基于回轉(zhuǎn)體實(shí)例檢索的CAPP系統(tǒng)研究

李尚遠(yuǎn) 馮桂坤 王兵強(qiáng) 丁志超

【摘 要】以回轉(zhuǎn)體零件為例，對(duì)基于實(shí)例檢索的CAPP系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)研究。以已存在的實(shí)例作

為基礎(chǔ)構(gòu)建實(shí)例庫(kù)，對(duì)目標(biāo)零件按照一定的規(guī)則進(jìn)行編碼和相似件的檢索算法，借助良好的人機(jī)交互界面，根據(jù)目標(biāo)零件編碼從實(shí)例庫(kù)中檢索出相似件。當(dāng)檢索出的實(shí)例與所需求的零件不符時(shí)可以對(duì)實(shí)例庫(kù)進(jìn)行修改，提高實(shí)例庫(kù)的準(zhǔn)確性和效率。

【關(guān)鍵詞】回轉(zhuǎn)體零件；實(shí)例檢索；CAPP系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： TP391.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）21-0039-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.21.018

【Abstract】Take the rotary parts as sample to take on the technical research of CAPP system based on case retrieval. Building the case base based on the cases which already exists：Set up the rules about the parts expression and input and make retrieval algorithm of similar part.By the favorable man-machine interface，the similar parts can be retrieved from the case according to the target parts feature.When there are no entries in the directory case base that match your search case，some correction will be made to the case base to meet the need of the users.

【Key words】Rotary part；Case retrieval；CAPP system

0 引言

CAPP在制造企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化中起著非常重要的作用， CAPP系統(tǒng)可以減輕工藝工程師的繁重勞動(dòng)，減少工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中的某些人力勞動(dòng)，同時(shí)減少了人在設(shè)計(jì)過(guò)程中由于某些忽略而造成的錯(cuò)誤，從而提高工藝過(guò)程設(shè)計(jì)的質(zhì)量，有利于推動(dòng)CAPP向著工具化方向的發(fā)展，以適應(yīng)不同企業(yè)對(duì)于柔性、通用化的工藝資源管理的要求[1]。

基于實(shí)例檢索的CAPP系統(tǒng)是近年來(lái)人工智能領(lǐng)域的重要研究方向。它的出現(xiàn)大大加快了產(chǎn)品的開發(fā)速度，可以幫助人們快速解決生產(chǎn)設(shè)計(jì)中遇到的問(wèn)題。基于實(shí)例的檢索推理方法以先前成功的工藝設(shè)計(jì)實(shí)例為起點(diǎn)，以特征信息為導(dǎo)引從實(shí)例庫(kù)中提取與該零件相似的特征實(shí)例，進(jìn)行當(dāng)前新問(wèn)題的檢索求解。

1 零件信息描述

零件可以由基于特征的幾何結(jié)構(gòu)和加工工藝來(lái)進(jìn)行描述。零件的一個(gè)基本特征由一個(gè)主特征與幾個(gè)輔特征組成。其中主特征主要指零件的基本幾何形狀，例如面、槽等；輔特征則用于對(duì)主特征做局部修飾，例如倒角、退刀槽等。同一類零件的特征類型、數(shù)量和相互關(guān)系有相似之處。

在本文中我們采用多層次的樹形結(jié)構(gòu)來(lái)描述整個(gè)的零件信息模型，如圖1所示。位于頂端的特定節(jié)點(diǎn)稱為根節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)根節(jié)點(diǎn)都代表一個(gè)實(shí)例的存在。根節(jié)點(diǎn)下面又分出許多的子節(jié)點(diǎn)，這些子節(jié)點(diǎn)代表著實(shí)例的各個(gè)主特征。這些主特征的子節(jié)點(diǎn)上有的又會(huì)分出各種輔特征。這些節(jié)點(diǎn)平行的為兄弟關(guān)系，上下的為父子關(guān)系。當(dāng)檢索這些特征時(shí)，按照“先父子后兄弟”的順序進(jìn)行：首先判斷每一個(gè)節(jié)點(diǎn)有無(wú)子節(jié)點(diǎn)，當(dāng)子節(jié)點(diǎn)為空時(shí)停止父子檢索；進(jìn)一步判斷是否存在兄弟節(jié)點(diǎn)。在樹形結(jié)構(gòu)中，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都對(duì)應(yīng)零件特征，如鍵槽、倒角等。樹中節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)采用鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)結(jié)構(gòu)。

2 編碼模型的確立

在上述結(jié)構(gòu)層次的基礎(chǔ)上，引入相應(yīng)的編碼方法，就可以建立實(shí)例的索引模型。編碼是用來(lái)對(duì)實(shí)例零件的各個(gè)特征進(jìn)行描述和標(biāo)識(shí)的。實(shí)例庫(kù)中的每一個(gè)實(shí)例都有一個(gè)編碼與之對(duì)應(yīng)。根據(jù)分類編碼體系的規(guī)則，用字符描述和標(biāo)識(shí)零件特征就是對(duì)零件進(jìn)行分類編碼的過(guò)程。對(duì)零件的各個(gè)特征及屬性進(jìn)行編碼操作后，零件的信息和數(shù)據(jù)就可以代碼化，從而便于計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理、檢索和信息交流[2]。

本文以日本的KK-3編碼系統(tǒng)為基礎(chǔ)，對(duì)其21位編碼進(jìn)行簡(jiǎn)化，選擇對(duì)本系統(tǒng)應(yīng)用意義較大的14位編碼，形成本系統(tǒng)的編碼方式，零件部分編碼見(jiàn)表1.其中的第一個(gè)數(shù)字代表零件的長(zhǎng)徑比，第二個(gè)數(shù)字代表零件的單元數(shù)量，以此類推……此時(shí)零件就可以以14位的編碼數(shù)字描述出來(lái)。

3 實(shí)例檢索的相似計(jì)算

通過(guò)輸入零件編碼從實(shí)例庫(kù)中搜索出的實(shí)例可能與零件不是完全相似。此時(shí)便需要進(jìn)行實(shí)例與零件的相似度的計(jì)算。通過(guò)計(jì)算可以得出實(shí)例庫(kù)中與新零件最相似的實(shí)例件，并將最相似的三個(gè)零件羅列在界面上供用戶選擇，如圖2。

相似性系數(shù)就是用于衡量新零件與實(shí)例零件相似程度的一個(gè)參數(shù)。相似性系數(shù)不但與零件類型、特征（包括主、輔特征）的類型等因素有關(guān)，還與零件的材料類型、熱處理方法、毛坯類型、生產(chǎn)類型以及形狀特征的精度等級(jí)、表面粗糙度和形位公差等因素有關(guān)[3]。通過(guò)相似度計(jì)算來(lái)確定最符合需要的實(shí)例。根據(jù)大量的實(shí)踐和分析總結(jié)，設(shè)從實(shí)例庫(kù)中檢索到n個(gè)相似的實(shí)例，則零件特征的相似性計(jì)算公式Sf為：

式中fik為零件特征中的第i個(gè)屬性的相似系數(shù)，ωi為該屬性的權(quán)重系數(shù)。權(quán)重系數(shù)介于[0，1]之間。如果新零件的長(zhǎng)徑比、毛坯類型、材料類型、熱處理方式與實(shí)例零件的長(zhǎng)徑比、毛坯類型、材料類型、熱處理方式逐一比較，若相同，則對(duì)應(yīng)的相似系數(shù)fik的取值為1；若不相同，則公式中對(duì)應(yīng)的相似系數(shù)取值為0.零件主特征相似系數(shù)與輔特征相似系數(shù)的計(jì)算公式如下：

其中主特征包括單元數(shù)量、螺紋及槽、加工精度、外部形狀及加工、平面或曲面加工；輔特征包括軸線情況、輔助加工、主要加工面、表面粗糙度、內(nèi)部形狀及其加工。

新零件與實(shí)例零件主（輔）特征相匹配的含義如下：

（1）新零件和實(shí)例零件相對(duì)應(yīng)的特征類型相同，比如單元數(shù)量相同，外部形狀同為外圓柱面或者鍵槽，加工精度、加工方法相同等。

（2）新零件和實(shí)例對(duì)應(yīng)的特征局部熱處理方法相同，或新零件和實(shí)例零件的總體熱處理方法相同。

系統(tǒng)通過(guò)以上的計(jì)算就可以檢索出實(shí)例庫(kù)中與新零件最相似的實(shí)例件，其工作的主要流程如圖3。

4 相似工藝的適應(yīng)性修改

一般情況下，經(jīng)過(guò)檢索實(shí)例庫(kù)得到的實(shí)例零件無(wú)法直接進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)的調(diào)用，此時(shí)要對(duì)檢索件工藝根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整。主要調(diào)整情況如下：

（1）檢索的零件具有的特征元素少于當(dāng)前零件的特征元素，則需要增加輔助計(jì)劃到檢索到的零件工藝特征中生成當(dāng)前零件的工藝特征[4]。

（2）實(shí)例零件比新零件具有更多的零件工藝特征，需要?jiǎng)h除后才能生成當(dāng)前零件的工藝特征。

（3）實(shí)例零件的某些特征元素與當(dāng)前零件的特征元素不匹配，具體情形如下：

實(shí)例零件的部分特征元素可通過(guò)簡(jiǎn)單加工成為當(dāng)前零件的響應(yīng)特征元素，此時(shí)需要按照（1）情況進(jìn)行處理。

實(shí)例零件的部分特征元素比新零件的單元特征要復(fù)雜，則需要按照情況（2）進(jìn)行處理。

根據(jù)以上的情況，相似工藝的修改應(yīng)有相應(yīng)的修改操作，以便生成滿足新零件制造要求的工藝規(guī)程。

5 結(jié)束語(yǔ)

零件加工工藝的設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的工程，需要考慮很多方面的因素。實(shí)現(xiàn)CAPP系統(tǒng)的智能化還會(huì)有很多的困難。本文開發(fā)的基于回轉(zhuǎn)體實(shí)例檢索的CAPP系統(tǒng)首先根據(jù)用戶輸入零件特征元素來(lái)獲得目標(biāo)零件的相應(yīng)編碼，進(jìn)一步進(jìn)入該類型零件的實(shí)例數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)相似性判定原則選取與期望目標(biāo)相近似的實(shí)例零件，并按照相似系數(shù)計(jì)算公式進(jìn)行相似度大小的判定，并為用戶提供三個(gè)最為相近實(shí)例作為候選實(shí)例零件。通過(guò)這種方法可以有效提升結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加工效率，同時(shí)隨著檢索件的增多可進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)例庫(kù)的豐富，為今后的加工提供更多依據(jù)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]李晶耀.面向?qū)ο蟮腃APP系統(tǒng)的研究與開發(fā)：（碩士學(xué)位論文）.天津：天津工業(yè)大學(xué).2004.

[2]邢建國(guó)，譚建榮.實(shí)例檢索策略及其在減速器零件CAPP中的應(yīng)用[J].中國(guó)機(jī)械工程.2000，1l（9）：1064—1066.

[3]諶祖輝.回轉(zhuǎn)類零件工藝設(shè)計(jì)CBR系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)研究：（碩士學(xué)位論文）.陜西：西北工業(yè)大學(xué).2006.

[4]邢建國(guó).定制生產(chǎn)下工藝可重用理論、方法及關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用：（博士學(xué)位論文）.浙江：浙江大學(xué).2004.