基于实例推理的数控刀具智能化设计的研究及应用

作者：张志超 王知衍 吴睿 吴铮

欢迎访问e展厅 展厅 1 车刀/镗刀展厅 车刀, 槽刀, 切断刀, 倒角刀, 镗刀, ... 0　引言 多品种、小批量的生产方式要求建立一套行之有效的产品设计开发方法，现有的CAD软件在产品的分析、计算、绘图及制造等方面发挥了很大的作用，但产品开发是一项涉及非数据计算的、通过思考、推理和判断来解决问题的创新活动，为此，许多专家学者试图将人工智能技术融入CAD技术中以形成适应性更强的智能CAD系统。基于实例推理（CBR）是近年来人工智能技术中发展起来的区别于规则推理的一种推理模式，其核心思想是通过借鉴以前求解问题的经验来解决新问题。 数控刀具指的是数控机床和加工中心用刀具，在国外发展很快，品种很多，已形成系列。在我国，由于对数控刀具的研究开发起步较晚，数控刀具成了工具行业中最薄弱的一环。数控刀具的落后已经成为影响我国国产和进口数控机床充分发挥作用的主要障碍［3］。刀具的设计特点非常适合于采用CBR技术。该技术的采用将极大的提高刀具的设计效率和设计质量。因此，进行基于实例推理的数控刀具设计研究具有很大现实意义。 1　实例库的建立 产品设计过程是一个满足功能需求的过程。为满足产品的功能需求，成熟设计师往往首先对功能进行一层层分解，形成不同层次的子功能，直到不能再分解的元功能级，然后寻求满足各个元功能的几何体，按照功能分解的反向路线将这些几何体进行适当的拼合操作，形成最终的产品设计，该过程称之为top—down和bottom—up过程［4］。文中采用该方法建立数控刀具的设计实例库。功能分解树的根结点代表最终的产品，最底层的叶子结点表达不能再进行细分的元功能。更高一层的叶子结点代表的功能由与之相连的低一层叶子结点的功能组合而得到。 对于几何图素采用了隐式表达方法，即对其进行抽象后以必要参数来描述其形状，在图形实现上采用参数化技术对其进行实例化。这样处理的优点是对于每一个实例只存储其设计参数而不必对图形进行存储，从而可以节省存储空间并加快检索速度。 在程序中，几何图素的图形实例化是通过程序模块方式实现的，针对每一种图素编制相应的程序模块。通过程序模块实现拓扑结构相近的图素的参数化设计，用户可以采用不同的几何结构参数对该图素的几何形状进行控制。如对端刃或侧刃为主切削刃的镗刀头部图素，不仅仅可以实现不同尺寸系列的设计，而且可以实现主偏角为45°、60°、75°等等不同类型刀具的设计，从而大大提高了程序的适应性和效率。当所有图素设计完成以后，通过总调度模块管理各种几何图素及其拼合，从而实现对整个镗刀设计的管理。 2　实例的检索 由于数控刀具标准化、系列化程度较高，为了管理和使用的方便，都进行了相应的编码，如编码CSRNR10CA－09对应着压板夹紧、正方形0°后角刀片、主偏角75°、刀尖高度为10mm的右切镗刀。在实例库中，编码作为主要的检索索引对应着该编码代表的刀具的总参数集。实际上，每一个几何图素都对应着特定的参数集，并且两者之间按照一定的规则进行映射。构成产品的所有几何图素对应的参数集两两之间的交集中，存在非空集合，非空集合中的参数代表了几何图素之间的共有参数，如邻接、具有相同的空间位置或方向等。如果对每一参数集单独处理，不仅会出现不合理的拼合现象，而且存在大量的冗余数据。为此，文中构造了总参数集，总参数集与编码相对应，每个几何图素的参数集都是总参数集的子集，虽然各个子集之间可能有交，但总参数集中的参数是相互独立的。 在几何图形实例化过程中，总参数集的调用是通过ODBC技术实现的，即开放数据库互联技术。该技术采用标准函数和结构化查询语言对数据库进行操作，不必关心“数据源”来自何种数据库管理系统，所有的数据库底层操作都有相应的ODBC驱动程序完成。 在ODBC技术中，ODBC驱动程序管理器是ODBC应用程序和数据源间的桥梁和纽带。实例库的检索是通过对编码的检索实现的。可以看出，编码的检索有三种方法：直接输入法，即使用者直接将编码敲入型号编码编辑框中；选择法，即使用者可以在纲要数据浏览表中相应的行中进行选择；逐位确定法，即通过选择切削方向、夹紧方法等确定编码中的相关位。为了让使用者清楚所设计刀具的总体信息，界面上提供了图形预览功能，可以使用户提前知道所设计刀具的形状信息。 选择法直接从数据库中选取，不存在什么问题，而直接输入法和逐位确定法所确定的编码则有可能不在数据库中，因此，界面上提供了查找记录命令，以确定该编码是否在数据库中。如果在，可以直接提取数据进行计算和绘图，如果不在，则通过编码匹配从实例库中提取出与所需要进行的设计最相近的实例作为模板，进行局部参数调整后，完成新设计。匹配采用先拓扑后几何参数相近的原则进行筛选。具体来说就是，确定的查找优先顺序从高到低依次为主切削刃（即端刃为主切削刃还是侧刃为主切削刃）、刀片形状、夹紧方法、刀片后角、刀尖高度。由于刀具的几何参数太多，因此，以尖尖高度作为代表（一般来说，刀尖高度越大，刀具的整体尺寸越大，并且刀尖高度信息包含于编码中）。查找的结果可能不只是一种，每种结果只满足部分条件。对于这种情况，需要用户从每种结果中抽取出满足条件的体素，然后使这些体素满足尺寸要求后进行拼合完成最终设计。 3　几何图素的实例化 文中采用了CSG方法对每个几何图素进行造型，CSG是一直直观、方便的造型方法，在实体造型系统中广泛采用。由于数控刀具为不规则的梭柱体，而CSG的叶子节点采用的是规则的几何体素。因此，直接采用该方法将使造型过程非常烦琐，为此，本文采用辅助面切割法对CSG方法进行了适当扩充。 镗刀头部，其造型过程叙述如下。构造原始体素长方体（由于前角有正负，而且在铣制前刀面时要保证刀尖点的高度，因此构造的原始长方体应留出切割余量，然后用辅助面ABCD、EPFG切割该长方体。上述两个辅助面均采用确定面上三点而后计算法向量的方法产生，因为面上的点位置较容易确定。辅助面PHIJ、JKLM和RSTQ用来切割出刀具的后角和前角，由于Pt点为位置保证点（Pt点与刀槽产生有关，决定着刀尖高度的大小，而刀尖高度为保证值），而且刀具的前角和后角为已知角，因此这三个平面采用点和法向量形式构造。 由上述过程可以看到，单纯用CSG法相当复杂，甚至有时难度相当大的造型问题，若辅以辅助面切割法则相当简练、有效。经上述方法构造辅助面完成对图4b的切割后，将剩余形体与一长方体体素和一圆柱体体素作差拼合运算。 4　应用实例 为了突出重点，叙述清楚，文中删去了刀杆图素及夹紧图素，其目的不仅是为了说明系统的造型功能，而且要说明相似设计的实现过程。 假设用户要所需的刀具型号，全通过查找，系统给出了已有设计中存在的与其相似的5a和5b两种型号。5a与5c刀头结构相似，5b与5c刀片形状相似，用户可以从5a中抽取出刀头体素，从5b中取出刀片体素，经简单处理后，即可方便的实现5c中的刀具造型。 实际应用结果表明，该系统可以大大降低设计人员的劳动强度，提高数控刀具的设计效率与质量。 张志超　男，生于1964年7月，副教授，博士研究生，主要研究方向为敏捷制造、网络数据库等。 张志超（哈尔滨工业大学　（哈尔滨　150001）） 王知衍（哈尔滨工业大学　（哈尔滨　150001）） 吴睿（哈尔滨工业大学　（哈尔滨　150001）） 吴铮（哈尔滨无线电工具厂） 参考文献 1，Soundar Kumara，Inyong Ham．Use of Associative Memory and Self—Organization in Conceptual Design．Annals of the CIRP，1990，39（1）：117～120． 2，F．Kimura， H．Suzuki，I．Tanaka．A Pattern－Directed Design System for Machine．Assembly．Annals of the CIRP，1991，40（1）：127～130 3，国家自然科学基金委员会．机械制造科学（冷加工）．科学出版社，1994． 4，Hans Schmekel．Functional Models and Design Solution．Annals of the CIRP，1989，38（1）：129～132(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/23/2004)