在注塑模设计系统中应用基于模型推理技术.pdf

文章编号 1001 4934 2001 06 0058 05 收稿日期 2001 07 03 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 A Abstract The paper expounds how to apply the mode2based reasoning in the system of intelligent injection die design establishes the system and gives an example Key words injection die design intelligent software model2based reasoning 0 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 Knowledge2based System 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 Knowledge2based Reasoning 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 Rule2based Reasoning RBR 2 基于实例的推理 Case2based Reasoning CBR 3 基于模型的推理 Model2based Reasoning 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 Simulation 1 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 Object2oriented Analysis and Design OOA D 2 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 Machinery Model 这一总模 85Die and Mould Technology No 6 2001 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 Module Model 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 Component Model 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 Component Description Language 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 Con 2 currentConstraintProgrammingframe CCP frame 即约束系统 Constraint System 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 Module2based Design 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1 RBR 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 2 MBR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Windows NT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Visual C 510 610 三维CAD CAM软件Pro Engineer 数据库开发环境SQL2 Server 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 212 MBR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 Temperature 95模具技术20011No 6 图2 设计系统三层次模型 Control 抽芯系统 Extract 辅助机构系统 As 2 sistant System 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 MM 其中 Component2Set为产品的组件集合 Component2Set Component 0 Component 1 Component m 1 Substance2Set为构件的实例集合 Substance2Set Substance 0 Substance 1 Substance n 1 AC2Set是装配条件的集合 AC Set AC 0 AC 1 AC k 1 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aij 1 否则aij 0 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Similari2 ty计算如下 Similarity 6 4 i 1 Wimatchi 1 matchi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 06Die and Mould Technology No 6 2001 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20011No 6 随时对系统进行删除模块或添加模块 对新增加 的模块可以单独编译 然后系统再集成 因而 系 统扩容性较好 集成方便 而且也便于将这一系统 进行推广应用 3 实用性 系统的实现思想和方 法极有推广价值 该系统仅是针对注塑模设计进 行开发的 但其开发方法和理论对其他模具设计 的开发也有较好的借鉴和参考价值 参考文献 1 Edmund C P Robert C M A Developing Expert Sys2 tem M New York John Wildy Sons Inc 1990 2 Saed M S Ali K K Macro Level Product Development Using Design for Modularity J Robotics and Comput2 er Integrated Manufacturing 1999 15 319 329 3 Steven W Knowledge Acquisition and Knowledge Rep2 resentation with Class The Object2oriented Paradigm J Expert Systems with Applications 1998 15 235 244 4 陈禹六 1IDEF建模分析和设计方法 M 1 北京 清华 大学出版社 19991 5 Yuh2Min C Jang2Jong L Cost2effective Design for In2 jection Molding J Robotics and Co