一種工藝設(shè)計綜合知識表示方法及其應(yīng)用

趙昌葆，鄭 雙

（沈陽航空航天大學(xué) 航空宇航工程學(xué)院，沈陽 110136）

0 引言

工藝設(shè)計作為連接產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)制造的紐帶，是產(chǎn)品開發(fā)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。工藝設(shè)計由于過程復(fù)雜、涉及面廣，對經(jīng)驗和知識的依賴性強(qiáng)，有效地組織、表示和利用工藝設(shè)計過程中的各種知識，是提高工藝設(shè)計水平和產(chǎn)品開發(fā)質(zhì)量的重要途徑[1]。

迄今為止，對工藝知識的研究主要集中在三個方面：工藝設(shè)計專家系統(tǒng)中工藝知識的表達(dá)和推理，工藝知識處理技術(shù)和計算機(jī)輔助技術(shù)的結(jié)合以及基于本體的工藝知識組織與管理。工藝設(shè)計專家系統(tǒng)是將專家知識以產(chǎn)生式規(guī)則、框架和對象等知識表示方法，組織和存儲在知識庫中，推理機(jī)調(diào)用工藝知識進(jìn)行工藝設(shè)計的智能系統(tǒng)。專家系統(tǒng)中各種形式化的知識表示方法，分別適合表達(dá)工藝設(shè)計中的決策準(zhǔn)則、產(chǎn)品特征和結(jié)構(gòu)關(guān)系等方面的知識，但工藝設(shè)計過程中，需要綜合利用各種不同的知識進(jìn)行問題求解，專家系統(tǒng)難以滿足上述需求[2]。工藝知識處理技術(shù)與計算機(jī)輔助技術(shù)結(jié)合的最主要應(yīng)用是工藝設(shè)計KBE（Knowledge Based Engineering，基于知識的工程）系統(tǒng)，它融合了計算機(jī)輔助設(shè)計、工程分析、規(guī)劃技術(shù)與知識推理技術(shù)，為工藝設(shè)計提供了一個智能化平臺，提高了工藝設(shè)計過程的集成度，而工藝知識的獲取、表達(dá)和推理技術(shù)并未改進(jìn)[3]?；诒倔w的工藝知識組織和管理，目前的主要工作集中在工藝知識分類組織上，接近于概念化的工藝知識體系，與專家系統(tǒng)中用于機(jī)器推理的形式化知識相比，更適合人進(jìn)行宏觀理解與把握，通用的本體知識推理引擎也難以適應(yīng)不同類型的問題求解[4]。

本文通過對工藝設(shè)計的問題求解過程及知識應(yīng)用特點的分析，提出了一種適用于工藝設(shè)計的綜合知識表示方法。給出了一類沖壓零件工藝設(shè)計的集成知識表示方法及其應(yīng)用實例，驗證了工藝知識綜合表示方法的有效性。

1 工藝設(shè)計分析

零件的工藝設(shè)計是根據(jù)零件定義和生產(chǎn)要求確定具體的加工方法和步驟的過程。零件定義包括零件的結(jié)構(gòu)、形狀、尺寸、精度、材料、熱表處理及技術(shù)要求等。零件工藝設(shè)計可以分為兩個階段：工藝流程設(shè)計和工序設(shè)計，主要內(nèi)容包括毛坯形式、工序類型、工藝參數(shù)、工裝設(shè)備、材料和工時定額等內(nèi)容的確定。從問題求解的角度考慮，工藝設(shè)計的“問題”為“符合工程要求的零件”，“解”為“獲得合格零件的加工方法和步驟”，約束條件為“內(nèi)在的工藝過程規(guī)律和外在的生產(chǎn)制造環(huán)境”。

作為一類典型的工程問題，工藝設(shè)計過程具有以下特點：1）求解的逆向性：工藝設(shè)計從滿足一定工程特性的最終零件，即加工結(jié)果出發(fā)，推斷出得到該零件的加工過程和方法；2）信息的復(fù)雜性：零件定義信息、生產(chǎn)條件信息、工藝過程信息、工序描述信息所包含的信息類型較多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且隨零件種類及工藝方法的不同有所差異；3）約束的隱含性：任何工藝過程都是在具體的生產(chǎn)條件下發(fā)生的，工藝設(shè)計須符合技術(shù)先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)合理性等方面的要求。

鑒于零件加工（如切削、成形）機(jī)理和處理過程（如熱表處理、強(qiáng)化）的復(fù)雜性，在對零件工藝過程規(guī)律了解不完全的情況下，需要借助各類工藝知識，結(jié)合推理和計算，獲得零件的加工工藝。工藝知識須滿足以下條件：

1）工藝知識最大程度地體現(xiàn)“加工方法”和“加工結(jié)果”之間內(nèi)在的因果關(guān)聯(lián)，它們是工藝設(shè)計的邏輯依據(jù)，由于對工藝過程規(guī)律的認(rèn)識程度的不同，工藝知識表現(xiàn)為關(guān)聯(lián)強(qiáng)度不同的形式；

2）工藝知識涵蓋工藝設(shè)計中各個層次、各種類型、各種存在方式的知識，須對工藝設(shè)計中所涉及的各類知識及其邏輯關(guān)系進(jìn)行合理表達(dá)和有效組織，以支持工藝設(shè)計問題的求解過程；

3）工藝知識容納工藝設(shè)計過程中涉及的各類約束，將約束顯性化并以恰當(dāng)?shù)男问皆佻F(xiàn)，使約束滿足納入知識推理過程，以縮小解空間的范圍、加速求解過程和提高解的質(zhì)量。

2 工藝知識綜合表示

根據(jù)工藝設(shè)計的特點及工藝設(shè)計過程對工藝知識的需求，本文提出一種綜合知識表示方法。

定義1：綜合知識（General Knowledge）由三部分組成：知識前件（Antecedent）、知識后件（Consequent），及知識前件與知識后件之間的映射（Mapping），知識前件是對問題的形式描述，知識后件是對解的形式描述，映射是前件與后件之間因果關(guān)聯(lián)的形式描述。

定義2：綜合知識的前件和后件均通過三種成分表示：知識對應(yīng)對象的屬性（Attribute），知識對應(yīng)對象的組成要素（Element），上述屬性及要素之間的關(guān)系（Relation）。

屬性按照語義類型不同可以分為：1）描述屬性（Descriptive Attribute）：即用于對象某方面性質(zhì)或狀態(tài)描述的屬性；2）分類屬性（Classificatory Attribute）：即用于一簇對象按照某種特性進(jìn)行分類的屬性。

根據(jù)在問題求解過程中的作用不同，關(guān)系可以分為以下類型：1）描述關(guān)系（Description Relation）：即用于要素之間或?qū)傩灾g關(guān)系的描述，存在于綜合知識的前件或后件中；2）約束關(guān)系（Constraint Relation）：即可行解必須要或盡可能滿足的約束，只存在于綜合知識的后件中。約束關(guān)系根據(jù)約束性質(zhì)不同又可分為強(qiáng)制性約束（Compulsive Constraint）和推薦性約束（Recommendatory Constraint），前者將問題的解限制在可行解的范圍內(nèi)，后者給出獲得較優(yōu)解的建議。

映射反映了知識的本質(zhì)，問題求解過程實質(zhì)上就是問題空間與解空間的映射。問題空間與解空間的映射本質(zhì)上是確定的，但由于認(rèn)知程度的不同而表現(xiàn)為不同的形態(tài)。根據(jù)映射形態(tài)的不同，可以將映射關(guān)系分為：1）函數(shù)型映射（Functional Mapping）：問題空間是連續(xù)空間，映射關(guān)系可以用函數(shù)描述；2）歸結(jié)型映射（Inductive Mapping）：問題空間是離散的問題集合，映射關(guān)系可以通過問題和解的有序?qū)γ枋觯?）示例型映射（Illustrational Mapping）：映射關(guān)系無法顯式描述，蘊含在若干包含問題和解的信息的范例中。綜合知識的范式描述如表1所示。

表2 凸緣筒形件工藝設(shè)計綜合知識——前件屬性與要素

表3 凸緣筒形件工藝設(shè)計綜合知識——映射

表4 凸緣筒形件工藝設(shè)計綜合知識——后件約束

需要指出，上述綜合知識中的各種成分和類型，在某一范疇的工藝設(shè)計知識中不一定全部出現(xiàn)，須根據(jù)實際需要合理選用。

對于零件工藝設(shè)計的綜合知識，前件通常只包含屬性和要素兩種成分。屬性用于表達(dá)前件對應(yīng)的對象的整體特征，例如零件的類型、形狀、尺寸、精度、材料、熱表處理及生產(chǎn)批量等。要素是零件的局部功能單元或加工區(qū)域，即結(jié)構(gòu)特征，例如鈑金零件的孔、槽、凸起、下陷、圓角、凸緣、彎曲、平面體和圓筒體等。各種結(jié)構(gòu)特征對應(yīng)于特定的加工或成形方法。對于裝配工藝設(shè)計，綜合知識的前件包含屬性、要素和關(guān)系三種成分，其中屬性用于表達(dá)裝配體（如組件、部件或產(chǎn)品）的特征，要素為組成裝配體的零件，關(guān)系包括零件之間的定位關(guān)系、連接關(guān)系及配合關(guān)系等。

綜合知識的后件可以分為工藝流程和工序兩個層次。工藝流程是一系列工序的有序排列，而工序可看作是整個工藝過程的一個加工或處理單元，因此工序是綜合知識后件的要素。工序的主要內(nèi)容包括操作方法、工藝參數(shù)和工裝設(shè)備等，這些內(nèi)容均可作為后件的屬性。需要指出，一個工序?qū)?yīng)一組屬性，屬性成組出現(xiàn)，一組屬性反映一個工序各個側(cè)面的信息，而不是關(guān)于整個工藝流程的信息。后件的關(guān)系包括工序之間的關(guān)系，以及不同工序的屬性之間的關(guān)系，一個工藝流程中的各工序之間的順序關(guān)系為描述關(guān)系，而工序之間的共存、互斥關(guān)系則屬于約束關(guān)系，不同工序的工藝參數(shù)之間的關(guān)系是一種常見的約束關(guān)系。約束可以通過等式、不等式或集合來表示。

映射是零件加工過程和加工結(jié)果之間因果關(guān)聯(lián)的邏輯表示，這種因果關(guān)聯(lián)可以從各種公式、圖表、規(guī)則、范例以及其它經(jīng)驗數(shù)據(jù)和方法中發(fā)現(xiàn)和獲得，并根據(jù)關(guān)聯(lián)形式的不同表示為函數(shù)、表格和示例等。

圖1 基于綜合知識的凸緣筒形件工藝設(shè)計

3 工藝知識應(yīng)用實例

沖壓零件工藝設(shè)計主要包括工藝流程設(shè)計和工序設(shè)計[5]，凸緣筒形件工藝設(shè)計綜合知識的組成部分示例如表2、表3和表4。

凸緣筒形件工藝設(shè)計的過程及其所利用的綜合知識，如圖1所示。

4 結(jié)束語

本文從工程問題求解的角度，分析了工藝設(shè)計的方法和過程特點，歸納了工藝設(shè)計對知識建模的要求，在此基礎(chǔ)上提出一種適合于工藝設(shè)計的綜合知識表示方法。該方法的特點是反映了“加工方法”和“加工結(jié)果”之間因果關(guān)聯(lián)的內(nèi)涵，將各種形式的知識“片段”以恰當(dāng)?shù)姆绞郊{入工藝設(shè)計知識單元中，實現(xiàn)了豐富的語義表達(dá)和靈活的推理支持。

利用本文提出的綜合知識表示方法，在某飛機(jī)制造企業(yè)建立了沖壓工藝設(shè)計知識庫，開發(fā)了基于綜合知識的工藝設(shè)計系統(tǒng)。實踐表明，綜合知識表示方法是工藝設(shè)計知識有效的表示和組織方法：一方面有力支持工藝設(shè)計過程，提高了工藝設(shè)計質(zhì)量；另一方面增加了知識的集成度，為工藝知識管理的提供了合理框架。

[1] 張振明,等.現(xiàn)代CAPP技術(shù)與應(yīng)用[M].西安:西北工業(yè)出版社,2003.

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[4] 高煥明,等.基于本體的工藝知識管理方法研究[J].機(jī)械工程師,2009,(3):63-66.

[5] 薛啟翔,等.沖壓工藝與模具設(shè)計實例分析[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.