（机械电子工程专业论文）基于知识的可重构fas系统及仿真软件的研究与开发.pdf

塑室堕皇堕丕查堂堡主堂焦堡苎 一一 摘要 柔性装配技术是柔性制造技术的重要组成部分之一。近年来柔性装配系统已成为 现代制造业发展的重要标志，对它的研究和应用程度一定意义上代表一个国家的高科 技和制造业水平。可重构的柔性技术是柔性装配技术的发展方向。知识工程作为一门 工程技术学科，作为人工智能的应用分支而提出来，而基于知识工程的智能制造将是 未来制造技术发展的重要方向之一。、) 本文首先讨论了柔性装配技术的由来、发展及柔性装配技术国内外研究情况；然 后，讨论柔性装配系统的重构技术，并把知识工程的思想引入到柔性装配的系统中， 重点讨论了基于知识调度和实时的信号采集和通讯技术：同时也把基于向导的技术应 用到系统之中：还详细介绍了基于知识的可重构柔性装配系统的设计和开发的关键技 术。基于以上技术作者自行设计开发了基于知识的柔性装配系统，并对数据采集、通 信和仿真部分的软件进行了开发。 f 本文最后对所作的研究工作及主要成果作了总结，并对柔性装配技术的进一步研 究提出了自己的设想。、 v 关键词：柔性装配、知识工程：重构、仿真 第1 页 茎王塑塑塑里重塑坠! 墨堑墨堕塞墼堡堕堡壅兰至望二一 a b s t r a c t f l e x i b l e a s s e m b l yt e c h n o l o g y ( f a s ) i s a n i m p o r t a n tp a r t o ff l e x i b l e m a n u f a c t u r i n g i nr e c e n ty e a r s ，t h e f a sh a sb e c o m eav e r yi m p o r t a n ts y m b o lo ft h e d e v e l o p m e n to f m o d e mm a n u f a c t u r i n g t h ed e g r e eo fr e s e a r c h i n ga n da p p l i c a t i o no f f a s h a sb e e nr e g a r d e da st h el e v e lo fn a t i o n a la d v a n c e dt e c h n o l o g ya n dm a n u f a c t u r i n g t h e r e c o n f i g u r a t i o no ff a si s at r e n do ff l e x i b l ea s s e m b l yt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t a so n e s u b j e c t o f e n g i n e e r i n gt e c h n o l o g y ，k n o w l e d g ee n g i n e e r i n g i s p u t f o r w a r da st h e a p p l i c a t i o np a r t o fa r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e k n o w l e d g ee n g i n e e r i n g b a s e d i n t e l l i g e n c e m a n u f a c t u r i n gm u s t b ea ni m p o r t a n tt r e n do f m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yi nt h ef u t u r e a tf i r s t ，t h eb a c k g r o u n d ，t h er e s e a r c ha n dt h ed e v e l o p m e n to ff l e x i b l ea s s e m b l ya r e e x p a t i a t e di n t h i s p a p e r t h e nt h er e c o n f l g u r a t i o no f f a si sa n a l y z e d ，a n dt h ei d e ao f k n o w l e d g ee n g i n e e r i n g i si n t r o d u c e di n t of a s k n o w l e d g e e n g i n e e r i n gb a s e ds c h e d u l i n g s y s t e m ，d a t ag a t h e r i n g a n dc o m m u n i c a t i o nf o rf l e x i b l e m a n u f a c t u r i n gs y s t e m s a r e d i s c u s s e d t h ew i z a r dt e c h n o l o g yi sa l s oa p p l i e di n t ot h ef a s t h ek e yt e c h n o l o g yo ft h e k n o w l e d g ee n g i n e e r i n gb a s e df a s i sd i s c u s s e di nd e t a i l ，a n daf a sb a s e dt h ea b o v e t e c h n o l o g yi sd e s i g n e da n dd e v e l o p e d t h es o f t w a r eo f d a t ag a t h e r i n g ，c o m m u n i c a t i o na n d s i m u l a t i o na r ed e v e l o p e db ya u t h o r a tl a s ti ts u m m a r i z e dt h er e s e a r c ha c h i e v e m e n to ft h i s p a p e ra n d r a i s e dan e w h y p o t h e s i sf o rf a sd e e pr e s e a r c h k e y w o r d s ：f l e x i b l e a s s e m b l y 、k n o w l e d g ee n g i n e e r i n g 、r e c o n f l g u r a t i o n 、 s i m u l a t i o n 第1 i 页 堕室堕窒堕墨盔兰堡主兰堡丝茎 一 1 1 柔性装配技术 第一章绪论 1 1 1 柔性装配系统( f a s ) 柔性装配系统( f l e x i b l ea s s e m b l ys y s t e m ，f a s ) 是以机器人技术、自动化技术 及装配技术为基础，通过计算机及其软件，将工厂装配生产活动所需的各种分散的自 动化系统有机地结合起来的高效率、高柔性的智能装配系统，适合于多品种、中小批 量生产。它有两层含义：装配自动化和装配柔性化。 装配自动化的目的主要在于：保证产品的装配质量及其稳定性和提高劳动生产 率。并力求避免装配过程中受到人为因素的影响而造成质量缺陷和装配中手工检测因 操作者疲劳而造成检测误差等。与此同时，还能有效地减轻劳动强度，摆脱繁重或有 危险的手工操作，节省劳动力，改善劳动条件，保证安全生产。 柔性装配是自动装配技术发展的方向，采用柔性装配不仅可提高生产率、降低成 本、保证产品质量的一致性，更重要的是能提高适应多品种小批量的产品应变能力。 f a s 的组成和结构无论怎样复杂，它的基本特征都是在装配工位上将各种装配件 装配到基件上去，完成一个部件或一台产品的装配过程。f a s 的形式按装配工位和装 配基件的移动状况不同分为两类。一类为装配基件移动式自动装配线( 见图1 1 ) 。 装配基件依次移动到各个装配工位上。这样装配件依次在相应的装配工位上装配到基 件上去。另一类为基件固定式自动装配线( 见图1 2 ) ，其装配基件固定，将各个装配 件移动并按照装配顺序，依次移动到装配基件位置上进行装配。这种自动装配线的装 配工位上只有一个，因为装配基件是固定的。 装配 基件 装入 检 验 工 位 装检 配验 工工 位位 图1 1 装检装检装 配验 配验配 工工工工工 位位位位位 基件移动式自动装配线 检 验 工 位 第l 页 成 口 口口 输 出 堇王塑塑盟里重塑坠! 墨笙垄堕塞塑堡塑婴窒皇堑垄一 图1 2 基件固定式自动装配线 理想的f a s 是一种较完善的、高度自动化的装配系统。一般具备装配、物料输送 和控制3 个自动化系统。他的物理结构见图1 3 ，其柔性主要体现在装配对象、工艺 流程和生产节拍可变。但由于其投资大、建造周期长、经济效益不显著等而不完全适 合我国的国情。可开发成一种准柔性装配系统( p s e u d of a s ) ，它有以下几个特点：( 1 ) 数控设备与普通设备共存，人工和自动化相结合的柔性物流系统和计算机控制系统。 ( 2 ) 优化人机界面，不追求过高的自动化程度，投资少，技术上较易实现，易于推广 应用。( 3 ) 充分发挥软件的功能和计算机的管理能力。以获得最大的投资效益。以此 为基础可进一步提高其自动化程度。 图1 3f a s 物理结构 1 1 2 现代制造业对自动化装配系统的需求 为了适应日益加剧的全球化市场竞争，越来越多的制造企业逐渐把生产模式由 单一品种、大批量生产转向多品种、中小批量生产。并且采用现代集成制造技术将 传统的制造技术与现代信息技术、管理技术、自动化技术和系统工程技术结合，构 成计算机化、信息化、智能化、集成化的先进制造系统。在产品的制造过程中，装 配是实现最终产品的特定功能的最后一道工序。装配的经济性十分重要，往往需要 企业投入较大努力去改善装配操作的效率和成本。对中小批量产品装配来说，专用 特制固定设备是不经济的，一旦产品更新换代，设备也需更新换代，造成大量资金 第2 页 宣室塾至堕鲞查堂堡主兰堡堡苎 浪费。在这种情况下，柔性装配系统f a s 提供了一个柔性化解决办法。f a s 的开发是 为了敏捷响应产品需求的动态变化，打破劳动密集型和刚性自动化混杂的生产模式， 采用柔性的自动化系统。f a s 的柔性在于系统能够处理装配线上随机出现的几类不同 的产品。柔性装配的设计目标就是利用计算机、机器人等先进技术的集成优化和改 进产品的设计、制造、装配过程，以适应中小批量不同种类产品多变的要求，降低 产品装配的劳动力成本，减少装配时间，改善工作环境，缩短产品设计制造周期， 求得高质低耗的企业总体效益。 市场竞争的日益激烈要求企业必须具有快速反应能力，小批量、多品种的生产特 点要求企业要有较大的灵敏性和适应性。缩短产品上市时间( t ) 、提高产品质量( q ) 、 降低产品成本( c ) 和改进服务( s ) 已成为企业赢得竞争的主要手段。采用柔性装配技 术，开发柔性装配系统是实现这一目的的有效途径之。 国际上一些工业先进的国家己在不同程度上运用了柔性装配技术，并已建成了 一些f a s 。德国的g m b h 公司宣布，从1 9 8 6 年开始，德国工业部门参与欧洲国家合作 解决装配生产问题的e u r e x a 计划。这一计划的七个参与国家共同设计柔性自动化装 配方案，从1 9 8 7 年起共完成了3 5 0 个系统的设计项目。波音公司、空中客车公司等 及前苏联的一些飞机工厂都有自己的f a s 在运行。德国空中客车公司e i n s w a r d n 工 厂的柔性壁板装配系统少占用生产面积8 0 0 0 平方米( 约减少5 0 ) ，并大量节约了后 继机型的工装投资，提高了空中客车系列飞机在国际上的竞争力。对多品种少批量 或改型快的其他大型自动化装配线来说也是如此。采用柔性技术既可以开发计算机 控制的高度自动化和高度柔性的柔性装配系统，也可以以人和普通的运输设备为主， 利用柔性工装等开发具有一定柔性的准柔性装配系统。 自国家实施8 6 3 计划以来，柔性装配技术有了很大的发展，但在柔性装配系统的 关键技术的研究方面还存在不足，国内为数不少的单位开展柔性装配技术的研究缺乏 实用观点，停留在理论与实验室研究阶段的成果居多。 1 2 本文研究背景和研究内容 近年来，随着零件制造成本的不断下降和劳动成本的逐年提高，生产成本的焦点 已逐渐转移到产品装配方面，提高装配生产率所带来的经济效益远比简单地降低零件 生产成本显著。因此对装配过程进行自动化的要求非常迫切，国内外对f a s 都投入了 大量的精力研究。另一方面，产品的需求趋向多种类、小批量、寿命周期短，这就要 求产品设计的频繁变化和较短的生产运行，这就要求f a s 能在更大的范围内具有柔 性，根据不同的产品、不同的生产工艺，对原有的系统进行重构，实现生产方法最优， 生产成本最低。为了达到这些目的，进行了大量的研究开发。知识工程的思想逐渐被 引入到f a s 的研究和开发过程中，并且在基于知识的装配序列规划、基于知识的装配 机器人选型专家系统的研制、装配知识库的研究等方面都取得了一定的成绩，对提高 第3 页 基于知识的可重构f a s 系统及仿真软件的研究与开发 装配系统的效率，甚至整个系统的效率，起了很大的作用。 “知识工程”是人工智能领域中的应用系统工程，是基于知识获取、知识表达、 知识传输、知识存储、知识推理等方法和技术的知识利用系统。“专家系统”就是典 型的知识工程系统。随着科学技术的迅猛发展，把知识作为一个系统进行考察已成为 一种趋势。基于知识的系统( k b s ) 是一种计算机程序，它模仿人类专家解决专门领域 问题的推理过程。k b s 解决问题所必需的知识首先需要从一个或多个人类专家中获 得，并将其处理为具有逻辑格式的表达方式。k b s 的特长在于演绎推理，显示了系统 分析以及逻辑和可以解释判断的特点。由于有这些优点，知识工程的思想在机械制造 研究领域发挥越来越大的作用。 对于装配系统，要有可重用性、可重新配置和可以伸缩的得性能，即具有敏捷 性，以适应不同的产品装配的需要，使企业快速相应市场变化，装配单元的控制在企 业中起着关键作用，传统的装配单元虽然有一定的灵活性，但由于各功能模块的实现 与装配单元的构成与配置密切相关，制约了装配单元的敏捷性，本文试图采用一种基 于知识的启发式的调度方法，并且在单元控制器中采用基于层次机构的单元控制系 统，它能在线快速地适应装配环境的变化。本文最后对基于知识的可重构的柔性装配 系统开发一个原型系统。通过系统的配置，在配置好的系统上，通过仿真可以检查基 于知识f a s 的调度的情况，并检查基于层次机构的单元控制系统单元控制器的计划调 度是否合理，来选择系统的最佳结构和配置方案，以保证系统能完成预定的生产任务， 并保证较好的经济性和可靠性。 本文的研究目的是把知识工程的思想应用到自动化装配系统中达到可重构的目 的，在基于知识的调度控制和仿真方面做初步的应用研究。 第章概述了柔性装配技术，并探讨了现代制造业对装配的需求，并指出了本课 题的研究内容和目标。 第二章讨论了可重构技术、知识工程与柔性装配系统的关系及对柔性装配系统的 重要意义，以及把知识工程应用于柔性装配系统的可行性。 第三章研究了基于知识的可重构系统的设计，并对本系统的功能模块做了说明。 第四章并对本系统的功能模块的开发和关键技术作了具体的说明。 第五章详细阐述了基于知识的柔性装配系统的设计开发，并对系统的数据采集、 通信部分的软件开发作了详细的说明。 第六章对全文进行了总结，并对课题的进一步研究提出了一些建议和改进的方 法。 第4 页 堕室堕至堕鲞盔堂堡主兰堡笙苎 一 第二章知识工程与可重构柔性装配系统 2 i 柔性装配系统的可重构性 所谓重构就是隔离某些功能部件或者增加所需功能部件，通过替换的路径连接两 个功能部件。重构可以自动地也可用手工方式来实现，并可用来保持系统的完整性。 系统的可重构能力就是当新的系统模型产生之后，无需重新设计程序结构和更改源代 码，控制系统可以继续控制和协调系统运行的能力。可重构制造是当今先进制造模式 中的一项重要技术，随着市场对产品快速变化的要求不断提高，对重组制造系统理论 与实现方法的研究也越来越受到人们的重视。 柔性装配系统通常是针对特定产品族设计开发的，生产中往往会发生产品变化超 出当初设计范围，甚至整个产品族停止生产的情况，这时就需要对装配系统进行改造。 装配系统的可重构性，就是将系统分解为具有一定通用性的标准化单元( 或模块) ， 更换产品需对系统进行改造时，仅将单元重新进行布局，并做少量的改进就可适应新 产品的生产。显然，可重构的柔性装配系统更能适应激烈的市场竞争和充分发挥系统 投资效益。 从产品种类变换的角度来看，装配系统面临以下三种生产现状： ( 1 ) 一日内更换数种产品或进行混流生产； ( 2 ) 数日、数周或数月更换一次产品； ( 3 ) 半年、一年或数年更换一次产品： 第一、二种情况下通常只要求系统能对已知产品的品种更换，而第三种情况下还 要求系统能适应目前未知产品的装配作业。具有可重构性的柔性装配系统，作为满足 第三种情况的理想系统，不仅能提高产品性能的设计改进，也能提高产品质量和生产 率的工艺改进，能在产品寿命不断缩短的条件下，实现自动装配系统的长寿命化。 随着分布式计算技术、计算机网络技术、机器人技术的发展，他们为柔性装配系 统的可重构提供了坚实的技术基础。柔性装配系统具有传送、供料、配送、装配四大 模块，影响柔性装配系统的可重构性的两个重要因素是机器人的智能性和系统网络的 结构和实时性。 2 2 知识工程的分类及应用 知识工程首先是作为一门工程技术学科，即人工智能的应用分支而提出来的。计 算机出现初期，主要用于数据处理和科学计算。随着计算机技术的发展，人们希望利 第5 页 茎! 塑望塑里重塑坠! 墨竺墨堕壅鏊丛盟竺堑量茎垄 用计算机进行更高级、更复杂的工作。1 9 5 6 年夏，由j m c c a r t h y 、m j m i n s k y 、 c e s h a n n o n 、n i o c h e s t e r 四人发起，十名从事数学、神经病学、心理学、信息 科学和计算机科学研究的青年学者，在美国的d a r t m o u t h 大学，探讨了用机器模拟人 类智能的各类问题，并第一次提出了“人工智能”这一术语。在人工智能作为一门新 兴学科出现后的十余年中，许多学者在该领域做了大量的研究工作，并取得了惊人的 成果。例如，f e i g e n b a u m 与j l e d e r b e r g 等人合作，于1 9 6 8 年研制成d e n d r a i 系 统。该系统中含有大量的高质量的化学知识，它能帮助化学家分析推断分子结构，并 且达到了专家水平。该系统的问世，标志着人工智能的一个新领域专家系统的诞 生。到了七十年代中期，相继出现了一批高性能的专家系统( 如m y c i n 系统、 p r o s p e c t o r 系统、h e a r s a y 系统等) ，并开始用于解决实际问题。自专家系统问世以 来，人们对专家系统的核心知识问题给予了高度重视，并进行了深入研究。1 9 7 7 年，在美国麻省理工学院召开的第五届国际人工智能会议上，专家系统的创造人、美 国斯坦福大学的f e i g e n b a u m 教授首次正式提出了知识工程这一概念，并且认为，知 识工程以人工智能研究结果的应用为目的，是人工智能的应用分支，其中心课题是构 造专家( 或知识) 系统。 知识工程这一概念的提出，并不意味知识工程研究刚刚开始，而标志着知识工程 作为一门新的边缘学科己基本形成。在以后的十几年中，知识工程尤其是狭义知识工 程已经走出实验室，被广泛应用于许多领域。全世界有数百个机构和公司在投资进行 知识工程研究，而且日、美、英等国投资进行的第五代计算机也是以知识工程为核心。 目前，从知识工程的发展趋势看，已不单纯局限于狭义知识工程的工程技术性问题研 究，广义的知识工程研究正在逐步受到人们的重视。 2 2 1 狭义与广义的知识工程 知识工程有广义与狭义之分。通常把纯粹作为工程技术性研究，并广泛用于人工 智能领域的知识工程，称之为狭义的知识工程；把以一般知识作为研究对象的知识工 程，称之为广义的知识工程。 1 狭义知识工程 人类对知识非常熟悉，常把知识分为两类，一类是关于事实的知识，如教科书上 严格的、公认的知识：一类是在实践中累积的经验性、判断性知识。早期的狭义知识 工程主要研究第二类知识，近几年来逐步拓宽到原理性知识和常识性知识的研究。 狭义知识工程是涉及到数学、社会学、哲学、心理学和计算机科学等多门学科的 - - i i 边缘学科。它的研究目的主要是应用知识于机器系统，提高专家系统的性能，支 持知识密集性工作，并企图使专家系统具有人类解决问题的能力和灵活性。它的研究 第6 页 南京航空航天大学硕士学位论文 内容主要有知识表示、知识获取与学习、基于知识的推理等三个方面。 狭义知识工程主要研究知识的工程技术化问题，强调从人的生理及认识论的角度 研究利用、开发知识，即主要研究如何利用知识使机器模拟人的智能，而对知识的本 质、产生和社会属性等许多关于知识的问题却很少涉及。狭义知识工程具有三个特点： ( 1 )由于专家系统求解通常需要人类智能知识才能解决的问题，所以显示了 某些与大多数自然的智能问题求解系统( 如人脑) 共同的特征： ( 2 )任何特定的专家系统的组织和设计，都必须反映问题的类型和复杂性， 反映用来解决问题的启发性知识的能力和形式； ( 3 )虽然知识能用来产生智能性行为，但是它自身并未给出和认识这种潜在 能力的方法。 2 广义知识工程 广义知识工程以一般意义的知识为研究对象，主要从理论上探讨知识的社会属 性、内部规律等具有普遍意义的知识范畴及广博的内涵。它的研究内容主要有以下几 方面： ( 1 )知识的社会属性：主要研究在人类社会的不同历史时期，知识的产生、 交流、吸收、利用、知识的商品属性与社会价值，知识的社会发展规律 与社会环境等。 ( 2 ) 知识的内部结构和体系：从整体上来讲，知识有社会科学知识和自然科 学知识两种，它们的内部体系、结构是不同的，既有共性也有个性。从 人的生理和认识论的角度来讲，知识则可分为公认的事实性知识和人的 经验性知识，它们的内部结构也是不同的，各有其自身的矛盾运动规律。 广义的知识工程就是要从上述不同的角度。研究知识的内部结构与内部 体系。 ( 3 ) 知识与人的关系：知识的主体是人，不论是社会科学知识还是自然科学 知识，都是人创造的，都是人从长期的社会实践中积累起来的。因此， 知识工程应研究知识与人的关系，研究作为社会中的个人如何学习、积 累、运用、传播知识。 ( 4 )知识的本质：即研究知识的内部矛盾运动规律。 3 狭义知识工程与广义知识工程之间的关系 两者之间既有联系又有区别，既有共同之处也有不同之点。它们的共同之处就在 于都把知识作为研究对象：而不同之点就在于前者研究的是知识工程技术化问题，后 者研究的是一般知识范畴。如前所述，知识工程研究开始于狭义的知识工程，它的研 第7 页 苎王塑望盟旦重竺坠! 墨竺墨堕塞鏊丝塑堑壅量茎垄 究目的是使专家系统模拟人的智能并达到人类专家解决问题的能力，所以专家系统的 组织、设计、建造，完全是模仿人脑的部分机能。实践表明，人解决问题的能力，完 全取决于他所具有的知识水平，模仿专家的专家系统也是如此。狭义知识工程的研究 者们认识到了这一点，除了对系统本身进行研究之外，也逐步开始从人类认知的角度 来研究知识的产生、传播、吸收利用的过程及其本质。这样，一些研究者自觉或不自 觉地越过了狭义知识工程的研究范围，进入了广义知识工程的研究领域。可以肯定， 以后的狭义知识工程和广义知识工程研究将会互相促进，使人类对于知识有更深入的 了解。 2 2 2 基于知识的专家系统及应用 基于知识的智能系统就是运用知识进行推理的计算机程序。推理就是使用某种符 号逻辑，从一些事实得到结论的过程。知识包括两种：一种是事实，另一种是经验( 即 一种好的猜测和判断) 。专家系统，即基于知识的智能系统，实际上就是运用知识进 行推理的计算机程序。 基于知识的专家系统在国际上已经有很多应用并取得良好的效益，比如a m e r i c a n e x p r e s s 是一个大的银行公司，它提供信用卡服务。但这种服务存在两个严重的问题： 恶性透支和欺骗行为。由于这两个问题使美国每年蒙受5 亿美元的损失，其中 a m e r i c a ne x p r e s s 的损失达l 亿美元。于是a m e r i c a ne x p r e s s 开发了一个专家系统 a u t h o r i z e da s s i s t a n t ( a a ) 来解决这个问题。这个系统在八十年代中期开发出来并投入 使用，它能帮助人做出更准确的决定，a a 有效地减少了恶性透支和欺骗行为，每年 为a m e r i c a ne x p r e s s 公司减少了几千万美元的损失。 根据美国斯坦福大学的费根鲍姆教授的专家系统公司的兴起【2 】( t h e 硒s eo f e x p e r ts y s t e mc o m p a n y ) - - 书调查研究得出了以下结论： ( 1 )几乎所有的专家系统都能将人的工作效率提高1 0 倍，有的能达到1 0 0 倍， 甚至3 0 0 倍： ( 2 )使用专家系统能节约大量的资金，例如a m e r i c a ne x p r e s s 开始时每年减少 3 千万美元损失，后来达到5 千万美元，现在已接近每年1 亿美元，d e c 公司有名的系统x ( o n ，是应用于计算机配置方面的第一个专家系统， 现在每年为d e c 赢利1 5 亿美元，因此专家系统能创造极大的经济效益 即使一些小型的基于p c 机的专家系统也能每年节省l o 万美元。 ( 3 )专家系统能提高解决问题的质量。 ( 4 )专家系统能保持那些即将退休的技术人员的知识，使他们的丰富经验不 至于因为退休而流失。这些专家系统能够帮助训练年轻人员。 随着微电子技术、计算机技术的发展，尤其是人工智能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e l ，领域中的专家系统( e x p e r ts y s t e m ) 的研究取得一定进展，使得计算机系统的 第8 页 壹塞堕窒堕丕丕兰堕主堂垡笙塞一 应用正在从数值处理、数据处理阶段进入知识处理阶段，知识处理、智能化是计算机 系统发展的必然趋势。以知识为处理对象的知识工程( k n o w l e d g ee n g i n e e r i n g ) ，作 为一门应用学科，已成为人们研究的一个热门课题。知识工程的诞生赋予了人工智能 以新的活力，并将人工智能进一步推向应用：人工智能又为知识工程的发展提供了理 论基础。在自动化装配中，为了实现产品的自动装配，智能机器人装配系统除了需要 关于产品的信息之外，还需要关于机械手、装配工具、周边装置等几何和物理特性， 工作空间的布局等大量信息，以及装配工艺的经验知识。这些数据和知识种类繁杂、 数据浩大对于装配系统设计的工作人员的要求较高，而且人员的流动也会使知识流 失，所以把相关的知识形成知识库，这样就保存了知识，对新员工的培训起到重大作 用。知识工程为装配的自动化和柔性化提供了保障，而且也为装配知识的积累和应用 提供了手段。 世界经济加速向全球化和知识方向发展，发达国家正经历从工业经济向知识经济 的战略转移，全球将进入知识经济时代。我们必须抓住机遇，对制造业进行改造、改 组和改革，加强管理，从而改变我国制造业的落后现状，使之得到更快的发展。 2 3 知识工程与柔性装配系统 2 3 1 知识工程与现代制造系统 制造业是将可用资源与能源通过制造过程转化为可供人们使用或利用的工业品 或日常消费品的行业。而制造技术是发展制造业的关键技术，是创造财富和为科学技 术发展提供先进手段的基础。制造技术的发展总是以新的技术和体系代替旧的技术和 体系，但这种交替往往受到各个历史时期的科学水平、材料工程、经济条件及社会政 治原因等的制约，制造技术水平的高低标志着科学技术进步的潜在能力。 现代制造技术强调各项参数的最优化配置，不仅是加工参数而应该是影响制造技 术的所有因素，包括环境资源、人力资源、信息资源以及组织管理都达到最佳组合， 从而实现产品在其生命周期中不断调节和优化。一个人不可能去掌握所有这些知识， 把知识工程引入之后的专家系统，使系统在不断适应环境的过程中，不断接受制造系 统内部和外部的反馈信息，不断完善自己的知识库，持续对系统结构进行适应性调整， 对系统内部模块进行重组，以达到模块的最佳组合，发挥制造系统的最佳效益，这是 一个闭环的开放的动态过程。虚拟制造系统就是用相关理论和已积累知识的基础上， 对知识进行建模，在建立真实系统前采用计算机仿真评估系统，来消除不合理因素。 基于知识工程的智能制造将是未来制造技术发展的重要方向之一，他是依据信 息、网络、人工智能的高技术的充分发展，采用人工智能专家系统和智能传感器、人 工神经网络、虚拟现实制造技术以及计算机仿真的相结合，在设计和制造过程进行智 第9 页 基于知识的可重构f a s 系统及仿真软件的研究与开发 能活动，如分析、推理、判断、构思、决策等，并通过人的参与达到最优化配置。智 能制造技术的宗旨在于通过人与智能机器的合作共事，去扩大、延伸和部分地取代人 类专家在制造过程中的脑力劳动。智能制造技术的发展，必然将集成制造技术推向更 高的阶段。 2 3 2 知识工程与f a s 结合研究的现状 f a s 和f m s 实际上采用相同的设计思想和技术，两者都是计算机自动化工厂的重 要组成部分。随着知识工程的出现，这个崭新的思想逐渐应用到柔性装配系统之中， 包括智能机器人，基于知识的控制和诊断等等。使装配从柔性装配到智能化装配的转 变。 机器人在柔性装配中起到了不可估量的作用，人工智能技术对机器人的重要贡献 是机器人的规划，但目前计算机系统不能对形状不固定的物体如带、布条、橡胶、电 缆等进行外形模拟、力觉操作及控制方法的开发。机器人知识库是由现代机器人向真 正智能机器人进化的必要条件。它必须存有零部件和工夹具等作业环境、操作顺序的 空间与规划知识等大量信息，以及与作业环境变化有关的管理数据库和实时管理技 术。为了完成更高级的作业，要把数据采集来的大量信息结合起来，形成知识数据库， 机器人就有可能完成动作与感知相结合的真正智能操作。 控制技术的优劣是直接关系着f a s 成败与兴衰的关键。随着计算机技术的进一步 发展以及人工智能技术的应用，控制技术在硬件和软件两个方面都取得了突飞猛进的 发展。人工智能技术是用计算机来实现人类智能活动，解决只有人类专家才能解决的 复杂问题的高技术。从专家系统在控制方面的应用来看，它包含某一特定领域中专家 对行为的目标、事件、情况和过程进行推理的知识，并模拟专家在某一特定领域内的 推理过程，能解决日益复杂的控制问题，增强系统功能。 人工智能技术为f a s 中的设备诊断技术的智能化发展提供了可能，使得设备诊断 技术的发展得以进入以常规诊断技术为基础，以人工智能技术为核心的智能化诊断技 术发展阶段。这个阶段的研究内容与实现方法也正在发生着重大变化，以数据处理为 核心的诊断过程将以知识处理为核心的诊断过程所替代，对诊断技术的研究也不再是 各种方法的“堆积”，而是从知识的角度出发来系统的研究诊断技术。基于知识的诊 断系统无论在理论上还是在系统开发方面都取得很大的进步，但目前大多数研究成果 还只是停留在实验室水平，真正投入实用的并不多，并且真正投入实用的大都是一些 咨询专家系统。 回顾柔性装配系统发展历程可以看出，从柔性装配在制造业中诞生以来，随着装 配从刚性化装配一柔性化装配一智能化装配的发展，也推动装配模式e h 单件装配模式 一大批量装配模式一多品种中小批量装配模式一变品种变批量装配模式变革。刚性化 装配系统、柔性化装配系统以及智能化装配系统是装配技术不同发展阶段的主要标 第1 0 页 塑塞堕窒堕墨奎堂堡主兰垡丝苎 一 志。 2 3 3 知识工程对柔性装配系统的重要意义 先进制造技术的发展，使社会生产力发生了巨大飞跃。但是，由于装配自动化技 术大大落后于加工自动化技术，使产品的最后一道装配工序成为现代化生产的一个瓶 颈问题。据一些发达国家的统计，对于从事装配的企业，从事产品装配的工人占整个 产品生产劳动力的5 0 6 0 ：许多产品装配所占产品的成本达3 0 6 0 ，产品装 配成本占总制造成本的5 0 左右i3 1 。因此要增强产品竞争力，必须重视自动化装配技 术的研究，特别是适合中小批量多品种的柔性装配技术更要放在一个战略的地位上来 考虑。 对于柔性装配的控制调度部分是整个系统的关键，调度核心层为各装配实体分配 相应的装配活动，它解决问题的能力直接关系到装配单元的敏捷性。由于人工智能及 知识工程技术的发展使其本身具有强大的解决问题的能力。知识的来源极其丰富，工 程技术人员的经验、数学规划的结果、系统仿真或实际运行的结果都可以作为解决实 际问题的知识，使其解决问题的领域大大拓宽。把知识工程引入到装配系统中，以推 理机的推理功能代替线性、非线性规划中的复杂计算，使调度满足复杂系统中实时性 的要求。主要包括工作数据库、知识库、推理机和人机接口几个部分。 引入知识工程之后的自动装配与柔性装配技术集控制、计算机、传感器和人工智 能等技术于一体，具有高柔性、高效率、高生产率的特点。对于一个装配系统来说， 系统的配置和平面布局，往往受到外界其它的因素影响，如场地的面积和资金等情况， 这样就存在着不确定性。而柔性装配系统的调度和控制是f a s 实际运行中的一个不 可缺少的重要环节，合理的制定f a s 的动态调度的优化策略，这对提高系统生产效 益具有十分重要的意义。对f a s 调度目标的要求来说，不外乎满足交货期、较高的 生产率等几个方面。而影响因素包括各个装配设备的功能( 可进行装配作业的类型) 和状态( 如装配队列) 、各种装配本身的特性( 如需要机械手的类型、装配时间) 、瓶 颈设备的状态( 如小车的运动任务队列长度和位置、各任务的申请先后和位置及目标 位置) 等。而这些综合的知识，完全靠工人去掌握有困难，而且由于人才的流动，对 新员工来说近期掌握和熟练运用这些知识更难实现。而基于知识工程思想的专家系 统，是解决这一问题的一个很好的方法。所以，近年来基于知识工程思想的专家系统 在装配业和制造业逐渐被重视起来。 第1 l 页 苎王塾望盟里重塑坠! 墨竺墨堕塞墼堡塑塑窒皇茎垄一 第三章基于知识工程的可重构柔性装配系统的设计 3 1 装配系统的总体设计 在系统的设计过程中考虑到柔性装配系统是实时性要求很高的自动化制造系 统，控制系统对底层设备的各种操作响应时间要求短，同时要实时采集各个设备的状 态信息，因此，对于柔性装配系统的体系结构采用c s 结构。控制系统除了协调内部 各设备的作业进程外同时将现场采集和单元机传送来的庞大的数据，经过处理后存入 系统的数据库，供生产管理实时调用。 对于装配系统而言，系统配置是要解决装配机器人、夹持器、夹具、定位装置、 供料装置及其它周边设备的选型和布置，其中设备选型是f a s 的主要内容之一。而 装配机器人的选型在设备选型中是关键、其涉及面较广，需考虑作业对象( 如工件形 状、重量、公差等) 、作业内容和作业质量等多种问题。而且还包括系统布局，在线 贮存和缓冲区容量的确定，它应解决工件运输，供料，定向，装卸，定位等问题，在 规划时应尽量使物流短程化，灵活化及在线贮存合理化，保证系统物流顺畅，各装配 工位不会发生堵塞。通过f a s 主控机控制整个系统，对于每个机器人需要实时仿真、 故障诊断等。如果应用于具体的装配车间的时候，每个操作工人还要填写一些车间的 管理信息等等。所以，每个机器手配置相应的单元机。 整个系统的总体方案图，见图3 1 ，主要包括装配子系统，c a d c a m 子系统和 知识库。 系统的配置在f a s 主机上进行，通过对零件c a d 的数据模型以及收集到的一些 产品特征，在装配系统的规划和自动执行时候应用这些特征信息。知识库中存储了大 量的以规则形式表达的调度知识，还有专家经验和知识以及推理知识。在系统的调度 过程中，通过对知识库知识的分析，推理，调度整个系统的正常运行。 为了发挥f a s 的潜在优势，需要在设计规划阶段对其进行全面深入的分析，在 运行阶段也需要正确的计划调度。仿真技术是f a s 实现上述目标的重要工具。通过 仿真可以预测f a s 在运行阶段不同的调度策略下的性能，研究在不可预计的扰动下 ( 如设备的突然故障等) 系统的抗干扰能力，为系统的控制选择较好的调度方案，确 定合理，高效的作业计划，从而充分发挥f a s 的生产能力，提高经济效益。 第1 2 页 堕室壁窒堕墨奎兰堡主堂垡堡苎 图3 1f a s 的总体方案结构图 3 2 软件功能结构与描述 软件主要分为四个部分，包括：向导型的配置模块，图形化的系统布局模块，数 据采集和网络通信模块和动画仿真模块。 3 2 1 向导型的配置模块 新一代的应用程序在设计上的重要变化是特别强调简化用户操作，引导用户以最 快捷的方式完成工作。这种对用户操作的引导已经体现在为w i n d o w s 9 5 9 8 设计的大 量应用程序中，称为w i z a r d ( 巫师) 。它将用户要完成的看似复杂的工作分成若干步 骤，让用户按照步骤完成，从而避免了用户面对复杂工作的不知所措，提高了工作效 率。在本系统的开发中，也引入了向导的思想，这样对系统的快速配置和新员工的培 训等都是一种方便快速的方法。通过向导型的配置工具可以快速的配置仿真系统的布 局。 3 2 2图形化的系统布局模块 利用图形化布局建模工具，用户可以建立f a s 的图形化模型和参数化模型。图 形化模型是用户可见的、f a s 的外观表示，该模型也是动画仿真的基础：参数化模型 是f a s 的本质特征的表示，该模型是f a s 运行控制的基础。在设计图形化布局建模 第1 3 页 基于知识的里重塑坠! 墨竺墨笪壅鏊堡堕竺窒皇墅垄 一 _ 一 。 工具中采用了所见即所得的设计概念，即用户在布局中见到的系统平面布局，也 就是与现场一致的设备布局。 3 2 3 数据采集和网络通信模块 要使系统具有柔性和实时性，就要及时了解系统的状态，以适应系统的实时变化， 通过数据采集技术，能及时真实的反映系统的实时装配状态，这样有利于实时的调度 与控制。 对于任何一个企业或工厂都是具有层次结构的，各个层次的基本职能、影响范围 和时间特性也是不同的。这样对通信而言不同层次对通信距离、带宽、速度的要求也 是不一样的。目前，没有一种通信网络能够满足整个工厂自动化系统不同层次的通信 要求。通常，为扩大资源共享范围、提高网络性能、降低成本，采用对不同层次采用 针对性强、相对独立的通信网络，然后进行网络互联的策略成为一种明智的选择。 3 2 4 动画仿真模块 在已经建好的系统布局上进行动画仿真是仿真子系统的主要目的，该系统通过与 运控系统的通信，获取指令信息，控制传送带和机器人的运动，模拟机器人的装配过 程。在计划调试阶段，该系统还可以根据指令执行参考时间向运控系统报告指令完成 信息，以便运控系统根据相应信息进行下一步调度。 由于动画仿真的目的不同，仿真( 指离线仿真) 中的时间也不同。如果仿真的目 的是为了对系统以及各设备的运行状况进行分析( 比如分析机器人的利用率) ，那么 一般采用快速仿真的办法。如果仿真是为了模拟演示装配过程，可以考虑把仿真实时 间相对于实际装配时间缩短一定比例。 3 3 基于知识软件开发环境 与传统应用程序相比，专家系统除具备一般应用程序的功能外，还具有推理、自 学习和解释等功能。在其系统结构上，一般应用程序是把问题求解的知识隐含地编在 程序中，将知识组织成两级数据级和程序级。而专家系统则将其应用领域的问题 求解知识，单独分开组成一个叫知识库的实体。知识库的处理是通过独立于知识库的 控制策略来进行的，将知识组织成三级数据级、知识库级和控制级。基于知识的 专家系统结构的理想模型【4 】如图3 2 所示，由以下八个部分组成。 第1 4 页 南京航空航天大学硕士学位论文 用户 黑板 图3 2 专家系统的理想模型 分析专家系统的理想模型，可以看出，基于知识的专家系统核心部分是知识库和 推理机制，知识获取和表达又是建立知识库的关键。为了便于建造专家系统，使开发 过程智能化、自动化以及便于管理和维护，必须有一个能够存取知识的系统。就基于 知识的软件开发环境而言，必须具有知识获取、组织和表达知识的方法及工具，具有 专家系统的核心部分知识库和推理机制，因此基于知识的软件开发环境结构如图 3 3 所示。 用户净打再i f b 4 而五i k 丁i 蕊磊i 菊而 知识工程师l 原知识获取b 刊宿主系统k 叫知识库 图3 3 基于知识的软件开发环境结构 基于知识的软件开发环境是在传统的专家系统基础上发展起来的，在工作原理和 结构上满足专家系统需要，它使开发工具之间建立了相互联系，使环境整体化、接口 一致化、用户界面统一化。从而为建造不同的专家系统创造了新的环境。 第1 5 页 茎王塑堡塑里重塑坠! 墨堕垦堕墨鏊生塑塑壅量茎垄 第四章基于知识的f a s 开发的关键技术 4 1 面向对象技术在f a s 开发中的应用 通常开发的f a s 运控软件是针对某一特定系统而设计的，缺乏适应外界变化的能 力，缺乏方便灵活的编程环境，这主要是由于软件设计基于传统的面向过程的方法。 当对系统的柔性和适应性增加，及控制任务复杂性增加时，必须考虑软件的设计方法。 面向对象的程序设计( o b j e c to r i e n t e dp r o g r a m m i n g ，0 0 p ) 方法吸收了结构化设计的 优点，用“对象+ 消息”的程序设计模块取代了“数据+ 结构+