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案例型推理在壓鑄模具設(shè)計上的應(yīng)用(一)
機(jī)械工程系.新加坡國立大學(xué).肯特坊嶺.新加坡
這篇文章提出一項基于案例型推理（CBR）上的壓鑄模具設(shè)計的研究。而不同于傳統(tǒng)的關(guān)于壓鑄的計算機(jī)輔助系統(tǒng)。這個系統(tǒng)按照案例把知識和經(jīng)驗儲存起來。改變以往案例以滿足新的要求。通過對近期問題解決方案在方案庫里的儲存，系統(tǒng)就能夠發(fā)揮自身的經(jīng)驗積累。工作包括：
1．制定一個案例型推理在壓鑄模具設(shè)計的環(huán)境以便系統(tǒng)能夠從以前咨詢自己的內(nèi)容中自我學(xué)習(xí)并且變得更有效率。
2．制定一個有效的案例反映和調(diào)整統(tǒng)計方法，來有效率的再利用以前的設(shè)計資源。
這篇文章主要針對壓鑄模具設(shè)計。不過通常建議的框架通過具體特征程序和編碼程序的設(shè)計規(guī)則來適應(yīng)其他的程序（例如裝配設(shè)計和注射模設(shè)計）。
關(guān)鍵詞：案例型推理；壓鑄；參數(shù)設(shè)計
1.介紹
壓鑄模具設(shè)計是一個需要反復(fù)手工經(jīng)驗的過程和解決問題的技巧。當(dāng)用那些擅長演示詳細(xì)設(shè)計任務(wù)的傳統(tǒng)CAD工具（例如Pro/E或UG）時這是一個非常費時的工作。但是幾乎利用不到先前設(shè)計的經(jīng)驗和資源。此外，最終模具設(shè)計的質(zhì)量很大程度上取決于設(shè)計者的技巧。因而需要大量關(guān)于材料、機(jī)械的知識，而且運作需要去制造一個模具。然而運用計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)被廣泛認(rèn)為是一個替代物來滿足完成一個更短時間的壓鑄模具設(shè)計。
隨著人工智能技術(shù)在壓鑄模具設(shè)計上的應(yīng)用，一些職工已經(jīng)試圖具體體現(xiàn)設(shè)計上的知識和經(jīng)驗在一個專家系統(tǒng)中。然而專家系統(tǒng)的發(fā)展受到限制。因為：
壓鑄模具設(shè)計的知識和經(jīng)驗太復(fù)雜了以至于不能用簡單的規(guī)則表達(dá)出來。
它不能輕易的獲得和表達(dá)出來在一個專家系統(tǒng)中。
它很難組織和識別特點。
近些年來，一個案例型推理的統(tǒng)計分析方法已被提出。一個案例的記錄不僅僅是一個結(jié)果，而是設(shè)計概念和意向。例如在什么情況下，根據(jù)什么樣的情況，取得這樣的結(jié)果如何。一個案例型推理系統(tǒng)修改調(diào)整一個先前解決問題方案來建立一個解決新問題的方案。這是一個比模擬人類思維的專家系統(tǒng)更有用處的方法。因為提出了一個相似的情況和提供了一些修改使得似乎不言自明了。并對一些人更加直觀了。各種情況的輔助設(shè)計工具已經(jīng)開發(fā)了許多工作例如，在塑造注射和設(shè)計、建筑設(shè)計、裝修設(shè)計、過程規(guī)則。
我們旨在建設(shè)一個案例型推理設(shè)計環(huán)境來支持在壓鑄模具設(shè)計上的可重復(fù)使用。為了最大利用案例型設(shè)計的幫助，系統(tǒng)不能設(shè)計成獨立的體系，而是作為一個完整統(tǒng)一的框架支持設(shè)計過程的所有階段和利用各種與設(shè)計決定有關(guān)的信息資源。我探究壓鑄模具設(shè)計的潛在本質(zhì)來知道怎樣改進(jìn)發(fā)展案例型推理的應(yīng)用。
這不僅是一個案例型推理系統(tǒng)，更是一個系統(tǒng)設(shè)計環(huán)境。案例型推理方法是一個以支持重復(fù)使用整體設(shè)計過程的基本體制被結(jié)合的 。這可以簡單的嵌入在傳統(tǒng)規(guī)則或知識型設(shè)計系統(tǒng)上。
這個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的檢索側(cè)重于壓鑄模具設(shè)計而不是壓鑄件形狀設(shè)計。因此案例庫可以有效準(zhǔn)確的檢索。而且索引代碼可以簡單的定義擴(kuò)展。采用最新的參數(shù)設(shè)計技術(shù)來滿足案例典型性和適應(yīng)性。這使得系統(tǒng) 可以輕易的進(jìn)行案例情況調(diào)整。
2.壓鑄模具設(shè)計原理
產(chǎn)品設(shè)計，壓杵模具設(shè)計可以被看作是一個包括設(shè)計決定，評估可接受性和做必要修改的解決問題的過程。通常壓鑄模具設(shè)計師一般將設(shè)計問題分解為一系列的必須解決的功能性問題。那些問題又可以分解為可以具體解決的功能性問題。一個壓鑄模具的主要功能是把金屬溶液塑造成成品。它是由一些功能性部件組成的，其形狀和大小直接受壓鑄產(chǎn)品所決定，如型腔、型芯、嵌件、滑快、推桿。一個壓鑄模具也有體現(xiàn)完成一系列完整的次要功能，例如金屬溶液的分流，冷卻系統(tǒng)，頂出機(jī)構(gòu)。實現(xiàn)這些次要功能的足見通常是獨立于產(chǎn)品生產(chǎn)。更重要的是它們通常在結(jié)構(gòu)上和形狀上類似于不同的壓鑄模具。
椐估計90%以上的模具設(shè)計基于變量設(shè)計。這意味著當(dāng)一個新的設(shè)計問題出現(xiàn)時，用場是通過改變現(xiàn)有設(shè)計問題，而非從零開始解決問題。壓鑄件有一系列廣泛的尺寸和結(jié)構(gòu)布局，從精密零件到高性能部件都很難定位和分類。壓鑄產(chǎn)品的形狀可能很復(fù)雜和不同于某些情況。但結(jié)構(gòu)和功能總是相似的。特別市產(chǎn)品獨立組成部分，因為重復(fù)義勇先前的設(shè)計是有重大價值的。
為了滿足分配功能的完成，壓鑄模具設(shè)計可以分為以下模快設(shè)計：
充料系統(tǒng) 充料系統(tǒng)是有模具表面所切割成的各種管道和型腔的綜合體。它使得金屬溶液流入到型腔中。他是由澆道、澆道口、溢流管、排氣引氣系統(tǒng)等組成的。
功能部件 這些功能部件是型腔、型芯板、嵌件、滑塊、推桿。他們用來代替形成那些成型腔和內(nèi)外切削出來的結(jié)構(gòu)。
頂出系統(tǒng) 由于收縮過程，產(chǎn)品回粘在動模的型芯上。各種形式的結(jié)構(gòu)用來安裝在模具上如下：推桿、頂出器、頂出套筒、頂出環(huán)、頂出板、而級頂出機(jī)構(gòu)。
冷卻系統(tǒng) 借助一個冷卻媒介（水，油）流經(jīng)管道冷卻系統(tǒng)，模具被維持在一定溫度下使得滿足金屬溶液體的硬化和塑件可被頂出。
標(biāo)準(zhǔn)部件 這些部件包括所有的必要的模具底版、導(dǎo)軌、澆口襯套、澆注分布器、導(dǎo)拄、頂出導(dǎo)桿、復(fù)位導(dǎo)桿等。
3.具體方法
3.1 案例型推理
案例型推理是基于這樣的原則，即新的解決問題的方案可以從以前的解決方案中得益。當(dāng)系統(tǒng)解決一個新的問題時，它從案例庫中檢索到一個或更多與這個新問題相似的先前的案例，讓后改變調(diào)整這些案例來適應(yīng)新的問題。此循環(huán)活動包括四個步驟：
1．描述要輸入的問題和指示提出索引。
2．從案例庫中檢索與新問題相似的案例。
3．修正調(diào)整以滿足要求。
4．一旦被確認(rèn)或在一些規(guī)則下確證就把新的解決方案保存起來。
相比較知識型推理或規(guī)則性推理，案例型推理的優(yōu)點是：
它要更相似于人類的思維模式。
案例庫的建立要比規(guī)則庫的建立更簡單更快捷。
它比規(guī)則庫更好的調(diào)出和解釋一個新的不同的知識。
它與那些很難獲得的知識領(lǐng)域相一致。
3.2 案例庫設(shè)計
案例庫包括了若干特定的案例。案例代替是案例型推理的一個最重要的問題。任何一個在案例庫里的案例包括外形特征描述設(shè)計和模型設(shè)計；外形特征設(shè)計的抽出是案例庫設(shè)計最主要考慮的。
另一個要考慮的是案例在案例庫里的組織結(jié)構(gòu)。一個案例庫可以組織編排成很多種形式如案例的線性列表，按各級各類的編排，語義網(wǎng)絡(luò)式結(jié)構(gòu)或這些形式的作和。在這項工作中，所有的案例都按各種層次和結(jié)構(gòu)線性名單的結(jié)構(gòu)形式儲存。
在案例庫的設(shè)計中，有三個重要問題要解決于任何試圖實施之前，它們是案例索引，案例代替和重新生成策略。下面分小節(jié)單獨討論。
3.2.1 案例索引結(jié)構(gòu)
重新獲得一個相似的案例是案例型推理的一個重要問題，怎樣完成這個過程就叫做案例檢索。在創(chuàng)建案例檢索是有兩點要考慮。首先，重要的特征應(yīng)首先進(jìn)行檢索，然后將其他組織排列。這樣案例庫可以更有效和準(zhǔn)確的搜索。其次必須按照指定設(shè)計師設(shè)計的模具的方法進(jìn)行檢索。
在案例索引的構(gòu)造過程中，最費時和復(fù)雜的程序是案例的分類和編碼。許多系統(tǒng)（例如OPTIZ、DCLASS和KK-3）已經(jīng)在全世界廣泛的發(fā)展。但是沒有一個被普遍采用。原因之一是分類和編碼必須設(shè)計靈活，能為用戶提供設(shè)計環(huán)境。
在這篇文章里，主要的案例檢索形式結(jié)構(gòu)是根據(jù)塑件形狀和相符模具的結(jié)構(gòu)所創(chuàng)建的。每個壓鑄件是由六位碼加上三位附加碼所表示的。它包括下面的部分：
1．產(chǎn)品形狀 由于廣泛系列和復(fù)雜的壓鑄件形狀，它很難通過語義描述所區(qū)別開。一個相似的壓鑄形狀在不同的范圍會有不同的描述。這里我們建議把它們分解非：金屬板、支座、葉片、機(jī)架、殼體、蓋罩和復(fù)雜形狀。這些分類可以按照公司或企業(yè)的客戶要求而編制。
2．充料系統(tǒng) 充料系統(tǒng)在金屬溶液流入到型腔過程總中起到一個很重要的作用。最重要的部分是澆道布置和澆口系統(tǒng)設(shè)計。澆道布置有四種形式：單澆口單型腔，單澆口多型腔，多澆口單型腔，多澆口多型腔。一個澆口可以分成多種形式：標(biāo)準(zhǔn)澆口，扇形澆口，環(huán)形澆口，曲管形澆口和其它形式。
3．功能部件 滑塊和頂桿是最重要的部分，它影響到模具的復(fù)雜性和成本。第五位編碼表示是否有滑快和頂桿機(jī)構(gòu)。它被分為四種形式：即沒滑塊也沒頂桿，只有滑塊，只有頂桿，滑塊和頂桿的組合。
4．頂出系統(tǒng) 最后一位碼表示頂出系統(tǒng)。它可分為兩種形式：一級頂出：包括頂出桿和頂出板，頂出套筒，頂出環(huán)，頂出器；二級頂出。
這個檢索系統(tǒng)在圖表1中表示。三個附加碼與案例區(qū)別碼有關(guān)，而且可以從相同類型案例庫中區(qū)別不同的案例。它可以按公司的要求而指派。通過這種方法，所有在案例庫中的案例可以根據(jù)索引碼編成目錄，而且可以根據(jù)等級組織儲存和重新取得。
3.2.2 代表性案例和案例庫機(jī)構(gòu)
在這篇文章，一個代表性案例包括兩部分：案例特征編碼和模型設(shè)計（包括部件、裝配模型、繪圖和BOM）。在圖表2顯示了一個例子（簡化的，只有壓鑄模型被給出）。包含一些重要的信息。這個壓鑄件是一個簡單的沒有切削的平板。它的澆口類型是多扇形澆口。這個模具沒有滑塊和頂桿，采用一級頂出（頂出桿）。每個案例的特性都由一個阿拉伯?dāng)?shù)字表示，所有的案例都由它的們的檢索碼儲存在案例庫中。
基于以上提到的代表性案例，案例庫的結(jié)構(gòu)可以描述成表1所示。大量的案例數(shù)據(jù)可以有下率的儲存和調(diào)出，通過數(shù)據(jù)庫技術(shù)。
3.2.3 案例調(diào)出方法
搜索并有效率的調(diào)出一個相似的案例是一個重要的挑戰(zhàn)。以為案例調(diào)出是一個費時的過程。它是案例型推理的核心部分，并且很大的影響系統(tǒng)的效率。在這篇文章里案例庫被看作一種特殊的數(shù)據(jù)庫，那里儲存了大量的案例，并且當(dāng)提出問題時調(diào)出策略必須可以獲得一個適當(dāng)?shù)陌咐＞拖袼峒暗�，案例庫是由等級制和線性目錄結(jié)構(gòu)所組成的搜索調(diào)出方法。因此由兩種不同方法所體現(xiàn)表達(dá)。首先是一個大范圍的等級結(jié)構(gòu)搜索，當(dāng)這些案例被分類和儲存時，然后一些相似的屬于相同類型案例被返回出來。下一個過程是在線性目錄中的順序搜索知道一個滿意的案例被調(diào)出。
因為使用者不能根據(jù)這些種種的選擇，按要求的低標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)出而得到一個結(jié)果。那就意味著使用者必須從先前的選擇中選出一個，以低標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)記它。然后不考慮這個這個特征是被低標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)記而從案例庫中選一個相似的案例。例如假設(shè)我們想呀調(diào)出一個案例有以下特征：產(chǎn)品形狀——平板；澆道布置——單澆口多型腔；澆口類型——扇形澆口；功能部件——滑塊；頂出類型——一級頂出。我們假設(shè)一個相似的案例沒找到以至于策劃者必須重新調(diào)出，不考慮這些特征的一個。如果我們選擇的充料系統(tǒng)的特征以前沒有考慮，并把它定為低標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)將會用相同的特征從案例庫中搜索。這些特征是以前所選擇的加上新添加上的充料系統(tǒng)的特征。那意味著所有這些案例（有以下特征的：產(chǎn)品形狀——平板；澆道布置——單澆口多型腔；澆口類型——扇形澆口；頂出類型——一級頂出；功能部件——沒有滑塊和頂桿/只有滑塊/只有頂桿/滑塊和頂桿的組合）以這些考慮選擇。
3.3 案例的改編調(diào)整
應(yīng)用所調(diào)出案例的最簡單的方法是不改變案例的解決方案而運用到新問題的解決上。然而在壓鑄模具設(shè)計上，盡管在新舊問題上有小的不同，調(diào)出案例會作出一定的改變以滿足對新問題的需要，這就叫案例的改編調(diào)整。一個很自然的的要求是相似案例的解決方案應(yīng)該簡單的改變以適應(yīng)新問題的解決。
案例改編是很重要的，因為案例設(shè)計通過改編調(diào)整的創(chuàng)造性應(yīng)用導(dǎo)致設(shè)計上的革命。當(dāng)兩個或更多案例被組合時它的潛能會更加吸引人。因此怎樣進(jìn)行案例的改編會變得更加重要。許多更多成功的商用案例型推理系統(tǒng)不進(jìn)行改變調(diào)整，它們即不簡單的重新應(yīng)用從案例庫中調(diào)出的解決方案也不將改編調(diào)整從設(shè)計者中分離開來。原因是復(fù)雜的改編是知識的集中加深，而且案例型推理系統(tǒng)經(jīng)常要處理不是很了解的問題，復(fù)雜的知識集中深化改編是不可能的。
最近，隨著問題解決設(shè)備的發(fā)展，計算機(jī)輔助設(shè)計在很多領(lǐng)域都有了新發(fā)展。如參數(shù)設(shè)計，表驅(qū)動設(shè)計和配置結(jié)構(gòu)布局設(shè)計。這些使得系統(tǒng)可以不僅記錄下設(shè)計的方案也可以記錄下設(shè)計的過程。因而當(dāng)需要改編調(diào)整時，系統(tǒng)會查找一個相似的。然后這個被改編調(diào)整的方案會重新利用。如果沒有過去的案例可以提供，設(shè)計者就會互動的修改設(shè)計方式。一旦被成功的改編，它會被儲存以備未來之用。用這種方法，系統(tǒng)會不斷完善自身的改編調(diào)整能力和解決問題的能力。
3.3.1 參數(shù)設(shè)計
參數(shù)設(shè)計在出現(xiàn)一個新的相似的設(shè)計時會非常有益的。它的方法是利用一個原型來代表一組具有相似特征的不同部件。那些部件具有相同的拓?fù)湎拗�，有著不同的尺寸和形狀，但起到相同的工程功能。它的設(shè)計步驟包括兩部分：
1．設(shè)計一個原型來代表一組相似特征部件。這些生成能力參數(shù)化的改變那些句喲持久特點和持久外形特征的模型，他的進(jìn)行是通過計算機(jī)輔助設(shè)計這對于可利用模型的操作應(yīng)用和深化影響來完成的。
2．一套參數(shù)評估系統(tǒng)為原型和生產(chǎn)的特征部件進(jìn)行評價，這叫做參數(shù)設(shè)計的尺寸驅(qū)動能力。所有部件的生成都是從相同的部件里生成的。
3.3.2 表驅(qū)動設(shè)計
表驅(qū)動設(shè)計可以翕動的生成用戶可操作的綜合的一系列相似部件。它通過創(chuàng)造一個原型，在那里所有的相關(guān)變量和幾何變量被定義。建立相關(guān)數(shù)據(jù)包括對可輸入的各控制變量的評估。用表驅(qū)動功能來集合一個可組裝的部件它的實現(xiàn)是通過啟動一個原型，它可打開相關(guān)的表。設(shè)計者可以得到想要的變形部分的檢索名或創(chuàng)建一個新的變形部分。那時系統(tǒng)自動產(chǎn)生新的部分基于選擇價值并且把它放在裝配中。圖表3顯示了一個應(yīng)用表驅(qū)動的扇形澆口壓鑄模具設(shè)計。
這個功能給設(shè)計者更多有效的方法來創(chuàng)建和記錄部件組。而且防止組成部分的迅速增加。通常它也提供自動設(shè)計與部件組有關(guān)的相似產(chǎn)品的提高改善。而且可以創(chuàng)造和保持變量表在流行數(shù)表格程序計劃中減少系統(tǒng)的成本。
3.3.3 配置結(jié)構(gòu)布局
表驅(qū)動在配置模型中的應(yīng)用方法叫做配置結(jié)構(gòu)布局。它允許設(shè)計者可以創(chuàng)建各種不同的設(shè)計模型。用一個獨立的文件并且提供方便的研發(fā)方法和處理包含不同的尺寸、部件、參數(shù)的模型組。一個復(fù)雜的部件模型可以通過壓所縮一些項目的布局得以簡化。
配置結(jié)構(gòu)布局的益處：
1.允許相似的設(shè)計可以改變和重新利用。
2.有效的在一個配置模型的不同生產(chǎn)階段儲存設(shè)計模型。
在上面的生產(chǎn)制作過程中，的設(shè)計總是需要在不同的階段進(jìn)行調(diào)整適應(yīng)的。根據(jù)壓鑄產(chǎn)品的特征，整個設(shè)計過程可以被分為這些階段：原始設(shè)計，初步測算，驗算和最終設(shè)計。每一階段的設(shè)計方法可以輕松的儲存，通過在配置模型創(chuàng)建一系列的新的結(jié)構(gòu)布局。然而不只是解決方案，設(shè)計過程也被記錄以備再利用。
3.3.4 案例分解和改編調(diào)整
改編調(diào)整是在案例重新利用中的一個重要步驟：將一個案例適應(yīng)一個新的問題需要保持它的完整性的同時作些改變。實際中，我們不能完全的獲得一個案例來滿足一個新的問題。盡管是相同的產(chǎn)品，模具也會不同。因為模具的型腔數(shù)就可以不同。設(shè)計者期望先前提供的案例可以滿足新問題的要求，而只改變指定的一部分。
與模具設(shè)計功能上的分解相同。案例改編調(diào)整也可分為兩個層次：案例改編和功能模塊組件改編。
1．案例改編 它主要改變模具的整體結(jié)構(gòu)，特別是一些功能性部件需要的增加和減少。
2．功能模塊改編 它主要改變模具的功能模塊，例如澆口系統(tǒng)，功能部件等。
將改編過程分為兩部分極大的簡化改編過程；通過將案例改編分解為幾個功能改編
模塊，設(shè)計者可以集中于需要改編調(diào)整的部分。
壓鑄裝配模型闡述了一個例子，它利用參數(shù)設(shè)計，表驅(qū)動設(shè)計和配置結(jié)構(gòu)布局的這些有用之處來實現(xiàn)案例有效的改編利用實體造型和零部件庫。一套模具的基礎(chǔ)部件被配置和儲存在一個模型文件中。當(dāng)用一個特別的配置結(jié)構(gòu)布局提供滿足時。特別的模具基礎(chǔ)部件標(biāo)準(zhǔn)能夠自動的生成。
3.4 案例儲存方法
在儲存一個新的案例在案例庫前，新案例的利用必須要考慮如果案例沒有增加系統(tǒng)的知識，它將沒有儲存的價值。決定一個案例是否儲存，原型案例和參考案例的概念必須要解釋。一個原型案例是具有代表性的，它描述了一組案例的主要特征。一個案例組包括的案例，在案例庫中它們的索引碼的前六位碼相同，后三位碼不同。一個原型案例的最后三位碼一般是000，一個參考案例屬于相同的原型案例組，而且它用最后三位碼來區(qū)別。
通過對概念的解釋，下面的步驟被采用：
1．如果一個新的案例與任何存在的案例組相稱。它會有相同的前六位碼。因此它即不會被儲存，因為它被原型案例很好的表示，也不會以參考案例而儲存在案例庫中。
2．如果一個新的案例與任何存在的案例組相稱并且被認(rèn)為比以前的原型案例更好的代表這個案例組。那樣原型案例會被新的案例代替。然后過去的原型案例會以參考案例儲存。
3．一個新的案例與任何存在的案例組組不相稱。一個新的案例組會自動的創(chuàng)建，然后這個案例以原型案例儲存在案例庫中。
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