基于實(shí)例推理的高速切削數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

發(fā)布日期：2012-08-29    蘭生客服中心    瀏覽：2527

1 引言


近二十年來，隨著高速數(shù)控機(jī)床及切削刀具技術(shù)的不斷發(fā)展，高速切削技術(shù)發(fā)展迅速，已在航空、航天、汽車、機(jī)床、模具等重要的制造業(yè)領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。高速切削技術(shù)可大幅度提高生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量，是具有共性的先進(jìn)制造技術(shù)之一，已成為切削加工的發(fā)展方向。合理選擇切削刀具和切削參數(shù)對(duì)于充分利用高速加工中心功能、降低生產(chǎn)成本具有重要意義。建立高速切削數(shù)據(jù)庫，將切削實(shí)踐中積累的合理選擇刀具與切削參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)收集起來，為機(jī)械制造業(yè)提供合理及優(yōu)化的高速切削數(shù)據(jù)，是提高切削加工效率和經(jīng)濟(jì)效益、推動(dòng)高速切削技術(shù)廣泛應(yīng)用和快速發(fā)展的一項(xiàng)重要工作；同時(shí)，高速切削數(shù)據(jù)庫還是發(fā)展各種現(xiàn)代制造技術(shù)(如CNC、CAPP、CAD/CAM、FM8、CIM8等)的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作，是這些系統(tǒng)公共制造數(shù)據(jù)庫的重要組成部分。因此，建立高速切削數(shù)據(jù)庫對(duì)于推廣高速切削技術(shù)具有非常重要的意義。但是，目前合理、適用的高速切削數(shù)據(jù)還十分缺乏，這在一定程度上限制了高速切削技術(shù)的推廣應(yīng)用。本文利用基于實(shí)例推理技術(shù)，將以往取得的經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用于新問題的解決，為建立高速切削數(shù)據(jù)庫提供了一個(gè)有效可行的方法。

2 基于實(shí)例推理技術(shù)簡(jiǎn)介








圖1 CBR原理框圖

基于實(shí)例的推理(Case-based Reasoning，CBR)起源于8chank于1982年提出的關(guān)于人和機(jī)器學(xué)習(xí)的動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)理論，其本質(zhì)是利用舊問題的解(解決方案)來解決新問題。CBR原理如圖1 所示。問題(Problem)及其解(Solution)組成一個(gè)實(shí)例(Case)，并將其存儲(chǔ)在實(shí)例庫(Case-base)中；對(duì)一個(gè)新問題進(jìn)行求解時(shí)，先將新問題按某種特定方式進(jìn)行描述，然后到實(shí)例庫中尋找與之相似的舊實(shí)例，再按某種算法找出最相似的舊實(shí)例作為新問題的匹配，將其解作為新問題的建議解；通過對(duì)建議解進(jìn)行修正、校訂，得到新問題的確認(rèn)解。與此同時(shí)，新問題及其確認(rèn)解又作為一個(gè)新的實(shí)例存入實(shí)例庫，供其它新問題的求解使用。因此，CBR 系統(tǒng)具有自學(xué)習(xí)功能。
與基于規(guī)則的推理不同，基于實(shí)例的推理不依賴于求解問題領(lǐng)域的規(guī)則，而是依賴于以前的經(jīng)驗(yàn)和成功解決問題的實(shí)例，這與人類專家解決問題時(shí)的思路和方法更為接近，因而也更易于理解和應(yīng)用。

3 基于實(shí)例推理的高速切削數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)








圖2 CBR高速切削數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于實(shí)例推理的高速切削數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)HISCUT由實(shí)例數(shù)據(jù)庫和切削數(shù)據(jù)庫兩大部分組成(見圖2)。這兩部分均可獨(dú)立運(yùn)行，也可通過應(yīng)用程序接口連接在一起使用。其中，切削數(shù)據(jù)庫部分用于存儲(chǔ)工件材料、刀具、機(jī)床、切削參數(shù)等各種數(shù)據(jù)，通過應(yīng)用程序可實(shí)現(xiàn)刀具選擇、切削數(shù)據(jù)優(yōu)化、加工質(zhì)量預(yù)測(cè)等功能，這一部分按常用的關(guān)系數(shù)據(jù)庫模式建立。實(shí)例數(shù)據(jù)庫部分用于存儲(chǔ)成功的加工實(shí)例及相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)、規(guī)則等，通過實(shí)例檢索、匹配和修改對(duì)新工件的高速切削加工推薦合理的工藝方案；將形成的新實(shí)例存儲(chǔ)于實(shí)例庫中，以備新的應(yīng)用檢索。整個(gè)高速切削數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用C/S結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。本文重點(diǎn)討論基于實(shí)例推理在高速切削數(shù)據(jù)庫中的應(yīng)用及實(shí)例數(shù)據(jù)庫部分的建立。

4 實(shí)例庫與知識(shí)庫



  1. 實(shí)例庫及實(shí)例的表示

    2.
    如何表示實(shí)例是CBR系統(tǒng)的一個(gè)重要問題。根據(jù)具體問題的不同，實(shí)例的表示方法也有所不同。一般要求實(shí)例的表示至少應(yīng)包含兩方面的內(nèi)容，即問題及其目標(biāo)的描述和問題的解決方案。為明確定義高速切削領(lǐng)域中的實(shí)例，需對(duì)所研究的問題——工件及其高速加工進(jìn)行深入全面的分析。通常，當(dāng)對(duì)工件進(jìn)行高速加工時(shí)，首先需要知道如工件類型、加工面類型、加工要求以及工件材料的類別、牌號(hào)、硬度、狀態(tài)等有關(guān)信息，然后才能針對(duì)該工件制訂相應(yīng)的加工工藝，如采用何種加工方法和機(jī)床、選擇何種切削刀具、切削參數(shù)等。前者正好對(duì)應(yīng)于實(shí)例的問題描述部分，后者則對(duì)應(yīng)于實(shí)例的解決方案。問題描述部分應(yīng)包含盡量多的相關(guān)信息，以使求解的問題得到準(zhǔn)確、全面的描述，同時(shí)又應(yīng)簡(jiǎn)潔可行，以便后來的實(shí)例檢索及解決方案的重用；解決方案部分也應(yīng)盡可能多地包含解決所求解問題的各種有用信息。
    高速切削中的實(shí)例可表示為“實(shí)例編號(hào)+問題描述+解決方案+綜合評(píng)價(jià)”的形式，其中各部分的意義如下：①實(shí)例編號(hào)：是唯一確定一個(gè)實(shí)例的標(biāo)識(shí)符，可由實(shí)例庫操作員給出或由系統(tǒng)自動(dòng)產(chǎn)生。②問題描述：對(duì)工件及其切削加工要求的描述，包括工件外型特征、加工面類型、加工要求、工件材料類別、工件材料牌號(hào)、工件材料硬度、工件材料狀態(tài)等。為使實(shí)例更具一般性，該部分未涉及工件的具體屬性，如名稱、編號(hào)、尺寸、剛性等。③解決方案：描述如何對(duì)工件進(jìn)行高速切削加工，包含如下屬性：切削方法、機(jī)床類型、刀具名稱、刀具型號(hào)、刀具制造商、刀具材料類別、刀具材料牌號(hào)、切削速度、進(jìn)給速度、切削深度。④總體評(píng)價(jià)：是對(duì)解決方案的評(píng)述，說明其是否適合于該工件的高速切削加工以及獲得的加工效果。
    采用結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)即可完整描述工件及高速切削加工實(shí)例，這為實(shí)例檢索及匹配帶來很大方便。如問題描述部分的加工面描述項(xiàng)，雖然加工面種類繁多，但經(jīng)常在高速切削加工中出現(xiàn)的卻只有有限的幾種類型，用文字或代碼即可表示。解決方案部分也采用結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)表示，這可使對(duì)工件加工的描述簡(jiǎn)明直觀。圖3 給出了三個(gè)具體的實(shí)例描述。








圖3 實(shí)例描述



  1. 知識(shí)庫




  1. 當(dāng)提出一個(gè)新問題時(shí)，CBR系統(tǒng)首先給出新問題的建議解，至于此建議解是否可作為新問題的確認(rèn)解，還需根據(jù)新問題的具體情況確定。一般情況下，應(yīng)根據(jù)新問題的具體情況，結(jié)合該問題的領(lǐng)域知識(shí)及經(jīng)驗(yàn)、規(guī)則，對(duì)建議解進(jìn)行修改，最后得到新問題的確認(rèn)解。知識(shí)庫的作用就是存儲(chǔ)上述領(lǐng)域知識(shí)以及經(jīng)驗(yàn)、規(guī)則的。在本課題中，知識(shí)庫包括以下內(nèi)容：①金屬切削領(lǐng)域的一般知識(shí)，如切削方式、方法的選擇、刀具槽形與幾何參數(shù)的選擇、刀具合理耐用度的選擇、切削用量的制訂、機(jī)床的選用等；②高速切削的特點(diǎn)、規(guī)則及適用范圍等，如適用于高速切削的刀具材料、刀具—工件材料的合理匹配關(guān)系、切削熱對(duì)刀具材料性能的影響、刀具損壞等；③綜合知識(shí)，如根據(jù)工件類型及加工面類型合理選擇刀具類型、機(jī)床型式對(duì)加工精度及表面質(zhì)量的影響、工藝規(guī)程的制訂、工序劃分等；④實(shí)際生產(chǎn)中積累的經(jīng)驗(yàn)。


5 實(shí)例檢索



  1. 實(shí)例相似度

    2.
    實(shí)例相似度是判別實(shí)例間相似性的尺度，用于判定實(shí)例庫中與新問題最相似的實(shí)例。但相似度不是一成不變的，它與人們考慮問題的側(cè)重點(diǎn)密切相關(guān)。切實(shí)可行的相似度計(jì)算方法是CBR系統(tǒng)成功的基礎(chǔ)。
    設(shè)域D1，D2，……，Dn上的關(guān)系R( A1，A2，……，An)，其中Ai為R的屬性，Ai∈Di( i=1,2,……,n)，對(duì)該關(guān)系的記錄(實(shí)例)u(x1，x2，……，xn), v(y1，y2，……，yn)∈R, (xi，yi∈Di|i=1, 2, …, n)，其相似度SIM(u,v)可用下式計(jì)算：









  (1)



  1. 一般相似度的取值范圍為[0，1]。

    • 局部相似度
      由于在實(shí)際的問題求解領(lǐng)域中，實(shí)例的屬性域并不都是數(shù)值型的，因此直接利用式(1)計(jì)算實(shí)例的相似度并不可行，因而必須針對(duì)不同屬性域研究相似度的計(jì)算方法。局部相似度是指兩個(gè)實(shí)例同一屬性的不同取值間的相似度，記為sim( x，y)，取值范圍為[0，1]，其中(x，y)是一個(gè)屬性的不同取值。屬性的域不同，其局部相似度的計(jì)算公式也將隨之發(fā)生相應(yīng)變化。前面已經(jīng)提到實(shí)例檢索的條件是問題描述部分的屬性，因此對(duì)局部相似度的討論也只限于這部分屬性。根據(jù)這部分屬性的特點(diǎn)并結(jié)合相應(yīng)的領(lǐng)域(金屬切削)知識(shí)，可將局部相似度分為- 種類型進(jìn)行計(jì)算，即：①數(shù)值型；②無關(guān)型；③枚舉型；④依賴型。必須指出，對(duì)局部相似度的分類不是唯一的。相似度是一個(gè)相對(duì)概念，與考慮問題的側(cè)重點(diǎn)和相關(guān)的語義假設(shè)密切相關(guān)。如果側(cè)重點(diǎn)和語義假設(shè)不同，即使是同一屬性也可能具有不同形式的局部相似度類別。

    • 整體相似度的復(fù)合算法
      整體相似度是相對(duì)于局部相似度而言的，也就是前面提到的實(shí)例相似度。實(shí)際上，在計(jì)算實(shí)例的相似度時(shí)，根據(jù)出發(fā)點(diǎn)的不同，人們往往更側(cè)重于某些屬性的局部相似度對(duì)整體相似度的影響。如選擇適用的刀具材料時(shí)，更側(cè)重于工件材料類別而不是工件類型的影響。因此，在計(jì)算整體相似度時(shí)，往往賦予屬性的局部相似度一定的權(quán)重w，以使結(jié)果更符合實(shí)際需要。由于實(shí)例檢索是按新問題描述部分的屬性進(jìn)行的，所以計(jì)算實(shí)例整體相似度時(shí)，只針對(duì)這部分屬性而不是實(shí)例的所有屬性。考慮局部相似度權(quán)重后整體相似度的復(fù)合算法公式為










      (2)

























    式中 p——— 新問題描述所表示的查詢，qi為q的第i個(gè)屬性
      u——— 實(shí)例庫中的源實(shí)例，ui為u的第i個(gè)屬性
      m——— 問題描述部分的屬性數(shù)
      wi——— 第i個(gè)屬性的局部相似度權(quán)重



    • 用式(2)所示復(fù)合算法計(jì)算出的整體相似度的取值范圍仍為[0，1]。


    在CBR系統(tǒng)中，實(shí)例檢索是非常重要的環(huán)節(jié)，它與系統(tǒng)所采用的索引機(jī)制密切相關(guān)。與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的查詢功能有所不同，CBR系統(tǒng)中的實(shí)例檢索往往是“不精確的”，帶有一定模糊性。這是因?yàn)橹挥性跇O個(gè)別情況下才能在實(shí)例庫中找到與新問題完全相同的實(shí)例，更多的時(shí)候可能找到的是與新問題類似的實(shí)例。另一方面，CBR系統(tǒng)實(shí)例檢索的條件只是實(shí)例的問題描述部分的屬性，而不是實(shí)例的全部屬性。一般可將目前CBR系統(tǒng)常用的檢索方法分為兩類，即最近鄰居法和歸納法(本課題中使用的是最近鄰居法)。
    設(shè)實(shí)例u∈R若存在實(shí)例c∈R，對(duì)所有實(shí)例c'∈R，使得SIM( u，c)≥SIM(u，c')成立，則將實(shí)例c稱為實(shí)例u的最近鄰居NNc，記為

  • 最近鄰居法










    • NNc(u，c)：<=>$c∈R：SIM(u，c)≥SIM( u，c') (3)



    1. 在實(shí)際應(yīng)用中，將目標(biāo)實(shí)例u用查詢p代替，可找出與新問題最相似的實(shí)例。當(dāng)實(shí)例庫中的某個(gè)實(shí)例c是查詢p的最近鄰居時(shí)，其解決方案即被作為查詢p所代表的新問題的建議解。
      設(shè)需對(duì)一箱體類鋁合金鑄件進(jìn)行半精加工，加工面為平面，工件材料硬度為90HB。因新問題的工件材料牌號(hào)未知，與其它實(shí)例相應(yīng)屬性的局部相似度記為0。工件材料類別屬性的局部相似度權(quán)重設(shè)為2，其余屬性的權(quán)重默認(rèn)為1。實(shí)例庫中的實(shí)例如圖3所示(只列出了3個(gè)實(shí)例)。應(yīng)用上述整體相似度復(fù)合算法計(jì)算實(shí)例相似度，計(jì)算結(jié)果為：SIM(q，00106)≈0.459，SIM(q，01007)≈0.808，SIM(q，00135)≈0.658。實(shí)例0u001 即被視為新問題的最近鄰居，即最相似的實(shí)例，其解決方案即作為新工件加工的建議解。
      注意到新工件與最相似實(shí)例01007的問題描述部分的差異，應(yīng)對(duì)該建議解進(jìn)行適當(dāng)修正：由于是半精加工，可適當(dāng)提高進(jìn)給速度(進(jìn)給量)和切削深度，以縮短加工時(shí)間；可選用更適合銑削平面的銑刀類型等。對(duì)建議解進(jìn)行修改后，尚需結(jié)合領(lǐng)域知識(shí)驗(yàn)證其合理性，才能將其作為新工件加工的確認(rèn)解使用。

  • 應(yīng)用舉例


    • 6 結(jié)論


    基于實(shí)例推理的本質(zhì)是采用解決舊問題的解(解決方案)來解決新問題。利用基于實(shí)例的推理技術(shù)建立高速切削數(shù)據(jù)庫，將以前的加工實(shí)例積累的切削數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用于新工件的高速切削加工，可解決目前缺乏合理適用的高速切削數(shù)據(jù)的困難，對(duì)加快高速切削技術(shù)的推廣應(yīng)用具有非常重要的意義。本文提出的高速切削實(shí)例描述模型、實(shí)例相似度復(fù)合算法及實(shí)例檢索方法對(duì)建立基于實(shí)例推理的高速切削數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是可行的。

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