机械加工工艺知识库系统研究

第15卷 第5期机械科学与技术V ol. 15 N o. 5机械加工工艺知识库系统研究*

张振明 许建新 樊其瑾 黄乃康

(西北工业大学 西安 710072)

  张振明

摘 要 探讨了知识库系统技术在工艺知识系统化处理方面的应用, 介绍了一个

基于规则表示的工艺知识库及其管理系统; 在此基础上, 应用面向对象技术

及数据库技术, 提出了面向对象的工艺知识表示及基于数据库管理系统的工

艺知识库系统结构, 并认为以工艺知识库管理系统的开发来促进CA P P 应用

系统的开发, 是CA P P 系统实用化的重要途径。

关键词 CAP P  专家系统 知识库管理系统

中图号 T P 39. 75

引 言在计算机辅助工艺设计(CAPP) 领域, 国内外已开发出了许多工艺设计专家系统, 但多是实验性系统, 知识数量少, 也较少注重知识的组织与管理。随着计算机集成制造系统(CIM S) 、并行工程(CE) 、智能制造系统(IM S) 等先进生产模式的提出和应用, CAPP 所要处理问题的广度、深度增加, 处理的知识量也急剧增加, 工艺知识的系统化处理技术逐步受到重视。

在飞机结构件计算机辅助工艺设计(FA-CAPP) 系统研制方面, 我们对工艺知识处理技术进行了多方面的研究, 开发了工艺知识库管理系统、飞机结构件决策专家系统, 建立了适用于飞机结构件加工的丰富有效的知识库, 并全面应用于国家重点专项型号飞机的研制, 缩短了工艺规程编制周期, 提高了工艺编制质量, 取得了重大的经济效益和社会效益[2]。

本文在已取得成果的基础上, 应用面向对象技术及数据库技术, 提出了面向对象的工艺知识表示及基于数据库管理系统(Data Base M angement Sy stem, DBMS) 的工艺知识库系统结构。

1 知识库系统

知识库系统(Know lege Base System , KBS ) 的研究主要集中在两个方面:一类是所谓的演绎数据库, 其基本思想是:关系数据库模型加逻辑演算; 另一类则是从知识的特点及其模型入手, 研究新的不同于数据库的, 用于专门领域的知识处理系统, 这种系统中最具代表性的就是专家系统。目前, CAPP 专家系统大都是基于专家系统开发工具的应用开发。在这些系统中, 作为专家系统核心的知识库, 大都只是包含在程序中的知识模块, 只能称为逻辑知识库。文献

[5]介绍了工艺设计专家系统的研究现状, 在所介绍的52个系统中, 许多是采用逻辑程序设计:[1]

・844・机械科学与技术第15卷语言Prolog 、Lisp 开发的, 知识数量大都在500条以下, 而且许多是原型系统, 难以满足实用化需求。

尽管目前国内外已开发出许多面向特定应用的知识库系统, 但还没有商品化的知识库系统。文献[3]认为, 一个知识库系统可看作是一个具有以下两个特证的逻辑程序设计系统:

(1) 有一种描述性语言, 既可用作宿主语言, 又可作查询语言;

(2) 支持DBS 的主要功能, 如大批量数据的高效存取、数据共享、并发控制及错误恢复等。

文献[4]认为知识库系统应是由知识库(KB) 和知识库管理系统(KBM S) 组成, 其中KB 是知识的集合, KBM S 是为知识库的建立、使用和维护而开发的计算机程序系统。在此意义上的KBS 逻辑结构框图见图1。

随着CAPP 系统性能提高和功能完善等实

用化要求, 工艺知识量和层次的增加, 需要引入和

发展适应CA PP 及CF 、IM S 需要的工艺知识库

系统乃至制造知识库技术的发展和成熟, 为工艺

知识库系统的开发提供了基础。

2 FA-CAPP 工艺知识库及其管理

现有的知识库系统大都主要考虑符号逻辑推

理, 而工艺设计是典型的复杂问题, 它不仅是专家

经验的精华, 也遵循一定的原则和设计规范要求,  图1

同时与特定的生产环境密切相关。因此, 在FA -CAPP 系统的研制中[1], 引入和发展了适应实际应用需求的知识库技术, 以进行工艺知识的组织与管理。

在工艺知识处理中, 引入规则元概念, 以统一模式表示全部工艺知识。所谓规则元, 是具有确定意义的一个判断、关系表述式或操作指令; 而规则是将若干个规则元按一定方式和次序(IF-TH EN -ELSE) 相关联而形成的一个知识单元。因此, 规则元是FA-CAPP 工艺知识表示的基础, 规则是FA-CAPP 工艺知识的基本单元, 全部工艺知识具有统一的内部数据模式。

在FA -CA PP 知识库中, 把在一定前提条件下完成相同决策功能的若干条规则的集合以规则组形式存放, 并可根据需求对规则组进行层次分解(规则组的层次关系通过元规则来体现) 。

在上述概念基础上, 使用C 语言开发了运行于SGI 工作UNIX 环境的工艺知识库管理子系统(如图2所示) 。下面是通过系统界面可以直接输入的一条规则实例:

IF feature is "pocket" AND

  pr ocess=="roug h mill"

TH EN tool =" cyl m iller " AND

  tool   tool   tool d=40     AND r=0     AND l ={(P h 1-P h 2) +15}

其含义是, 对于槽粗铣加工, 选用直径为40m m 、刃长为(槽深+15) m m 、底半径为0的圆柱铣刀。

第5期张振明等:机械加工工艺知识库系统研究・845・条规则, 并将随着实际应用不断扩充和

完善, 以满足进一步的需求。

3 面向对象的工艺知识表示

基于规则的知识表示方法具有自然

性、模块性、清晰性等优点, 但规则难以

表示具有结构性的知识, 且随着知识量

的增大, 在可维护性和推理效率方面存

在不足。为了适应进一步的应用需求, 拟

采用面向对象的知识表示。

面向对象技术的基本原理是对问题

领域实行自然分割, 按人类认识客观世

界的思维方式来识别和定义客观世界中

各信息实体。在面向对象的知识表示模

式下, 系统知识库由统一的基本知识单

元(对象) 组成, 并按照类、超类、子类和实例的关系形成一个层次网络。

在工艺知识库系统中, 将所涉及的对象划分为四种基本类型:产品零件、制造工艺、制造资源、工艺决策等。每一类可以定义一个层次结构的对象类。例如, 产品零件类的超类是产品, 其子类可以划分为回转体类零件、箱体类零件、支架类零件、飞机结构类零件等。其中每类零件又由若干特征类构成。如飞机结构类零件的特征类可划分为轮廓、槽、孔、非圆孔等。对于制造工艺类, 可以划分为加工方法、加工元、工步、工序等子类。至于工艺决策类, 可以根据不同的决策方法, 划分不同的子类, 如修订式工艺决策、特征基创成工艺决策子类, 其中对于特征基工艺决策类, 在我们所采用的一个工芤决策模型下[6], 进一步分解为加工元生成、工艺路线设计、工序详细设计等子类。

在面向对象的工艺知识表示中, 对象的概念模式为:

class (类名)

super class (超类名)

attributes (对象属性)

constraint (约束)

method (方法:涉及对象的操作及有关规则)

例如, 对于零件特征槽的有关知识可表示为:

  class(槽)

super dlass(飞机结构零件特征)

attributes (h 1:flo at , h 2:flo at , r 1:float , r 2:flo at )

constraint(h1>h2, r 1>0, r2>0)

method (加工方法选择:

(1) IF 零件刚性差

  THEN 加工链为“粗铣-半精铣-精铣”(2) IF 零件刚性好或一般

・846・机械科学与技术第15卷在基于知识元的对象内部表示模式下, 知识库内部结构由知识库词典、知识元库表、规则序表、对象类库表等知识库库表和对象层次结构网络构成。目前, 该内部结构已初步实现, 并将进一步完善而投入实际应用。

4 基于DBM S 的工艺知识库系统结构

为了使FA -规范化方面进一步提高, 开发出适应更大规CAPP 工艺知识库系统在实用性、

模工艺知识存储的工艺知识库系统, 需要充分利用现有关系数据系统对数据的存储、管理、检索、查询等方面的成熟技术, 以实现知识共享和永久存储, 支持知识的多重使用。

对于前述的知识库表, 可以在地一步规范化的基础上, 通过DBMS 存贮在数据库中, 而对象层次结构网络将以文件形式存放。KBM S 是在DBM S 基础上, 实现对知识库的控制、维护和管理机制。系统结构如图3所示。在此知识库系统结构下, 可以针对不

同企业、生产环境和零件类型建立相应的工艺知识库, 从而降低

CAPP 系统开发的低水平重复, 使CAPP 系统开发者将更多精力投

入到工艺知识的收集、归纳和系统化处理上, 缩短开发周期, 提高系

统的实用化。

5 结束语

(1)  FA-CAPP 工艺知识库管理系统是建立在飞机结构件工艺

知识库的基础上的。它的开发方便了工艺知识的获取和知识库的建

立、扩充和完善, 大大地提高了FA -CAPP 系统的实用化程度。 图3

(2)  本文应用面向对象技术及数据库技术, 对工艺知识表示及工艺知识库系统结构进行了研究, 但尚需在基于DBMS 的工艺知识库管理系统的功能与实现、知识库的测试机制与一致性维护等方面作大量工作, 以促进CAPP 应用系统的开发和实用化。

 参 考 文 献

1 张振明等. CIM 环境下飞机结构件CAP P 系统的设计与开发. 机械科学与技术, 1994(3)

2 唐荣锡等. FA -CA D /CA PP /CA M 鉴定意见. 成都飞机工业公司, 1996. 1

3 U llman J D 著. 徐秋元等译. 数据库与知识闸系统原理, 1991. 6

4 王克宏等. 知识工程与知识处理系统. 北京:清华大学出版社, 1994

5 D imtuis K ir itsis. A Rev iew of K no wledge-based Ex pert Sy stens fo r P ro cess Planning :M ethods and Pr ob-lems . Int . J . A dv . M a nuf . T echno e , 1995, 10:240~262

6 张振明等. 飞机结构件数控工艺决策及专家系统推理机. 航空工艺技术, 1996(1)

Research on Knowledge Base System for Manufacturing

Process Planning

Zhang Zhenming  Xu Jianxin  Fan Q ijin  Huang Naikang

(No rt hw ester n P olyt echnical U niv er sity , X i ′an 710072) )

・824・机械科学与技术第15卷3 丛海莱等译. T ur bo Pr olo g 参考手册. 上海:上海科学普及出版社, 1991

Designing and Developing a Practical XDKCAPP Expert System

1Niu Haijun  Liang Ge  Chen Yuhang

(1X idian U niv ersity , X i ′an 710071)

Abstract :T his paper deals w ith the design and developnent o f a pr actical CA P P system. I t discusses enphati-cally on the so lutio ns to so me cr ucial technical pr oblem s such as spar e par ts info rm atio n descr iptio n , tech-nolog y know ledg e ex pr ession, t echnolo gy decisio n and so o n.

Keywords :CAP P  Ex pert sy st em  Spar e parts char act eristics description  T echnolog y decision (上接第812页)

Research on the Rule of Dimension Decrease in Machining

Slot on Polyvinyl Chloride Tube

1Wang Huadong  Wang Yanw ei  Zhang Chunjiang

(1L anzhou P olytechnical Co lleg e , L anzho u 730050)

Adstract :W hen the str ight line slot is milled along po ly viny chlor de tube ′s g eneratr ix , t he diameter of the har d po ly viny l chlor ide tube decreases so that its dimensio n o f slot notch cho rd decreases as w ell. T o meet t he need of applicat ion , the mat hem atical mo del fo the chor d dimension decr ease and empir ical fo rmula a re set up, w hich base o n the milling exper iments on differ ent sizes o f po ly viny l chlo ride tubes. F ur ther mor e, t he changing r ules and all the fact or s causig the decr ease of the slo t not ch dimensio n ar e analy sed. Keywors :Har d polyv inyl chlo ride tube  Channeling  D efor matio n analy sis

(上接第846页)

Abstract :T his paper discusses t he applica tio n o f kno wledg e base sy st em technique in the kno wledge Pr ocess-ing for pr o cess planning . A rule-based know ledg e base system is developed as one part o f the CA P P sys-ten for air cra ft structural part s a ctually in pro fitable use fo r the CIM S pro ject in a manufacturing compa-ny . W it h o bject -o riented methodolog y and data base technique , a kno w ledge r epr esent atio n metho d fo r pr ocess planning is pro po sed and a know ledg e base system str uctur e built o n to p of data base mana gement sy st em is pr esent ed. W e believe that the kno wledge ba se managem ent system for pr ocess planning w ill be ser ved as a too l fo r development o f CA P P systems and turn out a significantly m or e efficient CA PP so ft-w are.

Keywords :CAP P  Ex pert sy st em  Kno wledg base management system


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