基于知识的模块化柔性生产线快速设计系统

基于知识的模块化柔性生产线快速设计系统*

陈永亮徐燕申张冠伟

天津大学机械工程学院,天津300072

摘要:针对面向用户的模块化柔性生产线方案特点,研究开发了基于知识的快速设计系统。建立了基于知识的模块化柔性生产线的设计模型,实现了产品数据、多领域知识表达、产品结构和评价模型统一表达。最后,通过所开发的原型系统详细分析了系统的构成和运行过程。

关键词:基于知识的工程;快速设计;模块化柔性生产线

中图分类号:TH165:TH122文献标识码:A文章编号:1001-2265(2002)07-0004-05

The knowledge based rapid design system for modularized flexible production lines

CH EN Yong liang XU Yanshen ZHANG Guanw ei

Abstract:Directed ag ainst the character istic of the conceptual design of modular flex ible production lines,a knowledge based r apid design system has been studied.T he unitary knowledg e based design model for the parts to be machined,the machining process and the correspond modular flex ible production line is established to embed eng ineering knowledg e within product model.

F inally,t he main content of developed pr ototype software system is discussed in detail,as well as the knowledg e based design process.

Key words:kno wledg e based engineer ing;rapid desig n;modular flex ible productio n lines

1概述

快速设计技术是当前市场在对产品多样化、瞬变性等需求的形势下提出并发展起来的。快速设计是在保证产品设计质量的基础上以缩短产品开发周期为目的的设计方法与技术,研究如何提高设计计算速度、加快设计进程和缩短新产品试制周期,提供企业对市场的快速响应能力[1]。产品投放市场的时间日益成为决定产品竞争力的重要因素。当前国际市场需求快速变化的特点和21世纪更加个性化的市场趋势,促进了快速设计和制造技术的发展。

模块化柔性生产线(M FTL)是用标准化、系列化和通用化的模块,组成功能各异的加工中心、数控专机等,根据用户零件加工需求合理配置的一种可重组、模块化制造系统。M FTL方案设计需要针对用户待加工零件的要求,利用CAPP系统设计出工艺方案,确定加工装备技术参数和功能要求,结合使用现场的的实际情况,才能最后确定能满足用户需求的整个生产线设计方案。

并行工程是缩短产品开发周期、快速响应用户的有效手段,它可以使产品设计、工艺设计和设备设计的相关部门协同工作,提出最合理的产品设计方案,达到简化加工工艺和精简设备的目的。为了快速响应用户需求,文献[2]针对M FTL方案设计系统的复杂性,研究了面向对象的并行设计系统。通过把设计过程分解为对系统若干对象的设计,提出了面向对象的的模块化柔性生产线并行设计过程模型,以支持加工对象的特征设计、工艺规划、系统配置结构设计、模块化机床、刀具等设计的并行运行。

随着人工智能技术在制造业的不断应用,专家系统和知识工程逐渐成为先进制造系统的重要组成部分。作为一种智能设计思想,KBE[3](Know ledge Based Engineering,基于知识的工程)技术被广泛应用于航空、汽车、化工、机械等各个行业。KBE的提出,是使AI从学科研究走向实际应用的重大突破。KBE 技术与专家系统的不同在于:后者使用一个集中的区域(象数据库一样)存储知识,且随着其应用领域的扩展,可包含许多复杂的知识;而KBE技术侧重于在产品模型中嵌入工程知识,将知识融合于产品的设计细节中。这些知识包含产品的设计、分析和制造方法。

为了实现面向用户的模块化柔性生产线快速响应设计,本文首先建立模块化柔性生产线的集成产品模型和方案设计知识表达模型,满足系统对信息表达和处理的需要,实现设计知识的共享,以满足市场用户对

4组合机床与自动化加工技术*基金项目:天津市自然科学基金重大项目资助课题(003804711)

图1 基于知识的M FT L 产品模型的构成

产品设计快速响应的需求。然后,讨论了基于CAD 平台及其二次开发工具和基于知识的工程工具开发的模块化柔性生产线快速响应设计系统。

2 基于知识的M FTL 设计模型

M FTL 设计模型包括设计对象模型和设计过程模型,其中对象模型是面向对象设计系统的核心。

1)M FTL 设计系统模型

M FTL 设计系统可描述如下:给定零件或零件族的加工需求集合{R 0}(零件的生产批量、加工质量要求等)和候选机床或模块的集合{Mi}(包括模块的形状、接口、机床的运动特性、加工能力等),生成由{M i }的子集组成的生产线的设计方案S,使其不仅能满足一定的约束条件的集合{C i }(零件加工工艺顺序的约束等),而且要使设计方案评价的目标函数值V=f(S)到达最优。若不能找到所需的设计方案,则应指出新机床或模块的设计要求。

2)对象模型的表达方法

对具体应用领域问题进行分析,识别所有相关对象及其属性、方法和相互关系,可建立了设计系统的对

象模型。设计对象的表达方法采用Peter Coad &Ed Yourdon 提出的面向对象分析方法和建模工具OOA 用图形符号表示类、对象的结构及其相互关系。其中

类符号定义类定义的属性和方法。类)&)对象符号表达类的属性、方法及属于该类的对象(实例)。

3)柔性生产线设计对象模型的信息表达

依据上述面向对象集成建模方法和工具建立了模块化柔性生产线系统模型的对象类信息表达,即基于知识的M FTL 统一产品模型,如图1所示。封装属性和方法的各个对象类,通过实例联结来描述各个对象状态信息的映射关系,通过消息联结传递对象的行为操作,实现系统功能。

FTL 设计对象模型:可分为待加工零件特征模型、工艺规划模型和生产线设备模型(机床模块模型、生产线模型)和多方案评价模型四个不同的主题层次。

零件特征模型:分为零件、特征、子特征等不同的层次,相应于这三层信息内容建立了三个对象类,零件类、特征类和子特征类,共同构成零件模型。通过零件类中属性槽,这两个对象类之间可建立起信息联系,这种联系的性质是组成关联。

工艺模型:分为工艺规划、工序、工步等几个层次,相应于这三层信息内容建立了三个对象类,工步类、工序类和工艺计划类,它们共同组合成工艺模型。其中子特征类与工步类存在关联关系,工步类从子特征类获取特征参数、表面精度、加工方法等信息并对其内容进行扩展;而工步相对于工序、工序相对于工艺计划都

52002年第7期