CBR在沖壓工藝設計系統中應用分析

閆 波YAN Bo

（山西機電職業技術學院，長治 046011）

0 引言

對于廣泛地應用于輕紡、汽車、機電、家用電器、儀器儀表等領域的沖壓產品來說，沖壓技術已成為國防工業及民用工業生產中必不可少的加工方法，在現代工業生產中占有十分重要的地位[1,2]。沖壓工藝設計是連接產品設計與產品制造之間的橋梁，它對組織生產、保證產品質量、提高勞動生產率、降低成本、縮短生產周期及改善勞動條件等都有著直接的影響，因此是生產中的關鍵工作[3]。

CBR(Case Based Reasoning)作為人工智能的一種推理技術[4]，它的基本原理就是把以前的實例按照一定的方式組織起來，存儲在知識實例庫中，即直接模擬人類思維模式，利用相似實例的解來求解當前問題，當被檢索出的事例與新問題相似但不一致時，可在舊的實例基礎上做適當的調整和修改，以滿足新的情況并獲得問題的解，其解決問題的方法與以經驗設計為主的工藝設計過程極為相似。CBR提供靈活的機制，使用戶充分利用以往的成功經驗，且易于變化和更新，將會在沖壓工藝設計中顯示出獨特的優勢。

1 基于CBR的沖壓工藝設計系統的架構

1.1 基于CBR的沖壓工藝設計系統的體系結構

對于基于CBR的沖壓工藝設計系統來說，在用戶需求的基礎上，考慮相關沖壓工藝實例和設計資源的特點，沖壓工藝設計輸入的零件模型。其主要由應用層、基礎平臺和數據接口三部分組成。對于應用層來說，主要由用戶操作界面、功能實現層(包括實例表示、實例檢索、實例參考、沖壓工藝設計和實例管理)和支持層(包括設計流程向導、工藝設計知識庫、設計資源管理、實例庫)。由于CBR檢索的復雜性和工藝設計影響因素的多樣性，所以系統將在實現智能化的同時提供交互設計的平臺，以幫助用戶更優的完成設計。

1.2 基于CBR的沖壓工藝設計系統的功能模型

根據CBR的基本原理以及沖壓工藝設計的實際情況，將系統的任務分解為五個方面：

1）實例表示：主要完成部分包括沖壓件產品的信息輸入和特征分析兩個部分。對于沖壓信息來說，這是工藝設計的基礎和依據，精度信息、生產批量、三維模型、材料信息等則為其信息；同時，用于自動識別沖壓件的形狀特征則是特征分析部分主要功能。

2）實例檢索：在考慮目標沖壓件的信息基礎上，完成相關的檢索的條件(包括權重設置和檢索設置)，最相似的實例經過算法檢索出，這就能夠更好對于后續的工藝設計進行輔助。

3）實例參考：提供檢索出的相似實例的基本信息及工藝設計成果，由用戶選出最有參考價值與意義的實例作為最終設計的參考。

4）基于實例的工藝設計：參考所選擇的相似實例的工藝設計描述，根據實際的情況，分別進行合理的設計工步排樣、毛坯排樣、彎曲件展開和工藝參數計算四部分工藝。

5）實例管理：為保證實例檢索的效率和質量，由實例項的增加、修改、刪除和實例類別的管理組成，同時防止出現實例庫過于膨脹。

系統功能模型采用IDEF0方法建立。系統通過A-0圖確定范圍，同時建模的目的和觀點也較為明顯的體現出來。圖1為基于CBR的沖壓工藝設計系統的A-0功能模型，其中，對于一個沖壓工藝設計系統來說，作為進一步功能分解的基礎的外部接口和外部環境，其用4個方向的箭頭來表示。

圖1 基于CBR的沖壓工藝設計系統的A-0功能模型

A-0圖經過一次分解形成了A0圖，整個系統的主要組成以及他們之間關系在A0圖得以反映，其中， A0圖由5個模塊組成：實例表示A1、實例檢索A2、實例參考A3、基于實例的工藝設計A4和實例管理A5。CAD軟件系統、數據庫和工作站等軟硬件能夠保證本系統順利運行。

利用自頂向下逐層分解對于系統A0處理，這樣系統總體結構及各個功能模塊設計的主要依據的完整的系統功能模型就可以建立。

1.3 基于CBR的沖壓工藝設計系統的運行流程

基于CBR的沖壓工藝設計系統實現了CBR在沖壓工藝設計領域中的應用。系統模型以CBR的一般流程為主線，包括實例表示、實例檢索、實例修改、實例存儲等技術，同時結合沖壓工藝設計領域的特點，經研究和分析，在沖壓工藝實例表示、實例檢索中的權重設置、實例庫的設計等方面作了符合沖壓工藝設計特點的改進。基于CBR的沖壓工藝設計流程如圖2所示。

2 基于CBR的沖壓工藝設計系統的應用實例

完成原型系統的設計與創建，基于CBR的沖壓工藝設計系統主要包括實例表示、實例檢索、實例參考、沖壓工藝設計和實例管理五個模塊。下面以沖壓件為例，介紹系統運行流程。

圖2 基于CBR的沖壓工藝設計圖

2.1 實例表示

實例表示模塊由沖壓件信息和特征識別組成，建立沖壓件信息模型，并以此作為實例檢索模塊進行分析比較的基礎。

1）沖壓件信息

用戶選擇沖壓件的三維模型、類型、生產批量等信息。其中，數據庫中存有各種材料的名稱、牌號、狀態阻及抗剪強度、抗拉強度、屈服強度、伸長率和彈性模量等力學性能參數，用戶既可直接調用這些數據，也可根據實際使用材料的性能進行更改。

2）特征識別部分

系統自動調出當前作業的沖壓件，選擇“特征識別”按鈕，實現沖壓件的形狀特征的自動識別，識別的特征結果顯示于對應的列表中。

2.2 實例檢索

1）權重設置

系統默認的權重值在編輯框中顯示，用戶可以自行調整這些值。總體權重分為二維展開輪廓、拓撲關系、設計特征和板材精度四個部分，再分別對每一部分中的特征或屬性進行權重設置。在設置時保證每個方框中所設值之和為1。

2）檢索設置

用戶可以設定每一階段的相似度閥值，只有在該階段的相似度值大于所設閥值的實例，才能進入下一階段的比較或者作為相似實例，系統默認的值為0。在檢索結果的設定方面，既可以按數量只顯示相似實例。也可以選擇按相似度總體闊值，大于該閥值的實例列入相似實例列表中。

3）檢索計算

本系統檢索的實例按相似度的大小顯示在列表出，供用戶選擇。如用戶對檢索的結果不滿意，可以修政權重設置和檢索設置，重新檢索計算。

2.3 實例參考

在進行工藝設計之前或者過程中，可以對系統檢索出的相似實例進行查看獲得當前設計的參考，包括實例的基本信息、三維模型以及工藝設計結果等，從而實現對工藝設計的支持。在列表中選擇某一實例，可以分別查看該實倒的基本信息、三維模型、詳細工藝設計、毛坯展開圖、毛坯排樣圖、毛坯刃口定義圖、刃口分布圖和工步排樣圖。

選擇點擊“實例基本信息”按鈕．彈出“實例基本信息”界面，在該界面中，系統調出該實例的名稱、類型、生產批量、模具類型、導向方式、材料名稱、牌號、厚度、各項特性等數據。

在“相似實例工藝設計參考”界面中，可查看該實例的沖壓工藝，包括詳細工藝數據以及工藝設計的各結果。通過以上對實例基本信息以及各項工藝數據、毛坯捧樣圖、工步排樣圖等工藝設計結果的查看，設計人員可以在設計之前或設計過程中對目標沖壓件的工藝設計得到類似方案的指導與參考，避免重復性的勞動．提高設計的效率。

2.4 基于實例的工藝設計

毛坯彎曲件展開、毛坯排樣、工步排樣和工藝參數計算構成了沖壓工藝設計主要過程。在基于CBR的沖壓工藝設計中，實例應用主要體現在毛坯排樣和工步排樣這兩個環節。

2.5 實例管理

實例庫的管理和實例管理是實例管理的兩個部分，用于保證實例檢索的效率和質量，防止出現實例庫過于膨脹。系統將數據庫中所有實例按類別顯示在列表中。

1）實例類別管理

實側類別表示功能或工藝相似的一類實例，方便用戶的管理和查看。實例類別的管理包括實例類別的增加、刪除等操作。用戶選擇“增加類別”按鈕，在新類別名稱中填入“特殊件”這一實例類型。點擊“確定”后，新增加的實例類別就會顯示在列表中。

在實例類別刪除的界面中，在列表中選擇要刪除的實例類別，點擊“刪除類別”按鈕，如果該實例下存有實例，則給出提示。

2）實例項管理

實例項管理包括實例的增加、刪除、瀏覽等操作。

在實例增加的操作界面中，用戶選擇新實例所屬的實例類別，點擊“增加實例”按鈕，彈出“增加實例”對話框，選擇作業表中未列為實倒的所有作業。所增加的實例必須是工藝設計完整的實例，否則作出提示。點擊“實例查看”按鈕，彈出“實例信息”界面，列表中顯示當前實例庫中的所有實例，選擇的具體實例，查看需要了解的數據或圖解。

3 結束語

在考慮開發平臺背景以及功能需求的基于上，本文對于基于CBR的沖壓工藝設計系統的體系結構進行詳細分析，通過建立合理的系統的功能模型，探討了系統各個模塊的具體功能及模塊間的邏輯關系。比如，系統的應用實例應該包括實例表示、實例檢索、實例瀏覽、沖壓工藝設計和實例管理的運行流程。實例表明該系統，將基于實例推理的沖壓工藝設計的理念貫徹在整個設計過程中。實踐證明，本系統滿足工藝設計的智能化和快速化的要求，對于今后類似設計具有一定借鑒作用。

[1] 王哲英,馬明旭,楊遠龍.基于Pro/E的液晶顯示器支架的沖壓工藝與模具設計[J].機械設計與制造,2009,(2).

[2] 沈凌,阮鋒.模糊評價在汽車覆蓋件沖壓工藝方案優選中的應用[J].機械設計與制造,2006,(6).

[3] 羅意平,王玉國,楊岳.利用用戶定義特征實現的沖壓CAD/CAPP集成系統[J].制造業自動化, 2003,25(8).

[4] 陳文勇,楊達飛.汽車引擎蓋板沖壓成形CAD技術研究[J].制造業自動化,2010,32(8).