（机械制造及其自动化专业论文）基于知识的数控辅助编程系统.pdf

中文摘要 基于知识的数控辅助编程系统 专业：机械制造及其自动化 研究生：罗向华指导教师：李彦 随着智能制造技术的迅猛发展，计算机技术广泛应用于制造业的各个环节， 它通过模拟人类专家的智能制造过程，对制造问题进行分析、判断、推理和决策。 作为智能制造技术的基础数控加工技术，不仅降低了复杂零件的加工难度， 而且提高了零件的加工质量。数控编程技术从手工编程、a f r r 语言发展到交互式 图形编程。目前，交互式图形编程软件广泛应用于各行各业，大大缩短了“辅助 时间”。各类交互式图形编程软件编程的基本流程为：c a d 建模寸参数设置斗刀 轨计算j 检查效验一后置处理。其中，参数设置的合理与否不仅直接影响产品 质量、加工效率、生产成本，而且任何小小的失误都有可能导致数控机床不能正 常工作。 本文介绍了影响加工参数的各类因素以及各加工参数之间的相互关系，创建 了基于知识的数控辅助编程系统。将本系统应用于交互式图形编程软件，不仅能 提高加工参数的合理性，而且能使数控编程专家的编程经验得以继承，缩短初学 者掌握编程技术的学习周期。 基于知识的数控辅助编程系统向用户推荐的参数包括加工方法、切削方式、 拐角控制、安全平面、加工设备及操作者、刀具材料、刀具直径、刀具齿数、切 削深度、主轴转速、进给率等。根据各参数之间的制约关系，将系统分为特征输 入模块、相似模板推荐模块、加工设备推荐模块、刀具参数推荐模块、切削深度 推荐模块、速度推荐模块。 通过对现有工艺文件、数控程序的整理，对数控编程专家编程经验的归纳总 结，对各类切削手册的深入研究，可知：对于相似模板的类型、加工设备的选用、 刀具参数及切削深度的确定原则，已收集了充足的知识和经验，因此，采用基于 r b r 的推理模式；而在实际加工中，主轴转速、进给率不仅与零件特征、刀具特 四川大学硕士学位论文 征、机床的加工性能息息相关，而且受到操作者加工能力的限制，很难将其规则 化，因此，采用基于c b r 的推理模式。 在基于r b r 的相似模板推荐模块、加工设备推荐模块、刀具参数推荐模块、 切削深度推荐模块中知识的表示均采用产生式规则，系统的推理机制采用的是正 向推理。 在基于c b r 的速度推荐模块中，实例的检索采用的是最近邻法和知识导引法 相结合的方式。在计算相似度时，由于各特征属性对结论造成的影响并不一样， 因此，需根据各属性的重要程度，确定其权重系数。本模块采用基于粗糙集的方 法计算各属性的权重系数，这有利于充分利用现有的切削数据，提高权重系数的 客观性。 关键词：加工参数；c b r ；r b r i i k n o w l e d g e b a s e dn c c o m p u t e r _ a i d e d p r o g r a m m i n g s y s t e m m a j o r ：m e c h a l l i c a lm 锄u f a c t l l l 证ga i l da u t o m a t i o n c a n d i d a t e ：l u ox i a n g h i l a s u p e r v i s o r ： l iy 趾 w i t ht h e d e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n tm a n u f h c 蛐g 似：1 1 1 1 0 l o g y ，c o m p u t e l 7i s w i d e l ya p p l i e di i le v e r yp m c e s so f m a n u f a c 岫g b ys i m u l a t i n gt l l eb r a i r l so f h u m a n e x p e n s ，c o m p u t e rc a i la 1 1 a l y s e ，e s t i m a t e ，d e d u c ea n dm a k ed e c i s i o n s i tc 锄d e c r e a s e t h el a b o l 】ri n t e n s i t y 柚di i l c r e a s em e 、v o r i 【i n ge 伍c i e n c y a st 1 1 eb a s i so fi m e l l i g e n t m a n u f a c 血n g ，n cc 删n gc a nn o t0 1 1 l yr e d u c em a c h 讪gd i 伍c u l t i e so fc o m p l e xp a r t s ， b u ta l s o i m p r o v e m a c h i n gq u a l i t y n cp r o g m m m i n gt r a n s f o 肋s 丘o mm a n u a l p r o g r a m m e ，a p tt oi n t e m c t i v eg r a p 植cp r o g r a m m i n g w i t hb r o a d l ya p p l i c a t i o no f i r l t e r a c t i v e 伊a p h i cp r o g r a r n m i n gs o n w a r ci na 1 1k i n d so f 矗e l d s ， “a i d e d - t i i l l e ，o f m a c h i n gc y c l e i sc u t t e dd o w nh e a v i l y t h en o wo fc a mi sc a dm o d e l i n g 哼 p a r a m e t e r ss e n 协g c u t1 0 c a t i o c a l c u l a t i n g 斗 i n s p e c t i n g a i l d p r 0 0 讯a d i i l g 专p o s tb u i l d i n g 1 1 1 ep a 姗e t e r ss c t t i n g e 疵c t m a c h i n gq l l a l i t y ， e 街c i e n c ya 1 1 dc o s td i r e c t l y m a c l l i n et o o l s 、v i un o tw o r ke v e ni ft r i v i a le m ”o f p 猢e t e r ss 酬n g b a s e do nt l 】er e s e a r c ho fv 盯i o u sf a c t o r sw t l i c hi 1 u e n c i n gc u tp a r 锄e t e r s 甜l d t h e i rr e l a t i o n s h i p s ，t h i st l l e s i se s t a b l i s h c dt h ek n o w l e d g e - b a s e dn c p r o g r a m m i i 培 s y g t e m ( k b n c p s ) a p p e dt 0i n t e r a c t i v eg r a p l l i cp r o 掣撇m i n gs o f t w a r e ，t h i ss y s t e m c a l li m p r o v ec mp a 舢e t e r sr a t i o n a l i t y ，e n s u r eh l o w l e d g ei n l l e r i 诅n c eo fn c e x p e r t s a n ds h o r t e nl e a m i n g c y c l eo f b e g i r m e r s k b n c p sc a l lr e c o l m e n ds u b 帅e ，c u tm e 恤d ，s l o 州。啪，a v o i d a n c eg e o m c 峨 m a c l l i n ea 1 1 do p e r a t o r ，t o o lm 酏嘶a l ，t 0 0 1t e e t h ，c u td 印t i l ，s p 抽d l es p e e d ，f e e d r a t ea l l d s oo n a c c o r d m gt or e l a t i o n s h i po fa l lp a m m n e r s ，t 1 1 i ss y s t e mc o n s i s t so f 6m o d i d e s ： f b a t l l r ei i l p u t t i n g s i m i l a rt e m p l a t ec h o o s i n g ，m a c h i n et 0 0 1 ss e l e c t i n g ，t o o lp a r a m e t e r s s e n i n & c u td e p ms e t t i n g ，s p e e ds e n i i l g 。 i l i 四川大学硕士学位论文 b ym e a n s0 f 猢1 y z m ge 对s t i n gp r o c e s s i n gd o c i l m e n t a t i o n s 锄dn cp r o g r 黝e s ， s 咖撕z i n ga 1 1 di n d u c i n go fe x p e r te x p e r i e n c c ，r e s e a r c l l i n go fag r e a td e a lo fc u t h a n d b o o k s ，t h i st h e s i sc o l l e c t sp l e n t yo fk i l o w l e d g ea n de x p e r i e n c ea b o u th o wt o c h o o s es i m i l a r yt e m p l a t e ，m a c h m et o o l s ，t o o lp a r 咖e t e ra 1 1 dc u td e p t l l s ot l l e s e4 m o d u i e sa 他e s 衄b l i s h e do ni 氇rm e o ui np r a c t i c e ，s e n i n go fs p i n d i es p e e d 锄d f e e d ra _ t ed e p c n d 咖p a r tf b a t l 】r e s ，t o o lf e a n 矾s ，m a c h i n et o o l sp e r f o m 柚c ea n d o p e r a t o ra b i l i 够i ti s1 1 i g h l yd i m c u ht or e g u l a r i z em ep 锄m e t e r s s om o d u l eo fs p e e d s e n i n gi se s t a b l i s h e do nc b rt h e o r y g e n e r a t i v en l l ei sa d o p t e dt 0 蛔o w l e d g er e p r e s e n t a t i o ni nr b rs y s t e m ，w h i l et l l e r e a s o 血i 培m e c h a n i s mi sf o n dr c a s 砌n 昏 i nt h em o d u l eo fs p e e ds e t t i n go nc b r 龇。啪c a s er e t 打e v a la d o p t sh y 嘶d t e c t l i l i q u et 眦c o m b i r i e st h e 鹏a r e s tn e i 啦b o rm e t h o da n d 也ek n o w l e d g eb o o s t m e t h o d w h e nc a l c u l a t i n gs i i l l i l a r i t y ，e v e r yf c a n 砌b u t ee 彘c t sc o n d u s i o ni nt h e d i n 、e r e n tw a y s ow e i 曲t i n gc o e 伍c i e ts h o u l db ea c h i “e da c c o r d i n g t om c j m p o l t a n c eo ff e a t l l r ca 技1 i b u t e t h i sm o d u l ei n 蜘d u c e sf o u g hs e t st h e o r yi n t o w e i 曲t i n gc o e m c i e n tc a l c u l a t i n g i th n p r o v e sw e i g l l t i n go b j e c t i “哆b yt a k i n g 如u a d v a l l t a g eo f e x i s t i n gc u td a t a k e y w o r d s ：c u tp a r 锄e t e r s ；r b r ；c b r 声明 声明 本人声明所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得四川大学或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在四川大学读书期间在导师指导下取得的，论文成果 归四川大学所有，特此声明。 研究生签 导师签 日月 1 绪论 1 1 课题背景 1 1 1 数控编程技术发展和应用 2 1 世纪制造业正面临着知识经济、信息、环境和资源的严峻挑战，必须使 用新技术、新工艺、新材料来满足不断变化的市场需求。自2 0 世纪8 0 年代以来， 先进的制造技术和计算机技术广泛应用于制造业，人们开始借助现代的工具和方 法，利用各学科最新研究成果，将传统制造技术、人工智能科学、计算机技术与 科学等有机集成，发展了智能制造技术。 智能制造技术是指在制造业的各个环节，以一种高度柔性和高度集成的方 法，通过计算机来模拟人类专家的智能制造活动，对制造问题进行分析、判断、 推理、构思和决策，旨在取代或延伸制造环境中人的部分脑力劳动：并对人类专 家的制造智能进行收集、存储、完善、共享、继承和发展【l 】。 我国正处于先进制造技术大发展时期，航空航天工业、机械工业、汽车工业、 计算机工业、轻工业等都需要先进制造技术的支持。现代的c a d 、c a m 、f m s 、 c i m s 等都是建立在数控技术之上。数控机床是一种能满足单件、小批、多品种 自动化生产的柔性机床，它具有适应性强、加工精度高、加工质量稳定和生产效 率高的优点。 数控编程经历了3 个发展阶段，即手工编程、a p t 语言和交互式图形编程阶 段。由于手工编程难以承担复杂曲面的编程工作，因此不久便开发出自动编程语 言，即a p t ( a u t o m a t i c c a l l yp m g r a m m e dt o o l s ) 语言。a p t 编程直观性差，编程过 程复杂且不易掌握，因此目前己被交互式图形编程系统所取代。交互式图形编程 采用人机交互的方式在计算机上指定被加工的部位，再输入相应的加工参数，计 算机便进行必要的数学处理并自动生成数控加工程序，同时动态显示出刀具的加 工轨迹弘j 。 目前，交互式图形编程软件有很多，如e d s 公司的u n i g r a p l l i c s ( u g ) 、以色 列的c i m a t r o n 、c n cs o f w a r e 公司研制开发的m a s t e 佗a m ，我国北航海尔软 件有限公司开发的c a x a m e 制造工程师、d e l c a m 公司的p o w e i t m i l l 、p t c 公司的p r 0 e 等。 交互式图形编程软件可以直接引用c a d 模型中的设计信息，并代替工程师 四川大学硕士学位论文 进行复杂的数学计算，大大缩短了产品的制造周期。而且系统会最大限度的引导 用户按顺序进行参数的设置，当输入信息与规定格式不符时，及时提示错误信息， 因此，编程的思路清晰，条理明朗 4 3 1 。但各类交互式图形编程软件将用户对象设 定为各类制造行业。过于强调软件的通用性，导致了软件操作的复杂性。因此， 如何将交互式图形编程软件本地化，使其更好的服务于各个企业自身的制造过 程，是各用户追求的共同目标。 1 1 2 切削参数的重要性与复杂性 随着数控机床、加工中心、柔性制造系统的发展及其在工业中的广泛应用， 交互式图形编程软件功能的加强，机械零件加工的“辅助时间”大为缩短，生产 过程的连续性有了较大的提高，机床的工艺性能和加工精度也达到了前所未有的 高度。 但是，只靠柔性自动化来压缩“辅助时间”是远远不够的。在满足加工精度 的基础上，提高生产率、降低加工成本是数控加工追求的目标，实现这个目标直 接的手段就是选取合理的切削参数。选用合理的切削参数，不仅可以充分发挥数 控机床和切削刀具的功能，提高整个加工系统的经济效益；而且在加工过程中， 选用合理的切削参数，可以有效的保证零件的加工质量。 虽然切削参数在零件的加工过程中，起着至关重要的作用，但要确定合理的 切削参数却是困难重重。切削参数的复杂性主要体现在3 个方面： 1 ) 在数控加工中，要设置的切削参数繁多。加工方法、切削方式、拐角控 制、加工设备、刀具材料、刀具齿数、刀具直径、切削深度、主轴转速、进给率 等任何参数的设置都将影响加工结果。 2 疆众多的加工参数相互关联、相互影响、相互制约。在确定切削深度时， 除了要综合考虑零件形状、结构、材料、热处理状态、尺寸精度、位置精度、表 面粗糙度等因素的影响外，还得衡量刀具的切削性能、主轴转速、进给率对加工 效率的影响。 3 ) 影响切削参数的因素很多。在数控编程过程中，影响切削参数的因素包 括夹具的工艺性能、刀具的工艺性能、零件的工艺性能、机床的工艺性能以及机 床操作者的技术能力，其中任何小小的变化都可能导致所有切削参数的重新设 置。 2 1 1 3 国内外研究现状 鉴于切削参数的在加工过程中的重要性和复杂性，国内外针对相关问题展开 了长期的研究工作，取得了许多成果，建立了多种切削参数计算的经验模型和切 削数据库嗍。 工业发达国家早在2 0 世纪7 0 年代就开始创建自己的金属切削数据库，如美 国空军加工性数据中心( a f m d c ) 开发了c u t d a l l a 切削数据库，德国建立了切 削数据情报中心( i n f o s ) 。我国构建切削数据库是从2 0 世纪8 0 年代开始的， 如成都工具研究所的切削数据系统c t r n 9 0 、南京航空航天大学的切削数据库系 统k b m d b s 。 随着人工智能技术的发展，切削数据库逐步走向智能化。如意大利比萨大学 开发的用于选择刀具的c 0 a t s 系统，宾夕法尼亚州立大学开发的切削加工参数选 择专家系统e s m d s ，加拿大温莎大学开发的基于零件特征的机床和刀具选择专家 系统，这些系统是将切削加工的某些一般规则与特殊规律存储在计算机中，将切 削数据库和专家系统服务的功能加以集成，实现运行与决策。 此外，还有利用人工神经网络、模糊算法、基因遗传算法等，用于切削数据 的计算推理，如日本的m az at r o l ，德国的t r a u b e ，英国的智能磨削参数 选择系统，山东大学开发的基于实例推理的刀具材料与切削参数选择的高速切削 数据库n ，。 在建立切削数据库基础上完成切削参数的确定是比较先进的方式，但在数据 库的创建过程中，需耗费大量的人力、物力、财力，而且周期较长；通过各种数 学模型对切肖0 参数进行优化在一定程度上使参数趋于合理化，但工艺系统中任一 环节的变化，很难在计算模型中完全体现。基于知识的数控编程系统是结合中国 工程物理研究院电子工程院研究所的具体情况，创建适合自身的切削参数系统。 1 1 4 数控编程现状分析 中国工程物理研究院电子工程院研究所选用e d s 公司的u n i g r a p h i c sn x ( u g n x ) 作为设计人员进行产品设计与工艺人员编制零件加工工艺流程的公共平台， u gc a m 的数控编程的基本过程如图1 1 吐 四川大学硕士学位论文 图1 - 1u gc 圳编程的般步骤 由图l 一】可知u gc a m 编程的一般步骤为； 1 ) 在u gc a d 模块做出三维造型，编程员通过对造型的分析，了解数控加 工( 包括数控铣、数控车、线切割) 所需完成的内容。 2 ) 根据编程人员多年积累的经验制订出工艺流程，并完善加工模型。 3 ) 在u gc a m 模块，定义所要使用的刀具类型、刀具直径，指定适当的切 削深度、主轴转速、进给率，选取合适的加工方式，决定走刀路径、加工余量等， 并通过刀轨仿真验证其正确性。 4 ) 计算加工轨迹，得到走刀轨迹的图形，并对加工过程进行仿真，验证其正 确性。 5 ) 选择合适的后置处理器，将刀轨文件转换为数控机床所能识别的g 代码 程序。 从n c 编程的过程，我们可以看出，对于c a d 模型中的所有制造特征，我 们都得进行刀具类型、刀具直径、加工方式、切削深度、主轴转速、进给率等参 数的设置，而且每个参数的设置均与实际加工密切相关，任何小小的失误都可能 导致机床不能正常工作或得不到合格的零件。通常一个编程人员需要经过一定时 间的入门培训，学习数控加工的基本工艺知识，再经过l 一3 年的实践，才能成 4 为称职的编程者，这对c a m 的应用及普及造成了极大的困难，也不利于当前制 造技术的发展【4 】。由此可见，数控编程对于c a m 系统本身的利用还不完全。简 而言之，处处都需要人为干预，这既增加了编程者的劳动强度，又带来较多的不 稳定因素。 1 1 5 课题的提出 为了达到提高零件的编程效率，提高零件的加工质量以及提高数控专家经验 性知识的可继承性的目的，提出了基于知识的数控辅助编程系统。 基于知识的加工( k b m k 】1 0 w l e d g eb a s e dm a c h i l l i n g ) 是通过知识的驱动和 繁衍对工程问题和任务提供最佳解决方案的计算机集成处理技术，它融合了 c a m 技术和人工智能技术。基于知识的数控辅助编程系统是将机械加工车间最 有技能的编程人员独有的专业知识、多年积累的编程经验存储在知识库中，然后 运用于未来的机械零件的数控程序编制中【5 】。 1 2 课题来源 本课题是在充分了解中国工程物理研究院电子工程院研究所数控编程的现 状，参考数控编程人员的合理化建议的基础上，深入研究了现阶段国内外切削参 数系统的发展与应用趋势，结合智能数控系统的发展方向提出的。本课题是中国 工程物理研究院“十一五”预研课题子专题：组件制造工艺与测量技术研究， 课题号：2 1 。 1 3 本章小结 本章简要的介绍了数控编程技术的发展历程及现阶段常用的数控编程技术， 分析了切削参数的重要性和复杂性，研究了国内外切削参数系统的发展与应用趋 势，提出了本课题的研究方向。 系统总体设计 2 系统总体设计 2 1 系统目标 为了使程序设计者从重复性的工作中解脱出来，集中精力进行创新性工作， 基于知识的数控编程系统将利用计算机来继承人类专家的经验性知识，提高数控 编程人员的设计能力，实现数控编程过程的自动化。 系统开发的主要目标是用户在特征输入模块中输入零件的原始特征后，系统 便自动向用户推荐相似模板、加工设备、刀具参数、切削深度、切削速度。同时， 系统向用户开放机床信息、刀具信息、加工实例信息3 个信息库，方便用户查询 相关信息。系统结构如图2 1 。 i 用户层 卫 规则库 实倒库 ( s q ls e r v e r )( s o ls e r v e r ) 图2 1 系统结构图 6 具层 功能模块层 基础层 ， 四川大学硕士学位论文 2 2 系统总体设计 2 2 1 系统推理流程 通过收集、整理现存的工艺文件，可知在数控加工中需要设置的参数包括加 工对象、加工工序、加工路线、加工方法、切削方式、加工设备、操作者、刀具 材料、刀具直径、刀具齿数、切削深度、切削宽度、主轴转速、进给率等。对于 同一类型的零件，加工对象、加工工序、加工路线、加工方法、切削方式等参数 的变化不大，因此将这些相对稳定的参数固化在相似模板中，方便用户直接调用。 而对于加工设备、操作者、刀具材料、刀具直径、刀具齿数、切削深度、切削宽 度、主轴转速、进给率等，即使是同一类型的零件，它的变化也是显著的，因此， 分别创建不同的模块完成这类参数的推荐。各参数的分类关系如图2 2 。 系统推荐 似模板 削参数 图2 2 参数关系图 本系统主要向用户推荐相似模板和切削参数，其中切削参数包括加工设备、 刀具参数、切削深度、切削速度。由于相似模板直接决定了进入u gc a m 模块 7 系统总体设计 时初始化的界面，因此是系统应首先推荐的对象；加工设备的性能及在车间的应 用现状将对刀具参数、切削深度、切削速度产生重大影响，因此在确定刀具参数、 切削深度、切削速度前需首先选定加工设备；刀具的材料、直径、齿数决定了刀 具的切削性能，是选择切削深度、切削速度必须考虑的因素；切削速度的确定需 衡量加工设备的工艺性能、刀具的切削性能、切削深度诸多因素的影响，因此最 后完成。系统的推理流程为：相似模板推荐一加工设备推荐一刀具参数推荐一切 削深度推荐一切削速度推荐，系统推理流程如图2 3 。 2 2 2 系统功能模块划分 本系统的功能模块主要有：信息查询模块、特征输入模块、相似模板推荐模 块、切削参数推荐模块。信息查询模块为用户提供查询机床、刀具、加工实例的 相关信息的接口，本模块简单、实用；切削参数推荐模块完成数控加工中所有切 削参数的推荐，是本系统的重点、也是本系统的难点。 切削参数推荐模块包括加工设备推荐模块、刀具参数推荐模块、切削深度推 荐模块、切削速度推荐模块，各模块的功能如图2 3 。 由图2 3 可知，相似模板推荐模块向用户推荐相似模板的路径及名称，便于 用户定制u oc a m 的加工环境；加工设备推荐模块向用户推荐合适的加工设备 及操作者，当存在多个满足条件的加工设备及操作者时，由用户根据现场的生产 情况进行选择；刀具参数推荐模块向用户推荐粗，精加工时使用的刀具类型、刀 具材料、刀具直径、刀具齿数；切削深度推荐模块向用户推荐粗精加工时的最 大切削深度、最终切削深度；速度推荐模块向用户推荐粗精加工时的主轴转速 和进给率。 8 四川大学硕士学位论文 图2 3 模块功能图 2 2 3 系统推理模式选择 基于知识的推理( k n o w l e d g e - b a s e dr e a s o n i n g ，k b r ) 模式主要有3 种：基 于规则的推理( r u l e b a s e dr e a s o n i n g ，r b r ) 、基于实例的推理( c a s e b a s e d r e a s o n i n g ，c b r ) 和基于模型的推理( m o d u l e b a s e dr e a s o n i n g ，m b r ) 口。r b r 适合解决规则性强的问题，c b r 适合解决经常遇到的问题，m b r 适合解决新问 题【1 5 】。 由图2 3 可知，切削参数推荐模块向用户推荐的参数多，过程复杂，所要考 虑的因素也较多【6 7 、3 3 1 ，零件材料、零件尺寸、零件的加工特征、零件的表面粗 9 系统总体设计 糙度等都直接影响切削参数的选择，判据的繁杂不仅造成了系统推理过程的复 杂，同时也使数控加工的知识获取变得更加困难。于是，本系统对采用基于r b r 和基于c b r 的混合推理模式。 由图2 3 可知，相似模板推荐模块向用户推荐相似的数控编程模板，切削参 数推荐模块完成加工设备的推荐、刀具参数的推荐、切削深度的推荐、切削速度 的推荐。对于相似模板的类型、加工设备的选用、刀具参数及切削深度的确定， 数控编程专家已经提供了充足的经验和知识，因此采用基于规则的推理方式 ( i t b r ，r u l e b a s e dr e a s o i l i n g ) 。 由于在实际加工中，主轴转速、进给率不仅与机床的加工性能、零件的特征、 刀具特征息息相关，而且受到操作者的技术能力的限制，要精确的表达切削条件 和切削参数之间的关系是非常困难的【9 1 。一般情况下，编程人员是通过回忆以前 成功的程序设计，并和当前待加工的零件的特征进行比较、分析，得出待加工零 件的加工参数，这种思维模式与人工智能中的基于实例的推理模式相似。而且， 随着数控程序的规范化管理举措的实施，零件的特征及数控程序收集变得相对容 易。因此，速度推荐模块采用的是基于实例的推理方式( c b r ，c 8 s e - b a s e d r e a s o n i n g ) 。 2 2 4 开发工具及应用平台的选择 2 2 4 1 开发工具的选择 根据对基于知识的数控辅助编程系统的原型分析，选择一套合适的开发工具 是非常重要的，这关系到原型系统的功能能否很好地实现。由于s u a lb a s i c 具 有强大的数据库操作功能，而且具有跨平台使用的特性，因此本系统选用s u a l b a s i c 6 0 作为系统开发的工具。 本系统中存在大量的数据集合需要管理，而关系型数据库以其坚实的数学理 论基础、严密的逻辑结构和简单明了的表达方式，成为最为广泛的数据处理工具 【l l 】，因此，本系统选用s o ls e r v e i 也o o o 完成信息查询模块中的机床、刀具、 实例等信息的存储及管理以及参数推荐模块中各类规则库的组织及操作。 2 2 4 2 应用平台的选择 本系统向用户推荐的切削参数将用于交互式图形编程系统u gn x 3 o ，因为 1 0 四川大学硕士学位论文 u g 是集c a d c a e ，c a m 于一体的软件，为各个行业提供了从设计到制造以及相 关过程的一系列的技术支持，包括概念设计、工业设计、详细的机械设计、工程 仿真以及数字化制造等功能，是世界上先进的、集成的高端软件。它在全球各行 各业得到了广泛的应用，如日本的汽车配件生产商d c n s o ，惠普g e 喷气发动机 制造商，b o e i n g 公司、p h i i i p s 公司、以色列飞机工业公司和英国航空航天公司， 它的应用遍及到机械、医疗设备、电子、高技术和消费品工业等领域【1 0 1 。中国工 程物理研究院电子工程研究所自1 9 9 6 年开始使用u g 软件，后不断升级，现已 成为产品设计与制造的主要选择，因此，将u gn x 作为本系统的应用平台。 2 3 本童小结 本章概述了系统需要实现的目标及功能模块，根据各功能模块的参数特点， 选用r b r 模式完成相似模板推荐模块、加工设备推荐模块、刀具参数推荐模块、 切削深度推荐模块的推理，选用c b r 模式完成速度推荐模块的推理，并根据本 系统知识的特点，选用锄l b 髂i c 和s q ls e e r 作为系统的开发工具，u g n x 3 o 作为系统的应用平台。 基于r b r 的功能模块设计与实现 3基于砌3 r 的功能模块设计与实现 3 1 基于砌；r 的基本原理与关键技术 3 1 1 基于r b r 的基本原理 r b r ( r u l e - b a s e dr e a s o n i n g ) ，即基于规则的推理，是一种基于产生式规则表 示知识的知识库系统。产生式的概念最初由美国数学家p o s t 组合问题的形式变化 理论提出来，后由n c w c n 和s i l i l o n 于1 9 7 2 年提出产生式系统。通常，人类在作 出判断行为时的主要手段是因果关系推理，这种推理方式最直观的表达方式即产 生式规则。由于这种知识表达方式接近人类思维以及交流的方式，因而应用在各 种不同的领域，是目前应用最广泛的知识表示手段之一。 产生式的基本形式为：p q 。其中，p 是产生式的前提条件，用于指明何种 情况下该规则成立，q 是一组结论或操作，用于指明前提条件成立时应执行的操 作。产生式的含义是：如果前提条件p 满足，则可推出q 成立或执行q 操作。 产生式系统主要包括三个基本部分：数据库、规则库及推理控制系统，其基本结 构如图3 1 。 图3 1 产生式系统基本结构图 规则库是产生式系统中的核心部分，用于存放有关问题领域的一般性知识。 每条产生式规则都有一个编号，如砌、i 也，系统通过编号使用相应的规则。产 生式系统中的数据库又称为综合数据库、事实库、上下文、黑板等，用于存放针 对某个具体应用环境的摘时或动态的信息。这些信息都是应用环境的初始状态和 原始推理依据。在数据库中存放有推理过程中动态产生的某些中间结果和信息。 推理的过程是基于“认识一行动”循环周期的推理方法。 系统在元知识的指导下从规则库中选择规则，并与数据库中的应用环境信息 进行匹配。如果找到可以匹配的规则，则转入操作部分。在操作部分，系统执行 1 2 四川大学硕士学位论文 前面所找到的规则的结论或操作，并将得到的结果动态更新到数据库中。通过“认 识一行动”周期的反复循环，最后达到求解问题的目的。 3 1 2 基于r b r 的关键技术 3 1 2 - 1 知识的获取 知识获取是从可利用的知识源中抽取形式化知识的过程，知识源包括领域专 家、专业技术文献、实验数据、实例、工程数据手册等。知识获取是知识工程师 和领域专家共同工作的过程。 通常，知识的获取有以下几种方式：一种是进行大量的实验，建立制造数据 库，需要时可立即从库中调出最佳的加工参数，在一些工业化国家采用这种方式， 属于较先进的方法；另一种是根据理论公式进行计算，得出各参数值，但切削深 度、主轴转速、进给率等是通过综合考虑各相关因素而确定的，其实践性和经验 性很强，涉及的因素也较多，很难总结出一个完善的公式，所以这种方法应用得 较少；还有一种方法是根据专业技术文献或工程数据手册查出有关的切削数据， 根据实际情况进行修正。 本系统中机械加工参数、编程参数、加工方法等数控加工知识主要来源于四 个方面： 1 ) 数控编程专家：数控编程专家具有丰富的经验，而且能对加工中的具体 问题提供实用的解决方法，因此，这是本系统知识的主要来源。由于数控编程专 家个人的经验，在一定程度上具有相对性、不完全性和不确定性，例如：他们能 提供影响主轴转速的零件特征属性，也能对属性的重要性进行分类，但不能确切 的指定各属性的权值系数。因此需结合其它手段，确保知识的正确性、完备性。 2 ) 制造环境：制造环境是制约数控程序中各加工参数的重要因素，在数控 程序的编制过程中参考制造环境，可有效的提高各加工参数的实用性。这类知识 包括车间的机床性能及参数、刀具的性能及参数、操作者的加工能力等。 3 ) 加工实例：加工实例是经过生产验证的零件的原始特征及加工过程的集 合，这是从大量现存工艺文件中提取出来的。这类知识是数控编程专家所特有的、 解决实际问题的主要依据之一。通过对大量加工实例的收集、分析、整理，可归 纳形成指导生产的规则。 基于r b r 的功能模块设计与实现 4 ) 参考资料：这类知识一般规律性强，多以规范化的表格、公式、图形等 形式出现。从资料上获取的知识并未考虑加工现场的实际状况，所以适用性较差。 通常，在知识的整理、分析、总结的过程中，对结论有疑问时，多采用这种方式 解决。 5 ) 实验数据：加工实例虽然包括了中国工程物理研究院电子工程研究所零 件的典型材料、典型特征，但它只包含数控编程专家对某个零、部件进行一系列 决策的结果，而不是决策的过程和依据，因而是不完全的工艺知识。对于各编程 专家提供的的知识不一致或出现矛盾时，采用加工试验件的方式验证知识的正确 性。 3 1 2 2 知识的表示 知识的表示是指将知识以某种一致化的结构存储和组织，以便计算机能识别 和处理。知识的表示方法可分为基于逻辑的表示、面向对象的表示、基于规则的 表示、语义网络、基于模型的表示等，各类知识的表示方法各有千秋。知识的表 示方法是问题求解的基础，并直接影响推理的效率，所以应根据各领域的具体知 识作出选择。一种好的知识表示方法应满足下列几点要求i 【那： 1 ) 表达准确性：知识的表示方法应能够正确、有效的将问题求解所需要的各 类知识表示出来； 2 ) 访问效率：知识的表示方法应保证系统有效地利用知识库的知识，而且访 问效率高； 3 1 一致性：知识的表示方法应保证知识库中的知识一致性，即没有矛盾的知 识存在； 4 ) 模块性：知识的表示应易读、易懂，便于知识获取、知识库检查、修改及 维护； 5 ) 简洁性：知识的表示应简单、明了，便于理解、操作。 本系统主要针对中国工程物理研究院电子工程研究所的具体产品建立零件 的原始特征库及零件的加工特征库，各零件的几何特征、制造特征等均已体现在 零件图或装配图中，事实与规则库中的前提条件属于“句法”的精确匹配，因此 选用基于规则的知识表示方法。 基于规则的知识表示方法是个“如果条件成立，则进行操作”的语句，它 1 4 四川大学硕士学位论文 的一般形式是： r u i 正撑 i fr l s la n d r l s n t h e nr r s lo ro p r l r r s mo ro p r m r u l e 群是规则号，表示它在规则库中的序号。 r l s 称为规则前项。 r r s 称为结论部分。 o p r 称为执行的操作。 例如，刀具规则库中的规则： r u l e1 5 i f 刀具直径 1 4 m m t h e n刀具尺寸合理 r u l e1 6 i f 刀具直径 1 4 m ma n d( 刀杆总长一腔体深度) 1 4 姗 t h e n选用加长型刀具 基于规则的知识表示方法模拟人类解决问题时的思维方式，是常用的知识表 示方法，它的优点在于： 1 ) 可以将知识简单的表示为“i f t h e n ”的形式，接近人类的思维 模式，易于理解。 2 ) 知识的模块化强，各规则之间相互独立，便于向知识库中不断的添加新 的知识。 3 ) 知识与控制分离，可以分别修改知识库和推理机。 4 ) 由于知识本身是用规则进行表示，因此知识的一致性检查相对容易。 3 1 2 3 知识库的管理 为了方便知识库的管理，需创建知识库管理系统，知识库管理系统是对知识 库进行管理、控制，完成对知识库的各类操作，并向用户提供检索、查询手段的 软件系统，它包括系统的维护与诊断、知识库系统的安全控制和用户的使用权限 基于r b r 的功能模块设计与实现 管理等。知识库管理系统的功能如下图3 2 ： 图3 2 知识库管理系统功能 由上图3 2 可知，知识库管理系统的功能与数据库管理系统的功能很相似， 而且关系型数据库技术的发展已相当成熟，在数据共享、并发控制、数据的存取、 查询方面的功能都很强大。因此本系统将数据库中的相关技术应用于知识库的管 理中，这不仅能降低系统开发的难度，也能降低开发成本。 知识库与数据库的结合有三种方式：系统扩充、系统耦合、系统集成。系统 扩充是指数据库系统和知识库系统相互吸收对方的一些部件来扩充自己，从而提 高系统性能；系统耦合是指在数据库和知识库之间建立一个接口模块，用以协调 两方面的工作；系统集成是指将数据库和知识库融合在一起进行统一管理，即不 利用现有技术，重新构造一个全新的系统。本系统采用的是系统耦合的策略，这 种方式充分利用了数据库技术和人工智能技术，简单方便，特别适用于数据库分 量重，而推理机制比较简单的场合。基于数据库的知识库管理系统对知识的处理 过程如图3 3 ： 智能接口对输入的零件信息进行检查，并将系统推荐的切削参数提供给用 户；推理机根据零件的输入信息，从规则库中寻找匹配的规则，并转化为对数据 库中数据的操作；数据库管理系统( d b m s ) 负责对数据执行各类操作 图3 3 基于数据库的知识库管理系统 1 6 四川大学硕士学位论文 3 1 2 4 推理机的构建 推理机，主要完成问题的求解，即通过搜索，寻找问题求解操作的一个合适 的序列，以满足问题的要求。 按推理方向的不同，推理机的控制策略可分为正向推理、逆向推理、双向混 合推理。 正向推理的基本思路是从已知的事实出发，检查规则的前提，若前提满足， 则将规则的结论添加到已知为真的事实表中。继续检查规则，直到达到目标为止。 其基本过程相当于“识别动作”的循环，它可以很快对用户输入的事实作出 反应。 逆向推理的基本思路是从目标出发，选择所需的规则，以这些规则中的前提 条件为新的予目标再选择规则，重复进行这种操作，直到最终的子目标满足知识 库中的己知事实为止。逆向推理在已知可能的结论( 即目标属性值) 且这些结论 数目较少时，是非常有效的。 双向混合推理是从已知的事实出发，通过正向推理帮助提出假设，再用逆向 推理进一步寻找支持假设的证据，直到得到最终结论，双向混合推理是将正向推 理技术和逆向推理技术结合起来，共同完成推理过程。 由于本系统中知识的表达是采用简单的产生式规则，规则的前提和结论之间 具有因果关系，因此选用正向推理的控制方式。正向推理的基本思想是从已知信 息出发，选取合适的知识，逐步求取问题的解。具体流程如图3 4 【l 。 本系统采用的是正向推理机制，即系统根据零件材料、特征尺寸及公差、表 面粗糙度等原始特征，从规则库的第一条规则出发，判断规则的前提与零件的原 始特征是否匹配，如匹配失败，则转入第二条规则；如匹配成功，则激活该规则， 将规则的结论与零件的原始特征作为新的前提条件，继续在规则库中寻