CN101051306A - 一种冲压件实例检索方法 - Google Patents

Abstract

一种冲压件实例检索方法，为充分利用冲压工艺的成功经验，从工艺相似的角度，采用最近邻法进行冲压件实例检索。具体的，首先从冲压件三维模型中提取特征和特征间约束，并且根据冲压件材料信息表，获得材料的料厚、强度和硬度；然后从工艺相似的角度，计算新旧冲压件实例的相似度；所述的计算新旧冲压件实例的相似度是分两个阶段进行：第一阶段以平面为基准计算冲压件拓扑关系相似度，过滤掉不相似的旧实例，得到相似的旧实例，以缩小后续阶段的检索空间；第二阶段从第一阶段获得的一批旧实例中，通过比较新旧实例间特征、约束和材料的综合相似度，得出一个最相似的旧实例。该方法具有易于实现、资源耗费少、计算效率高、更精确合理的优点。

Description

一种冲压件实例检索方法

技术领域

本发明属于机加工领域，涉及信息检索与冲压方法，尤其是检索相似的冲压件，以便更好的仿照检索到的冲压件的冲压工艺来进行新零件的工艺设计的方法。

背景技术

冲压工艺设计的特点是弱理论、强经验，从总体上看适合采用基于实例的推理(Case based Reasoning，CBR)来设计工艺方案。CBR是利用已有的相似实例来解决问题，因此如何检索相似实例就成为应用CBR的关键技术之一。针对实例检索这一问题，国内外已提出多种方法，主要有：最近邻法、归纳法和基于知识的方法等。然而成功的应用于冲压件实例检索的文献并不多。相似的冲压件具有相似的冲压工艺。如何从工艺相似的角度出发，而不是从形状相似的角度出发，来检索相似的冲压件，以便更好的仿照检索到的冲压件的冲压工艺来进行新零件的工艺设计。目前，还未检索到这类方法的发明专利。

经对现有技术的文献检索发现，有关冲压件实例检索方法主要有以下几种：

(1)柯旭贵等在《冲裁模CBR系统的相似实例检索》(锻压技术2005，4)中将冲裁件分为落料件、冲孔件和复合冲载件三种类型，采用编码的方式进行几何形状、公差等级、材料和批量的匹配比较；

(2)M.El-Mehalawi等在《A database system of mechanical componentsbased on geometrics and topological similarity.Part II：indexing，retrieval，matching，and similarity assessment》(COMPUTER-AIDED DESIGNVol.35 Issue 1)中，寻找匹配的面和边来考察机械零件三维实体的相似度；

(3)中国专利申请号：200410067152，专利名称为：三维CAD模型基于形状的相似度评估方法，该专利自述为：“将三维CAD模型的STEP AP203 Part21数据转换为属性图数据；从属性图数据提取三维CAD模型的特征不变量并以此构造其特征不变矢量；基于构造的特征不变矢量应用自组织神经网络对CAD模型进行相似度评估。”

方法1虽然能实现冲裁件相似实例检索，但是每一属性用1和0来表示匹配还是不匹配，过于粗糙简单。方法2和3虽然可应用于冲压件实例检索，但是仅仅考虑形状相似，而不考虑其他与工艺相关的信息，可能无法借鉴检索到的冲压件的工艺方案，因为形状最相似，工艺不一定最相似。例如，材料的不同，可能导致相同三维实体模型的冲压件，工艺差别很大。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种基于工艺相似的冲压件实例检索方法，使其解决背景技术中存在的不足，实现相似冲压件的智能检索，从而充分利用冲压工艺的成功经验，来进行新零件的冲压工艺设计。本发明首先从冲压件三维模型中提取特征和特征间约束，并且根据冲压件材料信息表，获得材料的料厚、强度和硬度。然后从工艺相似的角度，分两个阶段计算新旧冲压件实例的相似度。第一阶段以新旧实例每个平面上特征和约束的个数为基准计算冲压件拓扑关系相似度，过滤掉一些不相似的旧实例，得到一批相似的旧实例，缩小了后续阶段的检索空间；第二阶段从第一阶段获得的一批旧实例中，通过比较新旧实例间特征、约束和材料的综合相似度，得到一个最相似的旧实例。整个检索的方法采用的是最近邻法。

为达到上述目的，本发明的解决方案是：一种基于工艺相似的冲压件实例检索方法，为充分利用冲压工艺的成功经验，从工艺相似的角度，采用最近邻法进行冲压件实例检索。

进一步，首先从冲压件三维模型中提取特征和特征间约束，并且根据冲压件材料信息表，获得材料的料厚、强度和硬度，然后从工艺相似的角度，分两个阶段计算新旧冲压件实例的相似度。

第一阶段以平面为基准计算冲压件拓扑关系相似度，过滤掉一些不相似的旧实例，得到一批相似的旧实例，缩小了后续阶段的检索空间；第二阶段从第一阶段获得的一批旧实例中，通过比较新旧实例间特征、约束和材料的综合相似度，得出一个最相似的旧实例。

所述的第一阶段以平面为基准计算冲压件拓扑关系相似度，按照新旧冲压件每个平面上特征和约束的个数，采用最近邻法中的欧氏距离来衡量每一对平面的相似度，搜索平面匹配对。之后，根据平面匹配对的相似度值，得出新旧冲压件拓扑关系相似度，并从高到低排列，设定阈值，获得一批较为相似的冲压件。

所述的第二阶段计算新旧冲压件实例相似度，在第一阶段获得的一批较为相似的冲压件中进行。首先以第一阶段找到的平面匹配对为基础，在相匹配的两个平面上搜索相匹配的特征对，根据特征匹配对的相似度值，计算整个新旧冲压件特征相似度；第二，计算特征间约束相似度，只要新旧冲压件中两个约束的种类相同，就认为它们是匹配对，并且相似度为1，计算整个新旧冲压件约束相似度；第三，根据材料的料厚、强度和硬度，采用欧氏距离计算材料相似度；最后加权计算特征、约束和材料综合相似度

具体的说，本发明是通过以下技术方案实现的：准备工作：由冲压件三维模型图提取各个特征，并用表1存放。需要特别说明的是，弯曲特征所属平面为与它相连的两个平面。特征分为主特征和辅特征，主特征包括平面Flat，弯曲Bend和拉深Forming等等，辅特征包括圆孔Hole，(长)方孔Slot，异形孔Profile，翻孔Extrusion hole，卷边Bead，凸起Emboss，卷缘Flange，等等。除了特征对冲压工艺直接产生影响外，特征之间的约束对冲压工艺也有很大的影响，可分为精度约束Precision-associated restriction，如两孔间距离有精度要求；靠近约束Close-with restriction，如孔靠近弯曲边，孔间距小。提取特征间约束用表2存放。

表1  特征表                                  表2  约束表

特征	所属平面
		Flat1
Hole1	Flat1
		…	…

约束	特征1	特征2	所属平面
				Precision-associated	Hole1	Hole2	Flat1
…	…	…

需要制定冲压工艺的新零件和实例库中的每一旧零件，均存在各自的特征表和约束表。除此之外，根据冲压件材料信息表，可以获得材料的料厚、强度和硬度。准备工作完成后，就可以进行冲压件实例检索。新旧零件相似度的检索采用最近邻法进行，具体分为两大阶段：

第一阶段：计算新旧冲压件拓扑关系相似度。本发明所述的冲压件均指钣金冲压件，其基本特征就是一个或若干个平面，这些平面及平面上附属的特征决定了空间的拓扑关系，而拓扑关系又直接和工艺相关，故第一阶段考察新旧实例每个平面上特征和约束的个数，即以平面为基准计算空间拓扑关系相似度，以此来过滤旧实例。第一阶段通过以下6个步骤实现：

步骤1：设新实例有a个平面(Flat₁ ^New，Flat₂ ^New，…，Flat_e ^New，…，Flat_a ^New)，旧实例有b个平面(Flat₁ ^Old，Flat₂ ^Old，…，Flat_f ^Old，…，Flat_b ^Old)。组成可能的平面对(Flat₁ ^New，Flat₁ ^Old)，(Flat₁ ^New，Flat₂ ^Old)，…，(Flat₁ ^New，Flat_b ^Old)，(Flat₂ ^New，Flat₁ ^Old)，(Flat₂ ^New，Flat₂ ^Old)，…，(Flat₂ ^New，Flat_b ^Old)，…，(Flat_a ^New，Flat₁ ^Old)，(Flat_a ^New，Flat₂ ^Old)，…，(Flat_a ^New，Flat_b ^Old)。共a×b个平面对。

步骤2：根据每个平面上特征和约束的个数，采用欧氏距离计算每一对平面的相似性，如公式1)所示：

$S_{\mathrm{Old},f}^{\mathrm{New},e}=1-\sqrt{\frac{\underset{k=1}{\overset{p+r-m}{\mathrm{\Σ}}}{w}_k^{\mathrm{Fea}}\×{\left(\frac{{\mathrm{Flat}}_{e,k}^{\mathrm{New},\mathrm{Fea}}-{\mathrm{Flat}}_{f,k}^{\mathrm{Old},\mathrm{Fea}}}{{\mathrm{Flat}}_{e,k}^{\mathrm{New},\mathrm{Fea}}+{\mathrm{Flat}}_{f,k}^{\mathrm{Old},\mathrm{Fea}}}\right)}^2+\underset{t=1}{\overset{q+s-n}{\mathrm{\Σ}}}{w}_t^{\mathrm{Re}}{\×\left(\frac{{\mathrm{Flat}}_{e,t}^{\mathrm{New},\mathrm{Re}}-{\mathrm{Flat}}_{f,t}^{\mathrm{Old},\mathrm{Re}}}{{\mathrm{Flat}}_{e,t}^{\mathrm{New},\mathrm{Re}}+{\mathrm{Flat}}_{f,t}^{\mathrm{Old},\mathrm{Re}}}\right)}^2}{\underset{k=1}{\overset{p+r-m}{\mathrm{\Σ}}}{w}_k^{\mathrm{Fea}}+\underset{t=1}{\overset{q+s-n}{\mathrm{\Σ}}}{w}_t^{\mathrm{Re}}}}---1)$

式中，p为平面Flat_e ^New特征种类总数；r为平面Flat_f ^Old特征种类总数；m为平面Flat_e ^New和平面Flat_f ^Old相同的特征种类数；w_k ^Fea为第k种特征的权重(k＝1，2，…，p+r-m)；Flat_e，k ^New，Fea为平面Flat_e ^New第k种特征的个数；Flat_f，k ^Old，Fea为平面Flat_f ^Old第k种特征的个数；q为平面Flat_e ^New约束种类总数；s为平面Flat_f ^Old约束种类总数；n为平面Flat_e ^New和平面Flat_f ^Old相同的约束种类数；w_t ^Re为第t种约束的权重(t＝1，2，…，q+s-n)；Flat_e，t ^New，Re为平面Flat_e ^New第t种约束的个数；Flat_f，t ^Old，Re为平面Flat_f ^Old第t种约束的个数。

步骤3：将a×b个平面对按其相似度值S_Old，f ^New，e从高到低排列，形成数据列表3。

         表3  匹配对

特征1	特征2	相似度
			Flate New	Flatf Old	SOld，f New，e
…	…	…

步骤4：取表3中第一行，即找到一对平面匹配对(Flat_e ^New，Flat_f ^Old)，放在一张新表4中(结构同表3)；然后删除表3中所有包含Flat_e ^New和Flat_f ^Old的行。

步骤5：重复步骤4，直到表3为空。这样就找到了min(a，b)个相匹配的平面对，并被记录在表4中。

步骤6：将表4中的所有相似度值S_Old，f ^New，e相加，乘以2再除以a+b，得到拓扑关系相似度值。

即： $S_{\mathrm{Topo}\log y}=\frac{\left(\underset{1}{\overset{\min (a,b)}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{Old},f}^{\mathrm{New},e}\right)\×2}{a+b}---2)$

将得到的S_Topo log y所有值从高到低排列，并设定阈值η，准备第二阶段相似度比较。

第二阶段：计算新旧冲压件综合相似度。综合考察特征、特征间约束以及材料的相似度，通过以下4个步骤实现：

步骤1：计算特征相似度。以第一阶段找到的平面匹配对为基础，在相匹配的两个平面上搜索相匹配的特征对。例如Flat_e ^New和Flat_f ^Old是相匹配的平面对，Flat_e ^New上有4个圆孔Hole，1个(长)方孔Slot，1个翻孔Extrusion hole和1个弯曲Bend；Flat_f ^Old上有2个圆孔Hole，1个(长)方孔Slot，1个翻孔Extrusionhole和1个弯曲Bend；那么就认为有一对(长)方孔Slot，一对翻孔Extrusionhole，一对弯曲Bend和2对圆孔Hole相匹配。一对(长)方孔Slot，一对翻孔Extrusion hole和一对弯曲Bend直接可以找到，因为各自平面上只有一个相应特征。如何从Flat_e ^New上的4个圆孔Hole和Flat_f ^Old上的2个圆孔Hole找到2对圆孔Hole相匹配，采用的方法是将所有的组合按公式3)计算找相似度最高的2对。最后将在每一匹配平面对上搜索到的所有匹配特征对都放入表4中。对表4中的每一匹配对(包括平面对)按公式3)计算其特征相似度。

$S_i^{\mathrm{Feature}}=1-\sqrt{\frac{\underset{j=1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}{w}_j^{\mathrm{parameter}}\×{\left(\frac{{\mathrm{Parameter}}_{i,j}^{\mathrm{New}}-{\mathrm{Parameter}}_{i,j}^{\mathrm{Old}}}{{\mathrm{Parameter}}_{i,j}^{\mathrm{New}}+{\mathrm{Parameter}}_{i,j}^{\mathrm{Old}}}\right)}^2}{\underset{j=1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}{w}_j^{\mathrm{parameter}}}}---3)$

式中，l为特征匹配对i特征参数总数。对于平面，特征参数指其面积；对于弯曲指其弯曲线长度和弯曲角度；对于圆孔指其直径；对于异形孔指其面积等等，除此之外，特征参数还包括形状公差，表面粗糙度。w_j ^parameter为第j个特征参数的权重(j＝1，2，…，l)；Parameter_i，j ^New为特征匹配对i在新零件中的第j个特征参数值；Parameter_i，j ^Old为特征匹配对i在旧零件中的第j个特征参数值。

计算整个新旧零件特征相似度，如公式4)所示：

$S_{\mathrm{Feature}}=\frac{(\underset{i=1}{\overset{h}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i^{\mathrm{Fea}}\×S_i^{\mathrm{Feature}})\×2}{\underset{i=1}{\overset{c}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i^{\mathrm{Fea}}+\underset{i=1}{\overset{d}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i^{\mathrm{Fea}}}---4)$

式中，h为特征匹配对的总数(i＝1，2，…，h)；c为新零件特征的总数(i＝1，2，…，h，h+1，…，c)；d为旧零件特征的总数(i＝1，2，…，h，h+1，…，d)；w_i ^Fea为特征的权重，取值同公式1)中w_k ^Fea；S_i ^Feature为公式3)所示。

步骤2：计算特征间约束相似度。只要新旧零件中约束的种类相同，就认为它们是匹配的，并且相似度为1。例如新零件有两个精度约束，旧零件有一个精度约束，一个靠近约束，那么就认为找到一个精度匹配对，并且相似度为1。

计算整个新旧零件约束相似度，如公式5)所示：

$S_{\mathrm{Restriction}}=\frac{\left(\underset{i^{\′}=1}{\overset{h^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}{w}_{i^{\′}}^{\mathrm{Re}}\right)\×2}{\underset{i^{\′}=1}{\overset{c^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}{w}_{i^{\′}}^{\mathrm{Re}}+\underset{i^{\′}=1}{\overset{d^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}{w}_{i^{\′}}^{\mathrm{Re}}}---5)$

式中，h′为约束匹配对的总数(i′＝1，2，…，h′)；c′为新零件约束的总数(i′＝1，2，…，h′，h′+1，…，c′)；d′为旧零件约束的总数(i′＝1，2，…，h′，h′+1，…，d′)；w_i′ ^Re为约束的权重，取值同公式1)中w_t ^Re。

步骤3：计算材料相似度。考察新旧零件材料的厚度，强度和硬度间的相似性，按公式6)计算。

$S_{\mathrm{Material}}=1-\sqrt{w_{\mathrm{th}}\×{\left(\frac{M_{\mathrm{th}}^{\mathrm{New}}-M_{\mathrm{th}}^{\mathrm{Old}}}{M_{\mathrm{th}}^{\mathrm{New}}+M_{\mathrm{th}}^{\mathrm{Old}}}\right)}^2+w_{\mathrm{in}}\×{\left(\frac{M_{\mathrm{st}}^{\mathrm{New}}-M_{\mathrm{st}}^{\mathrm{Old}}}{M_{\mathrm{st}}^{\mathrm{New}}+M_{\mathrm{st}}^{\mathrm{Old}}}\right)}^2+w_{\mathrm{ha}}\×{\left(\frac{M_{\mathrm{ha}}^{\mathrm{New}}-M_{\mathrm{ha}}^{\mathrm{Old}}}{M_{\mathrm{ha}}^{\mathrm{New}}+M_{\mathrm{ha}}^{\mathrm{Old}}}\right)}^2}---6)$

式中，w_th为材料厚度的权重；w_st为材料强度的权重；w_ha为材料硬度的权重，w_th+w_in+w_ha＝1；M_th ^New为新材料厚度值；M_th ^Old为旧材料厚度值；M_st ^New为新材料强度值；M_st ^Old为旧材料强度值；M_ha ^New为新材料硬度值；M_ha ^Old为旧材料硬度值。

以上3个步骤没有先后顺序，只要都实现后，则可执行下述步骤4。

步骤4：计算综合相似度。按公式7)计算。

S＝w_Feature×S_Feature+w_Restriction×S_Restriction+w_Material×S_Material        7)

式中，w_Feature为特征相似度S_Feature的权重；w_Restriction为约束相似度S_Restriction的权重；w_Material为材料相似度S_Material的权重，w_Feature+w_Restriction+w_Material＝1；S_Feature为特征相似度，如公式4)所示；S_Restriction为约束相似度，如公式5)所示；S_Material为材料相似度，如公式6)所示。

将所得到的S值从高到低排列，得到一最相似的冲压件旧实例。至此完成冲压件相似实例的检索。

本发明具有实质性特点，解决了背景技术中存在的问题，提供一种从工艺相似的角度来考察冲压件相似实例检索的方法。①该方法的原理是最近邻法，算法简便、易于实现、资源耗费少、计算效率高；②综合考察新旧冲压件空间拓扑关系、特征、特征间约束和材料的相似度，比仅仅考虑形状的相似度，更有利于参考已有工艺方案，而且相似度值采用欧氏距离来计算，比仅仅用1和0判断匹配不匹配，更精确合理；③该方法采用两个阶段来检索，通过第一阶段的计算就能过滤掉许多不相似的冲压件，从而缩小了第二阶段的检索空间，提高检索速度50％以上。

附图说明

图1为本发明冲压件实例检索方法一种实施例的第一阶段流程图；

图2为本发明冲压件实例检索方法一种实施例的第二阶段流程图；

图3为本发明一种实施例零件图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明的内容加以说明。

如图3所示，有一待进行冲压工艺设计的冲压件，即图3中的新零件。实例库中有上百个已成功制定好冲压工艺的旧零件，现仅列举出其中的11个冲压件，即图3中的001旧零件到011旧零件。采用本发明中的方法来检索，新零件和哪个旧零件从工艺的角度来讲相似度最高。具体过程简述如下：

首先提取新零件的特征及特征间约束。新零件共有4个面，3个弯曲，2个翻孔，8个圆孔，2个长方孔和1个凸起，将这些特征及所属平面用表来存放。特征间约束包括2个精度约束，用表存放。然后进行第一阶段的拓扑相似度计算，将所得到的结果排序后如下所示。

008号旧零件  S_Topo log y＝0.82794       005号旧零件  S_Topo log y＝0.78451

004号旧零件  S_Topo log y＝0.76656    003号旧零件  S_Topo log y＝0.66597

010号旧零件  S_Topo log y＝0.59410    007号旧零件  S_Topo log y＝0.58264

002号旧零件  S_Topo log y＝0.57067    006号旧零件  S_Topo log y＝0.43125

009号旧零件  S_Topo log y＝0.32190    001号旧零件  S_Topo log y＝0.30219

011号旧零件  S_Topo log y＝0.09565

在上述的计算过程中，所有主特征的权重均取0.7，所有辅特征的权重均取0.3，所有约束的权重均取0.6。权重是根据特征对工艺的影响程度确定的，并且是允许修改的。

设阈值η＝0.7，则只有008号、005号和004号旧零件进入第二阶段相似度计算，缩小检索范围72％。第二阶段检索的结果按从高到低排列如下所示。

005号旧零件  S＝0.81655    008号旧零件  S＝0.80375

004号旧零件  S＝0.74163

因此确定005号旧零件和新零件，从工艺的角度来讲，相似度最高。进而可以参考005号旧零件的冲压工艺方案来制定新零件的冲压工艺。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1、一种冲压件实例检索方法，其特征在于：为充分利用冲压工艺的成功经验，从工艺相似的角度，采用最近邻法进行冲压件实例检索。

2、根据权利要求1所述的冲压件实例检索方法，其特征在于：首先从冲压件三维模型中提取特征和特征间约束，并且根据冲压件材料信息表，获得材料的料厚、强度和硬度；然后从工艺相似的角度，计算新旧冲压件实例的相似度。

3、根据权利要求2所述的冲压件实例检索方法，其特征在于：所述的计算新旧冲压件实例的相似度是分两个阶段进行：第一阶段以平面为基准计算冲压件拓扑关系相似度，过滤掉不相似的旧实例，得到相似的旧实例，以缩小后续阶段的检索空间；第二阶段从第一阶段获得的一批旧实例中，通过比较新旧实例间特征、约束和材料的综合相似度，得出一个最相似的旧实例。

4、根据权利要求3所述的冲压件实例检索方法，其特征在于：所述的第一阶段以平面为基准计算冲压件拓扑关系相似度，是按照新旧冲压件每个平面上特征和约束的个数，采用最近邻法中的欧氏距离来衡量每一对平面的相似度，搜索平面匹配对；之后，根据平面匹配对的相似度值，得出新旧冲压件拓扑关系相似度，并从高到低排列，设定阈值，获得相似的冲压件。

5、根据权利要求3所述的冲压件实例检索方法，其特征在于：所述的第二阶段计算新旧冲压件实例相似度，是在第一阶段获得的一批较为相似的冲压件中进行；首先以第一阶段找到的平面匹配对为基础，在相匹配的两个平面上搜索相匹配的特征对，根据特征匹配对的相似度值，计算整个新旧冲压件特征相似度；第二，计算特征间约束相似度，只要新旧冲压件中两个约束的种类相同，就认为它们是匹配对，并且相似度为1，计算整个新旧冲压件约束相似度；第三，根据材料的料厚、强度和硬度，采用欧氏距离计算材料相似度；最后加权计算特征、约束和材料综合相似度。

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