基于相似度理论的加工中心设计方案实例检索方法*

2012-05-28殷国富

组合机床与自动化加工技术 2012年6期

袁伟，殷国富，米良

(四川大学制造科学与工程学院，成都 610065)

0 引言

为了适应市场日益激烈的竞争，企业在增强产品创新能力、保证产品质量和减少成本的同时，还必须缩短产品设计周期以快速响应用户的要求。对于上述要求，传统的产品设计方法显然已无法满足。德国工程师学会(VDI)曾对一些企业做过调查［1］，结果显示产品的开发设计对产品总成本的影响达到了70%，因此为了适应激烈的市场竞争环境，企业必须降低产品开发的周期与成本。

加工中心方案设计是非常复杂而繁琐的过程，在设计过程中需要用到大量的经验知识，这些知识往往体现在历史的产品方案中，研究采用过去求解类似问题的成功经验或实例来获得解决新设计的方法具有重要意义。基于实例的推理(CBR)正是基于这样的设计思想，其设计过程一般包括以下几个部分［2］:实例的表示、实例的检索、实例的修正、实例的验证和评价、实例的存储。实例检索是CBR的核心部分［3］，对于检索结果的评价是实例检索不可回避的环节，实例间的相似性度量是检索的关键。骆敏舟等采用粗集理论判断实例特征属性的重要性，通过相似特征度量方法完成汽车系统最相似实例检索，使度量结果比较合理地反映出实例和特解问题的相似程度［4］;尚欣，殷国富等给出了基于模块特征属性的实例相似度计算方法，通过相似度算法进行匹配找出合适的模块实例［5］。本文基于卧式加工中心模块化设计系统，介绍了加工中心实例库的建立方法，方案设计的具体过程与实例。

1 相似度原理分析与技术方法

1.1 相似性与相关度

文献［6］认为:自然界中的一切事物都可视为一个系统，每一个系统存在具体的属性和特征，在不同类型、不同层次的系统之间可能存在某些共有的具体特征，当系统间存在共有特性，则对应共有的特性称“相似特性”。当系统间存在相似特性时，认为系统间存在相似性。这种相似程度的大小用相似度Q表示，其值域为0≤Q≤1，Q=1表示两事物特性相同;Q=0表示两事物完全不相似，即相异，三者的关系如图1所示。

图1 相同、相似、相异的量化关系

1.2 特征相似程度分析

将系统中的某一特征要素Xi对应的特征值描述为U(Xi)，那么系统A、B中的同一特征Xj的一个特征值用特征函数分别表示为UA(Xj)，UB(Xj)。记对应的特征值比例系数为Uj(Aj，Bj)，其值可用下式计算:

式中，0 ≤ Uj(Aj，Bj)≤1，j=1，2，3，…，t，t表示系统A、B的相似特征数目，Uj(Aj，Bj)的数值大小反映系统相似特性的相似程度大小。

1.3 相似度的计算

设子系统ai中m个特征要素组成集合a，子系统bi中n个特征要素组成集合b，那么子系统a和b所有特征集合为并集M=a∪b，由p个相似特征组成的集合为交集N=a∩b。由集合基数的定义可知集合 a、b、M、N 中元素数量为#(a)=m、#(b)=n、#(N)=p、#(M)=m+n － p，特征数量相似度量为相似特征数量与要素间全部特征数量之比，则相似元特征数值相似度q(uj)n，计算公式为:

对于某一系统，其要素对系统相似影响是不尽相同的，所以必须考虑相似元之间的权重问题，对第j个相似元取其权重系数为βj，相似元素特征数目相似度用Qq表示:

系统相似性度量与系统间相似要素数量和相似要素的相似程度大小相关，综合考虑系统中单元要素数量相似量和要素的相似度大小两个方面。设系统A、B分别有K、L个要素，系统A、B间存在P个相似要素，相似要素的相似度 q(uj)n，βj为第j个要素的权重，给出系统综合相似度量的算法:

天气实况分析资料来自常规气象观测资料和NCEP/FNL 1°×1°再分析资料。其中常规观测资料为地面逐3 h资料,高空逐12 h资料;航空气象自动观测资料(以下称为AWOS)为逐1 min观测资料,包括风场、气压、气温、降水量等气象要素;形势场分析和中尺度模式WRF模拟资料均采用NCE/FNL 1°×1°逐6 h再分析资料。

2 加工中心实例库构建方法

2.1 实例的框架表示及编码

对于同一实例所包含的内容，其不同的信息表示形式会影响到实例检索结果。框架表示法是一种适应性强、概括性好、推理方式灵活、能把陈述性知识和过程性知识相结合的知识表示方法［7］，框架一般用 Backus范式表示［8］:

〈框架〉::=〈框架名〉〈槽〉{〈槽〉}，

〈槽〉::=〈槽名〉〈侧面〉{〈侧面〉}

〈侧面〉::=〈侧面名〉〈数据〉{〈数据值〉}。

产品实例采用框架表示，以槽的形式表示产品整体设计方案的技术要求，主框架和槽分别对应于数据库中的表名和数据项，以某企业研发的THA6363卧式加工中心为例其产品实例表示为:

表示工作台尺寸为630×630，转速为20－20000r/min，工作台形式为连续回转工作台，精度为一般，工作台最大承重为1000kg，…，使用框架表示法建立的产品实例如表1所示。

表1 卧式加工中心产品实例表(部分)

注:产品实例编码的前两位字母代表产品系列，后一位字母代表产品通用特性代号，数值位前两位为国标代号;数字位第三、四位是工作台尺寸;之后一位是工作台形式，最后部分为产品序号，在产品设计时生成。

2.2 实例库的构建

结合加工中心的结构和功能特点将加工中心实例库划分为产品实例库与模块实例库。产品实例库存储历史产品设计方案，包括加重型、紧密型、高速型等加工中心实例，为模块化变型设计提供相似的整体设计方案;根据模块化划分的原则，模块实例库则存储有主轴模块、主轴箱模块、立柱模块、工作台模块、刀库模块等，为后续模块化设计提供基型。实例库模型如图2所示。实例库的开发基于Visual Basic语言及数据库Access技术。

图2 实例库模型

3 相似度理论在加工中心方案设计中的应用

加工中心方案设计包括确定主要技术参数的总体设计方案和基于模块组合的结构设计方案两个阶段。其具体设计流程如下图3所示。

图3 加工中心设计方案流程

3.1 加工中心总体方案设计检索

3.1.1 提取用户需求

实例检索前必须在反映产品实例主要技术性能水平的条件下对实例特征属性进行描述，它反映了用户或设计者对产品的要求。机床作为一类加工单元，其主要价值在于能满足加工要求，制造出合乎要求的产品。根据实际情况将加工中心方案设计指标系列用图4表示。

3.1.2 确定属性权重

在产品设计过程中，不同的用户有不同的需求，不同的用户对产品的同一属性在其应用领域的重要性的认识也不同。目前关于权值的确定方法有数十种之多，总的来说主要有主观赋权法和客观赋权法两种［9］，其确定权重的方法也各有优缺点，结合检索系统的特点本文采用主观赋权法。在选择好检索条件后，在列表框中指定各个属性的权重。

图4 加工中心总体设计方案指标

3.1.3 相似实例提取

根据设计要求，与实例库中产品属性进行匹配，计算出设计方案与实例的相似度，提取相似度值最大的实例作为加工中心的总体方案。检索界面如图5所示。

图5 相似实例的检索

3.2 基于模块组合及设计的加工中心结构设计

产品的模块化设计是在对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和组合可以构成不同的产品，以满足市场不同需求的设计方法［10］。

对于检索到的结果，一般只是相似，很难保证与新的设计保持一致，这样就需要对相似实例进行修改以达到新设计的要求。具体做法是分析实例与新设计的差异，然后将造成差异的模块进行设计，具体涉及到三个方面:①根据用户需求查询模块库，如果模块库中有满足需求的模块，则用该模块替换实例中的相应模块;②如果模块库中没有满足需求的模块，并且只需通过修改某些已有的模块就能满足需求，则进行模块修改，然后用修改后的新模块替换实例中的相应模块，并把新模块存入模块库中;③上述2种方法都无法进行，则需创建新模块，并把新模块存入模块库中。

在卧式加工中心模块化设计系统中，创建了主轴模块、工作台模块、立柱模块、刀库模块等，用户可以通过检索查看相应模块并在此基础上进行新的设计，加工中心刀库机械手模块数据库如表2所示。

表2 刀库机械手模块数据库(部分)

3.3 应用实例

假设新的设计要求为:

将新要求输入到加工中心模块化设计系统中，按照前面制定的步骤，根据公式(4)计算出实例与新设计的相似度值，将相似度值从高到低进行排列得到相似度检索结果如表3所示。

表3 产品实例与新设计的相似度

从上面检索结果可以看出显然没有完全满足要求的实例。最满足设计要求的实例为THA63501000，其具体特征属性可以在产品属性数据库中查询到:

通过分析可以发现造成新设计与THA63501000特征差异的的特征分量为主轴最高转速，即造成差异的模块为主轴模块。THA63501000采用的主轴最高转速低于新设计要求10000r/min，通过检索发现在主轴模块实例库中不存在满足要求的模块，因此必须对主轴模块重新设计，通过自主设计的主轴参数化设计系统(图6)可以快速进行设计，并对其结构进行校核，通过调用Solid Edge进行三维模型的生成。在次基础上完成主轴模块的替换。