張建卿

(懷化職業(yè)技術(shù)學(xué)院，懷化 418000)

模具設(shè)計(jì)的智能化研究

張建卿

(懷化職業(yè)技術(shù)學(xué)院，懷化 418000)

模具的設(shè)計(jì)直接決定了依照模具制造出來的成品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。模具設(shè)計(jì)的智能化，大大提高了模具設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量。模具設(shè)計(jì)智能化的基本技術(shù)是對(duì)人類思維的模仿，其核心是知識(shí)表示、知識(shí)利用和知識(shí)獲取。在模具智能化設(shè)計(jì)中使用較多的是工具是CAD軟件。結(jié)合智能化技術(shù)和CAD軟件能最大限度實(shí)現(xiàn)模具設(shè)計(jì)的智能化。

模具設(shè)計(jì) 智能化 人工智能 CAD

1 模具設(shè)計(jì)的智能化概述

1.1 模具設(shè)計(jì)智能化含義

模具是工業(yè)生產(chǎn)中的一個(gè)專有概念，是指運(yùn)用金屬、工程塑料、橡膠等工業(yè)原材料，按照工業(yè)生產(chǎn)的需要，以鍛壓成型、沖壓、壓鑄、注塑、擠出等方法制出各種模子和工具。究其本質(zhì)，模具其實(shí)就是用來成型物品的工具。智能設(shè)計(jì)是指應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)，采用計(jì)算機(jī)模擬人類的思維活動(dòng)，提高計(jì)算機(jī)的智能水平，從而使計(jì)算機(jī)能夠更多、更好地承擔(dān)設(shè)計(jì)過程中各種復(fù)雜的任務(wù)，成為設(shè)計(jì)人員的重要輔助工具。模具設(shè)計(jì)智能化，是指綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)和仿生技術(shù)等模擬人類思維活動(dòng)，進(jìn)行模具設(shè)計(jì)的一種設(shè)計(jì)趨勢(shì)。

模具設(shè)計(jì)智能化最理想化的境界是完全由智能設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)，無須人工參與。在目前技術(shù)背景下，模具智能化設(shè)計(jì)很難做到全部人工智能，模具設(shè)計(jì)的大部分工序流程或某些核心流程智能技術(shù)已經(jīng)能夠完成，但對(duì)一些特別的模具設(shè)計(jì)流程和技術(shù)，智能技術(shù)智只能起到輔助的效果，核心內(nèi)容仍需人工完成。因此，在當(dāng)前技術(shù)條件下，模具設(shè)計(jì)的智能化不是完全意義上的全部由計(jì)算機(jī)軟件和其他軟硬件來實(shí)現(xiàn)。

1.2 模具設(shè)計(jì)智能化的研究歷史

模具設(shè)計(jì)智能化的歷史，就是人工智能的發(fā)展歷史。早在古希臘時(shí)，人類就開始朦朧地追求對(duì)人類思維的模擬，真正在人工智能方面有突破性進(jìn)展的是在第二次世界大戰(zhàn)后。1956年，美國(guó)學(xué)者在人工智能領(lǐng)域取得了突破性的研究成果，美國(guó)的西蒙心理小組和J.Shaw共同證明了計(jì)算機(jī)能準(zhǔn)確模擬出人的思維活動(dòng)，塞繆爾研制的具有自適應(yīng)、組織、學(xué)習(xí)能力的西洋跳棋程序，能成功擊敗設(shè)計(jì)者本人。以此為基礎(chǔ)，人工智能進(jìn)入高速發(fā)展階段。1969年召開了第一屆國(guó)際人工智能聯(lián)合會(huì)議，此后每?jī)赡暾匍_一次。1965年，斯坦福大學(xué)的美國(guó)科學(xué)家E.A.Feigenbaum提出，并在1968年，其成功研發(fā)出世界上第一個(gè)專家系統(tǒng)DENDRAL，它成功地被廣泛應(yīng)用到石油化工、軍事、地質(zhì)勘探等多個(gè)領(lǐng)域。1977年，在第五屆國(guó)際人工智能聯(lián)合會(huì)議上，人工智能的鼻祖美國(guó)根鮑姆教授首先提出了“知識(shí)工程”的概念，由此確立了知識(shí)在人工智能中的重要地位。在20世紀(jì)80年代中后期，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究的復(fù)蘇，又掀起了新一輪的研究熱潮。進(jìn)入90年代后，人工智能技術(shù)與計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)緊密結(jié)合。21世紀(jì)，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)與人工智能技術(shù)三者完美融合，模具設(shè)計(jì)智能化技術(shù)迎來了全新的發(fā)展階段。

2 模具設(shè)計(jì)智能化的基本技術(shù)

2.1 模具設(shè)計(jì)智能化的基礎(chǔ)：人工智能

人工智能本質(zhì)是對(duì)人腦思維的模擬。人腦思維的一般過程是先認(rèn)知客觀實(shí)體對(duì)象，再結(jié)合自己大腦中存儲(chǔ)的相關(guān)知識(shí)對(duì)該對(duì)象進(jìn)行匯總分析，最后經(jīng)過一系列復(fù)雜的邏輯推理，演繹得出結(jié)論。人工智能的核心工作就是運(yùn)用機(jī)器來對(duì)人類思維的模擬。

專家系統(tǒng)是一類具有專門知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的計(jì)算機(jī)智能程序系統(tǒng)，通過對(duì)人類專家問題求解能力的建模，采用人工智能中的知識(shí)表示和知識(shí)推理技術(shù)來模擬通常由專家才能解決的復(fù)雜問題，達(dá)到具有與專家同等解決問題能力的水平。這種基于知識(shí)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是以知識(shí)庫(kù)和推理機(jī)為中心而展開的。專家系統(tǒng)是人工智能中的一個(gè)重要系統(tǒng)，其核心是知識(shí)庫(kù)。

2.2 人工智能技術(shù)

2.2.1 知識(shí)表示

知識(shí)表示(Knowledge Representation)是指把知識(shí)客體中的知識(shí)因子與知識(shí)關(guān)聯(lián)起來，便于人們識(shí)別和理解知識(shí)。知識(shí)表示是知識(shí)組織的前提和基礎(chǔ)，任何知識(shí)組織方法都要建立在知識(shí)表示的基礎(chǔ)上。知識(shí)表示有主觀知識(shí)表示和客觀知識(shí)表示兩種。人工智能中的知識(shí)表示是指將人類在生產(chǎn)時(shí)間中獲得的知識(shí)以計(jì)算機(jī)能夠接受存儲(chǔ)的算法、方式和符號(hào)表示出來。知識(shí)表示的方法一般有狀態(tài)空間法、問題規(guī)約法和框架表示法。

狀態(tài)空間法是一種基于解答空間的問題表示和求解方法，它以狀態(tài)和操作符為基礎(chǔ)。在利用狀態(tài)空間圖表示時(shí)，從某個(gè)初始狀態(tài)開始，每次加一個(gè)操作符，遞增地建立起操作符的試驗(yàn)序列，直到達(dá)到目標(biāo)狀態(tài)為止。問題歸約法從目標(biāo)(要解決的問題)出發(fā)，逆向推理，通過一系列變換把初始問題變換為子問題集合和子子問題集合，直至最后歸約為一個(gè)平凡的本原問題集合。框架是一種結(jié)構(gòu)化的表示方法。框架通常由指定事物各個(gè)方面的槽組成，每個(gè)槽擁有若干個(gè)側(cè)面，而每個(gè)側(cè)面又可擁有若干個(gè)值。大多數(shù)實(shí)用系統(tǒng)必須同時(shí)使用許多框架，并可把它們聯(lián)成一個(gè)框架系統(tǒng)。

2.2.2 知識(shí)利用

知識(shí)利用（Knowledge Utilization）本質(zhì)上是“推理”，依靠某些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，通過形式上的知識(shí)解決既存問題。在模具設(shè)計(jì)智能化過程中，知識(shí)利用是一個(gè)關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，對(duì)既存的問題進(jìn)行階段性分割，通過分割形成各個(gè)設(shè)計(jì)單元，每個(gè)設(shè)計(jì)單元都有對(duì)應(yīng)知識(shí)。整個(gè)人工智能系統(tǒng)，通過上述過程來完成模具設(shè)計(jì)。整個(gè)過程就是推理的過程，對(duì)知識(shí)利用的過程，也是對(duì)問題給出答案的過程。人工智能對(duì)人類推理的模擬是一個(gè)極其復(fù)雜的過程，需要大量的數(shù)據(jù)資料和運(yùn)算。

在知識(shí)利用的過程中，一般的邏輯過程是已知在某事實(shí)的基礎(chǔ)上，通過智能設(shè)備推算出某狀態(tài)。在這個(gè)知識(shí)利用的過程中，首要的是將某事實(shí)轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)能識(shí)別的信息，這離不開知識(shí)表示。再通過知識(shí)推理的過程進(jìn)行推理，進(jìn)而得到所需要的某狀態(tài)。計(jì)算機(jī)推理的一般規(guī)則為正向推理和逆向推理，正向推理是將已明確的事實(shí)與假定的條件進(jìn)行比較，如果事實(shí)與假定相匹配，則相應(yīng)的規(guī)則會(huì)被激活。逆向推理是基于數(shù)量龐大的客觀情況來證實(shí)客觀，是一個(gè)從目標(biāo)出發(fā)追溯到源頭的過程。

2.2.3 知識(shí)獲取

知識(shí)獲?。↘nowledge Acquisition）是設(shè)計(jì)和構(gòu)造人工智能系統(tǒng)的緊要之處。一個(gè)運(yùn)行良好的人工智能系統(tǒng)基礎(chǔ)是知識(shí)庫(kù)，知識(shí)庫(kù)的標(biāo)準(zhǔn)是知識(shí)齊全、完善并且有效，方能解決相關(guān)問題，滿足推理需要。從這點(diǎn)來看，知識(shí)獲取的根本任務(wù)是為人工智能系統(tǒng)獲取知識(shí)。知識(shí)獲取的作用是把知識(shí)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可存儲(chǔ)的內(nèi)部形式，然后把它們存入知識(shí)庫(kù)。知識(shí)庫(kù)里面的知識(shí)是該領(lǐng)域的專家經(jīng)過長(zhǎng)期研究和實(shí)踐總結(jié)出來的。雖然這些知識(shí)在專家的大腦中能夠嫻熟地使用，并能正確解決相關(guān)問題，但有些知識(shí)并不能被專家準(zhǔn)確、詳盡地表達(dá)出來。這樣就不能保證系統(tǒng)中存儲(chǔ)的知識(shí)完全準(zhǔn)確。解決的辦法是將這些知識(shí)進(jìn)行要點(diǎn)和流程化總結(jié)。機(jī)器學(xué)習(xí)是知識(shí)的另外一個(gè)來源，所謂機(jī)器學(xué)習(xí)是計(jì)算機(jī)模擬人類的學(xué)習(xí)行為，通過學(xué)習(xí)獲得知識(shí)。

3 模具設(shè)計(jì)智能化工具CAD

3.1 傳統(tǒng)CAD

CAD是指Computer Aided Design，即計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，誕生于60年代，是美國(guó)麻省理工大學(xué)提出交互式圖形學(xué)的研究，可以進(jìn)行二維和三維的圖形設(shè)計(jì)。在模具設(shè)計(jì)中，CAD軟件成為設(shè)計(jì)人員非常很重要的工具。傳統(tǒng)的CAD軟件工具使模具設(shè)計(jì)人員能快速解決一些設(shè)計(jì)問題，大大降低了設(shè)計(jì)人員的工作強(qiáng)度，其優(yōu)勢(shì)主要有三點(diǎn)。第一，大大提高了設(shè)計(jì)的效率。原始的手工繪制設(shè)計(jì)模具時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要花費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行測(cè)量、作圖，利用CAD工具，大大提高了設(shè)計(jì)效率。第二，模具設(shè)計(jì)的質(zhì)量和水平得到提高。CAD工具中，往往包含了一些模具的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)直接套用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和模板即可，這樣設(shè)計(jì)出來的模具符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，誤差概率較小。設(shè)計(jì)和繪圖是利用計(jì)算機(jī)設(shè)備，人工誤差幾乎可以忽略，設(shè)計(jì)的品質(zhì)和質(zhì)量得到保證。第三，模具設(shè)計(jì)人員能充分發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力。利用CAD擺脫了大量的繪圖作業(yè)工作，CAD軟件可以依靠計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大計(jì)算能力進(jìn)行邏輯計(jì)算，方便表達(dá)出設(shè)計(jì)人員的意愿。傳統(tǒng)CAD的優(yōu)勢(shì)相當(dāng)明顯，但傳統(tǒng)軟件仍然需要人工進(jìn)行大量的前期準(zhǔn)備工作，其設(shè)計(jì)的本質(zhì)仍然是由設(shè)計(jì)人員進(jìn)行，還不是真正意義上的人工智能設(shè)計(jì)。

3.2 智能CAD

智能CAD(Intelligent CAD，ICAD)是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和人工智能技術(shù)相結(jié)合的綜合性CAD系統(tǒng)，簡(jiǎn)言之是讓計(jì)算機(jī)進(jìn)行自主設(shè)計(jì)。

智能CAD通過引入知識(shí)工程、多智能體技術(shù)、遺傳算法等人工智能技術(shù)處理工程設(shè)計(jì)中的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)等并進(jìn)行規(guī)劃、判斷和決策，使CAD系統(tǒng)能很大程度上模擬設(shè)計(jì)師思維，在設(shè)計(jì)過程中有效進(jìn)行各種復(fù)雜的設(shè)計(jì)分析和決策，以滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)自動(dòng)化的需求。智能CAD技術(shù)的出現(xiàn)，為模具設(shè)計(jì)提供了新思路。特別是專家系統(tǒng)中知識(shí)庫(kù)的建設(shè)，充分利用互聯(lián)網(wǎng)的海量信息，將人工智能技術(shù)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、軟件技術(shù)等相結(jié)合形成的智能CAD技術(shù)，充分利用知識(shí)工程對(duì)模具的設(shè)計(jì)知識(shí)和專家經(jīng)驗(yàn)的知識(shí)處理能力，并依賴計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力和方便快速的網(wǎng)絡(luò)通信能力,實(shí)現(xiàn)模具的智能化設(shè)計(jì)。

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[2]尹朝慶，尹皓.人工智能與專家系統(tǒng)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2001．

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[6]中國(guó)模具網(wǎng).智能模具前景廣闊[EB/OL].（2013-12-13）[2015-10-25].http://www.51muju.com/news/html/ market/14697.html.

Intelligentialiaze Research on Die Design

ZHANG Jianqing
(HuaiHua Vocational and Technical College,Huaihua 418000)

The design of the mould directly determines the according to the m ould made of finis hed product quality and production efficiency. The intelligent of the m old design, and greatly im prove the efficiency and quality of m old design.Intelligent mould design is the bas ic technology of imitations of human thought, is the core of knowledge representation, knowledge yong-he li knowledge acquisiti on. In the mold used i n the design of intelligent tool is CAD software. Combination of intelligent technology and CAD software can maximum limit to implement the intelligent of the mold design.

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