基于CBR的制孔窩深工藝參數(shù)實(shí)例庫(kù)研究

常 婷，梁青霄，李 斌，白云鵬，查艷妮

（中航飛機(jī)股份有限公司，陜西 西安710000）

0 引言

在航空制造與裝配領(lǐng)域中，孔加工占有重要地位．據(jù)統(tǒng)計(jì)，70%的飛機(jī)機(jī)體疲勞失效事故起因于結(jié)構(gòu)連接部位，其中80%的疲勞裂紋發(fā)生于連接孔處[1]，可見(jiàn)孔的質(zhì)量極大地影響著飛機(jī)的壽命。設(shè)備制孔窩深是自動(dòng)制孔設(shè)備較難控制的一個(gè)參數(shù)。飛機(jī)產(chǎn)品制孔部位結(jié)構(gòu)的剛性、產(chǎn)品外形曲率、產(chǎn)品工況等因素對(duì)锪窩深度的影響較大，這也是很多制孔設(shè)備在平板試刀臺(tái)上制孔锪窩深度控制良好，但是在飛機(jī)產(chǎn)品上制孔锪窩深度較難控制的原因，而飛機(jī)產(chǎn)品上對(duì)锪窩深度精度要求較高（0～-0.05 mm），窩深只允許負(fù)偏差而不允許正偏差，所以在工藝參數(shù)選取的問(wèn)題上采取保守的選擇方法，一部分窩需要通過(guò)人工補(bǔ)锪以滿足裝配精度要求，顯然這并不符合智能制造的要求。筆者在企業(yè)內(nèi)的已應(yīng)用多年的自動(dòng)制孔設(shè)備研究發(fā)現(xiàn)，企業(yè)在產(chǎn)品研制生產(chǎn)應(yīng)用過(guò)程中積累了大量的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對(duì)制孔工藝參數(shù)的選擇甚至于其他機(jī)型的工程研制具有重要的價(jià)值和指導(dǎo)意義，而且這些經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)會(huì)隨著生產(chǎn)的不斷增加而不斷積累，但是這些經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)并沒(méi)有以一定的形式存儲(chǔ)下來(lái)[1]，而是隨著生產(chǎn)的不斷進(jìn)行而流失，因此亟需一種有效的方式將企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)有效存儲(chǔ)起來(lái)并用于工藝參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化。本文引入CBR（Case-based reasoning）思想，將企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)以制孔知識(shí)實(shí)例的形式進(jìn)行表達(dá)，采用基于制孔實(shí)例的工藝參數(shù)推理方法對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)制孔工藝參數(shù)個(gè)性化控制，從而實(shí)現(xiàn)锪窩深度精確控制。本文主要從制孔經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的知識(shí)表達(dá)以及工藝參數(shù)模型推薦等兩方面展開(kāi)研究。

1 基于CBR的制孔窩深工藝參數(shù)推理模型

基于實(shí)例推理（簡(jiǎn)稱CBR），是通過(guò)輸入待求解問(wèn)題，尋找與之相似的歷史案例，把它重新應(yīng)用到新問(wèn)題的環(huán)境中來(lái)的一種方法[2-3]。目前CBR的思想在工藝設(shè)計(jì)過(guò)程應(yīng)用較為廣泛，將工藝過(guò)程的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)以知識(shí)實(shí)例的形式進(jìn)行表達(dá)，通過(guò)不斷的積累和學(xué)習(xí)，CBR系統(tǒng)不斷壯大，其推理匹配能力越來(lái)越強(qiáng)，智能化水平越來(lái)越高。

基于CBR的制孔窩深工藝參數(shù)推理模型如圖1所示，邏輯過(guò)程如下：輸入目標(biāo)裝配特征以及目標(biāo)窩深，系統(tǒng)通過(guò)將目標(biāo)裝配特征與實(shí)例庫(kù)中的實(shí)例裝配特征進(jìn)行檢索，根據(jù)相似度計(jì)算的結(jié)果，找出一個(gè)與待求問(wèn)題最相近的候選實(shí)例，根據(jù)重用此候選實(shí)例并進(jìn)行修改完善。按照修改完善后的工藝參數(shù)進(jìn)行制孔锪窩，通過(guò)窩深檢測(cè)對(duì)窩深值進(jìn)行判斷，如果窩深值滿足設(shè)計(jì)要求，則將修改后的工藝參數(shù)實(shí)例作為新的實(shí)例保存到實(shí)例庫(kù)中，以便下次遇到類(lèi)似的問(wèn)題時(shí)作為參考。

圖1 制孔窩深工藝參數(shù)推理模型

2 制孔工藝參數(shù)實(shí)例

制孔工藝參數(shù)是制孔窩深控制的關(guān)鍵，合理準(zhǔn)確的表達(dá)制孔工藝參數(shù)實(shí)例，可以方便的對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，將工藝參數(shù)中的經(jīng)驗(yàn)提取出來(lái)，為制孔工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)提供經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。

2.1 制孔經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和抽取

制孔經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)包括：制孔工藝參數(shù)、孔特征信息以及裝配特征信息。制孔工藝參數(shù)的獲取從設(shè)備加工界面由人工在產(chǎn)品加工過(guò)程中輸入，存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。在不同參數(shù)下獲得的窩深數(shù)據(jù)可由窩深檢測(cè)實(shí)現(xiàn)，將該工藝參數(shù)下獲得的窩深數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。裝配特征信息需要人工對(duì)不同框位不同孔位對(duì)應(yīng)的裝配特征進(jìn)行提取、歸納、總結(jié)，進(jìn)行存儲(chǔ)。

2.2 制孔知識(shí)表達(dá)模型

對(duì)飛機(jī)產(chǎn)品上影響锪窩深度的裝配特征進(jìn)行分析，歸納出影響锪窩深度的主要因素包括產(chǎn)品曲率和結(jié)構(gòu)剛性兩大因素。產(chǎn)品曲率越大，在相同的工藝參數(shù)下，锪窩的窩深越小。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)剛性則與材料性能、框翻邊結(jié)構(gòu)，框支撐長(zhǎng)度、框支撐結(jié)構(gòu)，制孔夾層厚度等參數(shù)相關(guān)。選擇產(chǎn)品曲率和結(jié)構(gòu)剛性的相關(guān)參數(shù)來(lái)描述裝配特征，飛機(jī)產(chǎn)品壁板外蒙皮材料性能相近，不同制孔位置的材料性能一致，相似度一致，所以材料性能不作為裝配特征。以飛機(jī)下壁板組件為例，選擇飛機(jī)下壁板組件外蒙皮不同制孔位置的參數(shù)作為裝配特征，包括制孔夾層厚度、框翻邊結(jié)構(gòu)、框支撐長(zhǎng)度、支撐結(jié)構(gòu)等，見(jiàn)圖2.用一個(gè)八元組表示裝配特征實(shí)例，制孔知識(shí)表達(dá)模型見(jiàn)圖3.

圖2 制孔位置結(jié)構(gòu)圖示意

圖3 制孔知識(shí)實(shí)例模型

Assembly為一個(gè)八元組，其中：

AssemblyID為工藝實(shí)例編號(hào)；

AssemblyThickness為制孔夾層厚度取制孔位置的夾層厚度，厚度越大，剛性越強(qiáng)；

AssemblyRevers為框翻邊結(jié)構(gòu)包括單翻邊斷開(kāi)結(jié)構(gòu)、雙翻邊斷開(kāi)結(jié)構(gòu)、雙翻邊一體結(jié)構(gòu)，雙翻邊比單翻邊剛性強(qiáng)，一體結(jié)構(gòu)比斷開(kāi)結(jié)構(gòu)剛性強(qiáng)；

AssemblyLengh為代表框支撐長(zhǎng)度取制孔位置點(diǎn)位到工裝定位銷(xiāo)腹板面的距離。每個(gè)制孔位置的支撐長(zhǎng)度都不一樣，支撐長(zhǎng)度越長(zhǎng)，剛性越弱；

AssemblyCurve為代表產(chǎn)品曲率，制孔位置的產(chǎn)品曲率不同，同一工藝參數(shù)下獲得的窩徑不同；

AssemblyStructure為代表支撐結(jié)構(gòu)，支撐結(jié)構(gòu)形式包括全支撐和半支撐兩種情況；

AssemblyDeep為代表該實(shí)例裝配特征下獲得的實(shí)際窩深值；

AssemblyId代表該裝配特征對(duì)應(yīng)的工藝參數(shù)實(shí)例。

ParameterList為一個(gè)五元組，其中：

ParameterID用以表示工藝參數(shù)實(shí)例編號(hào)；

Speed、CutSpeed分別代表制孔轉(zhuǎn)速以及進(jìn)給速度，二者均影響锪窩表面質(zhì)量以及窩深參數(shù)；

CutDeep代表主軸進(jìn)給量，進(jìn)給量越大，窩深越大；

Stress代表壓力腳壓力值，壓力值越大，窩深越小。

2.3 相似度計(jì)算

相似度計(jì)算是知識(shí)檢索和推薦的核心算法，檢索一個(gè)實(shí)例后，相似度計(jì)算公式如下，用于判斷目標(biāo)實(shí)例與源實(shí)例之間的相似程度。

Sim（A，B）=∑Wi·Gi（Ai，Bi）（i=1～6）

其中：

（1）Gi（Ai，Bi）代表每個(gè)裝配特征因子的相似程度，分別用函數(shù) G1、G2、G3、G4、G5、G6 表示裝配特征AssemblyThickness、AssemblyRevers、AssemblyLengh、AssemblyR、AssemblyR、AssemblyR的相似程度。

相似度函數(shù)G2和G5代表離散量函數(shù)，通常用0和1代表離散型函數(shù)的值，相同即1，不相同即0.

相似度函數(shù)G1、G3、G4和G6代表的裝配特征屬于連續(xù)性變量，用Gi=1-|（Ai-Bi）/Bi|表示。

（2）A為目標(biāo)實(shí)例（新實(shí)例），Ai為目標(biāo)實(shí)例第i項(xiàng)實(shí)例特征，A={A1，A2，…A6}；

（3）B為知識(shí)庫(kù)已有的源實(shí)例；Bi為源實(shí)例第i項(xiàng)實(shí)例特征，B={B1，B2…，B6}；

（4）i為實(shí)例特征的項(xiàng)數(shù)，n=6；

（5）Wi為第i項(xiàng)實(shí)例特征的權(quán)重，由由領(lǐng)域?qū)＜疑潭ńo出。夾層厚度和支撐方式對(duì)窩深影響較大，分別賦予權(quán)重W1=0.3，W5=0.3；其他裝配特征權(quán)重分別為0.1.

2.4 實(shí)例檢索與重用

實(shí)例的數(shù)量大小直接影響實(shí)例推理的執(zhí)行速度，采用“條件判斷+相似度計(jì)算”的形式進(jìn)行實(shí)例檢索與判斷。裝配特征參數(shù)中加工材料夾層厚度AssemblyThickness以及框翻邊結(jié)構(gòu)AssemblyRevers對(duì)制孔窩深影響較大，將此二者裝配特征作為IF判斷條件內(nèi)容。

條件判斷的原則為：

IF （AssemblyThickness差值>2 AND AssemblyRevers不等）

{

直接跳轉(zhuǎn)

}；

進(jìn)行相似度計(jì)算。

按照相似度計(jì)算結(jié)果對(duì)實(shí)例進(jìn)行排序。

根據(jù)相似度計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行工藝參數(shù)的優(yōu)化選取。

3 實(shí)例驗(yàn)證

以某型機(jī)下壁板框與蒙皮連接緊固件的制孔锪窩工藝參數(shù)實(shí)例推理為例，驗(yàn)證該制孔知識(shí)的锪窩深度工藝參數(shù)優(yōu)化方法。

設(shè)目標(biāo)實(shí)例 A={A1，A2……A6}={4，雙，565，全，4 200，7.5}

按照相似度計(jì)算算法計(jì)算目標(biāo)實(shí)例與源實(shí)例的相似度值，有：

S=0.3*G1+0.1*G2+0.1*G3+0.1*G4+0.3*G5+0.1*G6

按照相似度計(jì)算結(jié)果值的高低進(jìn)行排序，取相似度大小排序靠前的實(shí)例記錄如表1所示。

表1 工藝參數(shù)實(shí)例相似度計(jì)算結(jié)果

工藝人員按照相似度計(jì)算結(jié)果，選擇相似度值最高的工藝參數(shù)實(shí)例，如表2所示，并對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化選取。

表2 推優(yōu)實(shí)例

4 結(jié)論

根據(jù)制孔窩深較難控制的情況，提供了一種基于實(shí)例推理的窩深工藝參數(shù)優(yōu)化方法，將企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中積累的制孔工藝參數(shù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行抽取、歸納和組織，給出工藝參數(shù)目標(biāo)實(shí)例與源實(shí)例的相似度計(jì)算方法，工藝參數(shù)實(shí)例推薦模型按照相似度計(jì)算結(jié)果的高低進(jìn)行實(shí)例推薦，工藝人員根據(jù)推薦結(jié)果進(jìn)行工藝參數(shù)的優(yōu)化。該方法可以把已有的工藝參數(shù)實(shí)例經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行存儲(chǔ)以及進(jìn)行實(shí)例推薦，為制定新工藝提供查考，也可以用于新工藝員培訓(xùn)和設(shè)計(jì)人員參考。進(jìn)一步工作應(yīng)關(guān)注知識(shí)庫(kù)中裝配知識(shí)的表達(dá)和完善推薦模型上。