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案例型推理在壓鑄模具設計上的應用(一)
機械工程系.新加坡國立大學.肯特坊嶺.新加坡
這篇文章提出一項基于案例型推理（CBR）上的壓鑄模具設計的研究。而不同于傳統的關于壓鑄的計算機輔助系統。這個系統按照案例把知識和經驗儲存起來。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，系統就能夠發揮自身的經驗積累。工作包括：
1．制定一個案例型推理在壓鑄模具設計的環境以便系統能夠從以前咨詢自己的內容中自我學習并且變得更有效率。
2．制定一個有效的案例反映和調整統計方法，來有效率的再利用以前的設計資源。
這篇文章主要針對壓鑄模具設計。不過通常建議的框架通過具體特征程序和編碼程序的設計規則來適應其他的程序（例如裝配設計和注射模設計）。
關鍵詞：案例型推理；壓鑄；參數設計
1.介紹
壓鑄模具設計是一個需要反復手工經驗的過程和解決問題的技巧。當用那些擅長演示詳細設計任務的傳統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計的經驗和資源。此外，最終模具設計的質量很大程度上取決于設計者的技巧。因而需要大量關于材料、機械的知識，而且運作需要去制造一個模具。然而運用計算機輔助設計技術被廣泛認為是一個替代物來滿足完成一個更短時間的壓鑄模具設計。
隨著人工智能技術在壓鑄模具設計上的應用，一些職工已經試圖具體體現設計上的知識和經驗在一個專家系統中。然而專家系統的發展受到限制。因為：
壓鑄模具設計的知識和經驗太復雜了以至于不能用簡單的規則表達出來。
它不能輕易的獲得和表達出來在一個專家系統中。
它很難組織和識別特點。
近些年來，一個案例型推理的統計分析方法已被提出。一個案例的記錄不僅僅是一個結果，而是設計概念和意向。例如在什么情況下，根據什么樣的情況，取得這樣的結果如何。一個案例型推理系統修改調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。各種情況的輔助設計工具已經開發了許多工作例如，在塑造注射和設計、建筑設計、裝修設計、過程規則。
我們旨在建設一個案例型推理設計環境來支持在壓鑄模具設計上的可重復使用。為了最大利用案例型設計的幫助，系統不能設計成獨立的體系，而是作為一個完整統一的框架支持設計過程的所有階段和利用各種與設計決定有關的信息資源。我探究壓鑄模具設計的潛在本質來知道怎樣改進發展案例型推理的應用。
這不僅是一個案例型推理系統，更是一個系統設計環境。案例型推理方法是一個以支持重復使用整體設計過程的基本體制被結合的 。這可以簡單的嵌入在傳統規則或知識型設計系統上。
這個系統結構的檢索側重于壓鑄模具設計而不是壓鑄件形狀設計。因此案例庫可以有效準確的檢索。而且索引代碼可以簡單的定義擴展。采用最新的參數設計技術來滿足案例典型性和適應性。這使得系統 可以輕易的進行案例情況調整。
2.壓鑄模具設計原理
產品設計，壓杵模具設計可以被看作是一個包括設計決定，評估可接受性和做必要修改的解決問題的過程。通常壓鑄模具設計師一般將設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，頂出機構。實現這些次要功能的足見通常是獨立于產品生產。更重要的是它們通常在結構上和形狀上類似于不同的壓鑄模具。
椐估計90%以上的模具設計基于變量設計。這意味著當一個新的設計問題出現時，用場是通過改變現有設計問題，而非從零開始解決問題。壓鑄件有一系列廣泛的尺寸和結構布局，從精密零件到高性能部件都很難定位和分類。壓鑄產品的形狀可能很復雜和不同于某些情況。但結構和功能總是相似的。特別市產品獨立組成部分，因為重復義勇先前的設計是有重大價值的。
為了滿足分配功能的完成，壓鑄模具設計可以分為以下模快設計：
充料系統 充料系統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外切削出來的結構。
頂出系統 由于收縮過程，產品回粘在動模的型芯上。各種形式的結構用來安裝在模具上如下：推桿、頂出器、頂出套筒、頂出環、頂出板、而級頂出機構。
冷卻系統 借助一個冷卻媒介（水，油）流經管道冷卻系統，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。
標準部件 這些部件包括所有的必要的模具底版、導軌、澆口襯套、澆注分布器、導拄、頂出導桿、復位導桿等。
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。當系統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，讓后改變調整這些案例來適應新的問題。此循環活動包括四個步驟：
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．修正調整以滿足要求。
4．一旦被確認或在一些規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則性推理，案例型推理的優點是：
它要更相似于人類的思維模式。
案例庫的建立要比規則庫的建立更簡單更快捷。
它比規則庫更好的調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域相一致。
3.2 案例庫設計
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計和模型設計；外形特征設計的抽出是案例庫設計最主要考慮的。
另一個要考慮的是案例在案例庫里的組織結構。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，語義網絡式結構或這些形式的作和。在這項工作中，所有的案例都按各種層次和結構線性名單的結構形式儲存。
在案例庫的設計中，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。下面分小節單獨討論。
3.2.1 案例索引結構
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。在創建案例檢索是有兩點要考慮。首先，重要的特征應首先進行檢索，然后將其他組織排列。這樣案例庫可以更有效和準確的搜索。其次必須按照指定設計師設計的模具的方法進行檢索。
在案例索引的構造過程中，最費時和復雜的程序是案例的分類和編碼。許多系統（例如OPTIZ、DCLASS和KK-3）已經在全世界廣泛的發展。但是沒有一個被普遍采用。原因之一是分類和編碼必須設計靈活，能為用戶提供設計環境。
在這篇文章里，主要的案例檢索形式結構是根據塑件形狀和相符模具的結構所創建的。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．產品形狀 由于廣泛系列和復雜的壓鑄件形狀，它很難通過語義描述所區別開。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、機架、殼體、蓋罩和復雜形狀。這些分類可以按照公司或企業的客戶要求而編制。
2．充料系統 充料系統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設計。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：標準澆口，扇形澆口，環形澆口，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，它影響到模具的復雜性和成本。第五位編碼表示是否有滑快和頂桿機構。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 最后一位碼表示頂出系統。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，頂出器；二級頂出。
這個檢索系統在圖表1中表示。三個附加碼與案例區別碼有關，而且可以從相同類型案例庫中區別不同的案例。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索引碼編成目錄，而且可以根據等級組織儲存和重新取得。
3.2.2 代表性案例和案例庫機構
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數字表示，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，案例庫的結構可以描述成表1所示。大量的案例數據可以有下率的儲存和調出，通過數據庫技術。
3.2.3 案例調出方法
搜索并有效率的調出一個相似的案例是一個重要的挑戰。以為案例調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的效率。在這篇文章里案例庫被看作一種特殊的數據庫，那里儲存了大量的案例，并且當提出問題時調出策略必須可以獲得一個適當的案例。就像所提及的，案例庫是由等級制和線性目錄結構所組成的搜索調出方法。因此由兩種不同方法所體現表達。首先是一個大范圍的等級結構搜索，當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出。
因為使用者不能根據這些種種的選擇，按要求的低標準的調出而得到一個結果。那就意味著使用者必須從先前的選擇中選出一個，以低標準標記它。然后不考慮這個這個特征是被低標準的標記而從案例庫中選一個相似的案例。例如假設我們想呀調出一個案例有以下特征：產品形狀——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。我們假設一個相似的案例沒找到以至于策劃者必須重新調出，不考慮這些特征的一個。如果我們選擇的充料系統的特征以前沒有考慮，并把它定為低標準。系統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的特征。那意味著所有這些案例（有以下特征的：產品形狀——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 案例的改編調整
應用所調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。然而在壓鑄模具設計上，盡管在新舊問題上有小的不同，調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整。一個很自然的的要求是相似案例的解決方案應該簡單的改變以適應新問題的解決。
案例改編是很重要的，因為案例設計通過改編調整的創造性應用導致設計上的革命。當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不進行改變調整，它們即不簡單的重新應用從案例庫中調出的解決方案也不將改編調整從設計者中分離開來。原因是復雜的改編是知識的集中加深，而且案例型推理系統經常要處理不是很了解的問題，復雜的知識集中深化改編是不可能的。
最近，隨著問題解決設備的發展，計算機輔助設計在很多領域都有了新發展。如參數設計，表驅動設計和配置結構布局設計。這些使得系統可以不僅記錄下設計的方案也可以記錄下設計的過程。因而當需要改編調整時，系統會查找一個相似的。然后這個被改編調整的方案會重新利用。如果沒有過去的案例可以提供，設計者就會互動的修改設計方式。一旦被成功的改編，它會被儲存以備未來之用。用這種方法，系統會不斷完善自身的改編調整能力和解決問題的能力。
3.3.1 參數設計
參數設計在出現一個新的相似的設計時會非常有益的。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撲限制，有著不同的尺寸和形狀，但起到相同的工程功能。它的設計步驟包括兩部分：
1．設計一個原型來代表一組相似特征部件。這些生成能力參數化的改變那些句喲持久特點和持久外形特征的模型，他的進行是通過計算機輔助設計這對于可利用模型的操作應用和深化影響來完成的。
2．一套參數評估系統為原型和生產的特征部件進行評價，這叫做參數設計的尺寸驅動能力。所有部件的生成都是從相同的部件里生成的。
3.3.2 表驅動設計
表驅動設計可以翕動的生成用戶可操作的綜合的一系列相似部件。它通過創造一個原型，在那里所有的相關變量和幾何變量被定義。建立相關數據包括對可輸入的各控制變量的評估。用表驅動功能來集合一個可組裝的部件它的實現是通過啟動一個原型，它可打開相關的表。設計者可以得到想要的變形部分的檢索名或創建一個新的變形部分。那時系統自動產生新的部分基于選擇價值并且把它放在裝配中。圖表3顯示了一個應用表驅動的扇形澆口壓鑄模具設計。
這個功能給設計者更多有效的方法來創建和記錄部件組。而且防止組成部分的迅速增加。通常它也提供自動設計與部件組有關的相似產品的提高改善。而且可以創造和保持變量表在流行數表格程序計劃中減少系統的成本。
3.3.3 配置結構布局
表驅動在配置模型中的應用方法叫做配置結構布局。它允許設計者可以創建各種不同的設計模型。用一個獨立的文件并且提供方便的研發方法和處理包含不同的尺寸、部件、參數的模型組。一個復雜的部件模型可以通過壓所縮一些項目的布局得以簡化。
配置結構布局的益處：
1.允許相似的設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階段儲存設計模型。
在上面的生產制作過程中，的設計總是需要在不同的階段進行調整適應的。根據壓鑄產品的特征，整個設計過程可以被分為這些階段：原始設計，初步測算，驗算和最終設計。每一階段的設計方法可以輕松的儲存，通過在配置模型創建一系列的新的結構布局。然而不只是解決方案，設計過程也被記錄以備再利用。
3.3.4 案例分解和改編調整
改編調整是在案例重新利用中的一個重要步驟：將一個案例適應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。盡管是相同的產品，模具也會不同。因為模具的型腔數就可以不同。設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。
與模具設計功能上的分解相同。案例改編調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構，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，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，設計者可以集中于需要改編調整的部分。
壓鑄裝配模型闡述了一個例子，它利用參數設計，表驅動設計和配置結構布局的這些有用之處來實現案例有效的改編利用實體造型和零部件庫。一套模具的基礎部件被配置和儲存在一個模型文件中。當用一個特別的配置結構布局提供滿足時。特別的模具基礎部件標準能夠自動的生成。
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建，然后這個案例以原型案例儲存在案例庫中。
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