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基于关系模型的重用型工艺知识研究 |
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作者：高伟 胡晓兵 方辉 |
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引言
工艺文件有很大的相似性和重用性，即便是完全不同的零件，它们的某些工艺内容，比如:热处理工艺过程，钳工工艺过程等，也是十分相似的。而且对于越小的工艺描述单元，其相似性越高，细化到工艺术语，就会发现工艺编制过程中所用到的工艺术语有惊人的重复性。在机械制造业中，相同或相似的工艺规程占70%--80%。同时，在这些工艺规程数据中，有很多相对固定的工艺规程，比如:防腐处理、热加工工艺等。所以很多工艺设计方法以重用这些工艺规程为目的，如:基于成组技术的派生式方式、基于实例的设计方式、模板式工艺决策以及在较细粒度上重用工艺规程的特征工艺匹配等。其中，基于成组技术的派生式系统和基于实例的工艺设计系统研究趋于成熟，己有很多实用的系统，其它方式的工艺设计方法也有一些成功的应用，可以说，当前比较成熟实用的工艺设计方法都是以重用不同粒度的工艺规程为基础的。
但是重用式CAPP系统的研究存在着重用式设计方法研究较多，而重用型工艺知识研究较少的问题，本文针对这一问题，对重用型工艺知识进行系统研究，阐述了不同粒度的重用型工艺知识的内容及其相互关系，同时建立了它们的关系数据库存储模型，最后讨论了它们的应用方式。
1重用型工艺知识
当前国内的许多工厂的产品种类固定，发展方向明确，并在多年的生产中积累了大量成熟的工艺规程。工艺重用就是指在工艺编制过程中重复使用这些相对固定的工艺规程进行工艺设计。重用型工艺知识就是对工艺规程数据进行整理、规范后在工艺编制过程中可以重用的相对固定的工艺规程。根据重用工艺规程的粒度不同，本文将重用型工艺知识分为:标准工艺术语、工艺元、工艺模板和工艺实例。工艺元包含工艺术语，但并不全由工艺术语组成;工艺模板由工艺元组成。重用型工艺知识关系如图1所示。
图1 重用型工艺知识关系层次结构
重用型工艺知识具有以下特点:
(1)重用型工艺知识以文本信息为主，是企业中成熟、固定的工艺规程。
(2)重用型工艺知识的不但可以支持不同的工艺设计方式，也有利于工艺设计中的辅助智能实现。
(3)以重用型工艺知识的标准化为基础有利于工艺规程分析和整理。
(4)知识发现技术的引入有利于重用型工艺知识的自动获取。
2重用型工艺知识表示与存储模型
知识管理首先要解决知识的表示问题，知识表示就是描述世界的一组约定，是知识的符号化，人类知识表示成计算机能接收并处理的知识结构。知识表示法既要考虑知识的存储，又要考虑知识的使用.
2.1数据模型技术概述
数据模型又称为信息模型或逻辑模型，它是描述一个系统中的数据、数据联系、数据语义以及一致性约束的概念工具的集合。常见的信息模型有:实体一联系模型(entity-relationshipmodel, E-R模型)、面向对象模型、关系模型。这3类数据模型都有自己的优势，也存在各自的不足。关系模型有严格的数学基础，是一种基于记录的数据模型，记录由固定的属性组成，具有确定的一长度，记录的结构在设计时就确定了。以关系模型为基础的关系数据库在管理永久存储的大量信息时表现出出色的能力。从现状来看，在未来很长的一段时间内以关系模型为基础的关系数据库的主流地位仍将继续维持下去。本文采用关系型数据库存储重用型工艺知识，如图2所示，为了能够将工艺知识存储在关系型数据库中，在工艺知识的对象模型和关系模型之间增加了知识元模型，工艺信息从对象模型转换为知识元模型以后，再以关系的形式存储在关系数据库中。增加知识元模型是为了以记录数量的扩充实现对象结构定义的扩充。
图2 工艺知识的层次化数据模型
2.2重用型工艺知识的表示与存储模型
2.2.1标准工艺术语
工艺术语是工艺文件中使用的技术语言，是工艺表达和管理的工具。工艺术语由于地区的差别、方言的不同以及外来语、习惯用语不一致，容易造成不必要的误解，影响相互间的交流，严重的会影响工艺工作的正常进行或造成质量事故。随着加工技术的发展，工艺术语也不断发生着重大变化。因此，将工艺术语进行统一，对提高工艺文件的质量以及工艺语言专业化有重要作用。
定义1 标准工艺术语:就是具体企业中，不考虑加工参数，加工尺寸等的，可以用来对单个工艺语句内容进行概括的，满足一定支持度所要求的无歧义工艺术语。设A代表一条工艺语句，a代表一个工艺术语，如果此工艺语句中包含工艺术语，称之为工艺语句A支持工艺术语a,工艺术语a的支持度定义为
如对于如下工序:车两端面，长度留有余量3-4mm，两端打中心孔，车外圆留余量3-4mm，外圆倒角3x45°。经过统计分析，其中包含的典型工艺术语有:车两端面，打中心孔，车外圆，倒角。
标准工艺术语是企业在长期的实践中固定下来的工艺设计中的固定用语。一般情况下要求标准工艺术语应该严谨、完整、简单明了。
但是随着CAPP系统的推广和使用，以及CAPP智能化水平的不断提高，对标准工艺术语提出了新的要求:
(1)标准工艺术语应该能够支持智能CAPP系统中工艺内容的结构化分析。语言的机器理解是人工智能领域的一个重要研究内容，CAPP智能化的发展必然需要理解工艺内容，但是在当前的技术条件下，工艺内容的机器理解主要基于符号分析，作为智能CAPP系统，应该能够对工艺文件进行结构分析。
(2)标准工艺术语库应该能够支持工艺编制时的智能辅助。在工艺人员进行工艺编制时，需要查阅很多资料，参考很多内容，智能型CAPP系统能够根据当前工艺人员的工作状态自动提示工艺人员需要的工艺内容，也可以根据当前工艺人员己完成的工序预测下一道工序。
(3)标准工艺术语应该能够用来建立工艺文件的索引。智能CAPP系统中，典型工艺、实例工艺是实现CAPP系统智能化的有力手段。对这些工艺文件的组织一般需要建立特定的组织结构，为了实现CAPP系统中的辅助智能，需要能对工艺文件内容进行索引。
定义2标准工艺术语可以描述为如下的三元组
W=< ID,Name,S >
2.2.2 工艺元
在工艺设计过程中，零件局部工艺内容的信息重用率很高。例如，通过对某大型汽轮机厂各种汽轮机产品的几十种转子的加工工艺进行分析，发现车削工艺(精车、精车)从找正方法、具体加工描述基本一样，只是工序图、工夹量具和尺寸参数不同。
因此，可以将一份工艺规程看作是由许多局部的工艺内容组成，工艺元就是重用率较高的，与制造特征对应的，相对固定的局部工艺内容。工艺元有以下特点:
(1)工艺元对应零件特征，是用来加工零件固定制造特征的规范化的工艺规程，是工序和工步的组合。
(2)工艺元是一组参数化的工艺规程。它针对相同类型的几何特征，将几何特征的尺寸、精度等要求用参数的形式表示。
(3)工艺元是指面向CAPP智能化的标准工艺操作规程，它不仅有利于工艺标准化、规范化，而且能支持工艺智能决策。
(4)工艺元具有自动可获取性，工艺元是从大量工艺规程中总结出来的局部工艺规程，可利用数据挖掘技术自动获取。
设B代表一个零件特征，b代表一个工艺元，如果零件特征B的工艺规程中包含工艺元b，称之为零件特征B支持工艺元b。工艺元b的支持度定义为
由于不同的工艺规程属性不同，如工序包括(工序号，工序名，工序内容，机床，工时等属性)，不同的企业也有一定的差异，为了实现工艺元内容的统一存储，建立统一的工艺元存储模型如下:
定义3工艺元可以描述为如下的三元组
B =< ID,T,KS >
式中:ID--工艺元编号，用来惟一确定工艺元;T--工艺元类型; KS--工艺元内容集合，KS={Ki,i=o,…,l } ; K--工艺元内容属性集。
定义4属性元K是一个三元组
K=< ID,P,V >
式中:ID--属性元的全局惟一标志;P--属性元的属性名:V--属性元的取值，一般表现为字符形式。
基于属性元的统一数据模型是面向语义的。实际中属性元的属性名定义被保存在数据字典中，每类属性都具有完整的含义(即语义)定义。系统通过这些属性可以获取完整的工艺元信息，同时这种存储方式具有很强的扩展性，所以适合存储各种工艺元。
2.2.3工艺模板
零件之间的特征是相互关联的，相同的几何特征，由于和不同的其它几何特征组合在一起，往往引起加工工艺的不同，忽视了特征之间的关联和组合关系，会造成工艺推理结果的不准确和工序工步排序的不合理。工艺模板利用数据挖掘技术从工艺数据中直接获取的固定工艺元组合。工艺模板是由多个工艺元组成的针对特征组合设计的工艺规程，工艺模板与工艺元的关系如图3所示。
图3 工艺模板与工艺元的关系
定义5工艺模板可以描述为如下的二元组
C =< ID, Name,T,BS >
式中:ID--工艺模板的编号，是用来惟一确定工艺模板;Name--工艺模板名称;T--工艺模板的类型;BS--工艺模板所包含的工艺元集合。
2.2.4工艺实例
实例工艺是一份具体的工艺文件，它是企业中己经证明是成熟和正确的某个零件的加工规程，当工艺文件具有一定的参考价值，能够被后继工艺设计所借鉴时，可以将其作为实例工艺。原则上不属于标准工艺、典型工艺的工艺均可作为实例工艺。对于多品种、小批量生产企业实例工艺是大量存在的。
实例工艺的生成通常有下列几种方法:
(1)选择企业中己有零件的相似度低于典型工艺，但尚有一定代表性的工艺作为实例工艺。
(2)选择企业中将来可能是有一定参考价值的工艺作为实例工艺。
(3〕企业新生成的工艺若具有某些可继承的特征，也可以作为实例工艺。
同理，可将实例工艺及其特征表存入实例工艺库，通过特征表的匹配，并对其做局部编辑以生成工艺。在基于知识的工艺设计信息系统中，工艺实例具有如下特点:
(1)工艺实例是通过工艺规程分组来生成的，即将企业中的工艺规程进行分组，组内的工艺规程中的工序和工步大多相同，具有很高的相似度，从这组工艺规程中选出一个具有代表性的工艺文件，进行修改即可生工艺实例。
(2)基于重用思想的工艺实例是应用数据挖掘技术直接对工艺规程进行分组，不需要考虑零件特征，可以设计典型工艺的自动获取。原则上，工艺规程相同的零件，其几何特征结构也是相似的。
(3)建立了工艺实例与工艺元和工艺规程的索引，可以支持工艺设计时的关联查询，实现一定的工艺智能。
设C代表一份工艺实例，b代表一个工艺元，如果工艺实例C包含工艺元b，则称工艺实例C支持工艺元b;设D代表一份实际的工艺规程，如果工艺实例C所代表的工艺规程组包含工艺规程D，则称工艺规程D支持工艺实例C。
定义6工艺实例可以描述为如下的二元组
C =< ID,Name, T,KS >
式中:ID--工艺实例的编号，是用来惟一确定工艺实例;Name--工艺实例名称;T-工艺实例的类型; KS--工艺实例的内容集合， K--工艺实例内容属性。K的定义与工艺元的相同。
2.3重用型工艺知识的关系存储模型
利用关系型数据库存储重用型工艺知识需要有以下要求:①知识检索的方便性:重用型工艺知识的主要是各种粒度的工艺规程，数据量非常大，所以建立高效的数据库存储结构和高效的索引机制非常重要。②支持工艺智能:重用型工艺知识库应该能够支持工艺智能。表现在能够通过工艺术语找到工艺元，通过工艺元找到工艺模板或工艺实例，甚至支持工艺元、工艺实例的工艺文件。③知识添加的方便性:重用型工艺知识可以通过数据挖掘技术获取，也可以由用户随时添加数据库中，所以一定要保持工艺知识添加的方便性，这需要有友好的用户交互界面和数据完备性检索机制。重用型工艺知识的关系存储模型如图4所示。
图4 重用型工艺知识的关系存储模型
3重用型工艺知识的应用
重用型工艺知识主要用来继承和共享企业中成熟的较为固定的工艺规程信息。在工艺设计过程中有以下几种使用工艺知识的方法:
(1)以重用型工艺知识为基础的工艺设计方法。如基于实例的工艺设计方法、基于成组技术的派生式工艺设计方法。
(2)工艺人员在工艺编制的过程中，直接查找工艺知识库，选用需要的工艺元、工艺模板或者工艺实例，直接插入到工艺文件中去。
(3)在工艺人员设计工艺时，跟踪用户的当前工艺状态，以智能辅助的方式提供给用户。主要有以下3种方式;
·智能提示:标准工艺术语提示规则可以跟踪用户的输入，根据输入内容匹配标准J艺术语并进行相应的提示，是一个在线的智能提示，如图5所示，工艺人员在编制过程中输入"车"，系统会相应的提示相关的标准工艺术语。
图5 标准工艺术语提示示例
·智能预测:应用标准工艺元和工艺序列序预测规则，系统可以实现在对后继几个工序的预测。如图6所示，用户在输入"按自带冠导叶片车削加工操作指导书第2.2条装焊导叶片。"以后，按回车键，系统会在右边提示框中显示相配的几个工艺元，用户可以选择输入。
图6 工艺元提示示例
·智能导航:智能导航主要体现在对工艺人员当前的工作焦点中可能的输入值定位工艺资源、常用术语等与输入焦点相匹配的工艺知识。如图7所示，当用户的输入焦点放入工艺卡片的工种列时，工艺资源(常用词汇)就自动定位在工种类别中，同时查找到各种工种栏中可能的取值，用户可以直接点击输入。这种智能输助手段有利于工艺标准化，提高了工艺人员的效率。
图7 智能导航示例
4 结束语
本文工艺知识的存储和实用角度出发，对重用型工艺知识进行了重点研究，根据工艺规程的粒度不同对工艺知识进行了分类，详细解释其相互关系，并依据关系数据模型理论建立了不同粒度的工艺知识的关系模型，这样，工艺知识可以很容易在当前流行的各种关系型数据库中存储。论文在些基础上解释了重用型工艺知识的应用方式。这种建模方式使工艺知识易存储、可应用，有很强的开发实用价值。(end)
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(8/31/2008) |
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