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
图2M FT L快速
设计系统主界面
图3
典型的箱体类零件
图4基于知识的FM T L模型树
是多对一的关系,故这些对象类之间信息联系属于组成关联。

按照以上信息联系组织三个对象类就形成了工艺模型的基本结构。

生产线模型:划分生产线、加工单元、机床、模块等几个不同的层次。

相应于这三层信息内容建立了三个对象类,即生产线类和加工单元类、机床类、模块类、分模块类。

生产线类和加工单元类的信息联系属于组成关联,这四种信息实体之间都是一对多的关系,因而相对应的对象类之间信息联系也都属于组成关联。

多方案评价模型:可为工艺方案评价和生产线设备方案评价两种不同类型。

采用面向对象的建模方法建立相应的对象类,可使零件工艺决策知识、加工设备模块描述和选择知识、生产线方案决策知识都可以融合在统一的产品模型中。

评价的策略是采用局部评价和全局评价相结合,将与各个对象密切相关的局部评价知识封装在相应的评价对象中,而多方案评价知识则通过建立全局评价对象模型进行表达。

3系统开发与实现
在建立基于知识的MFTL设计模型的基础上,利用Visual C++、Access数据库、基于知识的工程工具在三维CAD软件MDT3.0平台上二次开发了箱体类零件柔性生产线快速设计系统,系统主界面如图2所示。

典型的箱体类零件模型如图3所示。

软件系统的用户包括最终用户、销售工程师、工艺工程师、设计工程师和系统维护工程师,分别负责零件加工需求获取、工艺方案设计与设备选择、生产线方案配置与布局设计、技术方案评价以及系统所需有关工艺、机床和模块的数据库、知识库的维护。

系统采用面向对象的框架表达方法实现产品数据和知识的统一表
达,将各应用领域
的知识融合在产品
模型中,满足了不
同应用对产品模型
数据内容和结构的
要求,通过各领域
设计对象的知识协
调与智能综合来辅
助柔性生产线的并
行设计。

设计知识模型的树结构表达如图4所示。

系统通过分析被加工对象工艺信息和用户要求,进行零件加工特征提取[3]和工艺规划,自动选取相应的设计规范和标准,确定加工设备的功能、技术参数、结构布局形式等,产生各种可行的初始设计方案,在机械CAD图形环境下以可视化图形方式帮助设计者理解、预见设计结果,向用户直观、形象地展示设计方案,对生产线设计方案进行全方位外观显示和运动仿真,并与用户交互。

用户和设计人员可一起确定加工设备的功能领域、功能行为过程、技术参数、性能,共同完成生产线技术方案的定义。

用来组构生产线设计方案的的加工中心模块库及其管理系统[4]如图5所示。

M FTL设计过程就是对象类实例化的过程,设计进程的各个对象存在有相互的依赖和约束关系,在主框架模型的协调下,零件对象进行零件模型的创建,工艺规划对象完成工艺模型的创建,而由生产线对象完成生产线模型的创建,最后由机床对象完成各个机床模型的创建和模块的选择和组合。

系统运行过程的描述如下:
步骤1设计初始化,把相关知识库加载到内存,向主框架发送启动消息,send-message(d aflMain d,d
6组合机床与自动化加工技术
图5加工中心模块库
aflRun d);
步骤2创建全局对象模型,实例化相关对象,包括
¹零件模型实例化,def-member(d箱体d,d零件类d);
º工序规划模型实例化,def-m ember(d工序规划d,d工序规划类d);
»柔性生产线模型实例化,def-member(d柔性生产线d,d柔性生产线类d);
步骤3对于零件特征模型,执行如下操作:
获取和识别零件总体特征数据和加工特征数量,即向/箱体0对象发送数据输入消息,send-message(d 箱体d,d特征数据输入d),send-message(d箱体d,d节拍计算d),对每一特征执行以下操作:
¹建立特征对象,def-member(特征名,d特征类d);
º输入特征参数信息,send-message(特征名,d 输入特征参数信息d);
»加工方法链决策,send-message(特征名,d加工方法链决策d);
¼加工方法链分解,send-message(特征名,d加工方法链分解d);
½子特征创建,def-member(子特征名,d子特征类d);
¾向主框架发送零件模型创建完毕消息;
步骤4对于工艺规划模型模型,执行如下操作
¹工步创建,对于每个子特征,def-member(d工步名,d d工步类d)
º对于每一工步,执行如下操作:
a.刀具选择,send-message(工步名,d刀具选择d);
b.切削参数选择,send-message(工步名,d切削参数选择d);
c.工时计算,send-messag e(工步名,d工时计算d);
»工序划分,send-message(d工序规划d,d工序划分d,);
¼工序创建,def-member(d工序名d,d工序类d),对于每一个工序执行:
a.工步排序,send-m essage(d工序名d,d工步排序d);
b.工时计算,send-message(d工序名d,d工时计算d);
c.工序汇总,send-message(d工序名d,d工时计算d);
½工艺方案评价,send-m essage(d工序名d,d工艺方案评价d);
¾工艺方案输出,send-m essage(d工序名d,d工艺方案输出d);
¿向主框架发送工序模型创建完毕消息;
步骤5对于柔性生产线模型,执行如下操作:
¹加工单元创建,对每一个工序,def-member(d 加工单元d,d加工单元类d);
º机床选择,对每一个加工单元,执行如下操作:
a.机床创建,def-member(d加工中心d,d加工中心类d);
b.机床类型选择,select(d机床类型:d,d立式加工中心d,d卧式加工中心d,d五面体加工中心d,d龙门加工中心d);
»模块选择,对于每一台机床,执行如下操作:
a.工作台选择,selectFrame(d工作台类d);
b.立柱选择,selectFrame(d立柱类d);
c.主轴箱选择,selectFrame(d主轴箱类d);
d.床身选择,selectFrame(d床身类d);
e.刀库选择,selectFrame(d刀库类d);
f.数控系统选择,selectFrame(d数控系统类d);
g.液压系统选择,selectFrame(d液压系统类d);
h.气动系统选择,selectFrame(d气动系统类d);
i.排屑冷却系统选择,selectFrame(d排屑冷却系统类d);
¼机床方案评价,若机床方案不能满足,发出新模块创建消息。

½生产线方案评价,send-message(d柔性生产线d,d生产线方案评价d)
¾生产线方案输出,send-message(下转第10页)
7
2002年第7期
5虚拟制造中NC代码的处理
虚拟的CNC系统主要包括以下内容:机床环境定义、字符集定义、G地址定义、M地址定义、其他地址定义、功能代码对照库、检错规则和插补子系统(本部分内容略)。

模拟显示:模拟显示的作用是检查程序的正确性与合理性,CNC加工仿真采用动态模拟仿真功能与仿形编程的图形显示两种模式。

仿形编程的图形显示(去除材料的切削加工仿真)有两个作用:一个是加工过程的预览,可以让操作者直观地了解加工的尺寸和加工的运行范围;一个是可以让操作者直观地了解加工的尺寸和加工的工序是否正确。

如果加工程序不符合加工工艺的要求,可以直接中断,返回上一层平台进行修改,操作十分简便。

动态模拟仿真(刀具轨迹仿真)功能与仿形编程的图形显示有相同的两个作用:一个是检查加工程序有无语法错误;另一个是检查加工的路径是否正确合理、是否符合加工工艺的要求。

动态模拟仿真不仅显示加工的轨迹,也显示加工过程中空运行的轨迹,同时在动态模拟仿真的过程中,操作者可以完全像实际运行一样作暂停、继续和单段运行等控制,速度也可以随时进行调节。

但不如仿形编程的图形显示那么直观。

在模拟显示时,系统进行仿真加工,不发脉冲,系统各坐标轴不运动,其余同实际加工完全一致。

开始时,要输入工件毛胚的实际尺寸(待加工的毛胚尺寸一定要对应输入,否则模拟结果有误)。

模拟速度较实际加工速度快,不是指令速度。

6结束语
(1)虚拟制造通过计算机对真实世界的对象和活动进行建模与仿真,在计算机中建立虚拟的加工环境和完成/虚拟0加工任务,实现虚拟产品。

在这个过程中,虚拟制造系统对加工指令的处理,特别是对NC代码的处理,是制造活动成败的关键。

(2)利用以上成果,我们完成了铣床FANUC系统的数据驱动方式实现NC代码的自动生成方法,并将其链接到我校制造学院的虚拟的CNC系统仿真系统中,通过近一年对700余名学生实验教学和86名技术人员培训的验证,取得了较为满意的效果。

(3)由于本软件属自主开发,其内置数据库的容量较小,且均为标准零件模式,在一定程度上制约了应用的广泛性。

为此,我们正加紧开发多用标准接口,以期能够最大限度地利用市场上的成品软件。

收稿日期:2001-01-09
作者简介:贺红梅(1968-),女,甘肃金昌人,西南科技大学讲师,工学硕士。

(编辑江复)
(上接第7页)(d柔性生产线d,d生产线方案输出d)¿向主框架发送生产线模型创建完毕消息;
步骤6结束任务。

4结束语
模块化柔性生产线快速设计系统是一个支撑平台,它将设计活动所需的各种工具和应用程序集成在这个平台上,形成丰富的设计功能,支持设计小组进行各种设计活动,并在设计过程中形成和使用统一的产品模型。

模块化柔性生产线方案设计涉及零件信息描述、工艺规划、设备选择与机床模块配置设计,是一个典型的多领域专家协作工程的过程。

基于知识的并行设计是实现并行工程的有效途径。

结合棱柱类零件柔性生产线技术方案设计,开发了原型系统。

在此基础上,进一步拓展研究可建立具有广泛适用性的快速设计工具集,实现分布式的并行协同设计。

[参考文献]
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纪的生产工程0学术会议,广州,2001年11月,p531
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研究.机械设计.2001(6):8~10
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收稿日期:2001-12-21
作者简介:陈永亮(1972-),男,安徽宿州人,天津大学机械工程学院博士后。

(编辑江复)
10组合机床与自动化加工技术。