科技成果學(xué)術(shù)論文基于實(shí)例推理的工藝規(guī)劃Case-Based Reasoning Process Planning北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛工程學(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(shè)計(jì)者的腦海里往往首先浮現(xiàn)出以前工作中曾實(shí)例特征屬性權(quán)重的確定方法的基礎(chǔ)上,建立了CBR經(jīng)出現(xiàn)過的類似的設(shè)計(jì)條件,找出兩者之間的區(qū)別,并的工藝規(guī)劃模型,提出了CBR工藝規(guī)劃算法。根據(jù)這種以此作為依據(jù)聯(lián)系標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,確定新的設(shè)計(jì)方算法,描述了 BITCAPP中CB技術(shù)應(yīng)用的過程,并分析案。經(jīng)過一定的積累,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(xiàn)了工藝師的豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),與待設(shè)計(jì)的目標(biāo)之間術(shù)。最后以箱體類零件為例對(duì)CBR技術(shù)在工藝規(guī)劃中具有極大的相似性,對(duì)于當(dāng)前工藝設(shè)計(jì)有很大的借鑒的應(yīng)用進(jìn)行了驗(yàn)證。意義。基于實(shí)例的工藝規(guī)劃利用CBR技術(shù),采用類比的關(guān)鍵詞:基于實(shí)例推理實(shí)例庫相似性實(shí)例設(shè)計(jì)方法,根據(jù)過去實(shí)際中存在的實(shí)例和經(jīng)驗(yàn)來解決匹配CBR工藝規(guī)劃新問題,直接利用以往的設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行推理。由于它模ABSTRACT] Based on the basic principle of擬人的思維方式來解決相似性問題,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(shí),不經(jīng)過修改或者稍加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(guī)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(tǒng)對(duì)企業(yè)的要求較高,需要大量orithm, the application process of CBR technology in的工藝規(guī)則和知識(shí),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(yīng)用。而基于實(shí)例的工藝規(guī)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(duì)知識(shí)和hierarchic ideology is analyzed. In the end, CBR tech-規(guī)則要求較低,具有很強(qiáng)的實(shí)用性。因此開展對(duì)基于nology is verified in the process planning with taking the實(shí)例的工藝規(guī)劃研究具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。box type part as an example.要利用基于實(shí)例的推理和設(shè)計(jì),獲得一個(gè)較滿意的Keywords: CBR Case library Similarity初始設(shè)計(jì),需要解決好兩方面的問題:(1)設(shè)計(jì)實(shí)例的Case match CBR process planning表達(dá)和組織,著重解決設(shè)計(jì)實(shí)例的邏輯表達(dá)結(jié)構(gòu)及存取模式。(2)設(shè)計(jì)實(shí)例的動(dòng)態(tài)檢索、匹配和提取,重點(diǎn)研品開發(fā)在整個(gè)生命周期內(nèi)占有越來越重要的位究設(shè)計(jì)實(shí)例的動(dòng)態(tài)檢索和匹配原理,實(shí)現(xiàn)基于實(shí)例的置,雖然設(shè)計(jì)階段實(shí)際投人的費(fèi)用只占產(chǎn)品總成本的推理過程。本文從原理、策略和實(shí)現(xiàn)方法3個(gè)方面對(duì)20%左右,但它影響著許多后續(xù)環(huán)節(jié),決定了產(chǎn)品總成CBR工藝規(guī)劃進(jìn)行研究,并通過北京理工大學(xué)自行開本的80%。工藝規(guī)劃是產(chǎn)品開發(fā)的重要內(nèi)容是聯(lián)系發(fā)的BIT℃APP系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證設(shè)計(jì)和制造的橋梁,也是生產(chǎn)調(diào)度和控制的重要信息源頭,對(duì)整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)起著至關(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(shè)計(jì)是沿襲或者對(duì)以定義1:實(shí)例工藝,即在滿足特定設(shè)計(jì)要求條件下往的產(chǎn)品開發(fā)成果加以改進(jìn),而真正的創(chuàng)新設(shè)計(jì)在產(chǎn)所獲得的工藝設(shè)計(jì)結(jié)果不足以形成典型工藝,但具有品開發(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。年來人工智能領(lǐng)域的重要研究方向。為了加快產(chǎn)品開定義2:實(shí)例工藝庫,也稱實(shí)例工藝空間,是所有實(shí)發(fā)速度,提高產(chǎn)品開發(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(yīng)用到工藝規(guī)劃中來解決變型設(shè)計(jì)問題。素CNMHG藝都保存到實(shí)例工工藝設(shè)計(jì)一般不會(huì)從零開始,面對(duì)一個(gè)新的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shù)目以及每個(gè)特征的相似程度有關(guān),而且常常是不根據(jù)輸入的待設(shè)計(jì)零件信息,從實(shí)例工藝庫中檢確定的、模糊的。索出與當(dāng)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(guī)劃就是從實(shí)例工藝庫中尋求與目標(biāo)產(chǎn)品或法、歸納法和知識(shí)導(dǎo)引法。 BITCAPP系統(tǒng)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(biāo)產(chǎn)品或零件的相似實(shí)例的過程。(4)實(shí)例修正和存儲(chǔ)。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(jī)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(duì)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(duì)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(gòu)成的向量的修改方法是以最相似實(shí)例作為框架,對(duì)于不滿足設(shè)2基于實(shí)例工藝規(guī)劃模型計(jì)要求的部分由其中實(shí)例中的相應(yīng)部分手工補(bǔ)充。CBR工藝規(guī)劃的 BITCAPP系統(tǒng)由目標(biāo)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(jī)制、實(shí)例修正和存儲(chǔ)等幾個(gè)部3.1實(shí)例特征相似的計(jì)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(biāo)零件模型權(quán)重系數(shù)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(shù)PG)表示實(shí)例特征,對(duì)應(yīng)的屬性工藝設(shè)計(jì)實(shí)例推理輸入界面值,P()表示新零件特征屬性f對(duì)應(yīng)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(jù)特征值數(shù)據(jù)類型的不同,采用如下不同方法計(jì)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(xù)數(shù)值型特征相似度S存入實(shí)實(shí)例修改S()=max(P.(2)離散數(shù)值型特征相似度S工藝設(shè)計(jì)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(guī)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(biāo)零件模型。S,(0P0)≠P在基于實(shí)例工藝規(guī)劃之前,必須先獲取設(shè)計(jì)零件(4)編碼型特征相似度S的信息,建立目標(biāo)零件模型。零件的信息模型包括零件P的類型結(jié)構(gòu)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(shù)P)≠PMO征信息包括形狀信息和工程語義信息。新零件或?qū)嵗畲缶幋a位數(shù)(2)建立工藝實(shí)例庫。工藝實(shí)例庫是工藝師多年知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的積累,是干盲士抽成共術(shù)要求等特征項(xiàng)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(biāo)零件可以繼承實(shí)例的工藝路線;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(quán)重的確定步驟8:工藝師評(píng)判設(shè)計(jì)結(jié)果,并決定是否作為新根據(jù)匹配因子彼此間相對(duì)重要程度,經(jīng)過兩兩比的實(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(duì)4CBR應(yīng)用于 BITCAPP的關(guān)鍵技術(shù)于第j個(gè)特征在確定工藝規(guī)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(chǔ)效率。實(shí)算出第i個(gè)匹配因子的權(quán)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(chǔ)為描(5)述實(shí)例內(nèi)容特征及其值對(duì),實(shí)例的相似性是通過很顯然,這樣求得的權(quán)重滿足下式比較特征和值來完成(2)層次型( Hierarchy)根據(jù)與領(lǐng)域知識(shí)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(duì)于按照匹配因子之間重要度確定的權(quán)重,用戶抽象到具體逐漸拓展。還可以進(jìn)一步調(diào)整?；蛘?權(quán)重w全部由用戶手工指為了加快實(shí)例檢索速度,采用了三級(jí)遞階匹配策定,但要滿足公式(6)。略:零件類型層、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程包括以[形體為[回轉(zhuǎn)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(jī)槍國槍類[槍為四定義類步驟1:輸入設(shè)計(jì)要求P(f),其中j=1n,并設(shè)定相似性閾值T。5.6mm 7.62mm9mm12.7mm自定義層步驟2:由公式(5)設(shè)定實(shí)例i的第j個(gè)特征的權(quán)重因子y,滿足公式(6)。槍機(jī)機(jī)匣機(jī)座自定義類步驟3:設(shè)定實(shí)例庫中的實(shí)例總數(shù)為m,執(zhí)行循環(huán)r(i=1;槽類孔類7的相似實(shí)例。如果獲得實(shí)例個(gè)數(shù)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(hào)為當(dāng)前設(shè)計(jì)要求的相似實(shí)例;如果獲得實(shí)例個(gè)零件名稱數(shù)大于0,則由工藝師來確定被選實(shí)例。尺寸公差步驟7:由工藝師對(duì)確定的實(shí)例工藝進(jìn)行中國煤化工評(píng)價(jià),并根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果修改實(shí)例工藝內(nèi)容,直圖2CNMH(構(gòu)模型至滿意。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(jì)算實(shí)例和新設(shè)計(jì)零件的相似性信息層是實(shí)例的表達(dá)層。首先根據(jù)功能、形狀把實(shí)例零系數(shù)S的公式為件劃分為具有一定層次的不同類別,并以多叉樹的結(jié)構(gòu)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(duì)應(yīng)的零件的總體信息和特征信息,總體信息式中,K為實(shí)例與零件類型相同和相異的個(gè)數(shù)總和:L包括實(shí)例名稱、實(shí)例類型、長(zhǎng)徑比或方位面、材料類型為實(shí)例與零件總體信息相同和相異的個(gè)數(shù)總和M為等,特征信息包括特征類型和特征參數(shù)等實(shí)例與零件方位面相同和相異的個(gè)數(shù)總和;N為實(shí)例這種實(shí)例的組織結(jié)構(gòu)對(duì)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(shù)總和;S(4,t')為實(shí)例這種逐層遞進(jìn)檢索模式,對(duì)于每層信息都可設(shè)置不與零件類型相似性;S(p,p')為實(shí)例與零件在總體信同的權(quán)重m、2、21,使得m+2+1在工藝設(shè)計(jì)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(xiàn)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(duì)最終工藝方案作部分修應(yīng)用改即可。依據(jù)這種模型可以方便、準(zhǔn)確地提取實(shí)例。設(shè)現(xiàn)有某一產(chǎn)品型號(hào)箱體類零件(圖3)有6個(gè)方位42相似度計(jì)算面,在Z負(fù)向方位面上有一個(gè)通槽特征和一個(gè)通孔特BITCAPP系統(tǒng)從零件類型、總體信息和特征信息上征,在Y負(fù)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,零件類型指零件在產(chǎn)品中的02,m.03位置或零件的功能類型,特征包括零件特征形狀信息以7=槍械類,箱體類,機(jī)匣體](7有3個(gè)分類層次);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表示。因此,本文將零件類型素,其余與P相同);F={Z正向,Z負(fù)向,X正向,X負(fù)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(fù)向表示有6個(gè)方位面K=0(第一層,通比較因素,根據(jù)各影響因素的重要性,對(duì)各影響因素的相似系數(shù)加權(quán)求和形成零件與實(shí)例的相似性系數(shù)。零件與實(shí)例的相似性系數(shù)計(jì)算方法如下7={1,t…4表示零件的類型信息,4代表零件在層類型樹中的k個(gè)類型;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)例例的類型信息,'代表實(shí)例在類型樹中的k個(gè)類型;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(shù)的權(quán),1、u23、u4依次為零件類型、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(quán)值,滿足公式(6);S=SCNMHG較s')表示零件與實(shí)例屬性的相似性(當(dāng)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)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,箱體類,機(jī)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(fù)向,X正向,X負(fù)向,正向,Y負(fù)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(zhǎng)隔前上根據(jù)公式(8)蒙桁壁門壁肋|/墻門/樁//后S=0.2xS(槍械類)+S(箱體類)+S(機(jī)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(jié)果1040.2×S(Z正向,Z正向)+S(Z負(fù)向,Z負(fù)向)+…+S(YFig 5 Result of process-oriented component partition負(fù)向,H負(fù)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(dāng)初指定相似度閾值7=06,則該實(shí)例將被提5結(jié)束語取作為相似實(shí)例。本課題提出了飛機(jī)工藝組件劃分的模糊聚類方法。首先通過確定裝配結(jié)構(gòu)來建立裝配體的主體結(jié)構(gòu),5結(jié)束語然后基于模糊理論對(duì)裝配單元進(jìn)行聚類分析,得到工本文結(jié)合CBR技術(shù)在 BITCAPP中的應(yīng)用,分析了藝組件劃分方案。在進(jìn)行模糊聚類求解時(shí)采用了剛度、CBR原理和工藝規(guī)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(duì)象空間鄰近性3個(gè)指標(biāo)實(shí)例庫,實(shí)施三級(jí)匹配策略,最終得出相似實(shí)例,優(yōu)化進(jìn)行評(píng)判。設(shè)計(jì)手段。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)初步應(yīng)用到有關(guān)企業(yè),結(jié)果參考文獻(xiàn)表明,CBR工藝規(guī)劃方法較好地解決了企業(yè)工藝知識(shí)1楊璽,范玉青波音飛機(jī)裝配工藝流程數(shù)據(jù)的來源與的缺乏和獲取困難的問題,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(jié)果也逐漸逼近企業(yè)的工藝規(guī)范,為CAPP在企業(yè)2楊培林,朱均,陳曉南.裝配規(guī)劃中裝配體的表達(dá)及中應(yīng)用提供了一條便捷的途徑,可以說該技術(shù)具有很子裝配的識(shí)別西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),199,33(12):4043好的應(yīng)用前景。3 Ong N S, Wong Y C. 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