基于实例的数控机床主轴部件推理系统.pdf

基 于 实 例 的 数 控 机 床 主 轴 部 件 推 理 系 统术 口郭辰光 口王鹏家 口严波 口刘永贤 东北大学 机械工程与 自动化学院沈 阳 1 1 0 0 0 4 摘要 利 用机 床 主轴 部 件 设 计 中积 累的 经 验数 据 ， 构 造 了数 控 机 床 主 轴 部 件 实例 库 ， 阐述 了主 轴 部件 推 理 系统 构 建 的关键技 术， 给 出了主轴实例特征属性集。引入 欧氏空间距 离排序法进行特征属性权重排序 ． 应 用最近邻法的改进公 式实 现 了实例相似度的计算 。将灰 色关联 分析 法应 用于主轴部件 的实例评 价， 排选 出最佳 实例 ． 实现 了基于 C B R的推理机 的 设计 。在 V C 平台上， 应用 C 语言构建 了主轴部件设计推理 系统 ． 实现 了数控机床主轴部件 的智 能设计 关键词 机床主轴 实例推理 相似度 灰色关联分析法 中图分类号 T H1 6 4 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 4 9 9 8 f 2 0 1 l 1 0 8 0 0 1 0 ～ 0 3 机 床 主 轴 是 机 床 的 重 要 组 件 之 一 ， 主 轴 的 性 能 直 接 影 响 机 床 的 加 工 精 度 、 加 工 表 面 质 量 和 生 产 率 ， 是 决 定 机 床 整 体 性 能 和 经 济 技 术 指 标 的 重 要 因 素 [ 1 - 2 ] 。 主 轴 部 件 的 设 计 过 程 是 一 个 强 经 验 、 弱 理 论 、 知 识 密 集 型 问 题 ， 如 何 在 较 短 的 时 间 内 ， 得 到 合 理 的 机 床 主 轴 设 计 方 案 ． 是 机 床 主 轴 设 计 技 术 研 究 领 域 的 关 键 。 推 理 机 表 1 主轴特征属性 表 外形尺寸 回转 序号 主轴型号 平均直径 内孔 直径 悬伸量 支撑跨距 精度 转速／ 功率 r ／ mi n ／ k W ／ mm ， mm ／ mm ， mm 1 J T 一6 1 6 4 8 0 5 0 6 3 2 4 8 O ． 0 o5 5 0 0 0 7 ． 5 2 J T一 8 5 0 L R 8 0 4 5 ． 5 5 5 2 5 2 0 ． 0 05 6 0 0 0 5 ． 5 3 HS R- 6 2 6 3 7 0 4 5 ． 5 5 0 3 5 3 0 ．0 03 5 0 o 0 3 ． 7 5 Re a s o n i n g Ma c h i n e ， RM 是 智 能 设 计 系 统 的 重 要 组 成 功 能 要 素 ． 目前 常 用 的 推 理 方 式 主 要 有 基 于 规 则 的 推 理 Ru l e - Ba s e d Re a s o n i n g ， RBR 、基 于 实 例 的 推 理 Ca s e- B a s e d Re a s o n i n g， C B R 和 基 于 模 型 的 推 理 Mo d e l - B a s e d Re a s o n i n g， MB R 三 类 。基 于 实 例 的 推 理 是 近 几 年 来 人 工 智 能 推 理 研 究 的 热 点 ，它 基 于 设 计 者 的认 知 过 程 。 利 用 事 物 属 性 的 相 似 性 进 行 相 似 或 类 比 推 理 ， 在 成 功 设 计 案 例 的 基 础 上 ， 寻 找 与 需 求 方 案 最 为 相 近 的 设 计 实 例 ， 而 后 对 实 例 进 行 评 价 与 修 改 并 得 到 最 终 的 设 计 方 案 。 相 对 于 RBR 与 MB R 方 法 ， CB R 的 优 点 主 要 有 [ 3 ] 1 贴 近 人 类 的 思 维 认 知 模 式 ； 2 根 据 国家 重大 科技 专项 编 号 2 0 0 9 Z X0 4 0 0 1 0 5 3 ，2 0 0 9 Z X 0 4 0 0 1 0 6 2 辽宁省工程 技术中心资助项 目 编号 2 0 0 9 4 0 2 0 1 7 收稿 日期 2 0 1 1 年 1 月 一 定 策 略 可 将 实 例 保 存 于 实 例 库 中 ．突 破 知 识 获 取 困 难 的 瓶 颈 ； 3 实 例 库 的 构 造 简 便 快 捷 ； 4 C B R 不 需 要 构 造 精 确 的 领 域 ．可 以 用 于 一 些 尚 未 认 识 清 楚 的 领 域 。 本 文 对 CB R 推 理 关 键 技 术 在 机 床 主 轴 部 件 设 计 中 的 应 用 进 行 了讨 论 。构 建 了基 于 实 例 的 数 控 机 床 主 轴 部 件 推 理 系 统 。 1 主轴部件推理 系统 的关键技术 1 ． 1 主 轴 部 件 实 例 检 索 实 例 检 索 是 根 据 设 计 方 案 要 求 和 问 题 描 述 ， 利 用 实 例 特 征 属 性 索 引 ，从 实 例 库 中 搜 寻 最 匹 配 的 设 计 案 例 的 过 程 。 实 例 特 征 属 性 是 指 用 来 描 述 实 体 的 主 要 特 征 的 属 性 标 识 。 它 是 案 例 间 进 行 相 似 度 计 算 的 基 础 。 如 表 1所 示 为 数 控 机 床 主 轴 部 件 的 实 例 特 征 属 性 表 ， 其 提 供 科 学 依 据 。 同 时 在 进 行 有 限 元 静 力 分 析 的 基 础 上 ， 对 结 构 进 行 优 化 与 对 比 ， 为 进 一 步 的 设 计 提 供 参 考 。 参 考 文 献 『 1 ] 张 月金 ， 李刚炎 ， 李 响 ， 等． 城市 生活垃圾压 缩处理站举 升 机构的分析与优 化[ J ] ． 机械工程与 自动化 ， 2 0 1 0 5 ． [ 2 ] F u k u y a ma ⋯ K E f f e c t i v e n e s s o f S o c i a l S y s t e ms S u s t a i n e d b y Re s i d e n t s P a r t i c i p a t i o n a C o l l e c t i o n S y s t e m o f Cl a s s i f i e d Ga r b a g e a n d Ru b b i s h『 C] ． I E EE I n t e r n a t i o n a l Co n f e r e n c e o n S y s t e ms ， Ma n a n d C y b e rne t i c s ， Na s h v i l l e ， US A， 2 0 0 0 ． ． [ 3 ] 蒋素清． 综合应用 P r o ／ E 、 H y p e r Me s h和 A N S Y S软件进行有 I囹 2 0 1 i ／ 8 限元分 析[ J ] ． 南通职业大学学报 ， 2 0 0 9 2 1 0 2 1 0 4 ． [ 4 ] 武照云 ， 李 丽． 基于 H y p e r Me s h和 A N S Y S二次开发 的桥壳 有限元分析 [ J ] ． 煤矿机械 ， 2 0 1 0 9 2 2 5 2 2 7 ． [ 5 ] 蒲 明辉 ， 李凯 ， 殴洪彪 ， 等． 基 于 AD A MS与 A N S Y S的后 装 垃圾 车压缩刮板 的研究 [ J ] ． 机械设计与制造 ， 2 0 1 1 2 ． [ 6 ] Z h a n g R u i ， J u J i a n m i n ．F i n i t e E l e me n t A n a l y s i s B a s e d o n P r o ／ E ， H y p e r M e s h a n d AN S Y S [ C] ． I n t e rna t i o n a l C o n f e r e n c e o n C o mp u t e r S c i e n c e a n d S o f t wa r e En g i n e e r i n g ， W u h a n ， Ch i n a． 2 0 0 8 ． 编 辑禾禾 机械制造4 9 卷 第5 6 4期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 主 属 性 集 { 回 转 精 度 mm ， 转 速 r ／ mi n ， 功 率 k W ， 平 均 直 径 mm ， 内 孔 直 径mm ， 悬 伸 量 ram ， 支 撑 跨 距 mm l 。 1 ． 2主 轴 部 件 实 例 特 征 属 性 权 重 实 例 特 征 属 性 权 重 是 实 例 准 确 匹 配 的 基 础 一它 表 明 了 设 计 者 对 不 同实 例 特 征 属 性 的 关 注 程 度 。 特 征 属 性 权 重 的 确 定 方 法 主 要 有 层 次 分 析 法 、 专 家 调 查 法 等 。 但 上 述 方 法 由 领 域 专 家 根 据 自 己 的 经 验 进 行 主 观 臆 断 ， 得 到 的 实 例 特 征 属 性 权 重 值 不 够 精 确 。 本 文 引 用 欧 氏 空 间距 离 排 序 法 ， 其 权 重 值 为 } 1 Z i∑ lj∑ l 1 式 中 为 模 糊 判 断 矩 阵 阶 数 ； a为 决 策 目标 重 要 程 度 衡 量 值 ， 且 凸 ； r 为 模 糊 判 断 矩 阵 元 素 间 隶 属 度 ； ∞ 为 计 算 所 得 权 重 向景 。 本 文 实 例 各 特 征 属 性 权 重 值 经 计 算 为 0． 3 43 28， 0． 22 8 0 2， 0． 0 59 4 6． 0． 0 43 9 9， 0 ． 0 49 1 6，0． 1 1 6 46，0 ． 1 5 9 6 2 。 1 - 3 主 轴 部 件 相 似 度 计 算 实 例 相 似 度 是 判 别 两 个 实 例 相 似 程 度 的 尺 度 b ] ， 用 来 检 索 实 例 库 中 与 新 问 题 最 相 似 的 实 例 。 目前 较 成 熟 的 实 例 检 索 方 法 有 最 近 邻 法 Ne a r e s t Ne i g h b o r 、 归 纳 法 I n d u c t i o n 和 知 识 引 导 法 Kn o wl e d g e Gu i d e d I n d u c t i o n 等 。最 近 邻 算 法 通 过 实 例 间 不 同 属 性 差 别 的 平 均 加 权 或 平 方 加 权 来 计 算 实 例 的 相 似 度 ． 但 是 。 由 于 最 近 邻 算 法 分 类 不 够 准 确 、 计 算 量 大 ． 为 了 增 加 检 索 的 准 确 度 和 实 例 之 间 的 区 分 程 度 ， 引 入 最 近 邻 法 的 改 进 公 式 ⋯一 露／ ． ㈤ 式 中 R 为 问 题 特 征 向量 ， 表 示 特 征 向 量 的 索 引 项 i 为 实 例 库 中 实 例 索 引 项 值 ； Ra n g e ． 表 示 实 例 库 所 有 的 实 例 当 中第 i 个 特 征 索 引 项 上 的 最 大 值 和 最 小 值 的 差 。 1 ． 4 实 例 评 价 灰 色 关 联 分 析 法 可 以 在 不 完 全 的 信 息 状 态 下 ， 对 所 要 分 析 研 究 的 各 个 因 素 通 过 一 定 的 数 据 处 理 ， 在 随 机 的 因 素 序 列 间 找 到 它 们 的 关 联 性 ，根 据 因 素 之 间 发 展 态 势 的 相 似 和 相 异 程 度 来 衡 量 因 素 间 的 接 近 程 度 ， 同 时 ， 灰 色 关 联 法 对 样 本 的 大 小 没 有 要 求 ． 分 析 过 程 中 也 不 需 要 典 型 的 分 布 规 律 ，其 结 果 与 定 性 分 析 的 吻 合 性 较 好 。 本 文 应 用 灰 色 系 统 理 论 中 的关 联 分 析 法 对 实 例 进 行 评 价 ， 以 车 床 主 轴 部 件 关 联 度 计 算 为 例 ， 将 初 始 最 优 实 例 作 为 参 考 数 列 ，将 相 似 实 例 与 初 始 最 优 实 例 进 行 关 联 度 计 算 ． 排 选 出 最 佳 实 例 。 机 械 制 造4 9 卷第5 6 4 期 1 ． 4 ． 1确 定 参 考 数 列 } 根 据 构 成 最 优 参 考 数 据 列 原 则 及 设 计 需 求 得 最 优 参 考 数 列 { 。 } { 回 转 精 度 mm ， 转 速 r ／ mi n ， 功 率 k W ， 平 均 直 径 mm ， 内孔 直 径 mm ， 悬 伸 量 mm ， 支 承 跨 距 mm } _{ 0 ． 0 0 3， 6 0 0 0， 8 ． 5， 8 0， 5 5， 5 0， 2 2 0} 。 由 于 各 特 征 属 性 指 标 数 量 级 不 同 ， 做 归 一 化 处 理 ， 则 { 0 } _{ 3， 6， 8 ． 5， 8 ， 5 ． 5， 5， 2 ． 2} 。 1 ． 4 ． 2确 定 比较 数 列 比较 数 据 列 的 各 特 征 属 性 参 数 如 表 1所 示 。 经 归 一 化 处 理 后 ． 各 型 号 主 轴 的 比 较 数 据 列 表 如 下 所 示 { l } { 5， 5， 7 ． 5， 8， 5， 6 ． 3， 2 ． 4 8} { 2 } { 5， 6， 5 ． 5， 8， 4 ． 5 5， 5 5， 2 ． 5 2} { 3 } { 3， 5， 3 ． 7 5， 7， 4 ． 5 5， 5， 3 ． 5 3} 1 ． 4 ． 3 关 联 度 计 算 各 数 据 列 绝 对 差 A A1 2， 1 ， l ， 0， 0 ． 5， 1 ． 3， 0 ． 2 8 △2 2， 0， 3， 0， 0 ． 9 5， 0 ． 5， 0 ． 3 2 A3 0， 1， 4． 75， I， 0． 9 5， 0， I ． 3 3 两 级 最 大 差 Ma x f Ma x △ 当 l时 ， Ma x 31 2； 当 i 2时 ， Ma x 3 2 3 ； 当 i 3 日 寸， Ma x △3 4． 7 5。 则 两 级 最 大 差 为 Ma x{ 2 ， 3， 4 ． 7 5} 4 ． 7 5 。同理 ， 求 两 级 最 小 差 Mi n Mi n A 0 。 计 算 关 联 系 数 取 p 0 ． 5． 贝 U 鬻 Q △ O ． 5 x 4 ． 7 5 A 2 ． 3 7 5 1 0 ． 5 4 2 8 6 ，0 ． 7 0 3 7 0，0 ． 7 0 3 7 0，1 ，0 ． 8 2 6 0 9， 0 ． 6 46 2 6，0． 8 9 4 5 4 0 ． 5 4 2 8 6，1 ，0 ． 4 4 1 8 6 ， 1 ，0 ． 7 1 4 2 9， 0 ． 8 2 6 0 9， 0． 8 81 2 6 3 1， 0． 7 03 7 0，0． 33 3 3 3，0 ． 7 0 3 7 0，0． 71 4 3 9， 1， 0． 6 41 0 3 采 用 实 例 匹 配 时 所 确 定 的 权 值 将 O ． 3 4 3 2 8 ， 0 ． 2 2 8 0 2， 0 ． 0 5 9 4 6， 0 ． 0 4 3 9 9， 0 ． 0 4 9 1 6， 0 ． 1 1 6 4 6， 0 ． 1 5 9 6 2 代 入 关 联 度 计 算 公 式 ∑ 计算关联度值 0 ．0 9 8 7 6 ， y 2 ---- O ． 1 0 8 0 9， T ， 0 ． 1 1 5 4 9。 由 此 ， 第 三 套 设 计 案 例 最 佳 。 2 主轴部件推理原 型系统 以 VC 为 系 统 开 发 平 台 ，应 用 C 程 序 设 计 语 言 ， 构 建 基 于 实 例 的 数 控 机 床 主 轴 部 件 推 理 系 统 。 图 1所 示 为 主 轴 部 件 实 例 匹 配 环 节 ． 在 推 理 界 面 2 0 1 1 ／ 8圃I 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l Ⅲ ． w 妻 鬻 爨 甓 强 鼍 | 萎 鼍g 霉 强凳 罄 蠢糍誊 誊 雏 嚣 蔓甍 j 蕊 誊 臻 。| 程 ‰ 鬣虢 毽 | 嚣 薯 | a | 。 。 蕾 蝴 | | 嗡 一 黼棼I姗雀 畿＼ | 。 镑 爨雾 | 露≥ 器 曩 | |l 嚣 蠢≯ 一 ；i | ||。| 冁毫 搬鞋 鬣 ≮ l | 甏 | l 甏 l 赣 j自 l 毳 每 毪 萎 ； ■ | | 0 | K | 懒棼 誊 堡 j毒 i 毪 罨壤i z z “ 静 | 4； |i 一 譬 鼍 弱鬻强l 强鼍臻 蠢‘ 薯 ’ 嚣 蛩 ’ 。 罐 u | 毪臻 瓷 篱 蠢棼鬻毪囊 矗 叠赫t l 龋雏毪 蠢 ． 誊镬 囊 骜 甏 礅 * 广～ 一 。 辩 - | “ 鼍 静 爱 l 塑 j 。 觏毫 噔 摹 萋 鹱 鼍 ≯ l 毫 ≯ | | | ▲图 1 实例推理系统界面 ▲图 2 实例修 改 中 输 入 初 始 条 件 属 性 值 和 权 重 值 ， 点 击 “ 匹 配 实 例 ” 进 行 相 似 度 计 算 。 得 到 匹 配 结 果 后 ， 点 击 “ 综 合 评 价 ” ， 则 可 得 到 实 例 评 价 结 果 如 图 2所 示 。 其 中 ， 灰 色 关 联 分 析 法 关 键 程 序 代 码 如 下 f l o a t g u a n l i a n d u l 1 。 g u a n l i a n d u 1 2 ． g u a n l i a n d u l 3 ；『 ／ 定义关联度权重 f 0 r x 0 ；x 3 ；x ／ ／ 数据归一化处理 { j i n g d u 1 0 0 0 ； z I x a [ 0] f a b s h u m3 3 1 一 h u m4 4 1 ；， ， 求绝对数据列 ／ t i k f 0 r e O ； e 7 ；e ， ／ 比较数据列差值 ， 获得最大及最小值 { f o r y 0 ；y 7 一 e ；y i f a [ y ] a [ y 1 ] b ij i a o l a [ y ] ； a [ y ] a [ y 1 ] ； a [ y 1 ] b i j i a o l ； 1 b [ X ] a [ 0 ] ； C [ X ] a [ 6 ] ； m _U s e r Re c o r d S e t ．Mo v e N e x t ； f 0 r x O ； x 3 ； x ／ ／ 计算关联系数 a b I x ] j i e g o u 2 O ．5 j i e g u o 1 ， z [ x ] 0 ． 5 * j i e g u o 1 ； f 0 r x 0 ； x 3 ；x ， ／ 计算关联度 { r [ x ] a b[ x ] g u l i a n d u 1 1 c d[ x ] g u l i a n d u 1 2 e f [ x g u l i a n d u 1 3 g h [ x ] g u l i a n d u 1 4 i j[ x ] g u l i a n d u l 5 p q [ x ] g u l i a n d u 1 6 mn[ x ] g u l i a n d u 1 7 ， 7 回 2 0 1 1 ／ 8 3 结束 语 1 本 文 所 提 出 的 基 于 实 例 推 理 技 术 的 数 控 机 床 主 轴 部 件 设 计 推 理 系 统 ， 能 够 突 破 知 识 获 取 的 瓶 颈 问 题 ， 快 速 高 效 地 实 现 主 轴 部 件 的 智 能 推 理 设 计 ，详 细 阐 述 了 系 统 构 建 的 关 键 技 术 ， 给 出 了 主 轴 实 例 特 征 属 性 集 ， 引 入 欧 氏 空 间 距 离 排 序 法 进 行 特 征 属 性 权 重 排 序 ． 应 用 最 近 邻 法 的 改 进 公 式 实 现 实 例 了 相 似 度 的 计 算 ， 利 用 灰 色 关 联 分 析 法 对 主 轴 部 件 实 例 进 行 了 评 价 。 2 通 过 系 统 的 实 际 应 用 表 明 ， 基 于 上 述 方 法 构 建 的 基 于 实 例 的 主 轴 部 件 设 计 推 理 系 统 是 可 行 的 ，可 为 设 计 师 进 行 主 轴 方 案 设 计 提 供 参 考 。 3 在 数 控 机 床 主 轴 部 件 的 设 计 过 程 中 ， 由 于 加 工 环 境 、 材 料 特 性 等 特 征 属 性 的需 求 ， 要 对 主 轴 实 例 特 征 属 性 的 界 定 进 行 进 一 步 的研 究 。 参 考 文 献 [ 1 ] 莫才颂 ， 千学 明． 机床 主轴结 构优化设计 [ J ] ． 茂名 学院学 报 ， 2 0 0 3 ，1 3 3 4 0 4 2 ． 『 2 ] 魏宗 平， 李飞 舟． 机床 主轴 结构 非概 率可 靠性 优化 设计 [ J ] ． 组 合机床与 自动化加工技术， 2 0 0 9 1 2 1 7 2 0 ． 3 ] 王飞． 基于实例与规则推理的斗式提 升机设计专家 系统研 究 『 D] ． 秦皇岛 燕山大学， 2 0 0 6 ． [ 4 ] C G G u o ，Y X L i u ，P T i a n ，e t a 1 ．F u z z y C o m p r e h e n s i v e Ev a l u a t i o n Me t ho d o f t he I mp o r t a n c e Ra t i ng s o f Cus t o me r s’ R e q u i r e m e n t s [ C ] ． ’P r o c e e d i n g s o f t h e 6 t h C I R P I n t e r n a t i o n a l Co nf e r e n c e o n Di g i t a l En t e r p r i s e Te c h no l o g y ， Ho n g Ko ng ， C h i n a ， 2 0 0 9 ． 『 5 ] 王遵彤， 刘 战强 ， 艾兴 ． 高速切 削 中实 例相似度 及其应 用 的研究 [ J ] ． 计算机集成制造系统， 2 0 0 5 ， 1 l 5 7 2 1 7 2 6 ． [ 6 ] 赵韩 ， 张彦， 方 艮海， 等． 灰色关联分析法在汽车零部件 故 障分 析中的应用 [ J ] ． 农 业机械学报， 2 0 0 5 ， 3 6 8 1 2 5 1 2 8． 编 辑 日 月 机械制造4 9 卷 第5 6 4 期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m