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CAPP系统中工艺知识库的设计及管理,国家科技支撑计划

近日,高新司组织专家在江苏扬中对“十二五”国家科技支撑计划“面向机床、船舶与电气的装备智能制造的工艺软件与知识库研发”项目进行验收。

本网讯
继今年3月,由湖南科技大学作为课题承担单位牵头申报的,该校“湘江学者计划”特聘教授、博士生导师邓朝晖教授主持的2014年度国家高技术研究发展计划
课题“典型机床绿色生产工艺技术评估及应用支持系统研究”获正式立项资助后,今年8月,据中国机械工业联合会文件,2014年征集的2015年度先进制造领域科技支撑计划项目已由科技部完成入库评审,进入项目建议阶段。
其中,由科技部高新司委托机械工业联合会组织了2015年科技支撑计划“面向机床、船舶与电气的装备智能制造的工艺软件与知识库研发”等4个项目的项目建议及预算的编制工作。由湖南海捷精密工业有限公司牵头承担,联合湖南科技大学、湖南大学、山东博特精工股份有限公司和湖北威风汽车配件股份有限公司等单位,申报的“机床主轴和船舶凸轮轴智能制造的工艺软件和知识库研发”课题成功入库,该课题其中在该项目的12个申报课题中,最终择优遴选了3个入库课题。

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项目针对机床、船舶、电气等领域的装备加工过程复杂多变、工艺参数优化和决策困难等方面的问题,研究了工艺信息、工艺经验知识规范化描述、工艺综合数据库和知识库系统模型,建立了机床主轴和船舶凸轮轴、重型高速柴油发动机、成套电气等典型装备制造的工艺综合数据库和知识库,突破了工艺知识推理、工艺参数优化、工艺方案决策等一批关键技术,研发了具有自主知识产权的典型零部件制造工艺软件,并进行了示范应用,取得了较好的经济和社会效益。

科技部对“机床主轴和船舶凸轮轴智能制造的工艺软件和知识库研发”课题核定的课题经费1700万元,其中国拨经费700万元。课题成果将以软件产品形式,在机床、船舶等行业形成应用,以提高我国制造业和装备的自动化与智能化水平,为实现我国从制造大国向制造强国转变奠定技术基础。

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引言工艺设计作为产品设计与制造的中问环节,在企业生产制造过程中起着极其重要的作用。最开始人们对CAPP的研究侧重于工艺设计的自动化,后来又侧重于计算机对工艺设计的辅助作用,现在人们越来越认识到工艺知识在工艺设计中的重要性。CAPP系统不但能利用工艺人员的经验知识和各种工艺数据进行科学的决策、自动生成工艺规程,还能自动计算工序尺寸、绘制工序图、选择切削参数和对工艺设计结果进行优化等,从而设计出一致性良好的、高质量的工艺规程。国内的制造业企业,通过学习国外先进的制造工艺和装备技术,已积累了相当丰富的工艺设计知识和大量的制造资源数据,但这些宝贵的工艺知识和制造资源数据,绝大多数都还停留在部分设计人员的脑子里或零散的纸质文件中,不利于企业快速查找和重用这些宝贵的工艺设计知识和制造资源信息,制约了我国制造业的发展速度和管理水平的提升,故急待解决行业共性技术与工艺知识管理问题。如何利用现有、成熟的工艺知识,保证工艺方法的稳定可靠是每个工艺工作者和软件设计人员面临的主要问题,本文介绍了CAPP系统中工艺知识库的设计及管理方法。2
知识的表示方法选择系统所用的知识表示方法,不仅要考虑对知识表示的性能要求,还要考虑在制造工艺编制时涉及到的知识的特点,以提高知识处理的效率。根据专家工具的要求、产品制造工艺知识的特点以及系统编程与扩充的要求,选择面向对象表示法和产生式表示法来进行知识的描述。2.1
面向对象表示法面向对象表示法是将面向对象的思想、方法用于知识表示。所谓面向对象,是指人们在认识问题和分析问题时,可以把问题分解为一些对象以及对象之问的组合和联系。在面向对象的知识系统中,一个对象具有的知识组成了该对象的静态属性,一个对象所具有的知识处理方法和各种操作描述了该对象的智能行为。可以使用面向对象表示法表示工艺内容知识、工艺装备知识、加工设备知识、热处理知识等。2.2产生式表示法产生式表示法又称为产生式规则表示法,通常用于表示具有因果关系的知识。由于产生式规则的知识库是由一组独立的知识组成的规则库,而规则之间又是通过知识库中的事实进行通讯的,因此,改变一条规则虽会影响系统的特性,但不会影响系统的其他规则。用产生式规则表示形式所构建的知识库易于增加、修改、删除,从而可以方便地实现更新信息的功能。3
知识库设计3.1知识库的分类专家系统的推理过程需要用知识库中的知识和动态数据库中的数据对规则库中规则的条件进行匹配,这就需要大量的知识和数据。系统不但能够从数据库中获取数据,而且能够向数据库中加人专家总结的新的知识,新的规则,更新数据库中陈旧过时的数据。根据专家系统中知识的形态,可以将知识划分为:关于对象的事实知识即狭义的知识,关于方法的知识即通常所指的规则。上述2种形态的知识分别对应存入知识库和规则知识库。知识库分类结构如图1所示。

通过项目的实施,将促进智能制造系统相关软件产品及服务体系的完善,逐渐形成中国自主可控的智能制造软件生态体系,为我国重塑制造业生产模式、产业形态和价值链,促进制造业转型升级提供了技术支撑。

责任编辑:阅微

图1 工艺知识库的结构

工艺流程库存储产品加工工艺流程图上工艺节点(即工序)处理顺序的逻辑关系。工艺规则库存储关于工艺处理的若干规则,例如:工艺生成时提取信息的一系列规则和制造序号生成规则等。这些规则是在系统详细设计时经过分析和综合设计出的一套完善的规则,可以处理系统运行时可能出现的各种情况。工艺内容知识库中存储工艺节点对象的属性知识,这些知识包括工艺节点的类型、输入项和专家提示信息,以及等同工艺节点、上级工艺节点、工艺的具体内容(即工步内容)等。工艺装备知识库与加工设备知识库分别存储加工工艺中所用到的工艺装备与加工设备的相关知识和信息。热处理知识库存储加工工艺热处理相关知识。另外还有标准件知识库等其他知识库分别存储相关知识。这些知识是工艺专家的经验总结,在系统设计时提供修改接口,可方便地加入专家的新知识、新规则,以及更新或删除陈旧过时的数据等。知识库需要一定的存储载体。专家系统的知识库是将关系型数据库作为其存储载体。3.2规则库的设计规则库的功能是汇总工艺设计规则,包括典型几何要素的加工方法、机床选择规则、尺寸精度选择规则、工艺排序逻辑判断原则以及相关的加工类型。数据库用于存放加工数据,包括加工余量、刀(模)具参数、切削用量参数、辅具代码、量具代码、机床参数和台数、工装代码、工时数等。这些数据的来源可由用户根据本企业的产品特征和制造资源的环境新建,也可建立在已有数据库的基础上。由于工艺过程设计本身是一个多参数、多约束、依赖于经验的、复杂的思维创作过程,其知识结构十分复杂,这里提出用多层次、多种表达模式的、有机集合的知识表达方法。即把上述工艺规则和加工数据知识收集起来,采用分层方式排列。第1层是零件族特征获取;第2层是加工方法、工艺选择等工艺知识库;第3层是机床选择、加工类型、工装夹具的选择等制造资源库;第4层是加工数据、加工工时等工艺数据库。对低层知识用数据库表达方法;对高层知识如加工顺序、工装设备、切削用量、工序设计等用框架式、产生式、逻辑式、过程式集成表达模式。工艺推理不宜采用目标驱动模式(反向推理策略),而适宜采用数据驱动模式(正向推理策略),即从零件的毛坯开始(此时工艺规程为空),采用数据驱动策略方式,引入启发性知识进行多层次搜索分级推理。这样形成的知识库不仅具有逻辑原则,而且具有创成功能,即有从低层知识推理出高层知识的功能。工艺决策模块知识表达形式主要采用产生式规则。产生式规则是根据一组由条件和结论组成的语句来判断,并按顺序、相应条件自上而下组织的规则,这种规则比较符合专家的思维方式。它的一般形式为:IF(条件1)AND(条件2)
AND(条件N)存在THEN(结论)成立。为了解决工艺规则的冲突性、冗余性和表达不足,通过命题逻辑的表达来弥补。例如:在搜索工艺规则时,根据产生式的条件有高频淬火工序存在,其前面的工序排列中必须有与调质有关的工序存在,因此高频淬火工序和调质有关的工序问存在着一个””‘的关系。4
知识库管理4.1知识管理拥有知识是专家系统有别于其他计算机软件系统的重要标示,而知识的质量和数量又是决定专家系统性能的关键因素。知识管理主要包括知识获取、知识查询、知识修改、知识的一致性维护等主要内容。专家系统中,通过友好的人机交互界面,用面向对象的方法构建了专家系统知识管理模块,将工艺专家的经验转化为系统可以理解的知识和规则,并同知识库联系在一起,方便地实现了知识和规则的获取、知识的查询、知识的修改、知识的维护等工作。在人机界面的引导下,用户不需要了解产生式规则所要求的语法,就可以方便地添加、浏览、修改和删除知识库中的知识和规则,使知识库不断得到充实和完善,从而提高软件的灵活性和实用性。4.2知识获取知识获取的基本任务是为专家系统获取知识,建立起健全、完善、有效的规则库,以满足求解领域问题的需要。知识库获取提供了对知识库中的内容不断扩充的途径,按照从专家或相关资料中获取的知识,经一定的整理后可通过知识获取模块输入到知识库中去。知识获取模块在获得知识的过程中负责对知识的完整性和一致性进行检测。知识获取模块的内部是由对若干规则类对象或知识类对象的操作来实现知识的整理、完整性和一致性的检测以及将知识输入到相应的知识库或规则库中。4.3知识的查询、修改与维护与知识获取一样,知识的查询、修改与维护同样是通过规则类对象或知识类对象进行的。知识的查询提供了对规则及规则元素的查询。对规则可按规则编号、规则名称及规则所包含的规则元素进行查询;对规则元素的查询可按规则元素名称、规则编码及自然语言描述来查询。在知识维护过程中发现不一致时,知识的查询可以对知识进行快速定位,以便于知识的修改。知识的修改在一致性检查发现错误时,提供一个修正错误规则的机制。同时,对修改后的知识进行一致性检测,修改过的知识只有检测通过后方可存人相应数据库中。知识库中的知识可能遭到意外的破坏,使知识库中的知识不一致,为保证知识库的一致性及完整性,要定期对知识进行一致性与完整性维护。5
工艺设计中的工艺知识应用方法在基于知识CAPP系统中,零部件的工艺设计是整个系统的核心。它的主要特点在于:在基于知识的工艺设计中,工艺设计人员可以查询和引用工艺知识库中的各种工艺知识,为当前的工艺设计服务。如图2所示,基于知识的工艺设计通过2种途径产生工艺文件。

图2 2种零件工艺设计流程

5.1零件的毛坯图设计即通过快速查询引用毛坯参数库中的毛坯参数,在工序简图参数化设计环境(AutoCAD)中参数化生成毛坯图和毛坯工序简图并对生成的毛坯图/I序简图进行编辑,直至满足新零件毛坯图工艺参数要求。在毛坯图的参数化设计和编辑过程中,工艺设计人员可以快速查询和引用毛坯成型工艺知识库中的工艺知识,以辅助毛坯图/工序简图的参数化编辑。零件毛坯图设计最终产生毛坯图、工序简图等工艺文件,审签通过后,归档并发放到相关制造部门。对于不符合要求的毛坯图、工序简图等工艺文件打回到编辑环境重新编辑,直至审签合格。5.2零件的工艺设计在零件工艺设计过程中,对于全新零件工艺设计,企业可根据自身的特点,利用本系统提供的工艺模板编辑工具,自定义出通用的工艺设计模板。在工艺设计时,工艺人员可引用工艺模板后进行工艺设计。这样有利于促进企业提高工艺文件的规范性和统一性。对于典型零件的工艺设计,可从典型工艺知识库中快速查询并引用适用的典型工艺;对于形状或工艺属性具有标准性的零件工艺设计时,工艺人员可根据相似性推理规则在系统中通过成组编码查询相似零件引用典型工艺。在典型工艺引用后再进行编辑,即派生出了新零件的工艺文件。6
结论工艺知识是工艺设计的基础,对工艺知识的管理有利于企业工艺知识和经验的积累和工艺优化。在系统的应用过程中,知识库可以根据企业的实际情况修改、增删,提高了CAPP系统对不同制造环境的适应能力(即柔性)。随着技术的进步、设备的更新和知识的积累,不断丰富和修改知识库,从而不断完善系统的性能。(end)

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