陜西法士特集團(tuán)公司 劉立明 孫芳芳

基于實(shí)例推理的智能化刀具CAD系統(tǒng)研究

陜西法士特集團(tuán)公司 劉立明 孫芳芳

根據(jù)刀具的設(shè)計(jì)特點(diǎn),建立了基于實(shí)例推理的智能化刀具CAD系統(tǒng)。該系統(tǒng)由刀具的實(shí)例庫(kù)和建立在實(shí)例庫(kù)基礎(chǔ)上的檢索和匹配推理機(jī)制，以及刀具實(shí)例的修改學(xué)習(xí)和保存構(gòu)成.借助UG的三維參數(shù)化建模功能，通過(guò)UG二次開(kāi)發(fā)，進(jìn)行參數(shù)化驅(qū)動(dòng)，得到刀具的最終實(shí)體模型。

CBR 刀具CAD UG二次開(kāi)發(fā) 參數(shù)化驅(qū)動(dòng)

一、引言

基于實(shí)例的推理（CBR）是近年來(lái)人工智能領(lǐng)域新興起的一種推理方法。它是通過(guò)回憶以前曾經(jīng)成功解決過(guò)的相似問(wèn)題，比較新、舊問(wèn)題發(fā)生背景和時(shí)間等差異，經(jīng)過(guò)一系列的調(diào)整、修改后重新使用以前的知識(shí)和信息，達(dá)到最終解決當(dāng)前問(wèn)題之目的的一整套思維方法。它的核心思想是人類(lèi)經(jīng)驗(yàn)的再利用，因此非常適用于一些弱理論的領(lǐng)域。

刀具產(chǎn)品的設(shè)計(jì)就是一個(gè)復(fù)雜的，弱理論支持的過(guò)程，需求設(shè)計(jì)人員具備豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，所以，CBR技術(shù)在刀具CAD領(lǐng)域的研究、應(yīng)用和發(fā)展具有可行性，并且是一個(gè)極富希望和發(fā)展前途的研究和應(yīng)用方向。

CBR是一種解決相似問(wèn)題的方法，而刀具產(chǎn)品與其它產(chǎn)品零件相比,更具有規(guī)范化的特點(diǎn),即對(duì)一種特定的刀具來(lái)說(shuō),其結(jié)構(gòu)都是近似的,其拓?fù)潢P(guān)系是相同的,只是由于原始條件的改變使刀具參數(shù)值的選取不同，這就構(gòu)成了CBR技術(shù)運(yùn)用于刀具CAD的現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的刀具CAD系統(tǒng)，以以往的刀具實(shí)例資料作為系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)例庫(kù)，采用了可拓物元與面向?qū)ο蠼Y(jié)合的實(shí)例表示方法;在實(shí)例檢索中采用最近相鄰算法進(jìn)行檢索，采用基于特征屬性的比較匹配策略;在實(shí)例的修改和學(xué)習(xí)過(guò)程中，采用原始實(shí)例與代表實(shí)例相結(jié)合的方法對(duì)實(shí)例進(jìn)行索引，采用變形B+樹(shù)的方式對(duì)實(shí)例進(jìn)行學(xué)習(xí)和修改。圖1為基于CBR的刀具CAD系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)。

圖1 基于CBR的刀具CAD系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

1. 實(shí)例庫(kù)構(gòu)建。在刀具實(shí)例庫(kù)的建立方法上，本文采用以特征建模和參數(shù)化設(shè)計(jì)相結(jié)合建立刀具初始實(shí)例模型;以UG軟件為支撐環(huán)境，表達(dá)實(shí)例的三維模型；并以模型文件的形式(*.prt)存儲(chǔ)實(shí)例，以數(shù)據(jù)庫(kù)的方式存儲(chǔ)實(shí)例參數(shù)的實(shí)例庫(kù)建立方法。

本文中的刀具設(shè)計(jì)CBR系統(tǒng)功能是根據(jù)輸入實(shí)例的各個(gè)屬性特征值，從實(shí)例庫(kù)中搜索出最相似的并且符合一定的判定條件的實(shí)例，作為參考解，并且，由計(jì)算過(guò)程中得到的相似度給出結(jié)果的可信度，以輔助診斷。其實(shí)例即刀具屬性有以下幾個(gè)基本屬性，分別是結(jié)構(gòu)參數(shù)，幾何參數(shù)，制造技術(shù)要求等。其幾何屬性還有各自的子屬性。

圖2為系統(tǒng)中可轉(zhuǎn)位車(chē)削刀具的實(shí)例表示：

圖2 可轉(zhuǎn)位車(chē)削刀具實(shí)例表示

本文中刀具實(shí)例庫(kù)是根據(jù)刀具的種類(lèi)進(jìn)行劃分，不同刀具對(duì)應(yīng)不同的實(shí)例庫(kù)。如圖3所示

圖3 刀具實(shí)例庫(kù)組織結(jié)構(gòu)圖

2. 刀具實(shí)例的檢索和匹配。本文使用權(quán)值鄰近法作為實(shí)例組織和檢索策略算法，計(jì)算相似度進(jìn)行實(shí)例檢索。采用Delphi法和AHP法相結(jié)合確定實(shí)例特征參數(shù)的權(quán)值，即采用Delphi法由多個(gè)專(zhuān)家來(lái)確定各特征兩兩之間的相對(duì)重要程度，再由AHP法確定各特征的權(quán)值。

實(shí)例的檢索通過(guò)三個(gè)子過(guò)程：特征辨識(shí)，初步匹配和最佳選定來(lái)實(shí)現(xiàn)。特征辨識(shí)是指對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分析，提取有關(guān)的特征。本文中我們采用根據(jù)上下文或知識(shí)模型的需要從用戶(hù)那里通過(guò)交互方式獲得的特征。

采用最近相似算法相結(jié)合進(jìn)行檢索得到的實(shí)例不一定符合具體的問(wèn)題，有以下幾種情況：如果未得到實(shí)例，則檢索失敗，需要進(jìn)行新一輪實(shí)例檢索或是將問(wèn)題提交給專(zhuān)家進(jìn)行診斷得到結(jié)果并供系統(tǒng)進(jìn)行學(xué)習(xí)；如果得到一個(gè)解，首先需要對(duì)得到的唯一的結(jié)果進(jìn)行判定，判定是否符合系統(tǒng)的要求，以保證解的有效性。本文使用一個(gè)判定值來(lái)對(duì)解進(jìn)行約束。就是要求最相似實(shí)例和待解實(shí)例之間的相似度不可以超過(guò)判定值。如果相似度值大于閉值，則舍棄，否則得到最終解。其次要根據(jù)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合實(shí)際問(wèn)題判斷實(shí)例是否滿(mǎn)足問(wèn)題要求，如果滿(mǎn)足，則匹配成功，若不滿(mǎn)足問(wèn)題要求，則對(duì)實(shí)例進(jìn)行修改或提交給專(zhuān)家，進(jìn)行交互學(xué)習(xí)。

3. 刀具實(shí)例的保存。將已完成設(shè)計(jì)的刀具以實(shí)例形式保存在實(shí)例庫(kù)中，擴(kuò)充了實(shí)例庫(kù)的內(nèi)容，體現(xiàn)了CBR系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)能力?；趯?shí)例的CAD系統(tǒng)必須具有實(shí)例檢索環(huán)節(jié)，實(shí)例的檢索又涉及到檢索參數(shù)的存儲(chǔ)問(wèn)題，而在支撐軟件環(huán)境下實(shí)例模型的表達(dá)又帶來(lái)了實(shí)例模型的存儲(chǔ)問(wèn)題。由于實(shí)例的檢索參數(shù)與實(shí)例模型互相獨(dú)立，因此需要分別保存。本文的實(shí)例存儲(chǔ)采用參數(shù)與模型分別保存的方式，即刀具檢索參數(shù)保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，與刀具的實(shí)例參數(shù)共用一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)；刀具特征模型則以UG模型文件(.prt)的形式保存在特定目錄下，把路徑保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中。

三、刀具智能CAD系統(tǒng)與UG平臺(tái)的集成

通過(guò)CBR系統(tǒng)得到刀具的設(shè)計(jì)參數(shù)和技術(shù)要求，但最后要得到刀具的三維模型，還需要與UG進(jìn)行集成，借助UG的三維參數(shù)化建模功能，通過(guò)設(shè)計(jì)參數(shù)的參數(shù)化驅(qū)動(dòng)，得到刀具的最終實(shí)體模型。

基于UG二次開(kāi)發(fā)的刀具三維參數(shù)化建模模塊是在UG內(nèi)環(huán)境下運(yùn)行的，所以必須解決刀具智能CAD系統(tǒng)與UG平臺(tái)的集成問(wèn)題。本文通過(guò)在智能化刀具CAD系統(tǒng)環(huán)境中調(diào)用UG進(jìn)程來(lái)實(shí)現(xiàn)。

UG三維參數(shù)化建模與刀具智能CAD系統(tǒng)集成的主要問(wèn)題就是數(shù)據(jù)的共享和傳遞，在智能刀具CAD中推理得到的刀具設(shè)計(jì)參數(shù)必須有效的傳遞到UG中，驅(qū)動(dòng)尺寸進(jìn)行參數(shù)化建模，本文采用后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)二者數(shù)據(jù)的傳輸，即把智能刀具CAD推理得出的刀具設(shè)計(jì)結(jié)果存入到實(shí)例庫(kù)中，在UG中進(jìn)行三維參數(shù)化建模時(shí)，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)技術(shù)訪問(wèn)實(shí)例庫(kù)，得到刀具設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)行尺寸驅(qū)動(dòng)，得到刀具的三維實(shí)體模型。以可轉(zhuǎn)位車(chē)刀為例，如圖4為在智能刀具CAD系統(tǒng)所調(diào)用的UG程序從數(shù)據(jù)庫(kù)中提取刀具設(shè)計(jì)參數(shù)的界面。從實(shí)例庫(kù)中提取出來(lái)的刀具設(shè)計(jì)參數(shù)如圖5所示：

圖4 參數(shù)化建模參數(shù)提取界面

圖5 提取的刀具設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)提取的參數(shù)，進(jìn)行刀具三維參數(shù)化建模，最終的建模結(jié)果如圖6

圖6 可轉(zhuǎn)位車(chē)刀三維模型

四、結(jié)語(yǔ)

本文主要論述了基于實(shí)例的刀具智能CAD系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理與方法，它是刀具CAD技術(shù)與CBR技術(shù)，UG二次開(kāi)發(fā)技術(shù)、參數(shù)化三維特征建模技術(shù)以及數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的綜合運(yùn)用。系統(tǒng)采用基于實(shí)例推理的技術(shù)，得到新刀具的設(shè)計(jì)參數(shù)，存入到實(shí)例庫(kù)，通過(guò)在UG中調(diào)用設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，進(jìn)行參數(shù)化驅(qū)動(dòng)，最終得到新刀具的三維實(shí)體模型。

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