基于實例推理的智能化刀具CAD系統研究

陜西法士特集團公司 劉立明 孫芳芳

基于實例推理的智能化刀具CAD系統研究

陜西法士特集團公司 劉立明 孫芳芳

根據刀具的設計特點,建立了基于實例推理的智能化刀具CAD系統。該系統由刀具的實例庫和建立在實例庫基礎上的檢索和匹配推理機制，以及刀具實例的修改學習和保存構成.借助UG的三維參數化建模功能，通過UG二次開發，進行參數化驅動，得到刀具的最終實體模型。

CBR 刀具CAD UG二次開發 參數化驅動

一、引言

基于實例的推理（CBR）是近年來人工智能領域新興起的一種推理方法。它是通過回憶以前曾經成功解決過的相似問題，比較新、舊問題發生背景和時間等差異，經過一系列的調整、修改后重新使用以前的知識和信息，達到最終解決當前問題之目的的一整套思維方法。它的核心思想是人類經驗的再利用，因此非常適用于一些弱理論的領域。

刀具產品的設計就是一個復雜的，弱理論支持的過程，需求設計人員具備豐富的實踐經驗，所以，CBR技術在刀具CAD領域的研究、應用和發展具有可行性，并且是一個極富希望和發展前途的研究和應用方向。

CBR是一種解決相似問題的方法，而刀具產品與其它產品零件相比,更具有規范化的特點,即對一種特定的刀具來說,其結構都是近似的,其拓撲關系是相同的,只是由于原始條件的改變使刀具參數值的選取不同，這就構成了CBR技術運用于刀具CAD的現實基礎。

二、系統設計

本文設計的刀具CAD系統，以以往的刀具實例資料作為系統的標準實例庫，采用了可拓物元與面向對象結合的實例表示方法;在實例檢索中采用最近相鄰算法進行檢索，采用基于特征屬性的比較匹配策略;在實例的修改和學習過程中，采用原始實例與代表實例相結合的方法對實例進行索引，采用變形B+樹的方式對實例進行學習和修改。圖1為基于CBR的刀具CAD系統的組成結構。

圖1 基于CBR的刀具CAD系統組成結構

1. 實例庫構建。在刀具實例庫的建立方法上，本文采用以特征建模和參數化設計相結合建立刀具初始實例模型;以UG軟件為支撐環境，表達實例的三維模型；并以模型文件的形式(*.prt)存儲實例，以數據庫的方式存儲實例參數的實例庫建立方法。

本文中的刀具設計CBR系統功能是根據輸入實例的各個屬性特征值，從實例庫中搜索出最相似的并且符合一定的判定條件的實例，作為參考解，并且，由計算過程中得到的相似度給出結果的可信度，以輔助診斷。其實例即刀具屬性有以下幾個基本屬性，分別是結構參數，幾何參數，制造技術要求等。其幾何屬性還有各自的子屬性。

圖2為系統中可轉位車削刀具的實例表示：

圖2 可轉位車削刀具實例表示

本文中刀具實例庫是根據刀具的種類進行劃分，不同刀具對應不同的實例庫。如圖3所示

圖3 刀具實例庫組織結構圖

2. 刀具實例的檢索和匹配。本文使用權值鄰近法作為實例組織和檢索策略算法，計算相似度進行實例檢索。采用Delphi法和AHP法相結合確定實例特征參數的權值，即采用Delphi法由多個專家來確定各特征兩兩之間的相對重要程度，再由AHP法確定各特征的權值。

實例的檢索通過三個子過程：特征辨識，初步匹配和最佳選定來實現。特征辨識是指對問題進行分析，提取有關的特征。本文中我們采用根據上下文或知識模型的需要從用戶那里通過交互方式獲得的特征。

采用最近相似算法相結合進行檢索得到的實例不一定符合具體的問題，有以下幾種情況：如果未得到實例，則檢索失敗，需要進行新一輪實例檢索或是將問題提交給專家進行診斷得到結果并供系統進行學習；如果得到一個解，首先需要對得到的唯一的結果進行判定，判定是否符合系統的要求，以保證解的有效性。本文使用一個判定值來對解進行約束。就是要求最相似實例和待解實例之間的相似度不可以超過判定值。如果相似度值大于閉值，則舍棄，否則得到最終解。其次要根據專家經驗并結合實際問題判斷實例是否滿足問題要求，如果滿足，則匹配成功，若不滿足問題要求，則對實例進行修改或提交給專家，進行交互學習。

3. 刀具實例的保存。將已完成設計的刀具以實例形式保存在實例庫中，擴充了實例庫的內容，體現了CBR系統的自學習能力。基于實例的CAD系統必須具有實例檢索環節，實例的檢索又涉及到檢索參數的存儲問題，而在支撐軟件環境下實例模型的表達又帶來了實例模型的存儲問題。由于實例的檢索參數與實例模型互相獨立，因此需要分別保存。本文的實例存儲采用參數與模型分別保存的方式，即刀具檢索參數保存在數據庫中，與刀具的實例參數共用一個數據庫；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，把路徑保存在數據庫中。

三、刀具智能CAD系統與UG平臺的集成

通過CBR系統得到刀具的設計參數和技術要求，但最后要得到刀具的三維模型，還需要與UG進行集成，借助UG的三維參數化建模功能，通過設計參數的參數化驅動，得到刀具的最終實體模型。

基于UG二次開發的刀具三維參數化建模模塊是在UG內環境下運行的，所以必須解決刀具智能CAD系統與UG平臺的集成問題。本文通過在智能化刀具CAD系統環境中調用UG進程來實現。

UG三維參數化建模與刀具智能CAD系統集成的主要問題就是數據的共享和傳遞，在智能刀具CAD中推理得到的刀具設計參數必須有效的傳遞到UG中，驅動尺寸進行參數化建模，本文采用后臺數據庫來實現二者數據的傳輸，即把智能刀具CAD推理得出的刀具設計結果存入到實例庫中，在UG中進行三維參數化建模時，通過數據庫訪問技術訪問實例庫，得到刀具設計參數，進行尺寸驅動，得到刀具的三維實體模型。以可轉位車刀為例，如圖4為在智能刀具CAD系統所調用的UG程序從數據庫中提取刀具設計參數的界面。從實例庫中提取出來的刀具設計參數如圖5所示：

圖4 參數化建模參數提取界面

圖5 提取的刀具設計參數

根據提取的參數，進行刀具三維參數化建模，最終的建模結果如圖6

圖6 可轉位車刀三維模型

四、結語

本文主要論述了基于實例的刀具智能CAD系統的實現原理與方法，它是刀具CAD技術與CBR技術，UG二次開發技術、參數化三維特征建模技術以及數據庫技術的綜合運用。系統采用基于實例推理的技術，得到新刀具的設計參數，存入到實例庫，通過在UG中調用設計數據，進行參數化驅動，最終得到新刀具的三維實體模型。

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