基于PDM的工艺知识库管理方法研究

作者：孙朝阳 王刚 吕民 高国安 佟振博

欢迎访问e展厅 展厅 3 PDM/PLM/CAPP展厅 图文档管理系统, CAPP... 引言 产品数据管理( Product Data Management ，PDM) 是管理所有与产品相关的信息和过程的技术，为产品的开发和制造提供了一个并行的协作环境。近年来，Web 使能技术在PDM中的应用，进一步加强了PDM的功能，使PDM在工业上的应用日趋广泛。 工艺知识库在计算机辅助工艺设计(Computer Aided Process Planning，CAPP) 系统中占有重要地位，它决定着工艺设计的智能化程度。集成化是CAPP发展的一个主要方向，开发以PDM为集成平台的CAPP系统已成为当前研究热点。因此，有必要开展基于PDM的工艺知识库管理研究。 基于产品的CAPP对工艺设计的支持，包括工艺卡片的辅助编制和对工艺知识查询的辅助支持等。在基于产品的CAPP系统中，对工艺知识库的首要需求是提供工艺知识的辅助查询，提高查询的质量和效率。基于这个思想，本文对基于PDM的工艺知识库管理进行了研究。 1 工艺知识 广义的工艺知识按照产品全生命周期的观点，划分为基础理论知识、工艺设计知识、工艺管理知识和工艺情报四个部分。狭义的工艺知识是指工艺设计人员在进行工艺设计过程中所运用的各种数据和现场经验等的集合。本文所述的工艺知识是指狭义的工艺知识。 20 世纪90 年代以前，以工艺规程自动化生成为目标，CAPP系统的工艺知识库的内容主要是指推理规则等工艺决策知识。基于产品的CAPP方法要求工艺知识库首先能够为工艺设计提供详尽的基础信息检索，包括代替手工查阅工艺手册数据与资源数据，以及代替手工查阅已设计好的工艺实例;其次是提供相关的工艺决策辅助，辅助经验较少的工艺设计人员设计出接近专家水平的工艺规程。在此背景下，工艺知识的范围有了拓展，大体可分为:①工艺资源信息，包括手册数据和资源数据。手册数据是指工艺设计手册及各类工程标准中已经标准化的或者相对固定的与工艺设计有关的工艺数据;资源数据是指与特定加工环境密切相关的所有工艺数据，如机床、刀具、量具、夹具和辅具等信息。②工艺实例，指已经完成了工艺规程设计的零件(实例零件) 及其对应的工艺规程(实例工艺)。③工艺决策知识，由经验性规则(如加工方法选择规则，机床、刀具、夹具、量具选择规则等) 、过程性算法及对工艺决策过程进行控制的知识等组成。 2 基于PDM的工艺知识库管理 2-1 工艺知识库管理系统体系结构 与工艺知识相对应，工艺知识库管理系统包括工艺资源库管理、工艺实例库管理和工艺决策知识库管理三个模块。工艺知识库是重要的企业资源，因此需要保证工艺知识数据的一致性和完整性。 PDM的一个重要功能是数据仓库和电子文档管理功能，也就是电子资料室(data vault)功能。数据仓库中存储与产品定义相关的各类信息，包括工艺资源信息、工艺决策知识和设计完成的产品工艺规程等，以保证工艺知识数据的一致性和完整性。本文基于PDM构建了工艺知识库管理系统体系结构，如图1 所示。 工艺知识数据统一通过PDM的封装层存入PDM管理的产品数据库中，由PDM系统统一管理。对工艺知识库的任何访问都需要通过PDM的授权和验证来完成，以此保证工艺知识库中知识的完整性。同时，为CAPP系统和集成体系下的其他应用系统(如制造资源计划、并行工程(CE) 、敏捷制造(AM) ) 等提供工艺资源信息服务。 数据库连接采用开放数据库连接(Open Data Base Connectivity ，ODBC) 接口。ODBC 接口定义了一个函数库，应用系统通过结构化查询语言访问数据库管理系统。ODBC 通过调用层接口，提供对特定数据源命令进行解释的驱动程序来保持应用系统的互用性。这样， 应用系统便不必克服由函数功能、数据库协议或网络协议等因素造成的不一致。 2-2 基于BOM的工艺实例表示 工艺实例包含设计完成的零件设计信息和设计完成的工艺规程信息。前者用于检索实例，后者用于表示工艺设计的内容。如何将二者结合起来，是工艺实例表达需要解决的重要问题。 PDM的一个重要功能是产品配置管理，它是以电子资料室为底层支持，以材料清单(Bill of Material ，BOM) 为组织核心，将定义最终产品的各种工程数据和文档联系起来。本文采用基于BOM 在产品结构树的节点上分别挂接产品工艺信息和产品零件信息的方式来表示工艺实例，如图2 所示。 零件的工艺规程信息按照功能分离的原则，分为零件工艺数据和工艺卡片模板两个部分，分别存储于PDM产品数据库中的产品工艺数据库和工艺卡片模板库中。当需要查看工艺规程内容的时候，通过程序将工艺卡片模板和产品工艺数据结合以显示工艺规程卡片。产品的零件设计信息存储于PDM的CAD 图文档库中。产品设计信息和产品工艺信息分别挂接在产品结构树的各个节点上。 实例的组织是以产品为基本单位实现的。企业用BOM 组织设计完成的产品，可以用一个BOM 表示一个系列的产品，也可以表示一个产品。产品的零部件节点上挂接着相应的设计信息和工艺规程信息，这些零部件节点对应着设计完成的工艺实例。 根据企业工艺设计实践的特点，实例的检索由设计人员根据待设计零件的管理信息，如产品系列和零件名称等，通过BOM 实现相似实例的查阅。实例检索的流程如图3 所示。 2-3 工艺资源检索功能的实现 工艺资源库结构如图4 所示。工艺资源库管理需要提供对工艺资源信息的查看、增加、删除和检索功能。在实现中要注意工艺资源数据库内容的庞杂，某一具体的工艺设计所涉及的工艺资源信息往往只是工艺资源数据库的一部分，因此需要提供检索功能，将工艺人员所需要的工艺资源信息过滤出来。 检索功能采用数据库技术中的“视图”技术来显示工艺资源信息。具体实现办法是:选择PDM中的多个资源数据表，并将其字段重新组合、更名，按照工艺设计需要的检索条件编写出SQL 语句，用这些SQL 语句建立一张来自PDM数据库的视图。视图仅仅是对数据库的一种映射，并不生成真正的数据。因此，工艺资源库管理与PDM共用了工艺资源数据库。当PDM对工艺资源数据进行更新操作时，工艺资源检索后显示的视图也会自动更新。 2-4 工艺决策知识库的维护策略 工艺决策知识库的建立过程通常如图5 所示。①知识工程师与领域专家共同协作，将专家的知识转化成工艺决策规则；②用知识库描述语言，由知识工程师以文本输入的方式建立知识库源文件；③用知识库编译器编译知识库源文件，得到二进制数据文件，即用于推理的知识库文件；④对生成的知识库文件进行推理测试，如果测试不成功，则重新编辑知识库源文件，再进行推理测试。当需要对知识库文件进行更新时，也需要通过对知识库源文件进行编辑和编译来完成。 建立工艺知识库流程存在的问题是工艺知识库系统需要通过维护知识库源文件，来保证决策知识数据的一致性和完整性。为解决这一问题，本文将知识库源文件中的工艺知识数据抽取出来，分别存入决策知识数据库中的相应字段内，以此维护工艺决策知识数据的一致性和完整性。决策知识数据库由PDM统一管理，如图1 所示。 采用这一策略，当需要更新或者维护知识库文件时，系统从决策知识数据库中读取数据，生成决策知识库源文件，对这个源文件进行编辑、编译和测试，直到测试成功，才再次将源文件的内容存入决策知识数据库中。决策知识在系统中有数据库视图、源文件视图和知识库文件视图(如图5) ，各视图的内容相同，从而保证了工艺决策知识的一致性。这一策略便于根据企业的变化对工艺决策知识库进行更新和定制。 按照这一策略的要求，决策知识的表达采用面向对象的知识表达方法。一方面，面向对象的方法将框架、产生式规则和过程组织起来，具有很强的知识表达能力，能够表达经验性规则(如加工方法选择规则，机床、刀具、夹具、量具选择规则) 和过程性算法等。另一方面，面向对象的知识表达形式，易于抽取决策知识数据，有利于存储于决策知识数据库内。 工艺决策知识的推理调用接口采用动态生成中间文件condition. txt 和result . txt 来实现。具体步骤为: ①在推理前，程序动态地将用户指定的推理条件按规定的格式写入条件接口文件condition. txt中；②调用推理机，推理机加载知识库文件进行推理；③推理结束后，推理机将推理的结果写入结果接口文件result . txt 中；④程序从result . txt 中取出推理结果，处理后反馈给用户或者提供给工艺设计模块的辅助智能决策子模块。推理流程如图6 所示。 2-5 应用效果 在VC + + 6. 0 编译环境下，开发了基于PDM的工艺知识库管理系统( Process Knowledge Base Management System ， PKBMS) 的样机系统，其主界面如图7 所示。 PKBMS 样机系统已在某电力设备厂的工艺设计中进行了试用。试用表明，样机系统的实例库管理功能能够快捷地查到相近的设计实例。以该厂生产的电站辅机压力容器类产品———连续排污扩容器的工艺设计为例，当得到技术协议中的参数后，可确定产品型号，然后通过BOM 查阅相似实例，找到压力和容积均相对接近的产品型号，进而得到零件的实例，从而免去了查询、借阅等手续，提高了效率。对实例进行修改时，可以通过资源库的检索功能，方便地查到所需的手册数据和资源数据，降低了工作强度。对于经验较少的工艺设计人员，决策知识库的推理功能能够辅助其理解工艺实例，增加设计经验，提高设计水平。 3 结束语 本文基于PDM的电子资料室功能，构建了基于PDM的工艺知识库管理系统的体系结构，保证了工艺知识数据的一致性和完整性。基于BOM 的工艺实例的表示、组织和检索方法，对于企业充分利用已有的产品设计经验具有参考价值，符合企业的工艺设计习惯。工艺决策知识的维护策略方便了决策知识的动态更新，保证了决策知识的一致性。在应用中，开发的工艺知识库管理样机系统能够提高工艺知识的查询效率，降低工艺设计的工作强度。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/25/2006)