本文探討了以實(shí)例推理沖模智能CAD系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

　　1 前言

　　模具在機(jī)械、電子、輕工、紡織、航空、航天等工業(yè)領(lǐng)域里，已成為使用廣泛的工業(yè)化生產(chǎn)的主要工藝裝備。沖壓模具作為模具行業(yè)的重要組成部分之一，其設(shè)計(jì)的效率、品質(zhì)及其設(shè)計(jì)方法的改善一直都備受關(guān)注。而長期以來一直被廣泛使用的模具設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)程序，因其復(fù)雜費(fèi)時(shí)、在很大程度上依靠設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)和對設(shè)計(jì)人員要求高等弊端，不能滿足現(xiàn)代工業(yè)快速發(fā)展的需要，正面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。應(yīng)此在保證設(shè)計(jì)品質(zhì)的基礎(chǔ)上如何實(shí)現(xiàn)模具的快速設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)模具設(shè)計(jì)的智能化，一直以來都是模具設(shè)計(jì)的一項(xiàng)長期研究任務(wù)。

　　基于實(shí)例推理(Case-BasedReasoning，CBR)是人工智能領(lǐng)域(AI)近年來發(fā)展起來的一種較新的設(shè)計(jì)推理方法。它以已有的設(shè)計(jì)實(shí)例為基礎(chǔ)，通過類比和聯(lián)想，從實(shí)例庫中選擇與當(dāng)前設(shè)計(jì)要求最相近的實(shí)例，并調(diào)整選定實(shí)例中不能滿足要求的因素，最終形成新的設(shè)計(jì)并作為新的實(shí)例存儲(chǔ)于實(shí)例庫中。由此可見，將CBR的設(shè)計(jì)思想應(yīng)用于沖模智能CAD系統(tǒng)中，將有助于解決上述問題。本文以三維軟件為平臺，對基于實(shí)例推理的智能沖模CAD系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)-沖模建模、實(shí)例庫建立、實(shí)例檢索、實(shí)例存儲(chǔ)、實(shí)例評價(jià)、實(shí)例修改等方面進(jìn)行了深人研究。

　　2 智能沖模 CAD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　智能沖模 CAD系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括四個(gè)模塊:沖模的知識建模模塊，實(shí)例檢索模塊，實(shí)例修改模塊和知識更新模塊。基于實(shí)例推理的智能沖模 CAD設(shè)計(jì)過程:分析沖模的設(shè)計(jì)任務(wù)，提取作為檢索條件的沖模相似特征，并作為設(shè)計(jì)要求輸人系統(tǒng);根據(jù)輸入的設(shè)計(jì)要求，經(jīng)過基于實(shí)例的推理，尋找與沖模最相似的實(shí)例，從實(shí)例庫中提取出來;根據(jù)設(shè)計(jì)要求，對提取的沖模實(shí)例進(jìn)行修改，設(shè)計(jì)出滿足要求的沖模;最終形成的沖模實(shí)例作為新的實(shí)例存儲(chǔ)于實(shí)例庫中。基于實(shí)例推理的沖模設(shè)計(jì)過程，如圖1所示。

　　基于實(shí)例推理的智能沖模CAD系統(tǒng)需要實(shí)例庫的支持，因而首先需要建立沖模的原形實(shí)例。原形實(shí)例就是在進(jìn)行基于實(shí)例推理設(shè)計(jì)之前，實(shí)例庫中已經(jīng)建立好的實(shí)例，它是用作檢索源的原型實(shí)例模型。實(shí)例庫的建立方法與沖模的建模方式有關(guān)，沖模特征建模和原形實(shí)例庫的建立是基于實(shí)例推理智能沖模CAD系統(tǒng)的，同時(shí)也決定了實(shí)例的表達(dá)，檢索和修改所使用的方法。

　　3 基于實(shí)例的沖模建模和實(shí)例庫的建立

　　3.1沖模特征建模及參數(shù)化的實(shí)現(xiàn)

　　3.1.1沖模特征建模

　　在Solidworks 2003軟件環(huán)境下，將沖模進(jìn)行特征分解后，按一定的順序生成各個(gè)子特征，同時(shí)對這些子特征進(jìn)行特征布爾運(yùn)算，將特征融合，就可以生成沖模的三維特征模型。建立沖模模型，首先要建立默認(rèn)基準(zhǔn)面特征，默認(rèn)基準(zhǔn)面特征是系統(tǒng)在默認(rèn)位置產(chǎn)生的三個(gè)互相垂直的平面，它們雖然不是沖模的組成部分，但卻是重要的輔助特征，其它特征都是建立在基準(zhǔn)面上的子特征。基準(zhǔn)面特征建立后，建立沖模的基圓柱特征，基圓柱特征的直徑等于某一沖模的直徑;再根據(jù)旋向分別建立左旋和右旋的某一沖模模型，具體的沖模是左旋還是右旋，則由參數(shù)化技術(shù)進(jìn)行控制。

　　3.1.2沖模特征模型參數(shù)化的實(shí)現(xiàn)

　　沖模的特征信息在模型建立之后存儲(chǔ)在支撐軟件的內(nèi)部工程數(shù)據(jù)庫中，沖模模型實(shí)現(xiàn)參數(shù)化后，用戶通過輸人沖模的參數(shù)，得到某一特定沖模模型，這些參數(shù)就是特征的外部信息，這些外部參數(shù)信息以數(shù)據(jù)表的形式存儲(chǔ)在我們選用的數(shù)據(jù)庫(IBMDB2)中。

　　在實(shí)現(xiàn)沖模參數(shù)化時(shí)，其參數(shù)的外部變量主要在模型設(shè)計(jì)列表的第一部分定義。然而，由于沖模的特征復(fù)雜，需要定義的特征參數(shù)太多，導(dǎo)致了用戶在操作時(shí)很容易混淆。所以本文采了以全中文的方式從系統(tǒng)的輸人界面輸人參數(shù)。這樣就需要定制系統(tǒng)與SolidWorks軟件的接口，根據(jù)SolidWorks軟件的要求，采用了數(shù)據(jù)接口文件來實(shí)現(xiàn)。從用戶界面輸人的外部參數(shù)，直接保存到BD2數(shù)據(jù)庫中，同時(shí)生成數(shù)據(jù)接口文件，也可以由數(shù)據(jù)庫導(dǎo)出數(shù)據(jù)接口文件，由SolidWorks軟件調(diào)用，數(shù)據(jù)接口文件有固定格式。

　　3.2原形實(shí)例庫的建立

　　3.2.1實(shí)例庫的建立過程

　　本文以基于實(shí)例的方法建立沖模的原形實(shí)例模型;以SliodW0rks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存儲(chǔ)實(shí)例，以關(guān)系數(shù)據(jù)庫的方式來建立實(shí)例庫。在建立原形實(shí)例時(shí)，需要在計(jì)算機(jī)中將實(shí)例的完整信息表達(dá)，本文采用了特征建模的方法，由于原形實(shí)例是實(shí)例庫的檢索源，需要有一定數(shù)量的原形實(shí)例，而沖模型號較多，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，模型建立困難，不適合采用對每種型號的沖模都逐個(gè)建模的方法進(jìn)行建模。根據(jù)專門的支撐軟件，利用支撐軟件內(nèi)部的工程數(shù)據(jù)庫，將所有可能出現(xiàn)的沖模模型都建立在支撐軟件的內(nèi)部工程數(shù)據(jù)庫中，在需要的時(shí)候，通過設(shè)定參數(shù)的方法，從工程數(shù)據(jù)庫中提取需要的部分。在支撐軟件的環(huán)境下建立模型，然后通過適當(dāng)?shù)男薷模涂梢苑奖愕慕⒏鞣N型號的沖模模型。基于以上分析，本文提出了以特征建模和參數(shù)化相結(jié)合的方法，建立沖模的初始實(shí)例。原形實(shí)例建立的過程是:首先建立沖模的參數(shù)化特征模型，然后通過參數(shù)輸人生成特定的沖模，再對該沖模進(jìn)行一定的修改，得到可用的沖模產(chǎn)品，最后將它存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是采用了建模的方法，有效的解決了實(shí)例的表達(dá)問題;采用了參數(shù)化方法，解決了多種型號沖模的建模問題。

　　3.2.2原形實(shí)例庫建立模塊

　　通過運(yùn)行原形實(shí)例建立原形實(shí)例庫，具體步驟如下:

　　(1)參數(shù)輸人模塊

　　參數(shù)輸人模塊的功能是實(shí)現(xiàn)沖模特征參數(shù)的輸人。特征參數(shù)通過系統(tǒng)的用戶界面由鍵盤輸人，在操作時(shí)以新建一個(gè)模具的方式來實(shí)現(xiàn)，參數(shù)輸人后保存到DBZ數(shù)據(jù)庫中，作為生成沖模特征模型的原始參數(shù)。

　　(2)數(shù)據(jù)接口模塊

　　數(shù)據(jù)接口模塊的功能是將輸入的沖模特征參數(shù)，通過數(shù)據(jù)接口傳送到支撐軟件的工程數(shù)據(jù)庫中。本文采用的是生成數(shù)據(jù)接口文件，并由SolidWorks調(diào)用該文件的方式，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件到支撐軟件的數(shù)據(jù)傳遞。由新建方式輸人的沖模特征參數(shù)，在參數(shù)輸入后，由系統(tǒng)自動(dòng)生成數(shù)據(jù)接口文件。如果是數(shù)據(jù)庫中已有的參數(shù)數(shù)據(jù)，則可用導(dǎo)出的方式生成數(shù)據(jù)接口文件。

　　(3)原形實(shí)例生成模塊

　　原型實(shí)例生成模塊的功能是生成沖模的原始實(shí)例。由SolidWorks調(diào)用生成的數(shù)據(jù)文件，將參數(shù)輸人到內(nèi)部的工程數(shù)據(jù)庫中，通過這些參數(shù)值建立沖模的特征模型，該模型經(jīng)過一定的修改，就生成了沖模的一個(gè)原始實(shí)例。

　　4 實(shí)例的檢索與存儲(chǔ)

　　4.1實(shí)例的檢索

　　實(shí)例的檢索就是根據(jù)給定的問題描述，利用實(shí)例索引，從實(shí)例庫中尋找適合當(dāng)前問題的最相似實(shí)例。為達(dá)此目的，實(shí)例索引必須具有高度概括性，能代表實(shí)例的主要特征;此外，索引內(nèi)容必須充分、具體，便于識別和操作。索引的選取與應(yīng)用領(lǐng)域密切相關(guān)，索引的選取也會(huì)影響實(shí)例的組織。因此檢索算法的優(yōu)劣將直接影響系統(tǒng)的效率和可用性。實(shí)例的檢索需要依靠索引和實(shí)例庫組織結(jié)構(gòu)的指導(dǎo);根據(jù)對沖模相似性的分析，將沖模的檢索參數(shù)定為材料類型、孔徑、孔數(shù)、孔間距、孔邊距、圓角半徑、斷面質(zhì)量和輪廓尺寸等型號。通過這些關(guān)鍵特征參數(shù)即可使一個(gè)沖模實(shí)例區(qū)別于其它沖模實(shí)例。由于這些參數(shù)都包括在沖模特征參數(shù)數(shù)據(jù)庫中，因此可直接將沖模特征參數(shù)數(shù)據(jù)庫作為相似實(shí)例數(shù)據(jù)庫。

　　該系統(tǒng)采用了并行檢索方式，并行檢索時(shí)，所有參數(shù)同時(shí)起作用，無主次之分，凡滿足并行檢索條件的實(shí)例均為最相似實(shí)例。檢索出的最相似實(shí)例的數(shù)量與設(shè)定的檢索參數(shù)有關(guān)，而檢索參數(shù)的設(shè)定又取決于關(guān)鍵特征的確定。關(guān)鍵特征的相似程度越高，則確定的檢索參數(shù)越多，即檢索實(shí)例的相似度越高。并行檢索的優(yōu)點(diǎn)是不需要對實(shí)例進(jìn)行事先分類預(yù)處理，可直接對數(shù)據(jù)庫所有記錄進(jìn)行遍歷以獲得最佳實(shí)例，檢索速度快，操作簡單。應(yīng)用檢索參數(shù)對實(shí)例庫進(jìn)行檢索也是通過ODBC技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。該技術(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)和結(jié)構(gòu)化查詢語言對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作，而不必關(guān)心"數(shù)據(jù)源"來自何種數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，所有的數(shù)據(jù)庫底層操作均由相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序完成。

　　4.2實(shí)例的儲(chǔ)存

　　實(shí)例的存儲(chǔ)方法決定了實(shí)例表達(dá)和檢索的方式，需要存的實(shí)例包含兩部分內(nèi)容:一是原形實(shí)例，二是基于實(shí)例設(shè)計(jì)出結(jié)果也作為原形實(shí)例存儲(chǔ)在實(shí)例庫中。擴(kuò)充了實(shí)例庫的內(nèi)容，體現(xiàn)了CBR的自學(xué)習(xí)能力。本文實(shí)例的存儲(chǔ)采用的是參數(shù)模型分別儲(chǔ)存的方式，沖模參數(shù)保存在DBZ數(shù)據(jù)中，與沖模的特征模型參數(shù)共用一個(gè)數(shù)據(jù)庫。由于數(shù)據(jù)的傳遞是從系統(tǒng)到支撐軟件Solidworks的單向傳遞，所以參數(shù)存儲(chǔ)的方法是采用新建模型的方法。實(shí)例檢索參數(shù)是根據(jù)實(shí)例相似性得到的用于提取最相似實(shí)例的參數(shù)，它是從特征模型中提取的關(guān)鍵特征參數(shù)。由于模具參數(shù)化特征模型的參數(shù)數(shù)據(jù)庫中包含了實(shí)例檢索的所有參數(shù)，因而它們可以使用同一DB2數(shù)據(jù)庫保存，數(shù)據(jù)庫中的每一條記錄就是一個(gè)實(shí)例的索引，它包括實(shí)例的名稱和實(shí)例的相似性特征等信息，實(shí)例則以SolidWorks模型文件的形式保存在特定的錄下。

　　5 實(shí)例的評價(jià)與修改

　　5.1實(shí)例的評價(jià)

　　從實(shí)例庫中提取的實(shí)例(或重新創(chuàng)建的實(shí)例)均需經(jīng)過實(shí)例評價(jià)，對于評價(jià)結(jié)果不滿意的實(shí)例則應(yīng)進(jìn)行修改。實(shí)例評價(jià)內(nèi)容主要包括功能評價(jià)和成本評價(jià)。成本評價(jià)主要是對生成的實(shí)例模型的制造和材料成本進(jìn)行評價(jià)，判定其是否滿足設(shè)計(jì)要求。沖模的成本評價(jià)主要是評價(jià)沖模的材料成本和制造成本。功能評價(jià)主要用于評測生成的實(shí)例在功能方面對設(shè)計(jì)要求的滿足程度以及參數(shù)的合理性等。

　　5.2實(shí)例的修改

　　實(shí)例的修改是對實(shí)例提取階段選取的相似實(shí)例進(jìn)行必要的修改以適應(yīng)新設(shè)計(jì)要求的過程。實(shí)例的修改可分兩步進(jìn)行:首先確定新設(shè)計(jì)與檢索出的實(shí)例之間的差異;然后以檢索出的實(shí)例為起點(diǎn)進(jìn)行修改(既可對某個(gè)實(shí)例進(jìn)行修改，也可對多個(gè)實(shí)例進(jìn)行重組和修改)。實(shí)例的修改可采用兩種方法:

　　(1)是人工干預(yù)法，即由設(shè)計(jì)者對設(shè)計(jì)實(shí)例進(jìn)行人工修改;

　　(2)是基于知識的修改方法，即修改過程可使用具體的領(lǐng)域知識和與領(lǐng)域無關(guān)的知識。

　　沖模檢索實(shí)例的修改主要采用人工干預(yù)法。本系統(tǒng)采用的是參數(shù)修改法和組合修改法，經(jīng)過修改完善后的新實(shí)例就是符合設(shè)計(jì)要求的沖模產(chǎn)品。

　　6 結(jié)束語

　　本文以三維軟件為平臺，給出了基于實(shí)例推理的沖模智能CAD系統(tǒng)的沖模建模及參數(shù)化實(shí)現(xiàn)、實(shí)例庫的建立、實(shí)例的檢索和存儲(chǔ)、實(shí)例的評價(jià)和修改的方法。并依據(jù)上述方法建立了基于實(shí)例推理的沖模智能CAD系統(tǒng)，有效的解決了沖模的設(shè)計(jì)問題。基于實(shí)例推理的沖模智能CAD系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究結(jié)果表明，對其它領(lǐng)域的CAD系統(tǒng)有一定的指導(dǎo)意義。

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)是基于實(shí)例的方法建立沖模的原形實(shí)例模型，用并行檢索方式來檢索實(shí)例，用關(guān)系數(shù)據(jù)庫來存儲(chǔ)實(shí)例，用人工干預(yù)法對檢索出的實(shí)例進(jìn)行修改。