CAPP专家系统中工艺决策的实现

CA PP 专家系统中工艺决策的实现潘晓弘　副教授潘晓弘　刘　敏　程耀东　白　莉　张　运 摘要　结合杭州叉车总厂HC —CA PP 工程应用项目,构造了一种基于知识推理的创成式CA PP 专家系统模型。

原型系统中,工艺设计、机床选择、刀具选择、夹具等知识库的管理独立于推理机,不仅为知识库管理、推理机改进、零件特征排序、知识库系统移植等提供方便,而且系统采用RDB (关系型数据库管理)技术、ODBC (开放式数据库互连)技术,为CA PP 、CAD 、N CP (数控编程)子系统内部不同模式数据交换提供接口。

关键词　CA PP ODBC 特征抽取　特征排序　推理机　知识库　工艺决策中国图书资料分类法分类号　TH 16　T P 391.1收稿日期:1997—06—09 自从Change 给出了“工艺自动设计”明确定义之后,工艺决策过程的自动化得到全面发展。

面向并行工程下产品设计的CA PP 工艺决策加工元模型[1,2]将工艺决策与产品设计有机结合,在理论和实践上对工艺决策模型、算法进行了有益的探讨与研究;基于神经网络的工艺设计实例推进索引模型[3]运用特征技术初步实现了回转类零件CAD CA PP 的集成[4];在建立统一的产品定义模型基础上,采用框架结构、黑板结构的描述形式,将产生式规则应用于工艺过程的逻辑决策[5,6];基于制造资源信息建模、零件模型信息的正向离散与工艺设计基元信息的反向集中、基础数据与工艺设计决策控制分离的模型[7]提高CA PP 系统的柔性;模糊Petri 2O PN 网技术[8]则针对装夹与定位方案提出可选工艺路线的决策方法;PD G 决策(工艺决策图)[9]实现了工艺过程设计;基因遗传算法[10]引入CA PP 系统从理论上实现了工步排序的优化。

然而由于CA PP 对生产环境的依赖性及其本身的复杂性,现有CA PP 系统存在着“先进的不实用,实用的不先进”问题,阻碍了CA PP 的进一步发展及应用。

结合杭州叉车总厂创成式HC 2CA PP 系统的开发,在分析CA PP 工作原理、特征抽取的基础上,建立了基于知识推理的创成式CA PP 专家系统模型。

利用特征抽取技术将实体模型(B rep 表示、CSG 树表示)表达的CAD 图形信息转变为零件的加工特征信息,根据零件特征的加工知识,原型系统生成N CP 子系统的输入文件。

1　构造创成式CA PP 系统的工作基础为了完成选择毛坯、制定工艺路线、选择加工设备及工装、计算切削用量和工时定额、编制工艺文件等工作,创成式CA PP 系统利用输入的零件特征信息,以特征为基础利用专家系统推理进行工艺设计。

现在发展的各种特征抽取技术从理论上实现了从CAD 图形信息到零件特征信息的自动转换。

特征抽取算法主要有[11]:切片技术、凸轮廓算法、单元分解、几何推理、类型匹配、实体生成、体积分解法、CSG 生成树识别等几种。

这些算法多基于B rep (边界表示)、CSG 树(构造立体几何)识别的几何推理。

笔者讨论的CA PP 专家系统,特征抽取与分析以Fuh 的特征分析器[9]为基础创建而成,主要包括以下几个步骤:①从CAD 数据库中检索二维绘图信息和三维几何信息;②将几何信息、文本信息转变为一定格式的二进制流文件或文本文件;③用预定义的算法和规则对生成文件的加工特征进行识别;④采用几何推理辨识特征空间位置关系;⑤通过范例搜索、匹配技术解释特征;⑥将加工属性加入抽取的特征中;⑦将加工特征及特征关系输入零件特征链表,结果采用RDB 模式保存。

特征抽取实现了从CAD 图形信息到零件加工特征信息的转换,为基于特征信息创成式・43・中国机械工程第10卷第1期1999年1月图1　箱体零件特征描述CA PP 系统的成功开发奠定基础。

为便于系统数据库、知识库管理,HC 2CA PP 原型系统应用RDB 模式存储特征抽取的零件特征链表,利用ODBC 技术提供不同数据模式的存储接口。

图1为杭州叉车总厂一叉车箱体,零件对应的特征链见表1。

表1　箱体零件部分特征特征代号特征编号特征说明FD 03PF 001两阶同轴孔FD 03PF 002两阶同轴孔FD 03PF 003两阶同轴孔FD 03PF 004两阶同轴孔FC 04PF 005分布螺纹孔FC 04PF 006分布螺纹孔FC 04PF 019后端面分布螺纹孔FC 04PF 020后端面分布螺纹孔FC 05PF 007分布孔FA 05PF 008箱体前端面FA 05PF 009箱体后端面FC 03PF 018顶面分布螺纹孔2　创成式CA PP 专家系统利用特征分析器生成零件特征链表,然后根据工艺加工与决策知识,按照专家系统知识推理的方式完成零件的工艺过程设计。

创成式HC 2CA PP 专家系统主要由知识库管理、推理机、工艺创成、数据库管理等几个功能模块组成。

2.1　知识库管理知识库管理主要涉及知识库结构、知识表达、知识翻译等内容。

(1)知识库结构　规则的集合形成规则库,知识库则是规则库、事实知识、元知识的集合,图2为知识库的总体结构,图3为规则结构。

图2　知识库的结构框架(2)知识表达　HC 2CA PP 专家系统中知识库的知识由三部分组成:规则、事实、元知识。

3种图3　规则结构知识关系见图4。

图4　规则、知识、元知识关系规则是知识库的核心,它反映了机械加工工艺选择的基本规律,采用产生式规则表示,规则中允许与(AND )、或(OR )、非(NO T )等布尔型操作的任意连接形式,对不精确规则采用可信度描述;事实表示具体零件的特征、工艺设计、机床、刀具、夹具等已知的源知识;元知识是控制规则应用、比较、行动的事实性知识,即按照某一给定的顺序执行规则,又称为规则执行的规则。

对于推理过程:IF 事实存在,TH EN ORD ER (规则1;规则2;规则3;…)中包括的规则、元知识、事实等知识的描述如下:规则1:IF EQ C (@STR #特征I D ,#STR #F 1001)AND EQ C (@STR #材料,#STR #黑色金属)AND L T C (@I N T #热处理HRC 值,#I N T 32)AND RAN GE C (@I N T #公差等级,#I N T 12#10)AND RAN GEC (@DBL #表面粗糙度,#DBL 12.5#5.0)T EEN A SS IGN C (STR #加工链,#STR #粗车)规则2:…。

规则编制采用面向对象的编程技术,在知识・53・CA PP 专家系统中工艺决策的实现——潘晓弘　刘　敏　程耀东等库中,特征I D 、材料、热处理HRC 值、公差等级、表面粗糙度等信息以变量的形式体现,知识匹配时,事实知识数据赋予这些变量,由规则的结论推理出结构。

这种推理形式可使知识库与推理机中的事实知识相互对立,便于系统模块的移植。

上述规则前提是有关特征I D 、材料、热处理HRC 值、公差等级、表面粗糙度的比较关系,结论推理出此特征的加工链。

图1箱体零件中特征PF 001经过推理后,可以得出粗镗—半精镗—精镗的特征加工链。

HC 2CA PP 中工艺知识库包含的机械加工规则主要有:特征加工方法链生成规则(如上述规则);机床、刀具选择规则;特征约束规则(特征空间位置关系、特征加工顺序等);工件装夹规则(工件定位、装夹原理);执行控制规则(元知识)等。

元知识:ORD ER 表示按某种规则执行规则表中的规则,规则1失败,则按ORD ER 规则选择下一条规则进行匹配,依此类推,一旦规则执行成功,规则的结论存入知识黑板,作为下一次推理的事实知识,直到所有规则匹配完成,结束推理。

事实知识由两种类型的知识构成:一是从零件图中抽取出的加工特征信息;一是根据上述特征信息,由规则匹配推导出的中间结果作为下一次推理的事实。

(3)知识翻译　知识翻译过程是知识库定义格式的转换过程,把用知识库描述语言写成的规则库定义文本文件,经语法分析和语义分析后,转换成计算机内部表达形式(二进制流)的数据文件。

HC 2CA PP 专家系统为了简化推理,知识翻译过程将规则库中的连接形式与、或、非全部翻译成与的连接形式,以便系统采用面向对象的编程方法对知识库中的各类函数、规则、链表知识进行描述、处理,提高系统执行效率。

2.2　推理机推理机建立在黑板框架[12]基础上,是专家系统的核心,推理过程中的黑板框架内容见图5。

推理机通过ODBC 接口首先从数据库读入知识库名称等信息,然后将对应知识库内容载入黑板。

推理机通过数据库管理、黑板代理功能,建立推理与知识的关联。

HC 2CA PP 专家系统采用正向推理策略,用户将与求解问题有关的信息(如零件特征等事实)存入数据库,推理机根据这些信息,从相关知识库图5　推理机中的黑板内存中选择合适知识进行匹配,得出新的信息存放于黑板,再根据当前黑板中推理状态选用知识,如此反复,直到给出问题的解,求出所有的解,则推理过程结束。

作为各类知识源的通信代理,RDB 、黑板担负控制、选择、执行规则的功能,使各关联知识库协调工作。

推理过程中,零件的加工特征链表(特征分析器的输出)由RDB 维护,对此链表的操作(检索、修改、创建)通过ODBC 接口提交给RDB 管理系统执行,规则库、知识库由知识库管理系统维护(编辑、翻译),推理机仅执行推理过程。

推理开始时,推理机根据零件图号,通过ODBC 接口检索零件加工特征链表,根据加工特征名称将工艺选择知识、机床选择知识、加工知识、刀具知识、夹具知识等与此特征相关的规则库调入黑板,根据这些动态知识执行推理,推理结果通过ODBC 存入数据库。

采用黑板框架与ODBC ,使推理机中的事实知识、知识库中源知识相互对立,为系统子模块的移植、通过数据库系统集成CA PP CAD M IS 等C I M S 功能模块提供新思路。

2.3　工艺创成2.3.1　工艺创成框架工艺创成主要包括特征排序、特征加工链生成、机床刀具选择、工步排序、工艺决策、机械加工参数选择、刀具轨迹生成(N CP 的接口文件)等。

零件工艺创成框架见图6。

特征分析器从CAD 图形信息中抽取零件加工特征(同时完成零件特征排序,加工特征按空间位置关系排序)后、HC 2CA PP 完成各项CA PP 功能。

2.3.2　工艺创成过程特征间存在空间位置关系的尺寸、精度、公差以及特征加工优先顺序的限制,采用特征抽取技术,从工程图纸中抽取出的零件特征簇,首先需确定特征的优先加工顺序,即特征排序。

为了确定特征加工的优先顺序,将零件加工特征分为关联特・63・中国机械工程第10卷第1期1999年1月图6　工步排序与工艺决策流程征、独立特征。

关联特征的排序在特征分析器中通过特征排序完成;独立特征在工艺加工文件中的位置由工艺决策模块确定。