注塑模智能CAD中基于事例推理技术的研究.pdf

第33卷 第4期 2004年 8月 贵州工业大学学报 自然科学版 JOURNAL OF GUIZHOU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Vol 33 No 4 August 2004 Natural Science Edition 文章编号 100920193 2004 0420060204 X 注塑模智能CAD中基于事例推理技术的研究 尹 健 孙 强 丁 旭 钱松荣 贵州工业大学 机械工程与自动化学院 贵州 贵阳550003 摘 要 将知识工程引入注塑模方案设计中 提高了注塑模具设计的智能化程度 研究了基于 事例推理的注塑模设计的关键技术 提出了面向对象的事例表达方法与基于相似度的检索方 案 比较了相似度索引和神经索引的不同效果 算例表明了该方法的有效性 关键词 注塑模 智能设计 基于事例的推理 中图分类号 TG76 TP182 文献标识码 A 0 引 言 注塑模设计是一项非常复杂的过程 是一个建立在设计专家丰富的经验与知识基础上的创造性思维过 程 1 由于注塑模设计往往伴随着许多陈述性和经验性知识的判断 决策或尝试性的应用 不能简单的算 法化 因此现有的CAD CAPP CAM系统的智能化程度不高 设计工作在很大程度上依赖于模具设计人员 的经验 存在设计效率瓶颈问题 2 知识工程 Knowledge Based Engineering KBE 是人工智能在知识信息处理方面的发展 它主要研究如 何由计算机表示知识 进行问题的智能求解 KBE的研究使人工智能从基于规则的模型转向基于知识的模 型 是新一代计算机的重要理论基础 知识的表示 利用 获取构成了KBE的基础 根据推理方法的不同 KBE可以分为基于规则的推理 RBR 基于实例的推理 CBR 和基于模型的推理 MBR 3 CBR是一种利用旧的事例和经验来解决问题 评价解决方案 解释异常情况或理解新情况的推理技术 CBR的核心思想是人类经验知识的再利用 是以往求解类似事件的经验的借鉴 从而获得当前问题求解的 方案或途径 这大大提高了问题求解的效率 同时由于每得到一个新的结果都可以存入事例库 从而扩大了 知识 具有一定的自学习能力 CBR在注塑模设计中的应用 将提高注塑模设计的智能化程度 提高设计效率 其研究有较大的理论和 实用价值 4 5 本文研究了基于CBR的注塑模智能设计系统的总体框架 提出了基于面向对象和特征的事例表示方 法 以及基于相似度的检索方案 比较了相似度索引和神经索引的不同效果 计算结果表明了该方法的有 效性 1 基于CBR的注塑模智能设计系统的总体框架 为尽可能地提高企业的模具设计能力 将CAD技术 人工智能技术和数据库技术应用于注塑模方案和 结构的选择设计中 建立一套具有实用价值的注塑模自动设计系统 支持从产品信息提取 方案推理到修改 的全过程 将有利于解决设计人员数量 经验不足造成的困难 大大提高工厂设计人员的工作效率 6 CBR技术是近年来人工智能重要的研究方向 它充分利用人类的经验知识 将人类以往处理类似问题 的经验作为现在处理这类相似问题的参考 CBR技术就是采用匹配的方法 找出相似的事例以满足设计要 求 其理论基础是相似原理 设计一个CBR系统必须依次解决案例的表示 案例的组织 案例的检索 案例的调整等一系列问题 如 图1所示 其一般步骤如下 X收稿日期 2004 04 01 1995 2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved 图1 基于实例推理的模具 方案设计过程 1 塑件特征描述 提取能表达注塑件特征的关键属性作为描述塑件的特 征信息 该信息将作为寻找相似事例的依据 合理的特征信息描述有助于提 高相似事例检索的效率及准确性 是基于CBR的模具方案设计的关键技术 2 相似模具设计检索 根据塑件特征信息描述 从事例库中提取具有相 似塑件特征的模具作为当前塑件模具的相近设计方案 该部分由事例检索 匹配 排序 最相似事例选取四个部分组成 3 最相似事例评价 通过上述步骤获得的最相似事例 一般说来并非与 新模具设计要求完全相同 是否完全相同就要根据设计约束 包括几何及功 能 约束 是否满足来判断 若所有的设计约束均能满足 则当前的最相似事 例的设计要素就构成了新模具的设计方案 将其加入事例库 否则 需对当前 进行修改 2 系统实现的关键技术 2 1 塑件特征及模具结构设计特征信息的提取及表示 模具设计事例由基于特征的塑件描述和相应的模具结构组成 基于特 征的描述方法较基于几何的描述方法有许多优越性 能充分描述构成事例的 两类知识 与数据相关的知识 如形状 功能 精度 材料等 以及与数据之间 关系相关的知识 如设计经验 计算公式等 事例表达对事例提取和推理效率有重大影响 采用面向对象的方法来表达模具设计事例 面向对象技 术提供了实现CBR的一种结构化手段 并且对象的封装性使得知识库维护时变得简单 面向对象技术采用 框架和规则混合表达来描述实例 一个实例称为一个对象 并且这些对象中都封装了多重属性 7 事例库中记录了大量的实例 实例由基于特征的塑件描述和相应的注塑模设计方案组成 由于注塑产 品的外形自由度大 仅根据形状特征进行事例检索的准确性很差 故根据形状特征确定的注塑模方案不一 定可行 但注塑件的成形功能特征与注塑模结构的天然联系使其对注塑模设计有直接的影响 因而本文的 塑件主要特征是基于成形功能特征制定的 注塑件的成形功能特征包括 注塑件类形 注塑件整体结构 最大径向外轮廓尺寸 塑件材料 壁厚 表 面质量要求等 表1给出了塑件的主要特征 表2给出了模具结构设计特征类层次结构 表1表2之间形成 了一种一对一的映射关系 即当系统根据当前塑件的特征描述在事例库中找到相似事例时 系统同时给出 相应的模具设计方案 其内容包括表2对模具结构的文字描述及相应的模具装配图 表1 塑件主要特征的类层次结构 塑 件 特 征 总体 特征 形状 特征 材料 其它 特征 生产批量大 中 小批量 最大尺寸长 宽 高 主要形状轴 盘 套 齿轮 箱体 侧向凹凸外表凹凸 内表凹凸 材料类型ABS LDPE HDPE PET PP 表面质量进料位置限制 光洁度 最小壁厚 1mm 1mm 2mm 表2 模具结构设计主要特征的类层次结构 模 具 特 征 总体 特征 成形 特征 模具名称 模具重量公斤 外形尺寸长 宽 高 模具材料 形腔数目 布置直线 方阵 环状 浇注系统浇口 排气槽的形状 大小 位置 调温系统冷却水道形状大小位置 侧向分形及抽芯系统哈夫块 缩涨形芯 斜销 弯销 顶出系统顶出方式 顶出元件 顶出顺序 分形面数1 2 3 定位与导向导柱 导套 2 2 事例的检索 事例的检索和匹配是实现基于事例推理的关键 本文采用最近邻法来量度两个事例的相似程度 具有 最大相似度的事例即为最相似事例 因此相似度的计算是基础 采用下列公式 Si M j 1 j pj i 1 2 N 16第4期尹 健 等 注塑模智能CAD中基于事例推理技术的研究 1995 2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved 其中 M表示塑件的特征总数 N表示事例库中的事例总数 j表示第j个特征的权重 一般0 j 1 且 j 1 pj表示当前事例与事例库中事例的第j个特征的匹配度 一般0 pj 1 Si表示当前事例与 事例库中第i个事例的相似度值 且0 Si 1 pj的取值应根据塑件特征的相似性评价体系 换言之 两个特征相似的程度应有一个确切的取值表或 算法 pj 1表示两个特征完全相似 pj 0表示两个特征完全不同 2 3 事例的评价与修改 对检索出来的相似事例 如果Si 0 96 可认为新设计与事例库中的已存事例极为相似 则接受该模具 设计方案 如果Si 0 2 表明事例库中无相似事例 但一般情况下 0 2 Si 0 96 表明检索出来的相似 事例难于精确满足新的设计要求 这时应对相似设计方案进行评价并修改 然后将其存入事例库中 对相 似设计方案的评价主要是对模具的功能 其次是对成本进行评价 功能评价主要是检查给出的模具方案在 功能方面对新设计的满足程度 成本评价主要是检查模具在制造和材料成本方面对新设计的符合程度 这 些评价目前一般都是人工进行 然后人工修改模具结构和材料并绘出装配图 并将新信息存入事例库中 2 4 权重与匹配度的取值 表1给出的塑件特征类层次结构中 各个子特征在判断两个事例之间的相似性时的重要程度是不一样 的 由模具设计知识可知 影响模具结构及动作原理的主要因素有 主要形状 侧向凹凸 材料类形 进料位 置 因此这些特征应取较大的权重 而生产批量 最大尺寸 最小壁厚等特征只影响形腔数目及布置等次要 因素 故这部分子特征应取较小的权重 匹配度取值对不同的特征有不同的计算方法 而特征基本上可分为两种 定性描述类特征和定量描述 类特征 对定性描述类特征 如材料类形 侧向凹凸 进料位置等 若两事例对应特征相同 则pj 1 否则pj 0 对定量描述类特征 如批量 重量 壁厚等 按pj 1 d r 计算 其中 d为两事例特征值之差 r 为该特征在所有事例中的最大与最小值之差 图2 ANN模型 3 基于ANN和最近邻法检索相似事例的比较 图2给出一个单隐层人工神经网络 ANN 模型 输入层各神经 元接收来自外界的输入信息X x1 xi xn 并传递给中间 层 隐层 神经元 信息经处理后传递到输出层 输出层将信息进一步 处理后即向外界输出信息处理结果Y y1 yj ym 完成了 一次从输入到输出的信息处理 ANN可实现X n 到Y m 之间的任意 非线性映射 从而实现诸如预报 分类 逼近等工作 基于ANN的事例检索 就是利用ANN的分类能力 对具有相 同特征的塑件 找到相同的模具设计方案 由于ANN具有良好的容 错能力 因而在输入数据有一定错误时 也能给出相同的结果 这个 特性使得ANN用于相似检索成为可能 8 但基于ANN和最近邻法检索相似事例是有较大区别的 采用最近邻法检索相似事例的最大优点是它 属于一种相似检索 因而即便事例库中无相同事例也能给出具有一定相似性的相关设计方案 并且检索结 果会因设置不同的权重而改变 这给人为干预检索结果提供了一种人机交互手段 基于ANN事例检索的 最大优点是在特征完全相同时可快速检索出相同事例 检索时间与事例库中的事例数几乎无关 但当特征 出入较大时其检索结果往往没有太大意义 4 应 用 有一材料为PE的塑料瓶盖如图3所示 要求点浇口 从盖中间进料 试给出其模具设计方案 利用基于CBR的模具方案设计系统进行设计 图3所示塑件的特征信息应根据表2内容给出 并设定 最低可接受的相似设计的相似度值为0 8 如该值取得更小 则检索出来的相似设计方案将越多 系统根据 相似匹配原理检索 得出两个相似方案 和 其相似度值分别为0 93和0 86 相似方案 和 模具装配 26 贵 州 工 业 大 学 学 报 自然科学版 2004年 1995 2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved 图分别如图4 图5示 方案 与方案 模具特征的区别在于 方案 成形的塑件材料为PE 采用点浇口顶部进料 螺纹采用强 脱 方案 成形的的塑件材料为PP 采用侧浇口进料 螺纹采用缩胀型芯 由于方案 与方案 对应的塑件 特征比较接近 故造成两个现成方案与新塑件相似度值差异的主要原因是材料与进料位置 至于脱模方 式 由表2可知 并未作为一个单独的特征加以描述 因而并不影响相似度值的计算 因此 方案 应为最佳方案 但方案 并不能完全满足当前设计 主要是从顶部的中心旁进料 故须对 其进行适当修改 由图可见 只需将模具中用于成形盖顶凹坑的型芯镶件去掉 将点浇口位置挪到瓶盖中 间 同时将成型瓶盖的型芯型腔尺寸修改即可 修改后的装配图从略 显然 在方案 装配图的基础上修 改 就比从头设计快速简捷多了 图3 瓶盖图 PE 图4 方案 模具装配图图5 方案 模具装配图 5 结束语 模具的计算机辅助方案设计对提高模具设计的智能化程度有着重要影响 本文研究了基于CBR的模 具方案设计的关键技术 提出了基于塑件成形功能特征的事例表示方法以及基于最近邻法的检索机制 比 较了采用最近邻法和神经网络法检索的不同 利用数据库技术 建立了模具设计事例库 数据库语言采用 SQL server 数据库管理应用程序采用C语言 通过数据库管理应用程序 可向数据库发送SQL语句请求 访问数据库 同时可进行相关计算 从而实现了模具的计算机辅助方案设计 参考文献 1 Kwong C K Smith G F Lauw S Case Based Reasoning in Injection Moulding J Materials Processing Technology 1997 63 463 467 2 汪 翰 注塑模智能并行设计系统 J 模具技术 2000 3 23 25 3 杨得一 基于知识工程的产品开发系统 J 制造技术与机床 2004 2 53 55 4 Shdesh Nezhad K Siores E An Intelligent System for Plastic Injection Molding Process Design J Materials Processing Tech2 nology 1997 63 458 462 5 Kwong C K Smith G F A Computational system for Process Design of Injection Moulding Combining Blackboard Based Ex2 pert System and Case Based Reasoning Approach J Advanced Manufacturing Technology 1998 14 239 246 6 王正肖 潘晓弘 基于事例推理技术在冲模设计中的应用 J 模具工业 1999 1 11 13 7 宋玉银 基于实例推理的产品概念设计系统 J 清华大学学报 自然科学版 1988 38 8 5 8 8 朱利萍 基于事例的注塑模架自动设计系统的研究 J 模具技术 2001 1 18 21 下转68页 36第4期尹 健 等 注塑模智能CAD中基于事例推理技术的研究 1995 2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved a 季戊四醇晶体 b 二季戊四醇晶体 图5 晶体照片 参考文献 1 熊金山 季戊四醇生产工艺简介 J 化工生产与技术 1995 17 3 5 8 2 宣晓君 季戊四醇母液回收 J 化工生产与技术 2001 18 3 25 26 3 Schweitzer P Handbook of Separation Techniques For Chemical Engineer M New York McGraw Hill 1997 5 32 4 Timm Larson Industrisl Crystallization J Chem Engrel J 1965 3 5 37 42 5 Timm Larson Rate Controlled Separations J Chem Engrel J 1968 14 3 21 24 6 Larson Randolph crystallization kinetics J Chem Engrel J 1971 53 7 13 17 Study on Crystallization Kinetics for Separating Dipentaerythritol and Pentaerythritol LIAO Yan CHEN Tian2xiang YU Xiao2qing YU Shi2rui College of Chemical and Biological Engineering GUT Guiyang 550003 China Abstract crystallization kinetics was studied for dipentaerythritol and pentaerythritol by analyzing the nexus of crystal size and crystal population density and the nexus of crystal growth rate and nucleation rate The dipentaerythritol crystal of more than 90 in purity from pentaerythtitol waste residue can be achieved by analyzing the different crystal characteristic of two materials Key words dipent