（机械制造及其自动化专业论文）基于solidworks的塑料注射模cad知识库系统的研究与开发.pdf

山东大学硕士学位论文 捅要 随着国民经济领域的各个部门对塑料件的品种和产量的需求愈来愈 大、用户对塑料件的质量要求愈来愈高，产品更新换代加快，进而对塑料 模具设计与制造的周期和质量提出了更高的要求，但是目前普遍使用通用 c a d 软件进行注射模具设计存在着一个共性的问题，这些c a d 软件未能实 现与注射模具设计相关知识的结合，在模具设计过程中依赖于设计人员的 经验和知识。上述问题限制c a d 技术在模具设计工作中的实际应用水平。 本文就是针对这些问题对塑料注射模c a d 知识库系统技术进行深入 的研究。通过对塑料注射模具的知识表示模式、知识的实体模型化和注射 模具知识库系统总体设计三方面问题细致深入的研究，运用知识工程理 论，找到了框架表示、规则表示、框架规则的混合表示等适合塑料注射 模具设计知识的知识表示模式；提出了知识实体模型的概念( 知识实体模 型是一种数据结构，这种数据结构合理全面的反映了各个设计对象知识包 含的内容、各种知识之间的关系等等) ：将知识框架作为塑料注射模设计 过程中的数据流控制的起点提出用知识的框架表示来控制全局知识的思 想；在数据库技术与人工智能技术结合的基础上，研究用数据库管理系统 的成熟技术来管理知识库的具体方法，详细探讨了塑料注射模具知识库系 统的实现技术：提出三维模型表示的知识表示方法，利用s o l i d w o r k sa p i 的函数管理以三维模型表示的模具设计知识。 将人工智能技术渗透到塑料注射模设计中，提出基于知识和基于事例 的塑料注射模具设计的解决方案，实现塑料注射模具设计的知识库系统。 通过课题的研究，可以肯定将基于知识的注射模具c a d 系统应用于注射模 具整个设计进程，会使c a d 技术在注射模具设计过程中发挥更大潜力，因 此基于知识的模具c a d 系统的研究开发这一发展方向无疑是正确的。 关键词：人工智能；知识库系统；注塑模具c a d a b s tr a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gn e e df o rp l a s t i cp a r t si ne c o n o m i c sr e g a r d i n g t h ev a t i e t ya n dq u a n t i t y ，c u s t o m e r sa r en o wr e q u i r i n gh i g h q u a l i t y p r o d u c t s t h i sa ls ol e a d st ot h ei n n o v a t i o no ft h e p r o d u c t a c c o r d i n g l y ，t h ep l a s t i ci n j e c t i o nm o u l d st h a th a v eh i g h e rq u a li t ya n d c a nb ep r o d u c e di ns h o r tt i m ea r ei ng r e a t e rd e m a n d s h o w e v e r ，t h e r e a r es o m ec o m m o np r o b le m si ns u c hd e s i g n t h ec a ds o f t w a r ec a n n o t i n t e g r a t e r e l e v a n t k n o w l e d g e a b o u t p l a s t i ci n j e c t i o n m o u l d i n a d d i t i o n ，t h ep r o c e s si ss t i l lh e a v i l yd e p e n d e n t0 np r o f e s s i o n a lm o l d e n g i n e e r sw h oh a v et h er i c hk n o w l e d g ea n de x p e r i e n c eo fm o l dd e s i g n t h e s ep r o b l e m s1 i m i tt h ep o t e n t i a lu s eo ft h e i n j e c t i o nm o u l dc a d t e c h n o l o g y i n p r a c t i c a la p p l i c a t i o n t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri st of u r t h e ri n v e s t i g a t et h et e c h n o l o g y o fk n o w l e d g e b a s e ds y s t e mf o ri n j e e t i o nm o l dc a do nt h e s ep r o b l e m s b a s e do nt h et h e o r yo fk n o w l e d g ee n g i n e e r i n g ( k e ) ，t h r e ei n t e r r e l a t e d a s p e c t s a r e s t u d i e d ，i n c l u d i n gt h e m a n n e r so f k n o w l e d g e r e p r e s e n t a t i o n ，t h ee n t i t ym o d e lo fk n o w l e d g ea n dt h ew h o l ed e s i g no f k n o w l e d g e b a s e ds y s t e ma b o u tp l a s t i ci n j e c t i o nm o u l d a sar e s u l t ，t h em a n n e r so fk n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o ns u i t a b l ef o r p l a s t i ci n j e c t i o nm o u l dd e s i g n a r e f o u n d ，i n c l u d i n g f r a m e r e p r e s e n t a t i o n ，r u l er e p r e s e n t a t i o n ，a n dc o m p o s i t eo ff r a m ea n dr u l e r e p r e s e n t a t i o n t h ec o n c e p to ft h ee n t i t ym o d e lo f k n o w l e d g e i s e s t a b l i s h e di nt h i sp a p e ra sw e l l t h ee n t i t ym o d e lo f k n o w l e d g eis ad a t a s t r u c t u r ei nn a t u r e ，w h i c hr e f l e c t sc o n t e n t so ft h ek n o w l e d g e i n c lu d e dine a c hd e s i g no b j e c ta n dr e l a t i o n so fa 1 1k i n d so fk n o w l e d g e i np l h s t i ci n j e c t i o nm o u l dd e s i g n ，e t c t h ef r a m eo fk n o w l e d g ec o n t r o l s w h o l ek n o w l e d g ea sas t a r tp o i n to fd a t af l o wi nt h ep r o c e s so fp i a s t i c i n j e e t i o nm o u l dd e s i g n o nt h eb a s i so fi n t e g r a t i n gt h et e c h n o l o g yo f 山东大学硕士学位论文 a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c ew i t ht h et e c h n o l o g yo fd a t a b a s e ，h o wt om a n a g e t h e k n o w l e d g e b a s e ds y s t e mw i t bt h et e c h n o l o g yo fd b m sis e x p l o r e d d e e p l y i nt h i s p a p e r i n a d d i t i o n ， an e w m a n n e ro f k n o w l e d g e r e p r e s e n t a t i o n i se s t a b li s h e d ，w h i c h e x p r e s s e s t h e k n o w l e d g e o f i n j e c t i o nm o u l dd e s i g ni nt h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l sc o n t r o l l e db yt h e f u n c t i o n so fs o l i d w o r k sa p i a l s o ，t h ep a p e ra p p l i e st h et e c h n o l o g yo fa r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e i n t ot h ep l a s t i ci n j e c t i o nm o u l dd e s i g n ，a n dd i s c u s s e st h es c h e m et o r e a l i z et h ep l a s t i ci n j e c t i o nm o u l dd e s i g nb a s e do n k n o w l e d g ea n dc a s e a sar e s u l t ，ak n o w l e d g e b a s e ds y s t e mf o rt h ep l a s t i cin j e c t i o nm o u l d d e s i g ni sb r o u g h tu p b a s e do nt h e i n v e s t i g a t i o na b o v e ，w ec a nd r a w t h ec o n c l u s i o nt h a tt h ep o t e n t i a lu s a g eo ft h et e c h n o l o g yo fi n j e c t i o n m o u l dc a dc a nb e d e v e l o p e db ya p p l y i n gk n o w l e d g e b a s e d s y s t e mi n t o p l a s t i ci n j e c t i o nm o u l dc a d t h ed i r e c t i o no f r e s e a r c ho n k n o w l e d g e b a s e di n j e c t i o nm o u l dc a di sr i g h to u to f q u e s t i o n k e yw o r d s ：a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e ；k b s ：i n j e e t i o nm o l dc a d 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。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。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：猛b 蓥 日期：丝5 ：圭。垫 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或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；本人授权山东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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：磋旦菱 导师签名：缢日期堪坦望 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 塑料注射模具 随着高分子化学技术的发展，工程塑料品种不断地增加，同时塑料成 型设备和成型工艺的技术水平也在不断提高，这些因素都为塑料件的实际 应用开拓了广阔的领域。目前，在国民经济的各个部门中，特别是在办公 机器、照相机、汽车、仪器仪表、机械制造、航空、交通、通信、轻工、 建材业产品、日用品以及家用电器行业中的零件塑料化的趋势不断加强， 并陆续出现了全塑产品。随着人们生活水平不断提高，国民经济领域的各 个部门对塑料件的品种和产量需求量愈来愈大、用户对塑料件的质量要求 愈来愈高，进而对塑料模具设计与制造的周期和质量提出了更高的要求。 塑料注射模主要用来成型热塑性塑料件，但近三十多年来也广泛地应 用于成型热固性塑料件。注射模具具有生产适应性强、生产效率高和容易 实现自动化等特点，在塑料件的生产中起着至关重要的作用。目前它约占 整个塑料件成型模具的一半以上。因此对塑料注射模实现最优化的设计具 有非常重要的现实意义。 1 2 塑料注射模具g a d 技术 塑料注射模具由于其生产效率高、产品质量稳定、成本低的特点已成 为塑料制品的主要成型手段。传统的塑料模具设计和制造手段落后，使产 品开发周期过长，开发成本居高不下，不能很好地适应市场要求，严重制 约产品的开发，解决这些问题最有效途径就是在产品开发过程中应用注射 模具c a d 技术，简单而言，塑料注射模c a d 技术就是设计者以计算机为辅 助手段，建立产品模型，根据塑料件产品模型进行注射模结构设计及优化 设计。 1 2 1 国内外塑料注射模具g a d 技术的发展状况 国外从六十年代初就开始了针对模具计算机辅助设计与制造技术的 研究工作，到七十年代已研制出模具c a d c a m 系统。现在一些通用的c a d 软件，如美国的e d s ( e 1 e c t r o n i cd a t as y s t e m s ) 公司的u g l i 、美国的 p t c ( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g yc o r p o r a t i o n ) 公司的p r o e n g i n e 8 f 、美国c v ( c o m p u t e rv i s i o n ) 公司的c a d d s 5 、英国d e l t a c a m 公司的d o c t 5 、日本 h z s 公司的c r a d e 、以色列c i m a t r o n 公司的c i m a t r o n 、美国s 0 1 i d w o r k s 公司的s o l i d w o r k s 、美国u g sp l ms o l u t i o n s 公司的s o l i d e d g e 、由法国 飞机制造公司d a s s a u l t 开发并由i b m 公司负责销售的c a t i a 等软件已 广泛的应用在塑料注射模具的设计中。随着有限元分析技术及计算机技术 的发展，一些专用的分析软件也已经进入实用阶段。如美国a c t e c h 公司 的注射模分析软件c - m o l d 、澳大利亚m o l d f l o w 公司的注射模分析软件m f 等，而美国e d s 的u g i i 软件将u g i i 与c - m o l d 软件或者m f 软件集成注射 模c a d c a e c a m 系统。 我国模具行业c a d 技术的研究工作起步较晚。1 9 8 3 年初成立了上海交 大模具技术研究所，建立了模具c a d c a m 研究中心，开展注射模具、冲裁 模具的c a d c a m 的研究工作。随后，国内一些院校和研究单位也陆续成立 了模具c a d c a m 研究中心或研究室。北航华正软件工程研究所开发的c a x a 系统、华中理工大学开发了的塑料注射模具h s c 5 0 系统及c a e 软件，具 有适应国内模具的具体情况、能在微机上应用且价格较低等特点，为进一 步普及模具c a d 技术创造了良好条件。 在通用c a d 软件的基础上，针对模具设计特点，开发了专门的面向模 具设计的c a d 模块。例如英国d e l c a m 公司的p o w e r s h a p e 模块、在 s o l i d w o r k s 的平台开发的i m o l d 模块、基于u g i i 平台的塑料模具设计模 块m o l d w i z a r d 。 英国d e l c a m 公司的p o w e r s h a p e 模块是实体建模与曲面建模相结合的 面向模具设计与制造的复合建模系统，d e l c a m 公司历经三十多年的经验 积累，在p o w e r s h a p e 的基础上开发出专门应用于塑料模具设计与制造的 专家系统p s m o l d ，为塑料模具设计与制造提供了智能化的手段。该系 统以三维实体为基础，将塑料模具设计的全过程集成于系统之中，实现了 塑料模具设计的一体化，并与d e l c a m 的模具加工系统p o w e r m i l l 集成一 体，实现了塑料模具设计c a d 、c a p p 及c a m 的体化集成。 第1 苹绪论 i m o l d 是由一批塑料模具设计的工程师与专业软件工程师起研究开 发的三维塑料模具设计软件系统。由于i m o l d 是在s o l i d w o r k s 的平台上 运作，它提供了一个完整以及拥有强大功能的系统帮助模具设计师提高效 率和生产力。系统的操作步骤也是依据实际模具工艺设计的流程，所以设 计师只需透过这些简单的步骤就能完成一个标准模具设计。而且透过直观 的用户界面、强而有效的功能与预览特征，设计师在很短的时间就可以掌 握使用软件的操作技巧，能够灵活地应用软件进行模具设计工作”。 上海模具技术研究所与美国e d sp l ms o l u t i o n s 公司联合建立了e d s p l ms o l u t i o n s 联合研究室，开发基于u g i i 的模具c a d 软件的研究开发中 心，以推动三维模具设计应用软件向知识化、自动化和实用化发展。从 2 0 0 0 年4 月起，开发基于u g i i 平台的塑料模具设计模块m o l d w i z a r d 。进 行多型腔的布局设计，产生分模线和分模面，模架选取，标准件、镶块、 浇口、流道、冷却水道和抽芯设计等等“。 上述这些面向模具设计的c a d 模块，虽然针对性强，简化了模具设计 和制造的过程，提高了设计效率，但是关键性的设计决策仍然依赖于设计 人员的经验。虽然在设计的过程中对模具设计自动化、智能化的实现进行 了尝试，但设计过程中仍以人机交互的设计方式为主，未能自动实现模具 设计的最优化过程，所以在面向模具设计的c a d 模块中，智能化程度还 有待于提高。 1 2 2 国内外塑料注射模o a d 技术发展趋势 目前塑料制件及模具的三维设计与成型过程的三维分析将在塑料模 具工业中发挥越来越重要的作用。含有丰富专家知识的智能化模具 c a d c a m 系统的研究、高速切削加工及其编程等是未来研究发展的趋势。 在进行新一代塑料注射模具c a d c a m c a e 集成软件的开发过程中，有以下 几方面的技术需要着重研究4 1 j 1 6 1 “： 1 2 2 ，1 基于知识推理基于知识推理的实现塑料件特征向模具结构特 征的映射，关键是模具设计知识、规则的获取及精炼，需要着重获取构造 塑料件产品特征、注射机选择、塑料件材料选择、塑料注射模具结构设计、 塑料注射工艺选择，模具制造等相关知识。 1 2 ，2 2 形成一致的全局动态数据库除了塑料工艺参数、标准模架件等 静态数据库外，还必须有全局动态数据库，实现各模块对数据的共享，以 便进行统一的数据管理，为模具c a d c a m 的集成化创造条件。 1 2 2 3基于特征的技术利用基于特征的技术来完成由造型系统完 成塑料制品模型向模具型腔、型芯的自动转换及尺寸的换算工作。 1 2 2 4开发专用的塑料注射模具装配模型塑料注射模具结构比较规 范，零件绝大部分是板件或秆件，利用通用的c a d 软件的装配模型来开发 专用的塑料注射模具装配模型，特别是装配特征的定义、概括与编辑。 1 2 2 5基于事例的推理塑料帝0 品具有很大的相似性，采用基于事 例的推理可以缩短设计时间。 1 ，3 研究背景 当今运用计算机辅助技术实现塑料注射模设计和制造过程中各环节 信息的共享，已成为注射模具c a d 技术研究的重点。塑料注射模具c a d c a m 集成技术成为改变传统塑料注射模具设计制造的关键技术。塑料注射模具 c a d 技术作为塑料注射模c a d c a m 集成技术的单元技术之，以计算机为 辅助手段，建立产品的三维模型，根据塑料件产品三维模型进行注射模结 构设计及优化设计，生成的注射模结构三维模型作为注射模c a d 阶段的设 计结果，为后续的注射模c a m 阶段提供了数控加工编程及编制工艺计划的 原始数据。这种方法使产品模型设计、摸具结构设计、加工编程及工艺设 计都以3 d 数据为基础，实现数据共享，不仅能快速提高设计效率，而且 保证质量降低成本。 从六五计划开始我国有许多模具企业采用c a d 技术，特别是近年， c a d 技术的应用越来越普及，大大缩短了模具设计周期，提高了制模质量 和复杂模具的制造能力。然而，由于许多企业对模具c a d c a m 集成技术认 识不足，投资带有盲目性，不能很好地发挥作用，造成了很大的浪费。 目前在使用通用c a d 软件进行注射模具设计存在的问题是，这些c a d 软件未能实现与注射模具设计的相关知识很好的结合，在设计的过程中， 第1 章绪论 对于设计人员的经验和知识依赖较大。在所有通用c a d 软件中，构造一个 几何元素，设计者都必须提供设计对象的几何结构数据，用户不输入，系 统就不工作。至于是否最优、依据是什么? 为什么要输入这个结构数据值， 而不输入其他的数值? 只有设计者自己知道。从这个角度而言，目前大多 数的c a d 软件都只是一个几何建模工具，而不是一个真正意义上的设计工 具”。本课题就是在这样的背景下提出的。采用计算机辅助的手段，以三 维设计软件为开发平台，对塑料注射模c a d 知识库系统技术进行研究开 发，将人工智能技术渗透到塑料注射模设计的过程中，运用知识库中的知 识进行推理、判断和决策，实现塑料注射模快速、最优的设计。 1 3 1 数据库技术与人工智能技术的结合 数据库( d a t a b a s ed b ) 技术与人工智能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c ea i ) 技术是计算机科学两个十分重要的领域，它们相互独立地发展已有几十年 的历史，并在各自的领域取得了突出的成就而获得广泛的应用，然而它们 都存在着十分突出的问题和矛盾。一方面，现有的人工智能系统可以使用 成百上千条基于规则的知识去进行启发式搜索与推理”1 ，但却缺乏高效检 索访问现存数据库和管理海量数据库的能力。另一方面，现有的数据库管 理系统( d b m s ) 虽已优化到可以处理海量商务及事务数据的水平，但是 却无法表达和处理a i 系统中常见的基于规则的知识，以提高数据库演绎 和推理能力。因此数据库与人工智能技术的结合是数据技术发展的一个重 要方向。 在数据库技术中引入a i 技术，可以产生智能化的数据库，扩大数据 库的功能，使其不但具有传统数据库的现有功能，还具一些a i 的功能， 例如数据库的演绎功能、搜索功能、问题求解能力、数据库的归纳功能、 知识管理能力等等，以提高数据库的演绎、推理功能和智能化的程度。这 些数据库a i 的功能将实现数据库的智能检索和查询优化，将知识表示和 知识处理为主的专家系统技术与数据管理为主的数据库技术相结合，开发 出能共享信息的面向知识处理的问题求解系统，具有这种功能的数据库系 统，称为专家数据库系统。同时在数据库只能管理事实( 数据) 的基础上， 再加以扩充使其具有管理事实与规则的功能，以及管理知识的能力，从而 形成一个知识库及知识库管理系统1 。 1 3 2 研究和开发智能塑料注射模c a d 知识库系统的意义 随着塑料件产品多样化、模具制造过程柔性化、市场供货快捷化程度 的日益提高，通用的c a d 设计软件已经不能完全满足模具设计的实际需 要，因此在通用c a d 软件的基础之上开发企业自主的注射模具c a d 系统， 对塑料注射模实现最优化的设计有着非常重要的现实意义。知识库系统 ( k b s ，k n o w l e d g e b a s es y s t e m ) 是人工智能( a i ，a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ) 技术中其中最活跃的分支之一，将基于知识的系统( k n o w l e d g e b a s e d s y s t e r n ) 技术引入模具设计过程“，对模具设计相关的知识和经验进行总 结，建立一个知识库系统，为注射模具c a d 系统在设计的过程中提供推理 所需的要的知识和数据，实现注射模具的智能化、最优化设计，可以大大 提高模具设计的效率和质量。 1 4 本课题的主要研究内容 本文的侧重点旨在研究智能塑料注射模c a d 中模具结构设计知识库 系统的相关技术。针对基于k b s 的注射摸具c a d 技术研究，对注射摸具设 计相关的已有知识和经验进行总结和分类；研究适用于模具设计知识的知 识表示模式，将知识转换为能为计算机接受和易于处理的一种表现形式； 研究如何建立知识库系统，为注射模具c a d 系统实现基于知识的推理创 造必要条件，实现注射模具的最优化设计。 1 5 本文的组织结构 本文针对基于k b s 的注射模具c a d 的关键技术进行研究。第二章到第 四章先后对塑料注射模具的知识表示模式、知识的实体模型化和注射模具 知识库系统总体设计三方面问题进行了研究。第五章探讨了基于三维设计 软件s o l i d w o r k s 的塑料注射模具c a d 知识库系统的实现问题，并给出实 现该系统的解决方案和关键技术。最后一章对全文进行了总结，讨论后续 的研究方向。 第2 章塑料注射模具知识表示的研究 第2 章塑料注射模具知识表示的研究 2 1 知识表示概述 知识采用什么形式表示，使计算机能对之进行处理，并以一种人类能 理解的方式将处理结果告知人们，这是知识库系统首先要解决的关键。知 识表示要具有层次化、模块化、网络化，统称为知识的结构化。 2 1 1 专家系统和知识工程 2 0 世纪6 0 年代中期以后，人工智能从追求万能、通用的一般研究转 入特定的具体的研究，通用的解题策略与特定领域的专业知识及实际经验 结合，产生了以专家系统( e s ，e x p e r ts y s t e m ) 为代表的各种基于知识的 人工智能系统。1 9 6 5 年e a f e i g e n b a u m 开创了基于知识的专家系统这一 人工智能研究领域1 。2 0 世纪7 0 年代后期，随着专家系统技术的逐渐成 熟和应用领域的不断开拓，人们从各种不同类型的专家系统和知识处理系 统中抽取共性，人工智能又从具体系统的研究逐渐回到一般研究。围绕知 识这一核心问题，人们重新对人工智能的原理和方法进行探索，并在知识 获取、知识表示和知识推理等方面出现了新的原理、方法、技术和工具。 在这一背景下，在国际人工智能联合会上e a f e i g e n b a u m 提出了“知识 工程”的概念。知识工程综合了科学、技术和方法论三方面的因素， 研究专门知识的获取、形式化和计算机的实现，为研制以知识为基础的各 类人工智能应用系统提供一般方法和基本工具“。专家系统和知识工程 是人工智能研究中最有成就的分支领域之一。 2 1 2 知识表示的必要性 知识是人类智慧的源泉，概括讲知识是人类在实践中所积累的认识和 经验的总和。人类的智能活动过程主要是获得知识并运用知识的过程。可 以说知识就是智能的基础“，使计算机具有智能，具备模拟人类智能行 为的能力，就必须使计算机具有知识。这就需要把人类拥有的知识采用适 当的模式表示出来，存储到计算机中，这就是知识处理问题。 知识处理包括知识的获取、知识的表示和知识的利用三个核心环节， 其中知识表示是知识处理问题中最基本的一个问题1 。因为，方面所 获得的知识必须表示成某种形式才能记录下来，另一方面知识没有表示就 根本谈不到知识的利用。显然，能否把知识表示出来对知识的处理至关重 要，而且知识表示的好坏对知识处理的效率和应用范围影响很大，所以知 识表示的问题一直是知识处理中最热门的研究课题之一。随着人工智能技 术研究的发展，越来越多的人意识到研究知识表示方法的重要性。 所谓知识表示是为描述物体或现象所作的一组约定，是将知识转换为 能为计算机接受和易于处理的一种表现形式“。换而言之，这种表现形 式可以看作是一种描述知识的数据结构。对知识进行表示就是把知识表示 成便于计算机存储和利用的某种数据结构。能否合理地表示和组织知识是 关系到计算机推理效率和问题求解能力的关键。 2 1 3 知识表示方法 知识表示方法又称为知识表示技术，其表现形式称为知识表示模式。 知识表示研究各种存储知识的数据结构设计，并把问题领域的各种知识通 过这些数据结构结合到计算机系统的程序设计过程“。从理论上说，任 一种知识都可以用任何一种知识表示模式表示出来，然而各种模式对表示 各种具体问题领域的具体知识，由于模式本身、问题领域及推理策略以及 推理方面的不同，具有不同的难易程度“。在表示模具设计的知识时也 涉及到这个问题，不同设计对象针对的知识也会采用不同的模式。目前与 机械设计相关的人工智能系统经常使用的知识表示方法有规则表示、框架 表示、语义网络表示、谓词逻辑表示、过程表示等等“。这些方法各有 所长，又有各自的特点，且各有一定的适用范围。 2 2 注射模具设计知识的特征研究 塑料件产品特征与塑料模具结构特征不是一对应的关系，而是一对 多的关系。模具设计的过程中涉及到多方面的知识和大量经验，如塑料件 产品建模信息、注射机工艺参数选择、型腔设计、分型面设计、流道填充 系统设计、顶出机构设计等等。对于这些大量、复杂的知识，如何能够将 第2 章塑料注射模具知识表示的研究 其转换为计算机易于接受和处理的形式，是构建塑料注射模具知识库系统 时的一个关键问题，也是实现知识库系统的前提条件。 知识、规则的获取及精炼实现是基于知识的推理的关键，这就需要对 模具设计的相关知识和经验进行详尽的总结，对其特征进行分析。 2 2 1 模具设计知识的特征 注射模具设计知识的特征是往往具有不确定性。具体表现在： 2 2 1 1 设计数据的模糊性某些规范或经验中的参数是一个模糊变量， 给出的是参数取值区间。例如当模具型腔受到塑料熔体高压作用时，注射 模具的成型零件由于产生弹性变形可能会在某些分型面和配合面产生足 以溢料的间隙。不同的塑料因为粘度的不同，在不发生溢料的情况下，允 许的最大间隙值 8 t g 不同。可以将 占】作为校核塑料注射模具型腔刚度的 条件。常用塑料不发生溢料【占】值心”，如表2 - 1 所示。 表2 - 1 常用塑料不发生溢料的【占】值 l 粘度特征塑料品种 允许变形值【印( r a m )l i 高粘度p c 、p p 0 、p s f 0 0 6 - 0 0 81 l 中粘度p s 、a b s 、p m m a 0 0 5l l 低粘度p a 、p f 、p p 、p o m 0 0 2 5 0 0 4l 2 2 1 2 设计计算模型的模糊性在模具设计的过程中，需要将一些设计 对象经过抽象、假设生成数学模型。不同的假设可能导出有差异的计算模 型。例如在设计浇口时，浇口的尺寸就很难用理论公式计算，通常根据经 验来建立模型，然后在试模过程中逐步加以修正。按照经验值，浇口的截 面面积约为分流道截面积的3 9 ，截面形状为矩形、圆形或梯形等，浇 1 2 1 长度为0 5 - 21 1 1 1 1 1 ”。因此在设计流道填充系统时，浇口的尺寸计算具有 模糊性，浇口的最终尺寸要在修模之后才可以确定。 2 2 1 3 设计决策的模糊性由于设计数据、计算模型均具有模糊 性，而设计决策是以数据和计算模型为依据的，所以设计数据的模糊性和 计算模型的模糊性决定了设计决策的模糊性更加复杂。在设计过程中，需 要对总体方案中的计算模型、材料选择、参数等做出选择。但设计数据模 糊性的传递，导致设计数据模糊性的叠加。如：当塑料件模型确定时，塑 料件成型时所需要的注射压力p 要小于或等于注射机的额定注射压力p ， 即p p 。但是塑料件成型时所需要的注射压力本身就是个模糊的概念。 因为它要受到塑料件的结构工艺性、塑料件材料性能等因素的综合影响。 2 ，2 2 模具设计知识的分类 通过归纳整理、比较总结模具设计知识的特征，按照不同的分类依据 对模具设计知识做了以下分类： 2 2 2 1 按知识的层次分类 ( 1 ) 规范性知识，例如各种计算公式与表格等。这类知识是可靠的、 明确的，在专业人员中间广泛共有。这类知识来源于书本和文摘。 ( 2 ) 启发性知识，是工程技术人员在长期实践中积累的经验知识。启 发性知识是利用规范性知识的知识，是比规范性知识更高的一个层次的知 识。当一个设计人员承担一项设计任务时，应该拥有规范性知识，包括各 种数学、力学计算公式、有关设计准则等等多方面的知识，如何在设计中 应用这些知识，这就要靠设计者在长期的实践中总结和积累经验，这种总 结和积累的知识就是启发性知识。例如在选择分型面时，有一些设计依据 的原则。但是比较抽象，依据这些原则针对一些典型结构的塑料件，可以 总结一些实际的例子，这些例子中就包含了经验，也就是启发性知识。在 进行分型面选择的知识总结时，实际就是对这些经验，即启发性知识的总 结，进行知识表示，录入知识库中。 2 2 2 2 按知识的属性分类 ( 1 ) 静态的、可靠的、确定性的知识例如：“聚碳酸酯是非结晶型塑 料”；“型号为x s z s - 2 2 的注射机额定注射压力为】17 m p ”就是确定、可 靠、不会变化的静态知识。 ( 2 ) 变化的、模糊的、不确定的知识例如“塑料件成型所需的注射 压力p 一般为7 0 15 0 p m ”就是一条模糊、不确定的知识，因为塑料件成 型所需的注射压力p 会受到塑料的流动性，塑料件壁厚条件等因素影响， 最终取值会随之变化。 第2 章塑料注射模具知识表示的研究 2 2 2 3 按知识在推理过程中的作用分类 ( 1 ) 说明性知识例如“注射机的最大注射量应大于塑料件的重量 或体积( 包括流道凝料) ”就是一条说明性的知识，是在以注射机最大注 射量为推理依据时满足的条件。 ( 2 ) 与问题有关的求解知识例如“主流道始端的球面半径r 应大 于注射机喷嘴前端的球面半径r o ，按经验值r = r o + 1 5 计算”，这是一条 在设计主流道始端球面时相关的求解知识。 2 3 注射模具设计知识的表示方法 通过对注射模具设计相关知识的总结，针对上述不同类型的知识采用 不同的表示方法。经过实际比较，注射模具设计知识适用的基本知识表示 方法有框架表示和规则表示两种，还可以采用框架规则混合表示法。 2 3 1 注射模具设计知识的框架表示 2 3 1 1 框架表示框架表示是人工智能学者m i n s k y 于1 9 7 4 年提出的一 种知识表示方法，它是一种描述对象特性的数据结构，由一组槽组成。每 个槽描述对象特性的一个方面，有自己的名字和填入槽内的值“。换而 言之知识的框架表示是 一种集事物各个方面属 性的描述为一体，以事物 抽象概念的类属关系作 为框架间层次结构的知 识表示法。框架表示的包 括的部分有：框架名、槽 和约束条件。具体而言， 一个框架由若干个槽组 成，每个槽都有自己的名 字，槽内的值描述框架所表示的实体各组成部分的属性，每个槽值又可以 由一个或多个侧面组成，各侧面从各个方面来描述槽的特性，每个侧面又 由一个或多个侧面值，每个侧面值可以是一个值或一个概念的陈述。如图 2 i 所示。 在采用框架表示时，槽的值可以是对另一个框架的调用，类似调用程 序设计语言中的过程，调用中可以带参数，借此建立各框架之闯的各种关 系，此时可用槽名来标识各种关系的语义。槽值除了可以是数值，字符串、 布尔值等具有一般意义的字值之外，还允许是一个当某条件满足时将会触 发执行的一个动作或一个过程，甚至允许是当前还不知道的空值。槽值在 对框架处理过程中是允许改变的，原来空的值可以被填上，反之已添的槽 值亦可被删除。鉴于它的表示既是层次化的，又是模块化的，所以针对于 模具设计知识而言是种较好的知识表示方法。 2 3 1 2模具设计知识的框架表示模式对于塑料件产品建模信息、注 射机工艺参数选择、型腔设计、 分型面设计、流道填充系统设 计、顶出机构设计等等涉及到的 静态的、可靠的、确定性的知识 都可以分别用相互平行的框架 来表示。例如对塑料件产品建模 信息的相关知识，可以用框架 p p m f 塑辩件f 材料1 熟框桨 p p e l 塑群缪咒何苈，来表示。 框架p p m 结构如表2 2 所示。 表2 - 2 框架p p m 结构 框架名称p p m 塑料件，材料】 槽ik y 压缩比】 槽2d e n 密度】 槽3c r y 结晶性】 槽 槽4 v i s 粘度】 槽5p 【注射成型压力】 槽6m t h i 材料壁厚】 槽7 v l s 粘度】 【 2 3 2 注射模具设计知识的规则表示 2 3 2 。1 规则表示知识的规则表示的形式为：“i f ( c o n d i t i o n 1 s s a t i 妒e a ) t h e n 佃c t i o n ) ”，是一条以“如果这些条件满足，则采用这些行 动”的形式表示知识的语句“”。颤财表示的形式采用“i f t h e n ”的格 式描述知识。规则不具备相反的逻辑条件，即如果结论成立、前提的组合 未必为真。 规则是一种自然的知识表达方式，可以充分表示各种知识尤其能表 示不确定和不完备的知识，也可以给一些前提条件和结论( 行动) 赋予先 。 茎窑垡墼堇墅塑墼堡堑丝塑坠。一! ! e ! e 2 目! ! ! ! ! j ，! ! e ! ! e ! ! e ! ! ! ! ! ! ! 目! l = ! j 1 2 1 目= = = ! = 2 2 一 验概率和后验概率值在推理的同时，概率以某种预定的方式进行传播。 晟后得到的每个结论都具有一个可信度，这种可信度反映了结论可能存在 的强度2 “。 当规则的数量非常庞大时，为了防止知识的组合爆炸，减少搜索空间， 提高推理效率和系统运行的可靠性，必须对规则进行分类。常用的规则分 类方法是按子 任务分类。设计 任务是由多个 子任务组成的， 按照不同的子 任务把规则集 合分成若干个 子集。如图2 2 所示。 图2 - 2 规则表示 此外还可以按知识的性质或用途分类，即把同一性质或同一用途的知 识组成规则集合，这种集合一般包含共性知识，如模具设计中可以把关于 流道填充系统设计的规则组成集合。在各予设计任务的执行过程中，只要 涉及到与流道填充系统设计相关的决策条件，就可调用该规则集合。 规则表示适合的问题领域的知识特征是；领域知识是扩散型的，领域 内需要大量的经验知识，领域的问题求解可以被表示为一系列相对独立的 求解操作；或者领域问题可以被视为一个问题空间从一个状态向另一个状 态的转换。 2 3 2 2 模具设计知识的规则 表示模式i f t h e n 的格式 是规则表示描述知识的模式。 在模具设计过程中，对于一些 不确定的或在推理过程中起 作用的知识。可以采用规则表 示的方法来表示。例如对注射 规财类名称i m r 注射机类】 【m r l i f v u a x ot h e nv m a x 1 2 5 k v + ( n + v + v m 0 1 ) 【m r 2 i f g u a x 0t h e ng m x 1 2 5 c + d e n + ( n v + v m 0 1 ) i m r 3i fp 1 0t h e np l p 【m r 4i fp i 0t h e nq = 0 5 p l i m r 5i fd 0t h e nd d o i m r 6i f ar 0t h e nf s qa f m r 7 i fr 0t h e nr r 0 m r 8 fd 、”四种情况对应的关系变量的取值为“0 、1 、2 、3 ”。 如关系变量取值如表5 1 所示。 表5 1 关系变量取值 i 取值说明l 1 = l 1 l 53 2 2 规则知识转换为数据表按表5 1 的规定，规则知识转换为数据 表的形式。数据表中包括八个字段( f i e l d ) ，依次为“r n 、c o n d i t