第29卷 第4期2002年8月湖 南 大 学 学 报 (自然科学版) () V o1. 29, N o. 4A ug . 2002文章编号:100022472(2002) 0420034204
专家系统在冲压模具初始设计中的应用
马 闯, 周 军, 钟志华
(湖南大学机械与汽车工程学院, 湖南长沙 410082) Ξ
摘 要:提出了专家系统应用于冲压模具初始设计的思路, 简要介绍了
此专家系统的总体结构, 详尽分析其知识表示方法、设计。关键词:专家系统; 中图分类号:T : A
n pp licati on of Expert System to
In itial Too l D esign of Sheet M etal Fo rm ing
M A Chuang , ZHOU Jun , ZHON G Zh i 2hua
(Co llege of M echanical and A utomo tive Engineering , H unan U niv , Changsha 410082, Ch ina ) Abstract :T h is paper p ropo ses the idea and b riefly in troduces the to tal structu re of the expert system abou t the in itiating fo r m ing too l design , and em phasizes analyzing the know ledge rep resen tati on , know ledge base structu re and inference design . T he O b ject 2O rien ted m ethod and database techno logy are in troduced in the design of know ledge rep 2resen tati on and know ledge base , and the inference engine com p rises tw o part :ob ject in 2ference engine and p rocedu re inference engine .
Key words :exp ert system ; fo r m ing too l design ; O b ject 2O rien ted ; database
随着机械工业的发展, 冲压模具应用的范围越来越广, 如何提高冲压模具加工的质量、速度成了一个关键问题。长期以来, 冲压模具设计仅依靠经验和简单的理论计算初定方案, 再根据反复的试模和修模逐步完成设计, 设计周期长, 费用高。有限元仿真软件出现后, 可以动态地模拟板料成形过程, 极大缩短了模具开发周期。
但是, 在有限元模拟前, 仍需要一个初始设计环节作为有限元计算的起点和修正的基础, 好的初始设计能使仿真快速收敛为最终结果。因此, 有限元模拟前的初始化工作仍需要有经验的技师来完成, 这就增加了有限元软件对工艺专家的依赖[1]。如能实现模具初始Ξ收稿日期:2001208228基金项目:国家杰出青年基金(59725511) 及国家自然科学基金(19832020) 资助项目作者简介:马 闯(1977-) , 女, 吉林省榆树市人, 湖南大学硕士。
第4期 马 闯等:专家系统在冲压模具初始设计中的应用 35设计的智能化, 则可以促进CA E CAM 的一体化进程。冲压模具初始设计专家系统的目的就是在有限元模拟前, 智能实现初始化工作, 降低冲压仿真过程对工艺专家的依赖。1 系统的总体结构
结合冲压件工艺设计的特点, 采用面向对象的系统分析设计方法[2]构造了面向对象的冲压模具初始设计专家系统。其总体结构如图1
。
领域工程师提取工件要素, 作为系统的起点, 然后经由输入模块将其存储到全局数据库中, 此全局数据库用来存储推理的中间结果及最终结果。而后, 推理机开始工作, 调用全局知识库中相应的子知识库, 完成推理过程。
2 知识表示及知识库的组织
211 面向对象的冲压模具初始设计知识获取与表示
要让此专家系统代替人类专家, 系统建造前必须要搜集丰富的专家知识, 用以构造知识库。选用什么样的知识表示方法, 则应根据领域知识的特点决定。对于机械设计这样的复杂领域知识, 一般的表示方法不但难以明晰地表示其结构, 而且会增加知识库复杂程度。面向对象的设计方法利用分解关系, 把复杂问题分解成为简单的子问题、子子问题, 并且使这些分解部分之间具有清楚的层次关系[3].
冲压模具初始设计中, 以面向对象为基础, 其知识类结构如图2所示。具体讲, 此初始设计中知识分成数表、经验公式、启发式规则等形式。可将其分为二类, 一是事实性知识(如材料参数、弯曲件尺寸参数) , 二是方法性知识(模具设计知识, 包括规则与过程、数表) 。下面为用C ++B u ilder 编写的V 形弯曲件知识类结构。
class TVB end :p ub lic TB end
{ p rivate : A n siString CN am e , Q u se ; ∥在继承弯曲件基类基础上, V 型弯曲件的事
实性知识
pub lic : vo id In itiateB endV (A n siString SN am e , A n siString SQ ues ) ; ∥初始化
36 湖南大学学报(自然科学版) 2002年
TB endV 类
vo id R eason (); ∥调用模具设计知识进行推理}
212 冲压件模具初始设计面向对象知识库
在此初始设计专家系统中, 事实性知识
以类对象的静态属性形式存在, 过程性知识
以对象方法的形式存在, 这些知识是该类对
象所独享的, 当用户输入一定的初始条件给
事实性知识赋值之后, 该类对象的子知识库
就建立起来了。多个类的子知识库的集合构
成了全局知识库。
在此面向对象的全局知识库中, , 分, [4], 只有这样, 才能不会因、修改而引进推理机的大改动。因此, 如何组织面向对象的知识库, 使其既具有知识和推理集成在模块中的功能, 又具有知识库推理机分离的特性, 是一个关键问题, 这对于知识库的维护、系统的扩充都有很大影响。
一方面, 初始设计专家系统中知识的组织采用数据库表形式, 数表经整理后直接存在数据库表中, 经验公式则以文本形式保存, 产生式规则分前提、结论部分也存入数表。这些原型知识是面向用户的, 因此称为原型知识库。原型知识库在推理中还需经过转换机构, 转为推理中所需的、计算机可接受的知识。
另一方面, 组织知识库时利用数据库“一对多”的关系, 对数据库中的各个对象类的知识进行划分, 主表与子表间用C lass N o (对象类号) 、Q ues N o (待求问题号) 相关联, 实现全局知识库和各对象类的子知识库间的“一对多”关系。主表如下图3示, 部分数据库表如表1～表3所示。C lass N o
1Partype V 形弯曲件Q ues N o 1
2Q ues N am e 圆角半径……
(b ) 待求问题……(a ) 零件类型图3 知识库表中主表
F ig . 3 M ain table in know ledge base tables
第4期 马 闯等:专家系统在冲压模具初始设计中的应用 37
表1 表格形式的数据库表
. 1 Table for m of dat abase t ables Tab
GridN o
1
2
8
9T abN o C lass N o Q ues N o [1**********]2FN 123t 121 t M aterial M aterial 3FN 2FN 3FN 41015FV 1FV 2FV 3FV 41. 31. 2……R t T heta R t T heta
……D theta D theta L y 12Y L y 12Y 221501352. 53表2 公式形式的数据库表
. 2 For m ula for m of t ables Tab
Fm laN o
1
2C lass N o 12Q ues N o 11r m e (E ・t ) 3c r . t 2+b ・((Ρs +Ρb ) 2) ・(r k =a (s +Ρb ) t ) 2
表3 规则形式的数据库表
. 3 Rule for m of dat abase t ables Tab
R uleN o
1
2C lass N o 11Q ues N o 11R uleCau r t =6r p =t r p =k ・(r +0. 5t ) -0. 5t R uleCon
……
3 推理机的设计
面向对象知识表示中“对象”是具有知识处理能力的实体, 不仅可存储知识, 还可以进行启发式推理。同时, 也由于面向对象的表示方法把产生式规则、过程及数表都集中到类对象中, 决定了这种表示方法在推理上的复杂性。在此初始设计专家系统中, 推理机分如下两个部分。
第一个部分是面向对象的推理机。当推理机开始运行时, 首先调用面向对象的推理机。它负责根据求解目标, 确定推理所位于的知识库。此步对提高推理效率有很大的影响。
第二个部分是面向过程的推理机。承接面向对象的推理机, 面向过程的推理机采用广度优先的正向搜索策略, 用户将与求解问题有关的信息存入全局数据库中, 推理机根据相关的信息, 找到与其匹配的项, 将结果存入全局数据库中, 再根据目前的推理状态选用知识, 如此反复, 直到得到问题的解。
具体来讲, 在此专家系统中, 当用户把零件类型、待求问题, 以及零件的尺寸、材料参数输入后, 一方面, 这些已知条件被存于全局数据库中, 另一方面, 此种零件类型的对象的知识库完全建立。推理开始时, 首先调用面向对象的推理机, 根据零件类型以及待求问题
(下转第71页)
第4期 曾常阳等:檩条在风吸力作用下的稳定计算 71
由于蒙皮支撑檩条受力性能的复杂性, 希望尽快多做足尺整体试验, 不断积累数据, 进一步提出合理的公式。
参考文献:
[1] CECS 102:98, 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程[S ].
[2] ENV 19932123D esign of steel structures [S ]. Part 123Supp lem entary rules fo r co ld fo r m ed th in
gauge m em ber and sheeting , ECS , 1996.
[3] A S N ZS 4600:1996Co ld 2fo r m ed Steel Structures [S ]. A ustralian N ew Zealand Standard . [4] DAV IES J M , J I AN G C , QU I N TON D ST . D esign of a Purlin System [A ]. Tw elfth Conference on Co ld 2Fo r m ed Steel Structures [C ]. St L ouis M , U S A , 1994[5] 张跃峰, 蔡益燕. [,
2000, 2(2) :13-18.
[6] 丁芸孙. ]) . (上接第37页)
(如上图3, 表1～3) , 实现具体对象知识库的检索定位; , 在公式型、规则型、数表型的知识库表中逐个搜索匹配, 直。
4 结 论
1) 采用面向对象的知识表示方法, 利用类的继承性及封装性, 能够充分表示领域知识。
2) 用数据库表形式分类组织知识库, 知识库的维护、扩充易于实现。
3) 知识库与推理机既体现封装性, 又相互独立, 推理过程采用面向对象的方法, 提高推理效率。
参考文献:
[1] 高凯祁, 胡世光。专家系统技术在覆盖件拉延工艺设计中的应用研究[J ]. 中国机械工程, 1998, 9
(3) :35-39.
[2] 汪成为, 郑小军, 彭木昌。面向对象分析、设计及应用[M ]. 北京:国防工业出版社, 1992。
[3] ST EV EN WAL CZ A K 。Know ledge acquisiti on and know ledge rep resentati on w ith class :the object 2
o riented paradigm [J ]. Expert System w ith A pp licati ons , 1998, 15:235-244.
[4] 吴慧中。机械设计专家系统研究与实践[M ]. 北京:中国铁道出版社, 1994。
第29卷 第4期2002年8月湖 南 大 学 学 报 (自然科学版) () V o1. 29, N o. 4A ug . 2002文章编号:100022472(2002) 0420034204
专家系统在冲压模具初始设计中的应用
马 闯, 周 军, 钟志华
(湖南大学机械与汽车工程学院, 湖南长沙 410082) Ξ
摘 要:提出了专家系统应用于冲压模具初始设计的思路, 简要介绍了
此专家系统的总体结构, 详尽分析其知识表示方法、设计。关键词:专家系统; 中图分类号:T : A
n pp licati on of Expert System to
In itial Too l D esign of Sheet M etal Fo rm ing
M A Chuang , ZHOU Jun , ZHON G Zh i 2hua
(Co llege of M echanical and A utomo tive Engineering , H unan U niv , Changsha 410082, Ch ina ) Abstract :T h is paper p ropo ses the idea and b riefly in troduces the to tal structu re of the expert system abou t the in itiating fo r m ing too l design , and em phasizes analyzing the know ledge rep resen tati on , know ledge base structu re and inference design . T he O b ject 2O rien ted m ethod and database techno logy are in troduced in the design of know ledge rep 2resen tati on and know ledge base , and the inference engine com p rises tw o part :ob ject in 2ference engine and p rocedu re inference engine .
Key words :exp ert system ; fo r m ing too l design ; O b ject 2O rien ted ; database
随着机械工业的发展, 冲压模具应用的范围越来越广, 如何提高冲压模具加工的质量、速度成了一个关键问题。长期以来, 冲压模具设计仅依靠经验和简单的理论计算初定方案, 再根据反复的试模和修模逐步完成设计, 设计周期长, 费用高。有限元仿真软件出现后, 可以动态地模拟板料成形过程, 极大缩短了模具开发周期。
但是, 在有限元模拟前, 仍需要一个初始设计环节作为有限元计算的起点和修正的基础, 好的初始设计能使仿真快速收敛为最终结果。因此, 有限元模拟前的初始化工作仍需要有经验的技师来完成, 这就增加了有限元软件对工艺专家的依赖[1]。如能实现模具初始Ξ收稿日期:2001208228基金项目:国家杰出青年基金(59725511) 及国家自然科学基金(19832020) 资助项目作者简介:马 闯(1977-) , 女, 吉林省榆树市人, 湖南大学硕士。
第4期 马 闯等:专家系统在冲压模具初始设计中的应用 35设计的智能化, 则可以促进CA E CAM 的一体化进程。冲压模具初始设计专家系统的目的就是在有限元模拟前, 智能实现初始化工作, 降低冲压仿真过程对工艺专家的依赖。1 系统的总体结构
结合冲压件工艺设计的特点, 采用面向对象的系统分析设计方法[2]构造了面向对象的冲压模具初始设计专家系统。其总体结构如图1
。
领域工程师提取工件要素, 作为系统的起点, 然后经由输入模块将其存储到全局数据库中, 此全局数据库用来存储推理的中间结果及最终结果。而后, 推理机开始工作, 调用全局知识库中相应的子知识库, 完成推理过程。
2 知识表示及知识库的组织
211 面向对象的冲压模具初始设计知识获取与表示
要让此专家系统代替人类专家, 系统建造前必须要搜集丰富的专家知识, 用以构造知识库。选用什么样的知识表示方法, 则应根据领域知识的特点决定。对于机械设计这样的复杂领域知识, 一般的表示方法不但难以明晰地表示其结构, 而且会增加知识库复杂程度。面向对象的设计方法利用分解关系, 把复杂问题分解成为简单的子问题、子子问题, 并且使这些分解部分之间具有清楚的层次关系[3].
冲压模具初始设计中, 以面向对象为基础, 其知识类结构如图2所示。具体讲, 此初始设计中知识分成数表、经验公式、启发式规则等形式。可将其分为二类, 一是事实性知识(如材料参数、弯曲件尺寸参数) , 二是方法性知识(模具设计知识, 包括规则与过程、数表) 。下面为用C ++B u ilder 编写的V 形弯曲件知识类结构。
class TVB end :p ub lic TB end
{ p rivate : A n siString CN am e , Q u se ; ∥在继承弯曲件基类基础上, V 型弯曲件的事
实性知识
pub lic : vo id In itiateB endV (A n siString SN am e , A n siString SQ ues ) ; ∥初始化
36 湖南大学学报(自然科学版) 2002年
TB endV 类
vo id R eason (); ∥调用模具设计知识进行推理}
212 冲压件模具初始设计面向对象知识库
在此初始设计专家系统中, 事实性知识
以类对象的静态属性形式存在, 过程性知识
以对象方法的形式存在, 这些知识是该类对
象所独享的, 当用户输入一定的初始条件给
事实性知识赋值之后, 该类对象的子知识库
就建立起来了。多个类的子知识库的集合构
成了全局知识库。
在此面向对象的全局知识库中, , 分, [4], 只有这样, 才能不会因、修改而引进推理机的大改动。因此, 如何组织面向对象的知识库, 使其既具有知识和推理集成在模块中的功能, 又具有知识库推理机分离的特性, 是一个关键问题, 这对于知识库的维护、系统的扩充都有很大影响。
一方面, 初始设计专家系统中知识的组织采用数据库表形式, 数表经整理后直接存在数据库表中, 经验公式则以文本形式保存, 产生式规则分前提、结论部分也存入数表。这些原型知识是面向用户的, 因此称为原型知识库。原型知识库在推理中还需经过转换机构, 转为推理中所需的、计算机可接受的知识。
另一方面, 组织知识库时利用数据库“一对多”的关系, 对数据库中的各个对象类的知识进行划分, 主表与子表间用C lass N o (对象类号) 、Q ues N o (待求问题号) 相关联, 实现全局知识库和各对象类的子知识库间的“一对多”关系。主表如下图3示, 部分数据库表如表1～表3所示。C lass N o
1Partype V 形弯曲件Q ues N o 1
2Q ues N am e 圆角半径……
(b ) 待求问题……(a ) 零件类型图3 知识库表中主表
F ig . 3 M ain table in know ledge base tables
第4期 马 闯等:专家系统在冲压模具初始设计中的应用 37
表1 表格形式的数据库表
. 1 Table for m of dat abase t ables Tab
GridN o
1
2
8
9T abN o C lass N o Q ues N o [1**********]2FN 123t 121 t M aterial M aterial 3FN 2FN 3FN 41015FV 1FV 2FV 3FV 41. 31. 2……R t T heta R t T heta
……D theta D theta L y 12Y L y 12Y 221501352. 53表2 公式形式的数据库表
. 2 For m ula for m of t ables Tab
Fm laN o
1
2C lass N o 12Q ues N o 11r m e (E ・t ) 3c r . t 2+b ・((Ρs +Ρb ) 2) ・(r k =a (s +Ρb ) t ) 2
表3 规则形式的数据库表
. 3 Rule for m of dat abase t ables Tab
R uleN o
1
2C lass N o 11Q ues N o 11R uleCau r t =6r p =t r p =k ・(r +0. 5t ) -0. 5t R uleCon
……
3 推理机的设计
面向对象知识表示中“对象”是具有知识处理能力的实体, 不仅可存储知识, 还可以进行启发式推理。同时, 也由于面向对象的表示方法把产生式规则、过程及数表都集中到类对象中, 决定了这种表示方法在推理上的复杂性。在此初始设计专家系统中, 推理机分如下两个部分。
第一个部分是面向对象的推理机。当推理机开始运行时, 首先调用面向对象的推理机。它负责根据求解目标, 确定推理所位于的知识库。此步对提高推理效率有很大的影响。
第二个部分是面向过程的推理机。承接面向对象的推理机, 面向过程的推理机采用广度优先的正向搜索策略, 用户将与求解问题有关的信息存入全局数据库中, 推理机根据相关的信息, 找到与其匹配的项, 将结果存入全局数据库中, 再根据目前的推理状态选用知识, 如此反复, 直到得到问题的解。
具体来讲, 在此专家系统中, 当用户把零件类型、待求问题, 以及零件的尺寸、材料参数输入后, 一方面, 这些已知条件被存于全局数据库中, 另一方面, 此种零件类型的对象的知识库完全建立。推理开始时, 首先调用面向对象的推理机, 根据零件类型以及待求问题
(下转第71页)
第4期 曾常阳等:檩条在风吸力作用下的稳定计算 71
由于蒙皮支撑檩条受力性能的复杂性, 希望尽快多做足尺整体试验, 不断积累数据, 进一步提出合理的公式。
参考文献:
[1] CECS 102:98, 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程[S ].
[2] ENV 19932123D esign of steel structures [S ]. Part 123Supp lem entary rules fo r co ld fo r m ed th in
gauge m em ber and sheeting , ECS , 1996.
[3] A S N ZS 4600:1996Co ld 2fo r m ed Steel Structures [S ]. A ustralian N ew Zealand Standard . [4] DAV IES J M , J I AN G C , QU I N TON D ST . D esign of a Purlin System [A ]. Tw elfth Conference on Co ld 2Fo r m ed Steel Structures [C ]. St L ouis M , U S A , 1994[5] 张跃峰, 蔡益燕. [,
2000, 2(2) :13-18.
[6] 丁芸孙. ]) . (上接第37页)
(如上图3, 表1～3) , 实现具体对象知识库的检索定位; , 在公式型、规则型、数表型的知识库表中逐个搜索匹配, 直。
4 结 论
1) 采用面向对象的知识表示方法, 利用类的继承性及封装性, 能够充分表示领域知识。
2) 用数据库表形式分类组织知识库, 知识库的维护、扩充易于实现。
3) 知识库与推理机既体现封装性, 又相互独立, 推理过程采用面向对象的方法, 提高推理效率。
参考文献:
[1] 高凯祁, 胡世光。专家系统技术在覆盖件拉延工艺设计中的应用研究[J ]. 中国机械工程, 1998, 9
(3) :35-39.
[2] 汪成为, 郑小军, 彭木昌。面向对象分析、设计及应用[M ]. 北京:国防工业出版社, 1992。
[3] ST EV EN WAL CZ A K 。Know ledge acquisiti on and know ledge rep resentati on w ith class :the object 2
o riented paradigm [J ]. Expert System w ith A pp licati ons , 1998, 15:235-244.
[4] 吴慧中。机械设计专家系统研究与实践[M ]. 北京:中国铁道出版社, 1994。