探讨以实例推理冲模智能CAD系统的关键技术

　　本文探讨了以实例推理冲模智能CAD系统的关键技术。

　　1 前言

　　模具在机械、电子、轻工、纺织、航空、航天等工业领域里，已成为使用广泛的工业化生产的主要工艺装备。冲压模具作为模具行业的重要组成部分之一，其设计的效率、品质及其设计方法的改善一直都备受关注。而长期以来一直被广泛使用的模具设计的传统程序，因其复杂费时、在很大程度上依靠设计人员的经验和对设计人员要求高等弊端，不能满足现代工业快速发展的需要，正面临着前所未有的挑战。应此在保证设计品质的基础上如何实现模具的快速设计，实现模具设计的智能化，一直以来都是模具设计的一项长期研究任务。

　　基于实例推理(Case-BasedReasoning，CBR)是人工智能领域(AI)近年来发展起来的一种较新的设计推理方法。它以已有的设计实例为基础，通过类比和联想，从实例库中选择与当前设计要求最相近的实例，并调整选定实例中不能满足要求的因素，最终形成新的设计并作为新的实例存储于实例库中。由此可见，将CBR的设计思想应用于冲模智能CAD系统中，将有助于解决上述问题。本文以三维软件为平台，对基于实例推理的智能冲模CAD系统关键技术-冲模建模、实例库建立、实例检索、实例存储、实例评价、实例修改等方面进行了深人研究。

　　2 智能冲模 CAD系统结构

　　智能冲模 CAD系统设计包括四个模块:冲模的知识建模模块，实例检索模块，实例修改模块和知识更新模块。基于实例推理的智能冲模 CAD设计过程:分析冲模的设计任务，提取作为检索条件的冲模相似特征，并作为设计要求输人系统;根据输入的设计要求，经过基于实例的推理，寻找与冲模最相似的实例，从实例库中提取出来;根据设计要求，对提取的冲模实例进行修改，设计出满足要求的冲模;最终形成的冲模实例作为新的实例存储于实例库中。基于实例推理的冲模设计过程，如图1所示。

　　基于实例推理的智能冲模CAD系统需要实例库的支持，因而首先需要建立冲模的原形实例。原形实例就是在进行基于实例推理设计之前，实例库中已经建立好的实例，它是用作检索源的原型实例模型。实例库的建立方法与冲模的建模方式有关，冲模特征建模和原形实例库的建立是基于实例推理智能冲模CAD系统的，同时也决定了实例的表达，检索和修改所使用的方法。

　　3 基于实例的冲模建模和实例库的建立

　　3.1冲模特征建模及参数化的实现

　　3.1.1冲模特征建模

　　在Solidworks 2003软件环境下，将冲模进行特征分解后，按一定的顺序生成各个子特征，同时对这些子特征进行特征布尔运算，将特征融合，就可以生成冲模的三维特征模型。建立冲模模型，首先要建立默认基准面特征，默认基准面特征是系统在默认位置产生的三个互相垂直的平面，它们虽然不是冲模的组成部分，但却是重要的辅助特征，其它特征都是建立在基准面上的子特征。基准面特征建立后，建立冲模的基圆柱特征，基圆柱特征的直径等于某一冲模的直径;再根据旋向分别建立左旋和右旋的某一冲模模型，具体的冲模是左旋还是右旋，则由参数化技术进行控制。

　　3.1.2冲模特征模型参数化的实现

　　冲模的特征信息在模型建立之后存储在支撑软件的内部工程数据库中，冲模模型实现参数化后，用户通过输人冲模的参数，得到某一特定冲模模型，这些参数就是特征的外部信息，这些外部参数信息以数据表的形式存储在我们选用的数据库(IBMDB2)中。

　　在实现冲模参数化时，其参数的外部变量主要在模型设计列表的第一部分定义。然而，由于冲模的特征复杂，需要定义的特征参数太多，导致了用户在操作时很容易混淆。所以本文采了以全中文的方式从系统的输人界面输人参数。这样就需要定制系统与SolidWorks软件的接口，根据SolidWorks软件的要求，采用了数据接口文件来实现。从用户界面输人的外部参数，直接保存到BD2数据库中，同时生成数据接口文件，也可以由数据库导出数据接口文件，由SolidWorks软件调用，数据接口文件有固定格式。

　　3.2原形实例库的建立

　　3.2.1实例库的建立过程

　　本文以基于实例的方法建立冲模的原形实例模型;以SliodW0rks软件为支撑环境，表达实例的三维模型，并以模型文件的形式存储实例，以关系数据库的方式来建立实例库。在建立原形实例时，需要在计算机中将实例的完整信息表达，本文采用了特征建模的方法，由于原形实例是实例库的检索源，需要有一定数量的原形实例，而冲模型号较多，且结构复杂，模型建立困难，不适合采用对每种型号的冲模都逐个建模的方法进行建模。根据专门的支撑软件，利用支撑软件内部的工程数据库，将所有可能出现的冲模模型都建立在支撑软件的内部工程数据库中，在需要的时候，通过设定参数的方法，从工程数据库中提取需要的部分。在支撑软件的环境下建立模型，然后通过适当的修改，就可以方便的建立各种型号的冲模模型。基于以上分析，本文提出了以特征建模和参数化相结合的方法，建立冲模的初始实例。原形实例建立的过程是:首先建立冲模的参数化特征模型，然后通过参数输人生成特定的冲模，再对该冲模进行一定的修改，得到可用的冲模产品，最后将它存储在数据库中。这种方法的优点是采用了建模的方法，有效的解决了实例的表达问题;采用了参数化方法，解决了多种型号冲模的建模问题。

　　3.2.2原形实例库建立模块

　　通过运行原形实例建立原形实例库，具体步骤如下:

　　(1)参数输人模块

　　参数输人模块的功能是实现冲模特征参数的输人。特征参数通过系统的用户界面由键盘输人，在操作时以新建一个模具的方式来实现，参数输人后保存到DBZ数据库中，作为生成冲模特征模型的原始参数。

　　(2)数据接口模块

　　数据接口模块的功能是将输入的冲模特征参数，通过数据接口传送到支撑软件的工程数据库中。本文采用的是生成数据接口文件，并由SolidWorks调用该文件的方式，实现应用软件到支撑软件的数据传递。由新建方式输人的冲模特征参数，在参数输入后，由系统自动生成数据接口文件。如果是数据库中已有的参数数据，则可用导出的方式生成数据接口文件。

　　(3)原形实例生成模块

　　原型实例生成模块的功能是生成冲模的原始实例。由SolidWorks调用生成的数据文件，将参数输人到内部的工程数据库中，通过这些参数值建立冲模的特征模型，该模型经过一定的修改，就生成了冲模的一个原始实例。

　　4 实例的检索与存储

　　4.1实例的检索

　　实例的检索就是根据给定的问题描述，利用实例索引，从实例库中寻找适合当前问题的最相似实例。为达此目的，实例索引必须具有高度概括性，能代表实例的主要特征;此外，索引内容必须充分、具体，便于识别和操作。索引的选取与应用领域密切相关，索引的选取也会影响实例的组织。因此检索算法的优劣将直接影响系统的效率和可用性。实例的检索需要依靠索引和实例库组织结构的指导;根据对冲模相似性的分析，将冲模的检索参数定为材料类型、孔径、孔数、孔间距、孔边距、圆角半径、断面质量和轮廓尺寸等型号。通过这些关键特征参数即可使一个冲模实例区别于其它冲模实例。由于这些参数都包括在冲模特征参数数据库中，因此可直接将冲模特征参数数据库作为相似实例数据库。

　　该系统采用了并行检索方式，并行检索时，所有参数同时起作用，无主次之分，凡满足并行检索条件的实例均为最相似实例。检索出的最相似实例的数量与设定的检索参数有关，而检索参数的设定又取决于关键特征的确定。关键特征的相似程度越高，则确定的检索参数越多，即检索实例的相似度越高。并行检索的优点是不需要对实例进行事先分类预处理，可直接对数据库所有记录进行遍历以获得最佳实例，检索速度快，操作简单。应用检索参数对实例库进行检索也是通过ODBC技术实现的。该技术采用标准函数和结构化查询语言对数据库进行操作，而不必关心"数据源"来自何种数据库管理系统，所有的数据库底层操作均由相应的驱动程序完成。

　　4.2实例的储存

　　实例的存储方法决定了实例表达和检索的方式，需要存的实例包含两部分内容:一是原形实例，二是基于实例设计出结果也作为原形实例存储在实例库中。扩充了实例库的内容，体现了CBR的自学习能力。本文实例的存储采用的是参数模型分别储存的方式，冲模参数保存在DBZ数据中，与冲模的特征模型参数共用一个数据库。由于数据的传递是从系统到支撑软件Solidworks的单向传递，所以参数存储的方法是采用新建模型的方法。实例检索参数是根据实例相似性得到的用于提取最相似实例的参数，它是从特征模型中提取的关键特征参数。由于模具参数化特征模型的参数数据库中包含了实例检索的所有参数，因而它们可以使用同一DB2数据库保存，数据库中的每一条记录就是一个实例的索引，它包括实例的名称和实例的相似性特征等信息，实例则以SolidWorks模型文件的形式保存在特定的录下。

　　5 实例的评价与修改

　　5.1实例的评价

　　从实例库中提取的实例(或重新创建的实例)均需经过实例评价，对于评价结果不满意的实例则应进行修改。实例评价内容主要包括功能评价和成本评价。成本评价主要是对生成的实例模型的制造和材料成本进行评价，判定其是否满足设计要求。冲模的成本评价主要是评价冲模的材料成本和制造成本。功能评价主要用于评测生成的实例在功能方面对设计要求的满足程度以及参数的合理性等。

　　5.2实例的修改

　　实例的修改是对实例提取阶段选取的相似实例进行必要的修改以适应新设计要求的过程。实例的修改可分两步进行:首先确定新设计与检索出的实例之间的差异;然后以检索出的实例为起点进行修改(既可对某个实例进行修改，也可对多个实例进行重组和修改)。实例的修改可采用两种方法:

　　(1)是人工干预法，即由设计者对设计实例进行人工修改;

　　(2)是基于知识的修改方法，即修改过程可使用具体的领域知识和与领域无关的知识。

　　冲模检索实例的修改主要采用人工干预法。本系统采用的是参数修改法和组合修改法，经过修改完善后的新实例就是符合设计要求的冲模产品。

　　6 结束语

　　本文以三维软件为平台，给出了基于实例推理的冲模智能CAD系统的冲模建模及参数化实现、实例库的建立、实例的检索和存储、实例的评价和修改的方法。并依据上述方法建立了基于实例推理的冲模智能CAD系统，有效的解决了冲模的设计问题。基于实例推理的冲模智能CAD系统关键技术的研究结果表明，对其它领域的CAD系统有一定的指导意义。

　　本文作者创新点是基于实例的方法建立冲模的原形实例模型，用并行检索方式来检索实例，用关系数据库来存储实例，用人工干预法对检索出的实例进行修改。