本文探討了沖模智能CAD系統(tǒng)在實例推理下的關鍵技術。
1 前言
模具在機械、電子、輕工、紡織、航空、航天等工業(yè)領域里，已成為使用廣泛的工業(yè)化生產的主要工藝裝備。沖壓模具作為模具行業(yè)的重要組成部分之一，其設計的效率、品質及其設計方法的改善一直都備受關注。而長期以來一直被廣泛使用的模具設計的傳統(tǒng)程序，因其復雜費時、在很大程度上依靠設計人員的經驗和對設計人員要求高等弊端，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)。應此在保證設計品質的基礎上如何實現(xiàn)模具的快速設計，實現(xiàn)模具設計的智能化，一直以來都是模具設計的一項長期研究任務。
基于實例推理(Case-BasedReasoning，CBR)是人工智能領域(AI)近年來發(fā)展起來的一種較新的設計推理方法。它以已有的設計實例為基礎，通過類比和聯(lián)想，從實例庫中選擇與當前設計要求最相近的實例，并調整選定實例中不能滿足要求的因素，最終形成新的設計并作為新的實例存儲于實例庫中。由此可見，將CBR的設計思想應用于沖模智能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，對基于實例推理的智能沖模CAD系統(tǒng)關鍵技術-沖模建模、實例庫建立、實例檢索、實例存儲、實例評價、實例修改等方面進行了深人研究。
2 智能沖模 CAD系統(tǒng)結構
智能沖模 CAD系統(tǒng)設計包括四個模塊:沖模的知識建模模塊，實例檢索模塊，實例修改模塊和知識更新模塊。基于實例推理的智能沖模 CAD設計過程:分析沖模的設計任務，提取作為檢索條件的沖模相似特征，并作為設計要求輸人系統(tǒng);根據輸入的設計要求，經過基于實例的推理，尋找與沖模最相似的實例，從實例庫中提取出來;根據設計要求，對提取的沖模實例進行修改，設計出滿足要求的沖模;最終形成的沖模實例作為新的實例存儲于實例庫中。基于實例推理的沖模設計過程，如圖1所示。
基于實例推理的智能沖模CAD系統(tǒng)需要實例庫的支持，因而首先需要建立沖模的原形實例。原形實例就是在進行基于實例推理設計之前，實例庫中已經建立好的實例，它是用作檢索源的原型實例模型。實例庫的建立方法與沖模的建模方式有關，沖模特征建模和原形實例庫的建立是基于實例推理智能沖模CAD系統(tǒng)的，同時也決定了實例的表達，檢索和修改所使用的方法。
3 基于實例的沖模建模和實例庫的建立
3.1沖模特征建模及參數化的實現(xiàn)
3.1.1沖模特征建模
在Solidworks 2003軟件環(huán)境下，將沖模進行特征分解后，按一定的順序生成各個子特征，同時對這些子特征進行特征布爾運算，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，首先要建立默認基準面特征，默認基準面特征是系統(tǒng)在默認位置產生的三個互相垂直的平面，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面上的子特征。基準面特征建立后，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，則由參數化技術進行控制。
3.1.2沖模特征模型參數化的實現(xiàn)
沖模的特征信息在模型建立之后存儲在支撐軟件的內部工程數據庫中，沖模模型實現(xiàn)參數化后，用戶通過輸人沖模的參數，得到某一特定沖模模型，這些參數就是特征的外部信息，這些外部參數信息以數據表的形式存儲在我們選用的數據庫(IBMDB2)中。
在實現(xiàn)沖模參數化時，其參數的外部變量主要在模型設計列表的第一部分定義。然而，由于沖模的特征復雜，需要定義的特征參數太多，導致了用戶在操作時很容易混淆。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。這樣就需要定制系統(tǒng)與SolidWorks軟件的接口，根據SolidWorks軟件的要求，采用了數據接口文件來實現(xiàn)。從用戶界面輸人的外部參數，直接保存到BD2數據庫中，同時生成數據接口文件，也可以由數據庫導出數據接口文件，由SolidWorks軟件調用，數據接口文件有固定格式。
3.2原形實例庫的建立
3.2.1實例庫的建立過程
本文以基于實例的方法建立沖模的原形實例模型;以SliodW0rks軟件為支撐環(huán)境，表達實例的三維模型，并以模型文件的形式存儲實例，以關系數據庫的方式來建立實例庫。在建立原形實例時，需要在計算機中將實例的完整信息表達，本文采用了特征建模的方法，由于原形實例是實例庫的檢索源，需要有一定數量的原形實例，而沖模型號較多，且結構復雜，模型建立困難，不適合采用對每種型號的沖模都逐個建模的方法進行建模。根據專門的支撐軟件，利用支撐軟件內部的工程數據庫，將所有可能出現(xiàn)的沖模模型都建立在支撐軟件的內部工程數據庫中，在需要的時候，通過設定參數的方法，從工程數據庫中提取需要的部分。在支撐軟件的環(huán)境下建立模型，然后通過適當的修改，就可以方便的建立各種型號的沖模模型。基于以上分析，本文提出了以特征建模和參數化相結合的方法，建立沖模的初始實例。原形實例建立的過程是:首先建立沖模的參數化特征模型，然后通過參數輸人生成特定的沖模，再對該沖模進行一定的修改，得到可用的沖模產品，最后將它存儲在數據庫中。這種方法的優(yōu)點是采用了建模的方法，有效的解決了實例的表達問題;采用了參數化方法，解決了多種型號沖模的建模問題。
3.2.2原形實例庫建立模塊
通過運行原形實例建立原形實例庫，具體步驟如下:
(1)參數輸人模塊
參數輸人模塊的功能是實現(xiàn)沖模特征參數的輸人。特征參數通過系統(tǒng)的用戶界面由鍵盤輸人，在操作時以新建一個模具的方式來實現(xiàn)，參數輸人后保存到DBZ數據庫中，作為生成沖模特征模型的原始參數。
(2)數據接口模塊
數據接口模塊的功能是將輸入的沖模特征參數，通過數據接口傳送到支撐軟件的工程數據庫中。本文采用的是生成數據接口文件，并由SolidWorks調用該文件的方式，實現(xiàn)應用軟件到支撐軟件的數據傳遞。由新建方式輸人的沖模特征參數，在參數輸入后，由系統(tǒng)自動生成數據接口文件。如果是數據庫中已有的參數數據，則可用導出的方式生成數據接口文件。
(3)原形實例生成模塊
原型實例生成模塊的功能是生成沖模的原始實例。由SolidWorks調用生成的數據文件，將參數輸人到內部的工程數據庫中，通過這些參數值建立沖模的特征模型，該模型經過一定的修改，就生成了沖模的一個原始實例。
4 實例的檢索與存儲
4.1實例的檢索
實例的檢索就是根據給定的問題描述，利用實例索引，從實例庫中尋找適合當前問題的最相似實例。為達此目的，實例索引必須具有高度概括性，能代表實例的主要特征;此外，索引內容必須充分、具體，便于識別和操作。索引的選取與應用領域密切相關，索引的選取也會影響實例的組織。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。實例的檢索需要依靠索引和實例庫組織結構的指導;根據對沖模相似性的分析，將沖模的檢索參數定為材料類型、孔徑、孔數、孔間距、孔邊距、圓角半徑、斷面質量和輪廓尺寸等型號。通過這些關鍵特征參數即可使一個沖模實例區(qū)別于其它沖模實例。由于這些參數都包括在沖模特征參數數據庫中，因此可直接將沖模特征參數數據庫作為相似實例數據庫。
該系統(tǒng)采用了并行檢索方式，并行檢索時，所有參數同時起作用，無主次之分，凡滿足并行檢索條件的實例均為最相似實例。檢索出的最相似實例的數量與設定的檢索參數有關，而檢索參數的設定又取決于關鍵特征的確定。關鍵特征的相似程度越高，則確定的檢索參數越多，即檢索實例的相似度越高。并行檢索的優(yōu)點是不需要對實例進行事先分類預處理，可直接對數據庫所有記錄進行遍歷以獲得最佳實例，檢索速度快，操作簡單。應用檢索參數對實例庫進行檢索也是通過ODBC技術實現(xiàn)的。該技術采用標準函數和結構化查詢語言對數據庫進行操作，而不必關心"數據源"來自何種數據庫管理系統(tǒng)，所有的數據庫底層操作均由相應的驅動程序完成。
4.2實例的儲存
實例的存儲方法決定了實例表達和檢索的方式，需要存的實例包含兩部分內容:一是原形實例，二是基于實例設計出結果也作為原形實例存儲在實例庫中。擴充了實例庫的內容，體現(xiàn)了CBR的自學習能力。本文實例的存儲采用的是參數模型分別儲存的方式，沖模參數保存在DBZ數據中，與沖模的特征模型參數共用一個數據庫。由于數據的傳遞是從系統(tǒng)到支撐軟件Solidworks的單向傳遞，所以參數存儲的方法是采用新建模型的方法。實例檢索參數是根據實例相似性得到的用于提取最相似實例的參數，它是從特征模型中提取的關鍵特征參數。由于模具參數化特征模型的參數數據庫中包含了實例檢索的所有參數，因而它們可以使用同一DB2數據庫保存，數據庫中的每一條記錄就是一個實例的索引，它包括實例的名稱和實例的相似性特征等信息，實例則以SolidWorks模型文件的形式保存在特定的錄下。
5 實例的評價與修改
5.1實例的評價
從實例庫中提取的實例(或重新創(chuàng)建的實例)均需經過實例評價，對于評價結果不滿意的實例則應進行修改。實例評價內容主要包括功能評價和成本評價。成本評價主要是對生成的實例模型的制造和材料成本進行評價，判定其是否滿足設計要求。沖模的成本評價主要是評價沖模的材料成本和制造成本。功能評價主要用于評測生成的實例在功能方面對設計要求的滿足程度以及參數的合理性等。
5.2實例的修改
實例的修改是對實例提取階段選取的相似實例進行必要的修改以適應新設計要求的過程。實例的修改可分兩步進行:首先確定新設計與檢索出的實例之間的差異;然后以檢索出的實例為起點進行修改(既可對某個實例進行修改，也可對多個實例進行重組和修改)。實例的修改可采用兩種方法:
(1)是人工干預法，即由設計者對設計實例進行人工修改;
(2)是基于知識的修改方法，即修改過程可使用具體的領域知識和與領域無關的知識。
沖模檢索實例的修改主要采用人工干預法。本系統(tǒng)采用的是參數修改法和組合修改法，經過修改完善后的新實例就是符合設計要求的沖模產品。
6 結束語
本文以三維軟件為平臺，給出了基于實例推理的沖模智能CAD系統(tǒng)的沖模建模及參數化實現(xiàn)、實例庫的建立、實例的檢索和存儲、實例的評價和修改的方法。并依據上述方法建立了基于實例推理的沖模智能CAD系統(tǒng)，有效的解決了沖模的設計問題。基于實例推理的沖模智能CAD系統(tǒng)關鍵技術的研究結果表明，對其它領域的CAD系統(tǒng)有一定的指導意義。
本文作者創(chuàng)新點是基于實例的方法建立沖模的原形實例模型，用并行檢索方式來檢索實例，用關系數據庫來存儲實例，用人工干預法對檢索出的實例進行修改。