o no fc a s ef e a t u r e ， p r o c e s sm o d i f i c a t i o na n dp l a ne v a l u a t i o nb a s e do dc b r a tl a s t ，t h e w o r ko ft h et h e s i si s s u m m a r i z e da n dt h ef u t u r er e s e a r c h e sa r eg i v e n k e y w o r d s ：b l a n k i n gp r o c e s sd e s i g n ，c a s e b a s e dr e a s o n i n g ( c b r ) ，s h a p es i m i l a r i t y , s h a p e r e c o g n i t i o n t t 独创性声职 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的 研究做出贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：夹邕毪 日期胖年产月胪日 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，郎： 学校有权保留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 论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保密口，在 本论毒属于不保密d 。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：多| 乏连 日期；丸气，名年f 月妒日 年解密后适用本授权书。 指导教师签名：莎1 以己 日期：呻学年r 月f f 日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题的提出、目的及意义 1 1 1 研究背景 1 绪论 随着信息技术和自动化技术的飞速发展，计算机集成制造系统( c i m s ) 现已越来 越快发展。在c i m s 中，计算机辅助设计计算机辅助制造( c a d c a m ) 系统是重要的 组成部分之一。计算机辅助工艺过程设计是根据产品设计所提供的信息进行产品加工方 法和制造过程的设计，它是c a d 与c a m 的桥梁。对于c a d 与c a m 之间信息集成起 着关键的作用。长期以来，工艺设计是由工艺人员手工逐个设计的，因此工艺文件的内 容、质量以及编制时间主要取决于工艺人员的经验和熟练程度。这种做法导致了工艺文 件的多样性、设计时间长，且质量不易保证。传统设计方法要求设计人员有丰富的生产 经验 i 】，他们必须具备下列条件：l 、具有丰富的生产经验；2 、熟悉企业内部各种加工 方法及相应的设备使用情况；3 、熟悉企业内部各种生产加工规范和有关规章制度；4 、 能与各方面保持良好的合作，而这样的工艺师估计需要2 0 年左右的工作实践。按传统 设计方法，工艺人员是对零件逐个进行工艺设计的，这样由于各人的经历和习惯不同， 不仅对相似零件，而且对同一零件设计出的工艺也有差别。因此工艺设计质量的优劣及 设计效率的高低，对于生产组织、产品质量、生产率、产品成本、生产周期等有着很大 的影响。 c a d c a p p c a m 的推广和应用，为缩短生产准备期，提高工艺文件质量，并使广 大工艺人员从繁琐和重复的劳动中解放出来提供了一条切实可行的途径，c a p p 系统的 使用不仅可以提高工艺规程的生成速度和质量，而且系统对操作人员的工艺设计水平的 要求可以较低，即使一般技术水准的工艺人员也能借助于c a p p 系统设计出较高质量的 工艺规程。与传统的工艺规程设计方法相比，采用c a p p 技术不仅可以提高产品加工的 精度和生产效率。 随着工业生产和科学技术的发展、市场需要的增加、以及产品更新换代速度的加快 产品生产正向复杂、精密、多品种、高质量和交货期短的方向发展。冲压产品已被广泛 地应用于机电、轻纺、汽车、仪器表、家用电器等领域，产品的形状也愈来愈复杂，从 产品设计、工艺规划，到模具设计与制造，通常经过若干次反复，才能制造出合格的冲 华中科技大学硕士学位论文 压产品。这就要求产品生产具有更短周期、更低的成本和更高的质量。冲压产品是多种 多样的、形状各异、变化复杂。在设计中，不仅需要设计人员掌握丰富的设计知识，而 且要求设计人员能充分地发挥自己的创造力，设计出各种冲压件的加工工艺。因此，开 发基于知识与经验的工艺设计系统，减少工艺设计的时间和设计费用，提高设计效率， 降低对工艺设计人员的技术要求，对降低产品生产制造成本、缩短生产周期、大幅度提 高产品质量有着积极的意义。 实际上，现有的零件在工艺和结构上虽然不尽相同，但多少总会存在一些相似性， 如何利用已有工艺和目标工艺的相似性进行有效的设计，对提高设计效率，减少资源浪 费有重要意义。近几年新兴的基于实例的推理技术( c a s e b a s e dr e a s o n i n g ，c b r ) 为 c a p p 的开发提供了新的思路口j 。 基于实例的推理( c b r ) 是一种典型的利用以前经验的推理，c b r 技术可依据实例 初始条件从实例库中检索相似实例，并通过修改相似实例来满足当前的要求。为了充 分利用工艺员的丰富实践经验，在c a p p 系统的开发过程中，运用c b r 的设计方法提 出实例工艺概念。 在此背景下，本文提出了基于实例推理的冲裁件工艺设计方法，如根据冲裁件产品信 息，通过相似冲裁件检索、相似冲裁件的工艺修改，完成目标冲裁工艺设计。在此过程中， 需要解决的技术问题包括实例表示、实例检索策略、实例复用及修正、新的实例学习等。 这种方法不仅能够缩短工艺设计周期，而且缩短模具设计周期，提高设计质量。因此本 论文的研究具有重要的理论意义，具有较高的实用价值。 1 1 2 课题的提出 本课题源于国家自然科学基金资助重大项目一一支持产品创新的先进制造技术若 干基础研究的一个子课题，课题名为支持产品创新设计的知识获取、组织、传递及运用 研究。课题编号为5 9 9 9 0 4 7 0 - 2 。 近年来，大量的企业在机械制造中应用各种各样的计算机辅助产品开发工具，比如 计算机辅助设计c a d ( c o m p u t e r a i d e d d e s i g n ) ，计算机辅助工艺设计c a p p ( c o m p u t e r a i d e dp r o c e s sp l a n n i n g ) ，计算机辅助制造c a m ( c o m p u t e ra i d e dm a n u f a c t u r e ) ，生产过 程仿真软件等等。 计算机辅助工艺规划( c a p p ) 与c a d 、c a m 等一起成为支持计算机集成制造c i m ( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g ) 的主要单元技术，c a p p 是实现机械制造过程自动 化的重要环节，但c a p p 的发展远远跟不上c a d 、c a m 的步伐。 华中科技大学硕士学位论文 专家系统c a p p 主要是规则的推理思维，存在知识获取困难、容易引起知识爆炸问 题、学习困难等，并不能判断何时已接近或超出了它的能力范围。基于人工神经网络的 c a p p 是由大量简单的基本神经元相互连接而成的自适应菲线性动态系统。它在很大程 度上受到所选择的训练样本的限制，每个神经元的结构和功能比较简单，而大量神经元组 合产生的系统行为却非常复杂。 本课题的研究目的就是针对c a p p 专家系统中的缺点和不足，利用( c b r ) ，在冲 裁件工艺设计时，对过去的工艺设计结果直接复用，而不必从头推导，缩小搜索范围， 提供工艺设计的捷径，从而提高工艺设计效率。 1 2 文献综述 1 2 1c a p p 发展简况与研究技术 1 2 1 1c a p p 发展简况 c a p p 是伴随着c a d c a m 的发展孕育而生的，其早期意图是包括报表生成、存贮 及工艺规程检索在内的计算机辅助系统。世界上第一个c a p p 系统是1 9 6 9 年挪威n a a k 公司开发的a u t o p r o s 3 1 1 4 1 。1 9 7 6 年，设在美国的国际性组织c a m i 提出了c a m i s a u t o m a t e dp r o c e s sp l a n n i n g 系统，它是c a p p 发展历史的一个历程碑。 国际上于6 0 年代末开始模具c a d c a m 研究，7 0 年代初已投入生产中使用。美国 d i e c o m 公司于1 9 7 3 年研制成功计算机辅助设计级进模的p d d c 系统。该系统包括产品 图形与材料特性的输入，在输入的基础上再进行模具结构类型选择，凹模排样，凸模和 其他嵌件设计，最后绘制模具总装图和零件图及n c 编程。1 9 7 8 年日本机械工程实验室 研制成冲压级进模c a d 系统( m z l 系统) ，该系统由产品图输入、模具类型选择、毛坯排 样、条料排样、凹模布置、工艺计算、绘图等1 0 个模块组成。此外还有英国s a l f o r d 大 学、日本旭光学工业公司、前苏联科学院综合技术研究所等都于7 0 年代开展了冲模c a d 系统的研究，并取得了一定效果。进入8 0 年代，随着计算机技术的发展，使用模具c a d c a m 技术的厂家大大增加，弯曲成型级进模和汽车覆盖件模具c a d c a m 系统研 制成功，而且在汽车覆盖件模具c a d 系统中应用了塑性成型模拟技术。1 9 8 2 年日本富 土通公司研制成功级进模集成c a d 系统，该系统用于弯曲零件级进模设计。整个系统 包括产品图输入、凸模和凹模形状设计、条料排样( 凹模布置) 、模板设计、辅助装置设 华中科技大学硕士学位论文 计、绘制模具图纸并输出线切割纸带。系统中采用自动设计与交互设计相结合的方法， 其中毛坯展开、弯曲回弹计算、凹模布置的工步排序等均为自动处理。应用该系统后， 所需设计时间只有手工设计的4 0 左右。日本n i s s i n 精密机器公司1 9 8 5 年在u n i c 软件基础上开发了冲裁级进模c a d c a m 系统，该系统可完成几何构型、排样图设计、 凹模与凸模设计、标准件设计以及生成线切割纸带等功能。1 9 8 5 年日本微型模具中心 与日本i b m 公司合作应用d c s 、d r a w 系统开发了一个冲模c a d c a m 系统，可完成从 产品图输入到输出标准件清单、模具总装图、零件图及n c 数据的全过程。系统包括图 形数据库、标难件库、标准形状结构数据库、冲模制造数据库等。 1 _ 2 - 1 2c a p p 研究技术 智能c a p p 将零件的基本信息按一定的顺序与知识库中的有关规则进行匹配，激活 对应知识，产生新的工艺。在智能c a p p 中，专家系统和人工神经网络是两种常用的技 术。其中，专家系统反映智能技术中的符号主义，通过符号处理和推理机制实现人类的 逻辑推理能力。c a p p 专家系统主要研究知识表达及处理技术，工艺决策过程模型及算 法【“。人工神经网络则反映智能技术中的连接主义，模拟人脑的结构，构造人工神经元 和神经元连接网络，通过训练获得知识，适合于用来实现人类的形象思维能力。人工神 经网络c a p p 主要研究是神经元网络的结构形式、设计学习算法和训练样本等。近来， 还兴起了复合智能系统的研究，即将专家系统和人工神经网络技术结合起来，发挥各自 的优势，以获得更高的智能：以及多智能体技术的应用等。此外，遗传算法、模糊推理 技术也在若干原型系统中得到采用。但是，如何获取知识是智能系统实现中遇到的”瓶 颈”问题。方面，它要求智能工程师从多个不同的领域专家处获取领域事实和推理规 则，这些专家虽然来自同一领域，但由于它们的资历、思维结构、工作准则的不同，可 能导致获取的智能有不一致的地方，甚至有冲突的可能：另一方面，如何表达这些知识 也存在很多困难，有一些在人类看来是显而易见的知识，系统却很难处理。 c a p p 的基本类型可以分为派生型c a p p 系统、创成型c a p p 系统、综合型c a p p 系统，或称混合式c a p p 系统 1 1 1 3 1 1 “。 f 1 ) 派生型c a p p 系统，也称之为检索型或变型，是以成组技术为基础，其基本原 理是利用零件的相似性，即相似零件具有相似的工艺规程。从设计角度来看，它与常规 工艺设计的类比设计相同，也就是用计算机模拟手工设计过程。一个新零件的工艺规程 是通过检索系统中已有的相似零件的工艺规程并加以筛选或编辑而生的。因而比较适合 于生产的零件相似程度较高而种类不多的企业。 4 华中科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 创成c a p p 系统，也为智能型c a p p 系统，由系统的工艺决策输入算法对加工 工艺进行决策，从无到有自动的生成零件地工艺过程，其中工艺决策逻辑与算法运用一 些人工智能技术如专家系统、神经系统、模拟推理等用( 8 j f 9 j 。智能型c a p p 系统由于减 少了人的干预，使工艺过程的编制不会因人而异，容易保证零件工艺过程的一致性，同 时不依赖操作人员的知识、经验，人的干预很少。但是，工艺知识库建立是否合理是决 定智能型c a p p 性能好坏的关键，而工艺知识库很难做到覆盖所有的工艺知识。对于基 于人工神经网络的c a p p 系统，不需组织大量的产生式规则，也不需要树搜索，不存在 推理过程中的组合爆炸，机器通过a n n 模型的学习机制可以自组织、自学习，但是这 种系统需解决样本向量的正确抽取和神经网络模型的合理建立等问题l l 。 ( 3 ) 综合型c a p p 系统，又称为混合式c a p p 系统，它是派生式与智能型结合起来， 利用各自的优点，克服各自的缺点，如先利用成组技术( g t ) 原理，得到所需的新的 工艺规程，如果现有工艺不能解决的问题，可以通过增加新的工艺规则或人工编辑来完 成，这样既克服了派生型c a p p 系统不能为不属于现有零件族的新零件设计工艺过程的 缺点，又使得智能型c a p p 系统的工艺知识库可以不断扩充和更新，使工艺知识库软性 增强。在一些规则性较强的环节该系统采用人工智能技术，如特征要素的加工工艺性的 确定、机床的选择、刀具的选择等环节，在一些规则性不强或影响因素大多用人工智能 的方法去解决，如整个零件加工工序的排序，从现有图纸中进行特征识别等。结合了人 工智能和人机对话的优点，是提高设计效率和c a p p 系统使用性的有效途径。 目前，c a p p 系统的实现中有待解决的核心问题之一就是在决策过程中采用什么样 的推理机制，现有四种方法。 f 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 ) ；专家系统( e s ) 在开始开发基 于知识的系统k b s ( k n o w l e d g e b a s e ds y s t e m ) 时，就都采用r b r 推理机制。一方面是因 为这种模式较容易在计算机上实现，另一方面在数模理论的发展上已形成一些基础的理 论模型和规则。随着专家系统对经验知识的依赖增多，r b r 的缺点越来越明显，主要表 现为知识获取困难、容易引起知识爆炸问题、学习困难等。 ( 2 ) 基于模型酌推理( m o d u l e - - b a s e dr e a s o n i n g ，m b r ) ；m b r 是通过设计对象的 结构状态功能模型的方式来解决问题。它适合于解决需要创造性的新问题，但是遇到 较复杂的问题时，m b r 又变得难以控制，综合多种因素的模型变得太复杂，因而限制 了该方法的应用。 ( 3 1 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，a n n ) ；a n n 利用过去的实例训练出 一套规则，来给出问题的解。要建立一个满意的网络结构并不容易，训练网络也比较费 5 华中科技大学硕士学位论文 事。a n n 没有提供解释的方法，仅仅知道输入输出节点、连接和权重。 ( 4 ) 基于实例的推理( c a s e b a s e d r e a s o n i n g ，c b r ) ；以前的经验以剧本的形式保存， 每一个经验称为实例，当要解决一个新问题时，通过检索实例库，找出与新问题最相似 的一个或几个实例，通过修改实例来满足新问题。 1 2 2 实例推理( c b r ) 的现状 c b r 来源于对认知科学的研究。1 9 7 7 年s c h a n k 和a b e l s o n 提出的概念依赖理论以 及脚本的知识表示法被公认为c b r 的起源，之后s c h a n k 对概念依赖理论做进一步的改 进，1 9 8 2 年r o g e rs c h a n k 在动态存储器技术方面的研究中就发现，过去的一些状态对 问题的解决和学习有重要的作用。最早的一个c b r 系统叫做c y r u s ，是在1 9 8 3 年由 j a n e t k o l o d n e r 在耶鲁大学开发的，它是基于s c h a n k 的动态存储器模型而开发出来的， 它是一个问答式的专家系统，主要处理对前美国国务卿c y r u sv a n c e 的各种旅行和会议 的查询。它成为以后的许多c b r 系统的基础【1 “。 c b r 的另外一个重要基础是1 9 8 9 年b r u c e p o r t e r 在德克萨斯州立大学所提出并发展 的机器分类学习的概念，它提出把领域知识和特殊的实例综合成为一个统一的表达方 式。这种表达方式在1 9 9 1 年开发的g r e b e b r a n t i n g - - 9 1 系统中得到了进一步的发展。 另外一个对c b r 做出显著贡献的系统是h y p 0 ，它是由麻萨诸塞州立大学的e d w i n a r i s s l a n d 小组开发的一个法律案例系统，在这个系统中实例不单用来得出一个简单的结 论而用来解释和评估结论。还有m i t 的p h y l l i sk o t o n 等人开发了一个深度因果模型和 c b r 相结合的系统c a s e y 。c b r 的应用非常广泛，如企业决策，机械制造，法律咨询， 疾病识别，天气预报等等，并且都取得了很好的效益。 近几年，国际上开展了c b r 应用于c a p p 的研究，主要集中在简化知识获取、实 例的检索，而对实例的修正、维护论述较少【l 2 j 1 3 1 o 英国c o s t a st s a t s o l i s d 等人开发了一个制造规划系统t o l t e c ，该系统将基于实例 和基于专家知识推理技术进行结合，并指导设计者进行圆柱零件的工艺规划、设计检索、 材料选择”。 美国密苏里大学罗拉分校的y a n g 等人在s u n 工作站上开发了一个基于实例推理 轴零件的c a p p 系统，该系统采用特征来表示零件实例，并给出了一个相似实例的检索 的方法【1 5 】。 英国的t a h 等人介绍了一个桥梁工程的规划和设计系统c b r i d g e 系统，在该系统中 利用c b r 技术，帮助设计者对桥梁进行设计和工程规划，系统中保存了大量过去的桥 6 华中科技大学硕士学位论文 梁建设和施工的典型实例，通过检索过去实例来指导设计人员进行设计和施工，该系统 采用面向对象技术来表示和存储实例，实现对大规模工程数据的管理和利用。 中国在c b r 的研究开始于9 0 年代初，近几年展开了c b r 应用于机械设计和工艺 设计领域的研究”。 华中科技大学蔡力钢等人构成了一套完整的基于实例推理的回转类零件的工艺路 线决策方法【l8 1 ，讨论了新零件与实例进行比较和匹配的策略和算法，以及实例工艺信息 筛选和实例工艺修正方法。 c b r 的生命在于现实社会生活中的广泛应用前景，同时也在于其理论的迅速发展， c b r 目前的发展方向主要有以下几个方面： 实例库的维护：主要任务是尽可能地使实例库中的实例有代表性，增加实例库 中实仞j 的覆盖程度，减少冗余程度。在c b r 系统中，随着系统的运行，实例库 中的实例数目会越来越多，以至于影响系统的性能。实例库的维护工作就是运 用一定的策略，删除冗余的实例，使实例库中的实例维持在一个合理的数目， 而且又能对现实世界中的问题有理想的覆盖面。 各种推理技术的集合，使c b r 能够解决更多的问题：利用神经网络、基于规则的 推理、模糊系统等技术，利用它们和c b r 系统相集合、以期解决更多问题。 实例工程( c a s ee n g i n e e r i n g ) 。c b r 系统一般是与问题相关的，就是说，c b r 系统中的c a s e 表示，c a s e 检索和a d a p t l 0 n 算法都是与问题有关的，不存 在一般方法。据解决问题的需要，采用不同的c a s e 表示，c a s e 检索和 a d a p t i o n 算法，是目前c b r 系统文章的主要内容。实例工程的主要目的是： 自动产生实例表示结构，检索方法，修正规则，自动选择和调整修正规则和实 例的选取，使c b r 系统自动化。它的另外一个目标是从方法论上指导c b r 系 统的设计，就象软件工程那样指导软件设计。 可能性c b r 推理，研究不确定性如何在c b r 系统中表示和传递。 1 2 3 冲裁工艺设计的特点 冲裁工艺设计是冲裁模设计中关键的一个环节，工艺设计结果直接影响模具的结果 和产品质量。冲裁工艺设计包括工艺性判断、冲裁件展开、冲裁件排样、工步设计与工 艺方案确定，其中以工步设计与工艺方案确定最为复杂。冲裁工艺设计具有以下特点【1 9 ： ( 1 ) 冲裁工艺设计是一项经验性很强的工作，设计中所用到的一些经验性知识是靠 设计人员在生产实践中不断摸索获得的。有一些知识可以通过图标、公式等形式总结出 7 华中科技大学硕士学位论文 来，供设计人员参考，但很大部分知识则是无法用数学模型来表示。 ( 2 ) 工艺设计过程是数值计算、数据检索、图形处理、符号处理、优化设计等的集 合。封闭环面积计算、重压力计算等都是通过数值计算完成的。同时在设计中要通过查 表检索大量设计参数，如材料性质、干涉最小间距、精度等级等。工艺设计信息主要是 以图形方式表达的。工艺设计往往有多种方案可供选择，在设计中不仅要考虑到设计的 技术可行性，而且必须符合经济性原则，以最小的代价生产出满足需求的产品。 ( 3 1 工艺设计是一个创造性劳动过程。因为冲裁产品是多种多样的，形状各异，变 化复杂。在设计中，不仅需要设计人员掌握丰富的设计知识，而且要求设计人员能充分 地发挥自己的创造力，设计出各种冲压件的加工工艺。 通过对现有冲裁设计特点和冲裁工艺设计专家系统的分析和工作实践，目前专家 系统在冲裁工艺设计应用中存在的难点如下【i 7 1 ： 工艺设计本身就是一个创造劳动过程，涉及信息面广，设计结果具有多样性和 可行性。这就要求专家系统能提供多种知识表达模式以适应设计过程的需要。 工艺设计过程主要以图形处理为主，而有的已经在工程中应用的专家系统绝大 多数是以符号处理为主，加上语言描述方法。因此，要解决图形识别及推理等 问题。 工艺设计过程是计算和推理交替进行的，甚至进行各种分析计算显得更为重要， 然而常规的专家系统大多强调推理，计算功能较弱。 专家设计要与交互设计相结合，并能使两者的设计结果相互转化，这样不但能 提高系统的自动化程度，可提高系统的兼容性，以充分发挥人在设计中的主导 作用。 工艺设计是一个反复设计和修改的过程，这就涉及到设计问题。它要求在专家 系统中能处理设计的各个阶段的状态参数，以便再设计中能通过逐级回溯，返 回设计前状态。 工艺设计中往往存在多种方案，不同方案之间的评价与选择也是采用专家系统设计 的难点。方案评价是从技术和经济两个方面进行的。人工设计时由设计者的设计经验保 证技术上的可行性，而通过成本核算来检验经济上可行性。采用专家系统对设计方案进 行评价则首先要建立一个合理的模型，决定各个因素之间的关系及对设计结果的影响a 8 华中科技大学硕士学位论文 1 3 本文的主要内容及章节安排 本文从对冲裁件的工艺设计角度出发，提出了基于实例推理的冲裁件工艺设计系统 的集成框架，并针对其部分关键技术的原理及方法开展了相关的研究工作： ( 1 ) 在研究c b r 理论的基础上，总结了c b r 系统实现方法，包括实例的表达、实 例组织、实例的修改等内容； ( 2 ) 采用i d e f 0 建模方法，对于实例推理的冲裁件c a p p 系统进行了功能分析，并 提出了基于实例的冲裁件的c a p p 系统框架结构； ( 3 ) 通过对冲裁件信息及其工艺信息的研究，建立了冲裁件特征模型和冲裁件工艺 特征模型，以满足不同工艺设计阶段的信息需求； ( 4 ) 提出了冲裁件几何图形匹配方法，在冲裁件几何图形匹配过程中，研究了冲裁 件的几何图形拓扑结构特征、冲裁件几何信息的特征自动提取、冲裁件几何图形的相似 性关系、匹配算法： ( 5 ) 研究了基于实例推理的冲裁件c a p p 系统中实例的表达、检索中实例的相似的 计算和实例修改及工艺方案评价。 本文的组织结构如下： 第一章阐述本课题的目的及意义，介绍了c a p p 的发展简况与其研究技术、c b r 的简况，并分析了冲压工艺设计的特点。 第二章全面总结了c b r 技术的基本原理和实现技术，提出了用i d e f 0 建立系统功 能模型、基于实例的冲裁件的c a p p 系统框架结构。 第三章阐述了冲裁件特征分类，并详细地介绍了冲裁件的特征模型和冲裁件工艺设 计的模型。 第四章提出了冲裁件几何特征匹配技术，并介绍了几何图形的相似性与相似度，然 后详细地说明几何图形的特征匹配方法。 第五章提出了冲裁件相似实例的检索与相似度计算方法，以及实例修改与工艺方案 评价。 第六章开发了基于实例推理的冲裁件工艺设计原型系统，并通过实例加以验证。 第七章全文总结，指出进一步的研究工作。 华中科技大学硕士学位论文 2 基于c b r 的冲裁件工艺功能模型 基于实例的推理( c a s e b a s e dr e a s o n i n g ，c b r ) 是人工智能发展中出现的一种推理 方法，适合于强经验领域。本章首先阐述了c b r 的基本原理和实现技术，并基于冲裁 c a p p 系统分析采用c b r 的合理性和可行性，然后利用i d e f 0 建模方法对冲裁c a p p 系统进行了功能分析，荠建立了基于实例的冲裁件c a p p 系统的功能模型。最后给出了 冲裁件工艺系统的总体框架，并对其中的几个主要模块进行了简要说明。 2 1 实例推理的基本原理 c b r 是随着人工智能发展而出现的一种推理方法。1 9 r 2 年，s c h a n k 在动态存储器 技术方面的研究中提出了c b r 思想，并给出了在计算机上建立c b r 系统的一些方法， 把c b r 定义为“用旧问题的结果来求解新问题的一种推理机制”。 r 1 ) c b r 的引入 c b r 是在r b r ( r u l eb a s er e a s o n i n g ，r b r ) 的基础上引入的，和r b r 相比，它 具有如下特点： c b r 系统克服了r b r 所具有的知识获取瓶颈，因为c b r 的知识获取仅只是简 单的获取过去的实例； 在没有模型存在的情况下，c b r 系统也能建立起来，而r b r 则必须建立应用空 间模型； 系统维护将变得十分简单： c b r 系统能快速得出解决方案； 特定的实例将用来为方案提供说明，这比纯粹的规则更有说服力： c b r 系统能以获取新的实例的方法实现自学习： c b r 系统能够反映使用者的经验积累，同一套c b r 系统在不同的使用环境下经 过一段时间，将会成为不同的系统。 ( 2 ) c b r 的基本原理 c b r 的基本原理【1 1 2 0 】立口图2 1 ，当个新的问题提出后，可以把它抽象为一个新实 例，为了解决这个问题我们从实例库中找出一个和新实例最相近的实例，其解决方案就 华中科技大学硕士学位论文 可作为新问题解答的参考，如果对此方案有什么不满意，可进行修改，修改后的实例成 为一个新学习到的实例被存到实例库中，如果下一次碰到类似的问题就可以作为参考。 从上面可以看到c b r 的原理和人们日常解决问题的方法基本相同，当人类碰到一 个不熟悉的新问题时，通常会回忆起以往的成功经验，并以之为参考作出新的解决方案， 如果方案成功，则这次经验被作为成功经验记下来，若失败，则作为失败经验记下来， 这就是人类不断学习的过程。图2 1 描述了用c b r 方法求解问题的几个过程，主要有以 下几个步骤组成【圳衅j 。 图2 1c b r 的原理 提出问题：输入待解决问题的要求、初始条件及其他相关信息； 提取实例：根据问题要求及初始条件，从实例库提取一组与当前问题相似实例； 修改实例：从相似实例中找出最相似的实例或通过多个实例的组合，形成目标 问题解决方案，并通过对目标方案的修改来满足当前的要求； 存储：将当前解作为新实例存入实例库。 实例的继承方式通常有两种：思路继承和过程继承。思路继承就是继承其解决问题 的方法，通常需要规则的支持。过程继承是指继承其整个解决问题的过程，包括思路和 具体实施细节。 2 , 2 实例推理实现技术 2 2 1 实例的表示 实例的表示是非常重要的，它是c b r 循环各个部分的基础，它应该具有电好的组 织结构，便于查询和存储的同时能够提高查询速度和精度。实例的表述根据不同的问题 一一 1 i 华中科技大学硕士学位论文 有不同的方法，大致上可以分为两种思路，动态存储模式和类别样本模式。所谓动态存 储模式如图2 2 ，是通过一种通用的实例结构来组织具有共同特征的实例，再用它们的 不同点作为索引把不同的实例区分开来。分类样本模式中( 图2 3 ) 的实例处于分类，特征， 实例所组成的网状结构中，它包括三种指针：特征指针，从不同特征指向分类；实例指 针，从分类指向实例；差异指针，从一个实例指向差异最小的另一个实例。 图2 2 动态存储模式图2 - 3 类别样本模式 通常，实例可描述为： c a s e 2 ( 2 1 ) 其中，d o 代表的是设计目标( d e s i g no b j e c t s ) ，i c 代表的是初始条件( i n i t i a l c o n d i t i o n ) ，d e 代表的是设计约束( d e s i g n c o n s t r a i n t ) ，d r 代表的是设计结果( d e s i g n r e s u l t ) 设计目标决定了实例根本性质、设计技术路线和最终结果；初始条件指明该实 例产生的环境特征；设计约束指明该实例在达到设计目标的同时应满足的条件；设计结 果是设计活动的最终反映，表现为属性与属性值的配对，或一系列行为的规划等。 2 2 2 实例的检索 当实例推理系统用于新问题求解时，系统利用检索，是指从实例库中找出与新问题 最相似实例。检索过程在c b r 的实例过程中非常重要，是影响c b r 效率的关键因素之一。 实例检索通常包括两个过程：指派索引( a s s i g ni n d e x e s ) 和检索( r e t r i v a l ) ，亦可 统称为实例检索或匹配。 2 2 2 1 指派索弓 1 2 华中科技大学硕士学位论文 指派索引是指对于新实例，指定特征的信息用于检索”。索引指派的最终目的是 为了获取相似实例，确定获取的实例是否最佳通常要考虑许多因素：是否有利于推理目 标；是否侧重考虑新实例的重要特征：是否侧重考虑新实例的特殊性：是否容易修改等。 索引的选择通常有人机交互指定和程序实现两种方式。目前常用的自动实现 方法可概括为： ( 1 ) 基于清单的索引( c h e c k l i s t b a s e di n d e x i n g ) 。该方法通过分析领域知识，计算出 有重要影响的特性的范围值，将其列入清单并根据这些范围值检索各实例； ( 2 ) 基于差异的索引( d i f f e r e n c e b a s e di n d e x i n g ) 。该方法选用能将一些实例与其他 实例相区别的信息作为索引。 ( 3 ) 引导学习法( g u i d e dl e a r n i n gm e t h o e d s ) 。该方法根据领域知识提取实例的特征 作为索引。 ( 4 ) 基于解释的方法( e x p l a n a t i o n b a s e dm e t h o d s ) 。这一方法分析各实例并找出具有 预测性的特征作为索引。 相似性及基于解释的泛化方法( s i m i l a r i t y a n d e x p l a n a t i o n - b a s e dg e n e r a l i z a t i o n m e t h o d s ) 。 2 2 2 2 检索 实例检索是指根据给定的问题描述，用目标对象特征与实例对象特征的比较来提取 最相似实例。为了实例之间的相似性，提出了相似度、差异度、模糊的相似度等概念。 目前，常用的检查方法有最近相邻法、归纳法、知识导引法、模糊相似优选法等f 7 】 2 3 】 2 4 】。 ( 1 ) 最近相邻法( n e a r e s tn e i g h b o ra p p r o a c h ) 它的核心思想是利用与实例库中实例相