基于實(shí)例推理的工藝規劃

科技成果學(xué)術(shù)論文基于實(shí)例推理的工藝規劃Case-Based Reasoning Process Planning北京理工大學(xué)機械與車(chē)輛工程學(xué)院張恒文丁霞慶蔡穎吳俊杰[摘要]在研究基于實(shí)例推理(CBR)基本原理和要求,設計者的腦海里往往首先浮現出以前工作中曾實(shí)例特征屬性權重的確定方法的基礎上,建立了CBR經(jīng)出現過(guò)的類(lèi)似的設計條件,找出兩者之間的區別,并的工藝規劃模型,提出了CBR工藝規劃算法。根據這種以此作為依據聯(lián)系標準的設計準則,確定新的設計方算法,描述了 BITCAPP中CB技術(shù)應用的過(guò)程,并分析案。經(jīng)過(guò)一定的積累,企業(yè)中已經(jīng)存在的工藝和圖紙了基于分層遞階思想的實(shí)例組織和匹配模型等關(guān)鍵技體現了工藝師的豐富實(shí)踐經(jīng)驗,與待設計的目標之間術(shù)。最后以箱體類(lèi)零件為例對CBR技術(shù)在工藝規劃中具有極大的相似性,對于當前工藝設計有很大的借鑒的應用進(jìn)行了驗證。意義?；趯?shí)例的工藝規劃利用CBR技術(shù),采用類(lèi)比的關(guān)鍵詞:基于實(shí)例推理實(shí)例庫相似性實(shí)例設計方法,根據過(guò)去實(shí)際中存在的實(shí)例和經(jīng)驗來(lái)解決匹配CBR工藝規劃新問(wèn)題,直接利用以往的設計結果進(jìn)行推理。由于它模ABSTRACT] Based on the basic principle of擬人的思維方式來(lái)解決相似性問(wèn)題,從實(shí)例工藝庫中ease- based reasoning(CBR) and the determination meth-獲得的工藝包含了大量的知識,不經(jīng)過(guò)修改或者稍加od of the case feature attribute weight, the CBr process修改就可以作為新零件的工藝,因此,這種工藝規劃策planning model is established and the CBR process略效率很高。planning algorithm is put forward. According to this alg純創(chuàng )成式CAPP系統對企業(yè)的要求較高,需要大量orithm, the application process of CBR technology in的工藝規則和知識,智能化程度較高,在一定程度上限BITCAPP system is described and the key technology,制了它在企業(yè)中的應用。而基于實(shí)例的工藝規劃方法such as case organization and matching model based on綜合了檢索式CAP和創(chuàng )成式CAPP的優(yōu)點(diǎn),對知識和hierarchic ideology is analyzed. In the end, CBR tech-規則要求較低,具有很強的實(shí)用性。因此開(kāi)展對基于nology is verified in the process planning with taking the實(shí)例的工藝規劃研究具有很重要的現實(shí)意義。box type part as an example.要利用基于實(shí)例的推理和設計,獲得一個(gè)較滿(mǎn)意的Keywords: CBR Case library Similarity初始設計,需要解決好兩方面的問(wèn)題:(1)設計實(shí)例的Case match CBR process planning表達和組織,著(zhù)重解決設計實(shí)例的邏輯表達結構及存取模式。(2)設計實(shí)例的動(dòng)態(tài)檢索、匹配和提取,重點(diǎn)研品開(kāi)發(fā)在整個(gè)生命周期內占有越來(lái)越重要的位究設計實(shí)例的動(dòng)態(tài)檢索和匹配原理,實(shí)現基于實(shí)例的置,雖然設計階段實(shí)際投人的費用只占產(chǎn)品總成本的推理過(guò)程。本文從原理、策略和實(shí)現方法3個(gè)方面對20%左右,但它影響著(zhù)許多后續環(huán)節,決定了產(chǎn)品總成CBR工藝規劃進(jìn)行研究,并通過(guò)北京理工大學(xué)自行開(kāi)本的80%。工藝規劃是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的重要內容是聯(lián)系發(fā)的BIT℃APP系統對其進(jìn)行了驗證設計和制造的橋梁,也是生產(chǎn)調度和控制的重要信息源頭,對整個(gè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)起著(zhù)至關(guān)重要的作用。有1定義關(guān)資料表明,企業(yè)大約有80%的設計是沿襲或者對以定義1:實(shí)例工藝,即在滿(mǎn)足特定設計要求條件下往的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成果加以改進(jìn),而真正的創(chuàng )新設計在產(chǎn)所獲得的工藝設計結果不足以形成典型工藝,但具有品開(kāi)發(fā)中只占了很少的比例。目前的CBR方法,是近定代表性或參考價(jià)值的零件的工藝。年來(lái)人工智能領(lǐng)域的重要研究方向。為了加快產(chǎn)品開(kāi)定義2:實(shí)例工藝庫,也稱(chēng)實(shí)例工藝空間,是所有實(shí)發(fā)速度,提高產(chǎn)品開(kāi)發(fā)質(zhì)量,早在80年代,人們就把它例工中國煤化工實(shí)例空間的一個(gè)元應用到工藝規劃中來(lái)解決變型設計問(wèn)題。素CNMHG藝都保存到實(shí)例工工藝設計一般不會(huì )從零開(kāi)始,面對一個(gè)新的設計藝庫中。2006年第9期航空制造技術(shù)77科技成果學(xué)術(shù)論文定義3:相似度,即新設計的產(chǎn)品和實(shí)例工藝之間具有參考價(jià)值。相似程度的一種度量。實(shí)例的相似性與實(shí)例相似的特(3)實(shí)例工藝檢索。征數目以及每個(gè)特征的相似程度有關(guān),而且常常是不根據輸入的待設計零件信息,從實(shí)例工藝庫中檢確定的、模糊的。索出與當前零件特征相匹配或者相似度大于指定閾值定義4:相似實(shí)例,即滿(mǎn)足一定相似度的實(shí)例,基于的實(shí)例工藝。實(shí)例工藝的檢索主要有3種方法:最臨近實(shí)例工藝規劃就是從實(shí)例工藝庫中尋求與目標產(chǎn)品或法、歸納法和知識導引法。 BITCAPP系統把最臨近法和零件的相似實(shí)例歸納法綜合在一起,大大提高了實(shí)例工藝的檢索速度定義5:實(shí)例匹配,即按照一定的算法,從實(shí)例空間和效率尋求與目標產(chǎn)品或零件的相似實(shí)例的過(guò)程。(4)實(shí)例修正和存儲。定義6:實(shí)例模型,即基于實(shí)例的特征和特征屬性釆用人機交互模式編輯、修改提取到的實(shí)例工藝。值描述的實(shí)例,可以表示為兩元組M={FP=P,可以對提取到最大相似性的工藝方案進(jìn)行修改,也可其中M代表實(shí)例模型F代表實(shí)例的特征/組成的向量,以對獲取的所有相似實(shí)例進(jìn)行重組和修改。 BITCAPPP的代表特征屬性值構成的向量的修改方法是以最相似實(shí)例作為框架,對于不滿(mǎn)足設2基于實(shí)例工藝規劃模型計要求的部分由其中實(shí)例中的相應部分手工補充。CBR工藝規劃的 BITCAPP系統由目標零件模型、3基于實(shí)例推理原理實(shí)例工藝庫、實(shí)例檢索機制、實(shí)例修正和存儲等幾個(gè)部3.1實(shí)例特征相似的計算分組成,模型如圖1所示實(shí)例庫中共有m個(gè)實(shí)例,每個(gè)實(shí)例有n個(gè)特征屬目標零件模型權重系數和閾值性。后表示第i個(gè)實(shí)例的第j個(gè)特征,其中i=1,2,m;j=1,2,…,n。函數PG)表示實(shí)例特征,對應的屬性工藝設計實(shí)例推理輸入界面值,P()表示新零件特征屬性f對應的屬性值,f表示新零件的第j個(gè)特征(實(shí)例推理算法實(shí)例匹配實(shí)例索引根據特征值數據類(lèi)型的不同,采用如下不同方法計算第個(gè)實(shí)例和新零件在第j個(gè)特征的相似度S(G)實(shí)例提取「實(shí)例工藝庫(1)連續數值型特征相似度S存入實(shí)實(shí)例修改S()=max(P.(2)離散數值型特征相似度S工藝設計實(shí)例推理輸出界面1P)=PSda)=圖1基于實(shí)例推理的 BITCAPP工藝規劃框架-0P/G)≠P0)。Fig 1 CBR BITCAPP process planning frame(3)字符串型特征相似度SPv=P(a(1)建立目標零件模型。S,(0P0)≠P在基于實(shí)例工藝規劃之前,必須先獲取設計零件(4)編碼型特征相似度S的信息,建立目標零件模型。零件的信息模型包括零件P的類(lèi)型結構信息零件本身的總體信息和特征信息特S()=新零件與實(shí)例相同編碼數P)≠PMO征信息包括形狀信息和工程語(yǔ)義信息。新零件或實(shí)例最大編碼位數(2)建立工藝實(shí)例庫。工藝實(shí)例庫是工藝師多年知識和經(jīng)驗的積累,是干盲士抽成共術(shù)要求等特征項的匹企業(yè)的寶貴資源。實(shí)例工藝一般具有以下3種性質(zhì):具配中國煤化工目的加工方式、熱處理有一定代表性而又不足以作為典型工藝;具有某些可繼或CNMHG后用新零件的特征編承的特征,例如,目標零件可以繼承實(shí)例的工藝路線(xiàn);碼和實(shí)例的特征編碼進(jìn)行匹配。78航空制造技術(shù)2006年第9期科技成果學(xué)術(shù)論文32實(shí)例特征屬性權重的確定步驟8:工藝師評判設計結果,并決定是否作為新根據匹配因子彼此間相對重要程度,經(jīng)過(guò)兩兩比的實(shí)例工藝保存到實(shí)例工藝庫。較得到矩陣cOM=q,其中a表示第i個(gè)特征相對4CBR應用于 BITCAPP的關(guān)鍵技術(shù)于第j個(gè)特征在確定工藝規劃方案中的重要程度41分層遞階匹配策略12,…,m,12…,n。由第i行算術(shù)平均值m∑aha實(shí)例庫的組織關(guān)系到實(shí)例的檢索和存儲效率。實(shí)算出第i個(gè)匹配因子的權重例庫的組織通常有2種方式(1)平直型(Flat)。在這種方式中,實(shí)例被存儲為描(5)述實(shí)例內容特征及其值對,實(shí)例的相似性是通過(guò)很顯然,這樣求得的權重滿(mǎn)足下式比較特征和值來(lái)完成(2)層次型( Hierarchy)根據與領(lǐng)域知識相關(guān)的特(6)征將實(shí)例劃分為組,并形成一定的層次,層次隨特征由對于按照匹配因子之間重要度確定的權重,用戶(hù)抽象到具體逐漸拓展。還可以進(jìn)一步調整?；蛘?權重w全部由用戶(hù)手工指為了加快實(shí)例檢索速度,采用了三級遞階匹配策定,但要滿(mǎn)足公式(6)。略:零件類(lèi)型層、總體信息層和特征信息層,如圖2所33實(shí)例匹配算法「實(shí)例零件實(shí)例推理過(guò)程是一個(gè)提取相似實(shí)例和修改相似實(shí)例從而獲得新工藝的過(guò)程包括以[形體為[回轉體[國定義為下幾個(gè)階段:建立實(shí)例庫,匹配,修改?；趯?shí)例模型的推理算法如下[機槍國槍類(lèi)[槍為四定義類(lèi)步驟1:輸入設計要求P(f),其中j=1n,并設定相似性閾值T。5.6mm 7.62mm9mm12.7mm自定義層步驟2:由公式(5)設定實(shí)例i的第j個(gè)特征的權重因子y,滿(mǎn)足公式(6)。槍機機匣機座自定義類(lèi)步驟3:設定實(shí)例庫中的實(shí)例總數為m,執行循環(huán)r(i=1;槽類(lèi)孔類(lèi)7的相似實(shí)例。如果獲得實(shí)例個(gè)數等于0,則取特征信息層相似度最大的實(shí)例,S=Max|s,2…s5,把它作零件編號為當前設計要求的相似實(shí)例;如果獲得實(shí)例個(gè)零件名稱(chēng)數大于0,則由工藝師來(lái)確定被選實(shí)例。尺寸公差步驟7:由工藝師對確定的實(shí)例工藝進(jìn)行中國煤化工評價(jià),并根據評價(jià)結果修改實(shí)例工藝內容,直圖2CNMH(構模型至滿(mǎn)意。Fig2 Case structure model based on part classification2006年第9期航空制造技術(shù)79科技成果·學(xué)術(shù)論文示零件類(lèi)型層是實(shí)例的組織層,而總體信息層和特征S為1,否則S為0)。則計算實(shí)例和新設計零件的相似性信息層是實(shí)例的表達層。首先根據功能、形狀把實(shí)例零系數S的公式為件劃分為具有一定層次的不同類(lèi)別,并以多叉樹(shù)的結構形式表示,抽象的、共性的特性位于頂層,特性越具S=∑w1S(4,t)/kK+∑w2S(P,p)/體、越個(gè)性化就越傾向于底層。實(shí)例工藝保存到實(shí)例工藝庫中,不僅保存實(shí)例工藝的工藝信息,還要保存與實(shí)w, S(, f )/M+2w4 S(K,, K",)/N, (8)例工藝對應的零件的總體信息和特征信息,總體信息式中,K為實(shí)例與零件類(lèi)型相同和相異的個(gè)數總和:L包括實(shí)例名稱(chēng)、實(shí)例類(lèi)型、長(cháng)徑比或方位面、材料類(lèi)型為實(shí)例與零件總體信息相同和相異的個(gè)數總和M為等,特征信息包括特征類(lèi)型和特征參數等實(shí)例與零件方位面相同和相異的個(gè)數總和;N為實(shí)例這種實(shí)例的組織結構對實(shí)例推理十分有利,按照與零件特征相同和相異的個(gè)數總和;S(4,t')為實(shí)例這種逐層遞進(jìn)檢索模式,對于每層信息都可設置不與零件類(lèi)型相似性;S(p,p')為實(shí)例與零件在總體信同的權重m、2、21,使得m+2+1在工藝設計中,檢息方面的相似性;s(G,f)為實(shí)例與零件在方位面方索到最大相似性實(shí)例工藝后,發(fā)現該實(shí)例工藝在某個(gè)面的相似性;S(kn,k')為實(shí)例與零件的方位面上各層層次相似性低,如果可以檢索到該層相似性大的實(shí)例面特征信息上的相似性工藝,然后由人工進(jìn)行比較,對最終工藝方案作部分修應用改即可。依據這種模型可以方便、準確地提取實(shí)例。設現有某一產(chǎn)品型號箱體類(lèi)零件(圖3)有6個(gè)方位42相似度計算面,在Z負向方位面上有一個(gè)通槽特征和一個(gè)通孔特BITCAPP系統從零件類(lèi)型、總體信息和特征信息上征,在Y負方位面上有一個(gè)通孔,取m=0.2m2=0.3,my=考慮零件與實(shí)例的相似性,零件類(lèi)型指零件在產(chǎn)品中的02,m.03位置或零件的功能類(lèi)型,特征包括零件特征形狀信息以7=槍械類(lèi),箱體類(lèi),機匣體](7有3個(gè)分類(lèi)層次);及特征在零件上的位置信息特征在零件上的位置可用P=(鋁合金,淬火,…500,500為生產(chǎn)批量P有10個(gè)元其所在的方位和層次來(lái)表示。因此,本文將零件類(lèi)型素,其余與P相同);F={Z正向,Z負向,X正向,X負向,Y總體信息、特征形狀信息和特征定位信息作為相似性正向,Y負向表示有6個(gè)方位面K=0(第一層,通比較因素,根據各影響因素的重要性,對各影響因素的相似系數加權求和形成零件與實(shí)例的相似性系數。零件與實(shí)例的相似性系數計算方法如下7={1,t…4表示零件的類(lèi)型信息,4代表零件在層類(lèi)型樹(shù)中的k個(gè)類(lèi)型;P={p,P2…表示新輸入零件總體信息,P代表第個(gè)零件屬性;F=/i,f…f為零件的方位面信息,表示零件的第m個(gè)方位面信息;K={K,K2…K}為零件的方位面上各層面的特征信息,K表示零件的第n個(gè)層面特征信息;T"={t',t',…t'表示實(shí)(a)實(shí)例例的類(lèi)型信息,'代表實(shí)例在類(lèi)型樹(shù)中的k個(gè)類(lèi)型;Pp',p'a…p'l表示實(shí)例零件總體信息,p'代表第個(gè)實(shí)例屬性;F"="1,f2,…∫小為實(shí)例零件的方位面信息,m表示實(shí)例零件的第m個(gè)層面特征信息K′={K",K2…K'川為實(shí)例零件的方位面上各層面的特征信息,K表示實(shí)例零件的第n個(gè)層面特征信息。W={g,ln.yl∈[0,1表示相似性影響系數的權,1、u23、u4依次為零件類(lèi)型、總體信息、零件的方位面信息中國煤化工和零件的形狀特征信息的權值,滿(mǎn)足公式(6);S=SCNMHG較s')表示零件與實(shí)例屬性的相似性(當s與s相同時(shí),取Similarty comparison80航空制造技術(shù)2006年第9期科技成果學(xué)術(shù)論文槽),(第二層,通孔),(第一層,通孔),口,口,,[第一(上接第76頁(yè))層,通孔]。中外翼檢索到一個(gè)實(shí)例的零件信息如下T={槍械類(lèi),箱體類(lèi),機匣體}P=[鋁合金,退火前緣中外翼翼盒1000,1000為生產(chǎn)批量};F=(Z正向,Z負向,X正向,X負向,正向,Y負向};K=(第一層,通槽),(第一層,通孔),(第一層,通孔),(第二層,通孔),幾,D,,Ⅲ。緣長(cháng)隔前上根據公式(8)蒙桁壁門(mén)壁肋|/墻門(mén)/樁//后S=0.2xS(槍械類(lèi))+S(箱體類(lèi))+S(機匣體)3+03×[(鋁合金,鋁合金)+S(淬火,退火)+…+S(500,1000y圖5截集為0.85時(shí)工藝組件劃分的結果1040.2×S(Z正向,Z正向)+S(Z負向,Z負向)+…+S(YFig 5 Result of process-oriented component partition負向,H負向)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。如果當初指定相似度閾值7=06,則該實(shí)例將被提5結束語(yǔ)取作為相似實(shí)例。本課題提出了飛機工藝組件劃分的模糊聚類(lèi)方法。首先通過(guò)確定裝配結構來(lái)建立裝配體的主體結構,5結束語(yǔ)然后基于模糊理論對裝配單元進(jìn)行聚類(lèi)分析,得到工本文結合CBR技術(shù)在 BITCAPP中的應用,分析了藝組件劃分方案。在進(jìn)行模糊聚類(lèi)求解時(shí)采用了剛度、CBR原理和工藝規劃算法,并采用分層遞階思想組織裝配操作難易程度以及裝配對象空間鄰近性3個(gè)指標實(shí)例庫,實(shí)施三級匹配策略,最終得出相似實(shí)例,優(yōu)化進(jìn)行評判。設計手段。這項技術(shù)已經(jīng)初步應用到有關(guān)企業(yè),結果參考文獻表明,CBR工藝規劃方法較好地解決了企業(yè)工藝知識1楊璽,范玉青波音飛機裝配工藝流程數據的來(lái)源與的缺乏和獲取困難的問(wèn)題,實(shí)例庫在使用中不斷豐富,流動(dòng),航空工藝技術(shù),1998(6):3-5工藝結果也逐漸逼近企業(yè)的工藝規范,為CAPP在企業(yè)2楊培林,朱均,陳曉南.裝配規劃中裝配體的表達及中應用提供了一條便捷的途徑,可以說(shuō)該技術(shù)具有很子裝配的識別西安交通大學(xué)學(xué)報,199,33(12):4043好的應用前景。3 Ong N S, Wong Y C. 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