基于实例推理的工艺规划

科技成果学术论文基于实例推理的工艺规划Case-Based Reasoning Process Planning北京理工大学机械与车辆工程学院张恒文丁霞庆蔡颖吴俊杰[摘要]在研究基于实例推理(CBR)基本原理和要求,设计者的脑海里往往首先浮现出以前工作中曾实例特征属性权重的确定方法的基础上,建立了CBR经出现过的类似的设计条件,找出两者之间的区别,并的工艺规划模型,提出了CBR工艺规划算法。根据这种以此作为依据联系标准的设计准则,确定新的设计方算法,描述了 BITCAPP中CB技术应用的过程,并分析案。经过一定的积累,企业中已经存在的工艺和图纸了基于分层递阶思想的实例組织和匹配模型等关键技体现了工艺师的丰富实践经验,与待设计的目标之间术。最后以箱体类零件为例对CBR技术在工艺规划中具有极大的相似性,对于当前工艺设计有很大的借鉴的应用进行了验证。意义。基于实例的工艺规划利用CBR技术,采用类比的关键词:基于实例推理实例库相似性实例设计方法,根据过去实际中存在的实例和经验来解决匹配CBR工艺规划新问题,直接利用以往的设计结果进行推理。由于它模ABSTRACT] Based on the basic principle of拟人的思维方式来解决相似性问题,从实例工艺库中ease- based reasoning(CBR) and the determination meth-获得的工艺包含了大量的知识,不经过修改或者稍加od of the case feature attribute weight, the CBr process修改就可以作为新零件的工艺,因此,这种工艺规划策planning model is established and the CBR process略效率很高。planning algorithm is put forward. According to this alg纯创成式CAPP系统对企业的要求较高,需要大量orithm, the application process of CBR technology in的工艺规则和知识,智能化程度较高,在一定程度上限BITCAPP system is described and the key technology,制了它在企业中的应用。而基于实例的工艺规划方法such as case organization and matching model based on综合了检索式CAP和创成式CAPP的优点,对知识和hierarchic ideology is analyzed. In the end, CBR tech-规则要求较低,具有很强的实用性。因此开展对基于nology is verified in the process planning with taking the实例的工艺规划研究具有很重要的现实意义。box type part as an example.要利用基于实例的推理和设计,获得一个较满意的Keywords: CBR Case library Similarity初始设计,需要解决好两方面的问题:(1)设计实例的Case match CBR process planning表达和组织,着重解决设计实例的逻辑表达结构及存取模式。(2)设计实例的动态检索、匹配和提取,重点研品开发在整个生命周期内占有越来越重要的位究设计实例的动态检索和匹配原理,实现基于实例的置,虽然设计阶段实际投人的费用只占产品总成本的推理过程。本文从原理、策略和实现方法3个方面对20%左右,但它影响着许多后续环节,决定了产品总成CBR工艺规划进行研究,并通过北京理工大学自行开本的80%。工艺规划是产品开发的重要内容是联系发的BIT℃APP系统对其进行了验证设计和制造的桥梁,也是生产调度和控制的重要信息源头,对整个产品开发和生产起着至关重要的作用。有1定义关资料表明,企业大约有80%的设计是沿袭或者对以定义1:实例工艺,即在满足特定设计要求条件下往的产品开发成果加以改进,而真正的创新设计在产所获得的工艺设计结果不足以形成典型工艺,但具有品开发中只占了很少的比例。目前的CBR方法,是近定代表性或参考价值的零件的工艺。年来人工智能领域的重要研究方向。为了加快产品开定义2:实例工艺库,也称实例工艺空间,是所有实发速度,提高产品开发质量,早在80年代,人们就把它例工中国煤化工实例空间的一个元应用到工艺规划中来解决变型设计问题。素CNMHG艺都保存到实例工工艺设计一般不会从零开始,面对一个新的设计艺库中。2006年第9期航空制造技术77科技成果学术论文定义3:相似度,即新设计的产品和实例工艺之间具有参考价值。相似程度的一种度量。实例的相似性与实例相似的特(3)实例工艺检索。征数目以及每个特征的相似程度有关,而且常常是不根据输入的待设计零件信息,从实例工艺库中检确定的、模糊的。索出与当前零件特征相匹配或者相似度大于指定阈值定义4:相似实例,即满足一定相似度的实例,基于的实例工艺。实例工艺的检索主要有3种方法:最临近实例工艺规划就是从实例工艺库中寻求与目标产品或法、归纳法和知识导引法。 BITCAPP系统把最临近法和零件的相似实例归纳法综合在一起,大大提高了实例工艺的检索速度定义5:实例匹配,即按照一定的算法,从实例空间和效率寻求与目标产品或零件的相似实例的过程。(4)实例修正和存储。定义6:实例模型,即基于实例的特征和特征属性釆用人机交互模式编辑、修改提取到的实例工艺。值描述的实例,可以表示为两元组M={FP=P,可以对提取到最大相似性的工艺方案进行修改,也可其中M代表实例模型F代表实例的特征/组成的向量,以对获取的所有相似实例进行重组和修改。 BITCAPPP的代表特征属性值构成的向量的修改方法是以最相似实例作为框架,对于不满足设2基于实例工艺规划模型计要求的部分由其中实例中的相应部分手工补充。CBR工艺规划的 BITCAPP系统由目标零件模型、3基于实例推理原理实例工艺库、实例检索机制、实例修正和存储等几个部3.1实例特征相似的计算分组成,模型如图1所示实例库中共有m个实例,每个实例有n个特征属目标零件模型权重系数和阈值性。后表示第i个实例的第j个特征,其中i=1,2,m;j=1,2,…,n。函数PG)表示实例特征,对应的属性工艺设计实例推理输入界面值,P()表示新零件特征属性f对应的属性值,f表示新零件的第j个特征(实例推理算法实例匹配实例索引根据特征值数据类型的不同,采用如下不同方法计算第个实例和新零件在第j个特征的相似度S(G)实例提取「实例工艺库(1)连续数值型特征相似度S存入实实例修改S()=max(P.(2)离散数值型特征相似度S工艺设计实例推理输出界面1P)=PSda)=图1基于实例推理的 BITCAPP工艺规划框架-0P/G)≠P0)。Fig 1 CBR BITCAPP process planning frame(3)字符串型特征相似度SPv=P(a(1)建立目标零件模型。S,(0P0)≠P在基于实例工艺规划之前,必须先获取设计零件(4)编码型特征相似度S的信息,建立目标零件模型。零件的信息模型包括零件P的类型结构信息零件本身的总体信息和特征信息特S()=新零件与实例相同编码数P)≠PMO征信息包括形状信息和工程语义信息。新零件或实例最大编码位数(2)建立工艺实例库。工艺实例库是工艺师多年知识和经验的积累,是干盲士抽成共术要求等特征项的匹企业的宝贵资源。实例工艺一般具有以下3种性质:具配中国煤化工目的加工方式、热处理有一定代表性而又不足以作为典型工艺;具有某些可继或CNMHG后用新零件的特征编承的特征,例如,目标零件可以继承实例的工艺路线;码和实例的特征编码进行匹配。78航空制造技术2006年第9期科技成果学术论文32实例特征属性权重的确定步骤8:工艺师评判设计结果,并决定是否作为新根据匹配因子彼此间相对重要程度,经过两两比的实例工艺保存到实例工艺库。较得到矩阵cOM=q,其中a表示第i个特征相对4CBR应用于 BITCAPP的关键技术于第j个特征在确定工艺规划方案中的重要程度41分层递阶匹配策略12,…,m,12…,n。由第i行算术平均值m∑aha实例库的组织关系到实例的检索和存储效率。实算出第i个匹配因子的权重例库的组织通常有2种方式(1)平直型(Flat)。在这种方式中,实例被存储为描(5)述实例内容特征及其值对,实例的相似性是通过很显然,这样求得的权重满足下式比较特征和值来完成(2)层次型( Hierarchy)根据与领域知识相关的特(6)征将实例划分为组,并形成一定的层次,层次随特征由对于按照匹配因子之间重要度确定的权重,用户抽象到具体逐渐拓展。还可以进一步调整。或者,权重w全部由用户手工指为了加快实例检索速度,采用了三级递阶匹配策定,但要满足公式(6)。略:零件类型层、总体信息层和特征信息层,如图2所33实例匹配算法「实例零件实例推理过程是一个提取相似实例和修改相似实例从而获得新工艺的过程包括以[形体为[回转体[国定义为下几个阶段:建立实例库,匹配,修改。基于实例模型的推理算法如下[机枪国枪类[枪为四定义类步骤1:输入设计要求P(f),其中j=1n,并设定相似性阈值T。5.6mm 7.62mm9mm12.7mm自定义层步骤2:由公式(5)设定实例i的第j个特征的权重因子y,满足公式(6)。枪机机匣机座自定义类步骤3:设定实例库中的实例总数为m,执行循环r(i=1;槽类孔类7的相似实例。如果获得实例个数等于0,则取特征信息层相似度最大的实例,S=Max|s,2…s5,把它作零件编号为当前设计要求的相似实例;如果获得实例个零件名称数大于0,则由工艺师来确定被选实例。尺寸公差步骤7:由工艺师对确定的实例工艺进行中国煤化工评价,并根据评价结果修改实例工艺内容,直图2CNMH(构模型至满意。Fig2 Case structure model based on part classification2006年第9期航空制造技术79科技成果·学术论文示零件类型层是实例的组织层,而总体信息层和特征S为1,否则S为0)。则计算实例和新设计零件的相似性信息层是实例的表达层。首先根据功能、形状把实例零系数S的公式为件划分为具有一定层次的不同类别,并以多叉树的结构形式表示,抽象的、共性的特性位于顶层,特性越具S=∑w1S(4,t)/kK+∑w2S(P,p)/体、越个性化就越倾向于底层。实例工艺保存到实例工艺库中,不仅保存实例工艺的工艺信息,还要保存与实w, S(, f )/M+2w4 S(K,, K",)/N, (8)例工艺对应的零件的总体信息和特征信息,总体信息式中,K为实例与零件类型相同和相异的个数总和:L包括实例名称、实例类型、长径比或方位面、材料类型为实例与零件总体信息相同和相异的个数总和M为等,特征信息包括特征类型和特征参数等实例与零件方位面相同和相异的个数总和;N为实例这种实例的组织结构对实例推理十分有利,按照与零件特征相同和相异的个数总和;S(4,t')为实例这种逐层递进检索模式,对于每层信息都可设置不与零件类型相似性;S(p,p')为实例与零件在总体信同的权重m、2、21,使得m+2+1在工艺设计中,检息方面的相似性;s(G,f)为实例与零件在方位面方索到最大相似性实例工艺后,发现该实例工艺在某个面的相似性;S(kn,k')为实例与零件的方位面上各层层次相似性低,如果可以检索到该层相似性大的实例面特征信息上的相似性工艺,然后由人工进行比较,对最终工艺方案作部分修应用改即可。依据这种模型可以方便、准确地提取实例。设现有某一产品型号箱体类零件(图3)有6个方位42相似度计算面,在Z负向方位面上有一个通槽特征和一个通孔特BITCAPP系统从零件类型、总体信息和特征信息上征,在Y负方位面上有一个通孔,取m=0.2m2=0.3,my=考虑零件与实例的相似性,零件类型指零件在产品中的02,m.03位置或零件的功能类型,特征包括零件特征形状信息以7=枪械类,箱体类,机匣体](7有3个分类层次);及特征在零件上的位置信息特征在零件上的位置可用P=(铝合金,淬火,…500,500为生产批量P有10个元其所在的方位和层次来表示。因此,本文将零件类型素,其余与P相同);F={Z正向,Z负向,X正向,X负向,Y总体信息、特征形状信息和特征定位信息作为相似性正向,Y负向表示有6个方位面K=0(第一层,通比较因素,根据各影响因素的重要性,对各影响因素的相似系数加权求和形成零件与实例的相似性系数。零件与实例的相似性系数计算方法如下7={1,t…4表示零件的类型信息,4代表零件在层类型树中的k个类型;P={p,P2…表示新输入零件总体信息,P代表第个零件属性;F=/i,f…f为零件的方位面信息,表示零件的第m个方位面信息;K={K,K2…K}为零件的方位面上各层面的特征信息,K表示零件的第n个层面特征信息;T"={t',t',…t'表示实(a)实例例的类型信息,'代表实例在类型树中的k个类型;Pp',p'a…p'l表示实例零件总体信息,p'代表第个实例属性;F"="1,f2,…∫小为实例零件的方位面信息,m表示实例零件的第m个层面特征信息K′={K",K2…K'川为实例零件的方位面上各层面的特征信息,K表示实例零件的第n个层面特征信息。W={g,ln.yl∈[0,1表示相似性影响系数的权,1、u23、u4依次为零件类型、总体信息、零件的方位面信息中国煤化工和零件的形状特征信息的权值,满足公式(6);S=SCNMHG较s')表示零件与实例属性的相似性(当s与s相同时,取Similarty comparison80航空制造技术2006年第9期科技成果学术论文槽),(第二层,通孔),(第一层,通孔),口,口,,[第一(上接第76页)层,通孔]。中外翼检索到一个实例的零件信息如下T={枪械类,箱体类,机匣体}P=[铝合金,退火前缘中外翼翼盒1000,1000为生产批量};F=(Z正向,Z负向,X正向,X负向,正向,Y负向};K=(第一层,通槽),(第一层,通孔),(第一层,通孔),(第二层,通孔),几,D,,Ⅲ。缘长隔前上根据公式(8)蒙桁壁门壁肋|/墙门/桩//后S=0.2xS(枪械类)+S(箱体类)+S(机匣体)3+03×[(铝合金,铝合金)+S(淬火,退火)+…+S(500,1000y图5截集为0.85时工艺组件划分的结果1040.2×S(Z正向,Z正向)+S(Z负向,Z负向)+…+S(YFig 5 Result of process-oriented component partition负向,H负向)16+0.3×{S(K1K'1,),S(K2K'2,…S(K6,when cut-set is 0.85K'6)y5=0.2×3/3+0.3×8/10+0.2×66+0.3×3/5=082。如果当初指定相似度阈值7=06,则该实例将被提5结束语取作为相似实例。本课题提出了飞机工艺组件划分的模糊聚类方法。首先通过确定装配结构来建立装配体的主体结构,5结束语然后基于模糊理论对装配单元进行聚类分析,得到工本文结合CBR技术在 BITCAPP中的应用,分析了艺组件划分方案。在进行模糊聚类求解时采用了刚度、CBR原理和工艺规划算法,并采用分层递阶思想组织装配操作难易程度以及装配对象空间邻近性3个指标实例库,实施三级匹配策略,最终得出相似实例,优化进行评判。设计手段。这项技术已经初步应用到有关企业,结果参考文献表明,CBR工艺规划方法较好地解决了企业工艺知识1杨玺,范玉青波音飞机装配工艺流程数据的来源与的缺乏和获取困难的问题,实例库在使用中不断丰富,流动,航空工艺技术,1998(6):3-5工艺结果也逐渐逼近企业的工艺规范,为CAPP在企业2杨培林,朱均,陈晓南.装配规划中装配体的表达及中应用提供了一条便捷的途径,可以说该技术具有很子装配的识别西安交通大学学报,199,33(12):4043好的应用前景。3 Ong N S, Wong Y C. Automatic subassembly detectionom a product model for disassembly sequence generation参考文献Intermational Joumal of Advanced Manufacturing Technology, 1999(15):425-431J, Parsaei H R, Wong J P.4李磊.数字化产品预装配序列生成评价与优化研究:engineering: the manufacturing philosophy for the90s. Computer[学位论文西安:西北工业大学,2002Industry Engineering, 1991, 21(1-4): 35-395 Lee Sukhan. Subassembly identification and evaluation for2王玉,邢渊,阮雪榆机械产品设计重用策略研究机械工程学报,2002,38(5):145-148Cybernetics,1994,24(3):493~5033 Bardasz T, Dejavu Z L. Case-based reasoning: foundation-6 Sebaaly Milad, Fujimoto Hideo, Mrad Fuad. Linear andal issues, methodological variations, and system approaches. non-linear assembly planning, fuzzy graph representation and GAAICOM,19947(1):39-59search. Proceedings of the IEEE Intemational Conference4温小龙基于PDM的CAPP系统的研究与开发{学位论 Robotics and Automation, annapolis, Minnesota,19:1533文北京:北京理工大学,200315385宋玉银基于实例模型的模糊推理方法河北理工学院学7王艳玮.计算机辅助装配顺序规划关键技术研究:[学位报,1999,21(4):38-42论文]西安:西北工业大学,19996刘久富,王宁生,大规模定制设计的产品族匹配研究南京航空航天大学学报,2002,34(4):342-345机装中国煤化上航空制造工程朋7赵继云,钟廷修.CBD系统应用于产品变型设计的关键CNMHG技术(第二版)北京:国技术研究机械设计与研究,19992):36-38(贲编七丁)防工业出版社,1998(责编哌智)2006年第9期航空制造技术81