許艷華 顏文煅

摘要：高質(zhì)量的設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以用標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)化流程實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)活動(dòng)的效率升級(jí)?；诖?，本文以模具設(shè)計(jì)作為研究對(duì)象，首先對(duì)KBE技術(shù)的概念和特征進(jìn)行框架解讀。其次，分為知識(shí)獲取、知識(shí)表示和知識(shí)推理三個(gè)步驟，對(duì)KBE技術(shù)的關(guān)鍵要點(diǎn)展開通用性分析。再次，根據(jù)模具設(shè)計(jì)的基本需要，對(duì)設(shè)計(jì)過程中的考慮因素和難點(diǎn)進(jìn)行分析。最后，針對(duì)模具設(shè)計(jì)中比較常見的鍛模、沖模、擠壓模三個(gè)類別，對(duì)模具設(shè)計(jì)中KBE技術(shù)的應(yīng)用模式展開研究。

關(guān)鍵詞：KBE技術(shù);模具設(shè)計(jì);知識(shí)推理

中圖分類號(hào)：TG76 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2020）09-0121-03

0 引言

世界領(lǐng)域內(nèi)各大技術(shù)種類的發(fā)展，都建立在學(xué)科交叉、知識(shí)借鑒的知識(shí)集成模式下，知識(shí)集成明顯已經(jīng)成為驅(qū)動(dòng)技術(shù)發(fā)展的重要?jiǎng)恿?。而隨著制造行業(yè)內(nèi)產(chǎn)品品類的不斷增加，若要在制造業(yè)內(nèi)占領(lǐng)有力競爭地位，快速產(chǎn)出具有創(chuàng)新意味的新商品，成為了制造業(yè)提升競爭力的關(guān)鍵方法。模具行業(yè)是制造業(yè)內(nèi)的重要構(gòu)成，該行業(yè)對(duì)參與者的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)具有較高的要求。在一些大型制造類企業(yè)中，模具設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)新能力和知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，甚至可以直接決定企業(yè)未來的發(fā)展活力和核心動(dòng)力。因此，為了提升模具設(shè)計(jì)的整體速率，一些企業(yè)會(huì)利用設(shè)計(jì)軟件來提升產(chǎn)品從預(yù)想到實(shí)現(xiàn)的中間效率。但實(shí)際上，使用技術(shù)工具只能提升某個(gè)階段的效率，且在脫離了專業(yè)知識(shí)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，傳統(tǒng)技術(shù)工具很難勝任模具開發(fā)的創(chuàng)新性技術(shù)要求?；诖?，世界模具設(shè)計(jì)領(lǐng)域不斷優(yōu)化和更新相關(guān)技術(shù)原理，并有效得出利用集成系統(tǒng)全面提升模具設(shè)計(jì)整體速率的方法。也就是將模具CAD技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助CAE技術(shù)、ES專家系統(tǒng)集成所構(gòu)成的KBE（知識(shí)庫工程）技術(shù)[1]。

1 KBE技術(shù)解讀

1.1 KBE的概念

KBE技術(shù)也稱知識(shí)庫工程技術(shù)，技術(shù)概念最早在上世紀(jì)70年代被提出。當(dāng)時(shí)的斯坦福大學(xué)本意是要對(duì)人工智能的技術(shù)概念進(jìn)行推理性設(shè)想，但為了完善設(shè)想而提出了知識(shí)庫的相關(guān)概念。專家教授們表示，要實(shí)現(xiàn)完善的計(jì)算機(jī)邏輯推理，科學(xué)家們就必須要建構(gòu)一種完善的數(shù)據(jù)庫，以保證技術(shù)可供“智能”們隨時(shí)求解。這里的知識(shí)庫概念的服務(wù)對(duì)象是人工智能對(duì)象，但實(shí)際上任何一個(gè)產(chǎn)業(yè)如果能夠塑造出一個(gè)完善的數(shù)據(jù)庫，并且賦予行業(yè)某種可以進(jìn)行邏輯思考、不斷求解的技術(shù)，那么該行業(yè)的行進(jìn)速率便能夠得到高效升級(jí)。故而，知識(shí)庫概念在此后不斷被各個(gè)領(lǐng)域的專家用于行業(yè)更新設(shè)想的過程中，逐漸成為了一種以知識(shí)系統(tǒng)為核心概念的重要技術(shù)研究方向。

1.2 KBE技術(shù)的特征

KBE技術(shù)作為典型的知識(shí)庫工程類技術(shù)，具有三種典型的技術(shù)特征。首先是知識(shí)性，KBE技術(shù)誕生于知識(shí)庫概念基礎(chǔ)上，因此該技術(shù)的所有核心構(gòu)成都以知識(shí)為基準(zhǔn)。其次是領(lǐng)域性，KBE技術(shù)有著明顯的領(lǐng)域獨(dú)特性，就是針對(duì)于某個(gè)具體專業(yè)領(lǐng)域而被設(shè)立。不存在多專業(yè)領(lǐng)域通用的技術(shù)特征。最后是智能性，KBE技術(shù)可以在人力輔助的作用下不斷升級(jí)作用范圍。例如優(yōu)化學(xué)習(xí)能力、知識(shí)提取能力、數(shù)據(jù)計(jì)算能力等等。且面對(duì)不同的設(shè)計(jì)需求，KBE技術(shù)還可以吸收設(shè)計(jì)案例，形成良好的預(yù)判邏輯推理能力[2]。

2 KBE關(guān)鍵技術(shù)分解

2.1 知識(shí)獲取

KBE技術(shù)的整體運(yùn)作邏輯是知識(shí)獲取-知識(shí)表示-知識(shí)推理。而最初階段的知識(shí)獲取，以自動(dòng)的形式為主。人類專家建立定向的知識(shí)庫，內(nèi)含豐富且具有行業(yè)領(lǐng)先價(jià)值的專業(yè)領(lǐng)域知識(shí)。隨后，專家人員通過設(shè)定專門的信息檢索算法，令知識(shí)庫具有沿著某個(gè)需求獲取信息、處理信息診斷信息的能力[3]。例如，基于神經(jīng)元的信息搜集算法、基于即時(shí)數(shù)據(jù)采集的算法、大數(shù)據(jù)定向挖掘算法等等。這些算法分別負(fù)責(zé)不同的信息領(lǐng)域，可以在短時(shí)間內(nèi)完成定向的數(shù)據(jù)獲取與分類，進(jìn)而展開知識(shí)分析和知識(shí)創(chuàng)造等步驟。從理論角度看，KBE技術(shù)的知識(shí)獲取技術(shù)具有完善的行為邏輯。但實(shí)際上，當(dāng)前KBE技術(shù)的發(fā)展難點(diǎn)也正在于知識(shí)獲取的這一流程之內(nèi)。技術(shù)處理的需求五花八門，協(xié)調(diào)需求代表著算法之間也需要進(jìn)行充分的協(xié)調(diào)。但當(dāng)下相關(guān)技術(shù)的發(fā)展尚未達(dá)到理想高度，技術(shù)欠缺導(dǎo)致知識(shí)獲取技術(shù)的工程實(shí)踐也面臨著處理效率不高的問題。

2.2 知識(shí)表示

知識(shí)表示指的是如何將知識(shí)獲取階段所“獲取”到的可用知識(shí)進(jìn)行存儲(chǔ)，繼而為后期計(jì)算機(jī)的處理做好鋪墊工作。目前為止，KBE技術(shù)系統(tǒng)中知識(shí)表示的常用技術(shù)有三種，按照性質(zhì)可分類為一階謂詞邏輯、產(chǎn)生式、框架式這三種表達(dá)法。一階謂詞以啟發(fā)為主，是KBE技術(shù)初期問世階段的常用方法，技術(shù)處理過程冗長故而在近期內(nèi)已經(jīng)很少被應(yīng)用。產(chǎn)生式方法以規(guī)則為技術(shù)核心，具有靈活自然通用性強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢。框架式方法屬于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的一種方法，善于突出結(jié)構(gòu)性知識(shí)。目前來講，雖然產(chǎn)生式方法的優(yōu)勢更加突出，但單憑一種方法難以實(shí)現(xiàn)規(guī)模性的需求。因此多數(shù)情況下技術(shù)人員會(huì)將三種方法結(jié)合使用，以此來有效完成知識(shí)表示的整體訴求。

2.3 知識(shí)推理

知識(shí)推理中規(guī)則推理和實(shí)例推理是比較常用的推理模式。規(guī)則推理的技術(shù)優(yōu)勢是邏輯清晰、表達(dá)相對(duì)直觀。實(shí)例推理的穩(wěn)定性較強(qiáng)，但知識(shí)的創(chuàng)新和再造能力較弱。一般情況下知識(shí)推理的流程共分為檢索、重用、修正、保存這四個(gè)步驟。首先，檢索過程是將亟待解決的問題進(jìn)行簡單的要求規(guī)劃和特殊描述，ES專家系統(tǒng)會(huì)結(jié)合相關(guān)信息對(duì)知識(shí)庫內(nèi)容知識(shí)進(jìn)行采集、篩選。篩選原則為，注重選擇與當(dāng)前問題高度一致或高度相似的數(shù)據(jù)集。其次，重用階段需結(jié)合人工給出的新問題，將檢索階段的知識(shí)體系代入到問題之中。再次，修正階段要把知識(shí)體系進(jìn)行重新修改，令其內(nèi)容更適用于新問題。最后，需要將修改后的內(nèi)容加以應(yīng)用，并存入到系統(tǒng)自身的學(xué)習(xí)庫存中，作為提升知識(shí)推理能力的關(guān)鍵素材。

3 模具設(shè)計(jì)考慮因素和設(shè)計(jì)難點(diǎn)

3.1 考慮因素

模具設(shè)計(jì)對(duì)產(chǎn)品精度的要求很高，因此設(shè)計(jì)過程中要嚴(yán)格設(shè)定設(shè)計(jì)依據(jù)、設(shè)計(jì)程序、型腔、分型面、制作系統(tǒng)、加工方式等因素。設(shè)計(jì)依據(jù)指的是產(chǎn)品尺寸的具體參數(shù)、精度以及尺寸的正確性，需要根據(jù)產(chǎn)品的具體功能來確定尺寸;設(shè)計(jì)程序沿形狀尺寸、公差和行業(yè)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)進(jìn)行，一切行為嚴(yán)格參照國家規(guī)定的尺度標(biāo)準(zhǔn);模具型腔的數(shù)量、排列、布置，型芯的設(shè)計(jì)也需要按照模具外形尺寸進(jìn)行調(diào)整;分型面需要以維護(hù)產(chǎn)品精度為目的進(jìn)行調(diào)整，務(wù)必確保開模階段的穩(wěn)定性;澆注系統(tǒng)的澆口位置應(yīng)盡量處于分型面之上，距離型腔各個(gè)部位的距離均等;排氣系統(tǒng)的排氣槽的間隙應(yīng)盡可能做大，從而避免塑料材質(zhì)出現(xiàn)飛邊現(xiàn)象;模具設(shè)計(jì)也需要考慮不同零件的加工方式，如刀具類型、應(yīng)用范圍等等。這些因素屬于比較常見且基本的內(nèi)容，也同樣都是KBE技術(shù)需要去處理的邏輯范圍。

3.2 設(shè)計(jì)難點(diǎn)

一般情況下，一套模具的設(shè)計(jì)流程只能由一個(gè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)從頭到尾負(fù)責(zé)所有的工作。這其中涉及到三個(gè)難點(diǎn)，即知識(shí)范圍、工具選擇、方法以及人員的應(yīng)對(duì)。首先，從上文來看模具設(shè)計(jì)過程中需要考量的內(nèi)容較多，范圍較雜且包含許多交叉知識(shí)點(diǎn)。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)很難顧全所有的理論知識(shí)，也很難擁有相對(duì)完善的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)。其次，目前三維設(shè)計(jì)工具的應(yīng)用難度較大，單憑人力進(jìn)行設(shè)計(jì)雖然可保證質(zhì)量，但整體效率較低不符合快速設(shè)計(jì)的要求。最后，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)導(dǎo)致人員的工作強(qiáng)度較大，工作人員極易產(chǎn)生煩躁心態(tài)，繼而影響模具設(shè)計(jì)的效果。基于此，應(yīng)用KBE技術(shù)可以提升基礎(chǔ)準(zhǔn)備的整體質(zhì)量，避免出錯(cuò)對(duì)模具壽命造成不良影響。

4 模具設(shè)計(jì)中的KBE技術(shù)應(yīng)用分析

4.1 鍛模設(shè)計(jì)

哥倫布實(shí)驗(yàn)室所設(shè)計(jì)的幾何尺寸衡量系統(tǒng)，是鍛模設(shè)計(jì)過程中應(yīng)用KBE技術(shù)的典型案例。實(shí)驗(yàn)室成員們整合了常用幾何的拓?fù)潢P(guān)系，將其整理為某種具有定向含義的符號(hào)，并配置相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理算法，構(gòu)建出了性能良好的幾何尺寸設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)。系統(tǒng)可以按照不同的設(shè)計(jì)需求，計(jì)算出相應(yīng)的模擬數(shù)值。數(shù)值與需求整合再建立出基本構(gòu)件，實(shí)驗(yàn)室成員們可以通過互動(dòng)頁面決定是否鍛造該構(gòu)件。如若設(shè)計(jì)成果不符合預(yù)期，可以返回到第一階段增補(bǔ)或改良需求。我國西北工業(yè)大學(xué)在幾何尺寸衡量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)ANN（Artificial Neural Network）技術(shù)，優(yōu)化了設(shè)計(jì)系統(tǒng)的自適應(yīng)性。該系統(tǒng)可以自發(fā)完成對(duì)設(shè)計(jì)需求的缺陷預(yù)測，有效提升了模具設(shè)計(jì)的整體速率。

4.2 沖模設(shè)計(jì)

以沖模設(shè)計(jì)為主的KBE技術(shù)應(yīng)用中，美國普渡大學(xué)的加工實(shí)驗(yàn)室所設(shè)計(jì)的深加工自動(dòng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)（軸對(duì)稱性質(zhì)）比較具有代表性。該系統(tǒng)基于生成設(shè)計(jì)、測試匹配度、校閱適應(yīng)性作為行為邏輯，是智能性較好的自動(dòng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)。該系統(tǒng)內(nèi)預(yù)設(shè)軸對(duì)稱深加工的相關(guān)知識(shí)譜系，由ES專家系統(tǒng)在程序外圍進(jìn)行智能控制。人工輸入尺寸、槽的類別及數(shù)目等工藝需求后，系統(tǒng)會(huì)依照已有的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)給出IT序，專家系統(tǒng)負(fù)責(zé)測試和校閱。初期階段該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成效和設(shè)計(jì)質(zhì)量一般，但隨著不斷積累排樣規(guī)則擴(kuò)充知識(shí)庫，該軟件的速率提高了5倍。并且還實(shí)現(xiàn)了知識(shí)的有序傳遞，減少了新設(shè)計(jì)者犯老錯(cuò)誤的次數(shù)。

4.3 擠壓模設(shè)計(jì)

FORMEX系統(tǒng)是擠壓模設(shè)計(jì)的經(jīng)典系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合了人工智能技術(shù)，可以將設(shè)計(jì)、知識(shí)推理、工藝規(guī)劃等一系列工序整合，以自動(dòng)形式展開工作[4]。后期也有人針對(duì)這一系統(tǒng)提出了增加功能的設(shè)想，即加入成本估算功能，充分利用工藝規(guī)劃自動(dòng)化的技術(shù)優(yōu)勢。但一部分學(xué)者指出，該系統(tǒng)的ES專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的集成性不高，提出應(yīng)該利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和有限元（Finite Element Method）技術(shù)對(duì)專家系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以模擬人的思維模式，而有限元技術(shù)可以令模擬運(yùn)算的誤差達(dá)到最小值?；谠撓到y(tǒng)后產(chǎn)生的冷擠壓工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)，更是在知識(shí)庫的基礎(chǔ)上擴(kuò)展了規(guī)則庫，實(shí)現(xiàn)了算法的自動(dòng)排序。系統(tǒng)可以根據(jù)所選材料的基本參數(shù)和工件的基礎(chǔ)信息來確認(rèn)相應(yīng)規(guī)則，繼而確立成形工序和分配載荷。

5 結(jié)語

綜上，KBE技術(shù)在模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用優(yōu)勢十分顯著。但考慮到未來功用的持續(xù)更迭，建議模具設(shè)計(jì)研究者們從三個(gè)方向持續(xù)優(yōu)化KBE技術(shù)：首先，完善KBE技術(shù)中的推理能力。即從簡單的文字邏輯推理，逐漸過渡為圖片推理或圖文推理。其次，要建立具有一定規(guī)模的知識(shí)系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)妥善處理設(shè)計(jì)相關(guān)的理論系統(tǒng)，升級(jí)知識(shí)應(yīng)用的資源背景。最后，要持續(xù)完善相關(guān)算法的嚴(yán)密性，強(qiáng)化ES專家系統(tǒng)的有效性和實(shí)用性。

參考文獻(xiàn)

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