（机械制造及其自动化专业论文）机械零件几何知识及工艺知识计量理论和方法的研究.pdf

华中科技大学博士学位论文出了评价不f 日工艺方案的二个评价目标，即_ t 艺描述复杂度、使用设备和工具的转化率以及：f ：艺过程单位时f b j 内转化信息量的多少。一根据机械加工中变型设计零件几何知识的计算结果，雄文在第六章探讨了零件几何知识量与零件制造成本之间的关系，得到了零件几何知识量与零件制造成本之刚的变化趋势图。根据这研究结果，本文提出了应用零件的j l i 嗽h 识量进行零件制造成本估计的新方法由于零件几何知识量的计算是一个相! 复杂与繁琐的过程，本文根据成组技术中关于机加r 零件相似性的统计结果，提出了运用基于零件相似性的事件推弹方法进行零件几何知识量的计算和成本估计的方法。并根据零件的表达模型，定义了零件的相似性，研究了零件的匹配算法和推理规则。最后，举例验明了运用基于事件推理方法的进行零件几何知识量计算和零件成本估计的可行性。从而也验证了论，丈提出的观点和方法。，7关键词：制造知识：知谚 计量、叁于事件推理成本估论户飞一华中科技大学博士学位论文a b s t r a c tm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yh a sb e e nd e v e l o p e du pt ot h ep r e s e n t ，i t sm a n u f a c t u r es y s t e mi sa c c u m u l a t e da n dc o n t a i n e dag r e a td e a lo fk n o w l e d g e ，w h i c hi sc a l l e d “m a n u f a c t u r i n gk n o w l e d g e ( m k ) i nt h i sd i s s e r t a t i o n t o d a y ，m kc a nb es a i da l l i n c l u s i v e ，b r o a da n dd e e p b u tp r e c i o u s ，s y s t e m a t i c ，a n dd y n a m i cc o g n i t i o na n dr e s e a r c hi sl a c kt om ki t s e l f s u p p o r t e db yi m p o r t a n ti t e mo fc h i n e s es t a t en a t u r a ls c i e n c ef u n d ( c n s f ) ，t h en e c e s s i t yo fm e a s u r e m e n ta b o u tm k ，m e a s u r e m e n tt h e o r ya n dm e t h o do ng e o m e t r i ca n dm a c h i n i n gp r o c e s sk n o w l e d g ei nd e r i v a t i v e l yd e s i g n e dc o m p o n e n ti se x p l o r i n g l yr e s e a r c h e di nt h i sd i s s e r t a t i o n f i r s t l y ，t h en e c e s s i t yo fm e a s u r e m e n to nm ki sr e p r e s e n t e di nc h a p t e ro n ef r o mt h ef e a t u r eo fk n o w l e d g ee c o n o m i ca g e a n di nc h a p t e rt w o ，m ki s ，f r o mt h ev i e w p o i n to fm a n f a c u t r a li n f o r m a t i c s ，d i v i d e di n t oc o m p o n e n tk n o w l e d g e ，p r o d u c t i o nc o n t r o l l i n gk n o w l e d g e ( i e p r o c e s sk n o w l e d g e ) a n dm a n a g e m e n tk n o w l e d g e g e o m e t r i ca n dp r o c e s sk n o w l e d g ei nd e r i v a t i v e l yd e s i g n e dc o m p o n e n ta r er e s e a r c h e d a c c o r d i n gt ot h e o r yo ns p a c ef a c t o r ，r e p r e s e n t a t i o nf e a t u r eo fc o m p o n e n ti sd e f i n e da n dan e wr e p r e s e n t a t i o nm o d e lo f c o m p o n e n ti sp r e s e n t e di nc h a p t e rt w o t h e n ，m e a s u r e m e n tt h e o r ya n dm e t h o do ng e o m e t r i ca n dp r o c e s sk n o w l e d g ea r er e s e a r c h e d i no r d e rt oe l i m i n a t ei n f l u e n c eo fb a c k g r o u n dk n o w l e d g e ，an e wm e a s u r e m e n tm e t h o do nk n o w l e d g eo fd i m e n s i o na n di t st o l e r a n c ei nc o m p o n e n t ，w h i c hi sa s s i g n e da m o u n to fg e a r i n gi n f o r m a t i o no ft h el o w e s ta b i l i t yo fe q u i p m e n tt om a c h i n et h e me q u a lt oi t ，i sp r e s e n t e d t h r e eb a s i cw a y sa b o u tr e p r e s e n t a t i o nc o m p l e x i t yc o m p u t a t i o n ，t h e i ra d v a n t a g e sa n ds h o r t a g e sa r ei n t r o d u c e di nt h ee n do f c h a p t e rt w oi nc h a p t e rt h r e e ，a m o u n to fg e o m e t r i ck n o w l e d g ei sc o m p u t e db ym e a n so fm e a s u r e m e n tm e t h o do fi n f o r m a t i o na n dm e t h o do ft h ed e g r e eo fr e p r e s e n t a t i o nc o m p l e x i t y a sar e s u l to fr e s e a r c h ，w h e ng e o m e t r i ck n o w l e d g ei sq u a n t i f i e di nu s et h es i n g l em e t h o da b o v e ，e a c ho ft h et w om e t h o d sh a si t sa d v a n t a g e sa n ds h o r t a g e s ，r e s p e c t i v e l y f o re x a m p l e ，w h e nu s e dt h em e a s u r e m e n tm e t h o do fi n f o r m a t i o n ，t h em e a s u r i n gv a l u ed o e s n ta c c u r a t e l yr e f l e c ta m o u n to fk n o w l e d g ea b o u tg e o m e t r yc o n s t r u c t i o ni nc o m p o n e n t ，a n dw h e nu s e dt h em e a s u r e m e n tm e t h o do f t h ed e g r e eo f r e p r e s e n t a t i o nc o m p l e x i t y ，t h em e a s u r i n gv a l u ei sn o tp r o p o r t i o n a lt oi t sc o n t r i b u t i o nw h i c hi ss u p p l i e db yd i m e n s i o na n di t st o l e r a n c e s o ，i nc h a p t e rf i v e ，s y n t h e s i sm e t h o di sp r e s e n t e dt om e a s u r et h eg e o m e t r i ck n o w l e d g ei nc o m p o n e n t i e ，m e a s u r e m e n tm e t h o do ft h ed e g r e eo fr e p r e s e n t a t i o nc o m p l e x i t yi sa p p l i e di i i华中科技大学博士学位论文t oc a l c u l a t et h ek n o w l e d g eo fg e o m e t r yc o n s t r u c t i o n ，m e a s u r e m e n tm e t h o do fi n f o r m a t i o ni su s e dt oq u a n t i f yt h ek n o w l e d g eo fd i m e n s i o na n di t st o l e r a n c e a n dn o t e dt h a tt h ed e g r e eo fr e p r e s e n t a t i o nc o m p l e x i t ys i m p l yd e p e n d so nt h ef i l ef o r m a to fc o m p o n e n ti nc a ds y s t e m i no r d e rt ol e tt h eq u a n t i f i e dv a l u ei sr e l a t i v ei n d e p e n d e n ta n do b j e c t i v e ，t h es t a n d a r df o rt h ee x c h a n g eo fp r o d u c tm o d e ld a t a ( s t e p ) i sa n a l y z e da n ds t u d i e d ，w h i c hi sg e n e r a l l yu s e di nd i f f e r e n tc a ds y s t e m t h e nd i f f e r e n ts t e pf i l e s ，w h i c ha r ep r o d u c e db yd i f f e r e n to r d e ro fc o n s t r u c t i o n ，d i f f e r e n tm o d e l i n g ，i nd i f f e r e n tc a ds y s t e m ，a r ec a l c u l a t e da n dc o n t r a s t e d i ti sa d v a n c e dt h a tt h ed a t aa b o u tg e o m e t r i c a lc o n s t r u c t i o nc a nb ed i r e c t l ye x t r a c t e df r o mi t ss t e pf i l e ，a n dt h e nt h eg e o m e t r i ck n o w l e d g ei sc a l c u l a t e db ys y n t h e s i sm e a s u r em e t h o d t h ea l g o r i t h m ，w h i c hc a na u t o m a t i c a l l ye x t r a c tt h em e a s u r i n gm o d e lf r o ms t e pf i l e i sd e v e l o p e di ne n v i r o n m e n to fv i s u a lc 十+ 6 0 an e ww a yi sg i v e nt oe v a l u a t ed i f f e r e n ta p p r o a c ho fd e s i g no nt h eb a s i so ft h ea m o u n to fk n o w l e d g ei nd e f o r m a t i o nd e s i g n e dc o m p o n e n ta tl a s ti nt h i sc h a p t e r i nc h a p t e rf o u r ，a m o u n to fp r o c e s sk n o w l e d g ea b o u td i f f e r e n tg e o m e t r i cs h a p e ，d i f f e r e n td e g r e eo fp r e c i s i o na n dd i f f e r e n tv o l u m ei sc a l c u l a t e d a n dr a t e so fc o n v e r s i o n ，w h e r eq u a n t i t yo fk n o w l e d g ei nm a i np a r a m e t e r so fe q u i p m e n t sa n dt o o l sc o n v e r tt oq u a n t i t yo fk n o w l e d g ei nc o r r e s p o n d i n gp a r a m e t e r si nm a c h i n e dp r o c e s sf i l e ，a r ed i s c u s s e d t h r e ee v a l u a t i o nc r i t e r i o n sa b o u td i f f e r e n tp r o c e s sa p p r o a c h ，w h i c ha r et h ed e g r e eo fr e p r e s e n t a t i o nc o m p l e x i t yo fp r o c e s sd e s i g n ，r a t eo f c o n v e r s i o nf r o me q u i p m e n t sa n dt o o l si np r o c e s sf i l et ot h em a c h i n e dc o m p o n e n t s ，a n da m o u n to fi n f o r m a t i o no fp r o c e s sb e i n gt r a n s f o r m e di nu n i tt i m e ，a r ep r e s e n t e do nt h eb a s i so fe l e m e n t a r yr e s e a r c h a c c o r d i n gt oc o m p u t e dr e s u l to fg e o m e t r i ck n o w l e d g ei nm e c h a n i c a lc o m p o n e n td e r i v a t i v e l yd e s i g n e d ，a s s o c i a t i o nb e t w e e nc o s to fc o m p o n e n ta n di t sa m o u n to fk n o w l e d g ei sd i s c u s s e d b e c a u s ei ti sc o m p l e x i t ya n dt r i v i a ld e t a i l st h a tq u a n t i f y i n gt h ek n o w l e d g ei nm a c h i n e dc o m p o n e n t ，c a s e b a s e dr e a s o n i n gm e t h o di sp r e s e n tt oq u a n t i f yt h ek n o w l e d g ea n de s t i m a t et h ec o s tb a s e do nt h ec o m p o n e n t ss i m i l a r i t ya c c o r d i n gt ot h es t a t i s t i c a lr e s u l ta b o u tm a c h i n e dc o m p o n e n ti ng r o u pt e c h n o l o g y ( g t ) s i m i l a r i t ya n dm a t c h i n ga l g o r i t h mb e t w e e nc o m p o n e n t s ，a n dr e a s o n i n gr u l e sa r er e s e a r c h e d ，y e t ，a tj a s ta ne x a m p l ei ss h o w nt ov e i l f yt h i sr e a s o n i n gm e t h o dc o r r e c t n e s s a tt h es a m et i m e ，t h ev i e w p o i n ta n dm e t h o dw h i c hi sp r e s e n t e di nt h i sd i s s e r t a t i o ni sa l s op r o v e d k e y w o r d s ：m a n u f a c t u r i n gk n o w l e d g em e a s u r e m e n to f k n o w l e d g ec o s te s t i m a t i o nc a s e b a s e dr e a s o n i n g ( c b r )c o s te s t i m a t i o ni v华中科技大学博士学位论文_ - - - _ - - - - - - - - - - _ _ - _ _ - l _ - l - - l - _ _ _ _ _ - _ _ _ l 一1绪论1 1 课题来源本学位论文的研究课题，是国家自然科学基金重大项目“支持产品创新的先进制造技术中若干基础问题的研究”( 批准号：5 9 9 9 0 4 7 0 ) 中子课题的组成部分，也是国家自然科学基金项目“自组织仿生设计原理与设计寻优方法研究”( 批准号：5 0 0 7 5 0 2 9 )的组成部分。1 2 课题研究的背景、目的及意义“2 1 世纪是知识经济时代”，它以不断创新的知识和对知识的创造性应用为基础，与以加工物质资源为基础的工业经济有着根本的区别。其市场和生产都表现出与工业经济时代不同的特征，例如产品的生命周期变短，价值与价格在很大程度上不再取决于物质资料的成本，而是主要取决于产品所包含知识的多少【1 - 4 】。j a yl e e 在“关于未来制造业的战略思考”一文中指出“知识是现今唯能提供竞争的资源”【5 l 。野中几次郎( i k i i i r on o n a k a ) 在创造知识的公司一书中提出“企业持续竞争的必然资源是知识”1 6 。此外，由于知识具有效用递减性，企业为了获得最大利润，就必须充分利用新知识，这使得企业的竞争表现为顾客满意的新产品的快速推出，即“顾客化产品( c u s t o m i z e dp r o d u c t ) ”【7 1 。其特点是集技术性与艺术性于一体，充分满足每一顾客的不同特殊要求，而成本却与一般产品相近。“顾客化产品”要求必须大大缩小传统的手工业生产方式( 重个性、但价格昂贵) 与泰勒生产方式( 重共性，但价格低廉) 之间的距离【8 j 。知识系统为解决这两种生产方式之间的冲突提供了有力的方法与工具。它可以将人们的经验与知识归纳成模型，以软件的形式存储在计算机中，使专家经验与知识能为更多的人所共享。例如，国外的专家还提出精益生产( 1 e a np r o d u c t i o n ) 、敏捷制造( a g i l em a n u f a c t u r i n g ) 、并行工程( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) 等新的管理与制造模式t g + t 加】。其本质都是以知识共享为基础、及时满足用户的竞争策略，集中突现了知识及其表示在制造系统中的特殊作用。因此，在知识经济成长的过程中，以知识表示为基础的知识传输、开发与利用正在成为经济的主要支柱，制造业的生存和发展也愈来愈密切地依赖于知识，制造系统中知识的创新已经成为制造业的灵魂1 8 】。华中科技大学博士学位论文_ - - - _ - - - - - - - - - - _ _ - _ _ - l _ - l - - l - _ _ _ _ _ - _ _ _ l 一1绪论1 1 课题来源本学位论文的研究课题，是国家自然科学基金重大项目“支持产品创新的先进制造技术中若干基础问题的研究”( 批准号：5 9 9 9 0 4 7 0 ) 中子课题的组成部分，也是国家自然科学基金项目“自组织仿生设计原理与设计寻优方法研究”( 批准号：5 0 0 7 5 0 2 9 )的组成部分。1 2 课题研究的背景、目的及意义“2 1 世纪是知识经济时代”，它以不断创新的知识和对知识的创造性应用为基础，与以加工物质资源为基础的工业经济有着根本的区别。其市场和生产都表现出与工业经济时代不同的特征，例如产品的生命周期变短，价值与价格在很大程度上不再取决于物质资料的成本，而是主要取决于产品所包含知识的多少【1 - 4 】。j a yl e e 在“关于未来制造业的战略思考”一文中指出“知识是现今唯能提供竞争的资源”【5 l 。野中几次郎( i k i i i r on o n a k a ) 在创造知识的公司一书中提出“企业持续竞争的必然资源是知识”1 6 。此外，由于知识具有效用递减性，企业为了获得最大利润，就必须充分利用新知识，这使得企业的竞争表现为顾客满意的新产品的快速推出，即“顾客化产品( c u s t o m i z e dp r o d u c t ) ”【7 1 。其特点是集技术性与艺术性于一体，充分满足每一顾客的不同特殊要求，而成本却与一般产品相近。“顾客化产品”要求必须大大缩小传统的手工业生产方式( 重个性、但价格昂贵) 与泰勒生产方式( 重共性，但价格低廉) 之间的距离【8 j 。知识系统为解决这两种生产方式之间的冲突提供了有力的方法与工具。它可以将人们的经验与知识归纳成模型，以软件的形式存储在计算机中，使专家经验与知识能为更多的人所共享。例如，国外的专家还提出精益生产( 1 e a np r o d u c t i o n ) 、敏捷制造( a g i l em a n u f a c t u r i n g ) 、并行工程( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) 等新的管理与制造模式t g + t 加】。其本质都是以知识共享为基础、及时满足用户的竞争策略，集中突现了知识及其表示在制造系统中的特殊作用。因此，在知识经济成长的过程中，以知识表示为基础的知识传输、开发与利用正在成为经济的主要支柱，制造业的生存和发展也愈来愈密切地依赖于知识，制造系统中知识的创新已经成为制造业的灵魂1 8 】。华中科技大学博士学位论文1 2 1 课题研究的背景制造活动是人类社会赖以存在和发展的基础。物质、能量和信息是构成制造系统的三大要素【4 】。随着人类制造技术和物质文明的进步，这三者相继登上了制造活动的舞台，发挥着重要的作用。时至今日，制造系统中的产品设计、工艺过程、装配规划、生产与管理系统已经发展得高度复杂，其中蕴涵和积累了大量的知识，这些知识本文统称之为“制造知识”。二战结束以来，随着电子计算机在工业中的广泛应用，“制造知识”的发展速度与更新率远远超过了历史上的任何时期。今天的制造企业，尤其是高新技术和深加工企业，在各种制造知识上的投入已占其生产成本的大部分，而且其比重还在继续上升，而原材料及能量成本的投入所占比例则在不断下降。最典型的例子是软件产品的生产。其原材料所占的比例极小，而信息和知识所占的比重甚至超过了9 9 。例如，成本仅为3 元的一张聚碳酸脂光碟，在刻有“办公自动化2 0 0 0 ”后，售价高达8 0 0 0 元l 。因此在今后的知识经济时代，一件产品的生产成本主要是由制造知识和制造信息的投入所制约。试以机械加工零件为例：所加工的零件当然比原来的毛坯具有更高的价值，可是其价值凭什么增加昵? 毛坯上多余的材料已被切除，所消耗的切削能量也已经作为热能耗散掉了。显然，这都不能成为零件增值的理由。但无论从复杂性或信息方面来看，零件都比毛坯含有更多的知识量。也就是说，需要更多和更精确的信息才足以确切地描述产品，正是这一知识量的增加，才使得零件的价值高于毛坯。因此，可以将制造过程理解为对毛坯和原材料注入一定的制造知识，使其知识含量增加、有序度上升或熵含量下降的过程，此即制造信息含量制造过程图1 1 制造过程的信息观信息观f l 引。这种观点将制造系统视为一种“信息泵”( 如图1 1 所示) ，它能将毛坯或原材料从信息量较低的位置提升到较高的位置上，而驱动这个信息泵的动力，只能是制造知识( 或信息) 。此外，现代制造系统如f m s 、n c 、c i m s 等，在处理物理材料和能量方面的能力，并不一定明显地优于传统的制造设备，可是它们在处理知识与信息方面的能力却远非传统的制造设备所能比拟的。这类设备已经不只是传统意义上的“机械”。而是某种意义上的信息处理机了。2华中科技大学博士学位论文事实上，事情还不止如此，一个企业所消耗的原材料和能量又是其它生产部门的产品，其价值体现了那些部门知识和信息投入的成本。如此追溯上去，就可推到“江上清风，山间明月”，即不值一文的“自然物”f 4 】。由此看来，一件产品的生产成本就是由最初的自然物在各个有关的生产过程中吸收和积累制造知识的总量来构成的。在一件产品中所累计的制造知识，或者产品所包含的知识的多少，反映了人们在制造该产品的过程中所投入的“社会平均必要劳动重”的大小，因此也是产品交换价值的度量 4 1 。人们无法比较不同产品的使用价值，但是不同的产品所包含的知识量却是可以从数量上加以比较的。现代制造企业，所生产的产品虽然千差万别，但总的来说，它们都是在创造、开发和运用知识。其加工处理制造知识或信息的目的是将制造知识或制造信息录制、物化在原料或毛坯上，以提高其信息含量，使之转化为产品。因此，可以说，一件产品因获得了必要的制造信息和制造知识而诞生，是制造信息和制造知识的物化与集成。在今后的知识经济时代，所谓“等价交换”，看起来应该理解为“等信息量或等知识量交换”。更值得注意的是，制造知识的质( 内容) 规范了该产品的使用价值，而制造知识的量则决定了其交换价值1 j 。今天的“制造知识”可以说是包罗万象、搏大精深了。但不足的是，对于“制造知识”本身的认识尚缺乏精确的、系统的和动态的认识与研究。如前所述，组成制造系统的要素有三，人们对于制造系统中的前两大因素，即物质和能量，已经有了相当成熟的理论和方法进行计量。可是，人们至今仍然不知道怎样对于“制造知识”这一主宰制造活动的要素进行计量。如果说，以物质和能量投入为主要支柱的工业经济时代，制造知识仅占次要地位，制造知识的计量问题还不突出的话，那么在今天，当知识含量成为一件产品价值的决定性因素时，制造知识的计量问题就显得十分突出和重要了。另外，解决制造知识计量的基础是制造知识的分类和结构表示，因为一个无法表示的东西是无法计量的嗍。而在制造科学中，制造知识与产品设计及制造过程紧密相联，具有多个侧面和层次 1 3 - 1 4 】。制造知识( 信息) 的来源包括通常的制造数据、产品几何形状、设计和工艺人员的经验和技能等。它们大致可分为产品知识和制造过程知识。所谓产品知识指的是为了确切描述产品的特征所必需的信息，包括产品的几何形状、尺寸、精度、材质、各种技术规范及技术要求。所谓制造过程知识，是指为了实现某一制造过程，并获得满足预定要求的产品所需注入制造过程的各种知识，包括生产控制信息( 工艺知识) 和管理知识。产品的知识和制造过程知识来源于人们在长期的制造活动中所积累起来的知识或经验，来源于设计、工艺、生产操作和管理人员的智力劳动【1 。然而，在制造产业已高度信息化的今3华中科技大学博士学位论文天，许多精确和复杂的制造操作仍须由有经验的“老手”来执行在制造技能方面，传统的师傅一徒弟的传递方式需要两者之间长时间的交流，存在所谓“只可意会不能言传”的问题。在制造知识己广泛应用于各种制造过程的今天，研究制造经验、技能和知识的计算机表示，特别是制造中设计人员、工艺人员和加工师傅的经验、技能、诀窍和知识的表述、获取、传递、变换和保真机制【i 副等。恰当的表述、传递、变换和保真机制，不仅是制造信息学的一个主要的研究内容，也是使未来制造系统进一步向智能化方向发展不可或缺的条件【i “。例如，横亘在异质a g e n t 之间的通讯问题，就是知识的表示和转换问题。制造知识的共享已成为制约先进制造技术向前发展的关键问题之一3 l l l6 j m j 。目前c a d c a p p c a m 一体化技术研究正在展开，如何进行产品设计信息( 知识) 的表示( 如设计特征) ，并从设计信息中提取恰当的工艺信息和制造过程信息( 即特征映射或特征提取) ，已成为重要的研究方向。并行设计环境下d f x 技术也存在类似闯题。其中产品几何与公差信息的引入，约束信息表示与提取和信息融合技术等都需要制造知识表示的进一步研究i l ”。因此，解决制造知识的分类和结构表示问题不仅是制造知识计量的基础，制造信息学的主要研究内容，也是智能c a d 、c a d c a p p c a m 一体化技术、智能制造、集成制造，而且还是智能机器人、机器视觉和实体构型等领域共同研究的课题1 1 3 】1 1 5 】。此外，正如同生产过程中的各种物质及各种形式的能量具有相互转换当量和利用率的问题一样，制造过程中的各类知识( 信息) 也存在一个转换当量和利用率的问题。可是对于这类问题却几乎没有人研究过。在知识经济正在来l 临，而知识正在成为制造过程的主要投入和主要操作对象的时候，这也是一个必须认真研究和解决的问题。总之，在知识经济的成长过程中，迫切需要研究制造系统中知识的分类、结构及其表示、不同类型知识的计量和转换问题，而且它们还是知识创新和制造信息学迫切需要研究和解决的基础理论。1 2 2 谭& 研究的目的及意义本课题就是从信息的侧面和知识的角度来考察制造过程、制造系统及其产品，定量地、系统地和动态地研究制造知识，并借助于现代信息、系统、人工智能、及经济等相邻学科的最新研究成果，研究制造系统中知识的表示、计量和转换，为制造知识创新的实质与规律进行前期的探索和研究，从而为在知识经济条件下发展制造业提供新的思路和一定的理论指导。本论文研究的目的在于从三个方面来研究制造过程中关于制造信息学和知识创薪的基础理论和基本规律：( 1 ) 制造知识的分类、结构及其表示问题，其目的在于系统4华中科技大学博士学位论文地认识制造知识，从相互关系上把握制造知识，认识制造知识的结构、组成以及各种知识的表示方法，建立制造知识的表达模型，为制造知识的度量、变换和创新作前期的探索工作；( 2 ) 制造知识的计量问题是从数量上把握制造知识，其目的在于精确地认识制造知识，为制造知识创新的研究以及制造信息学和制造科学发展成为精确的科学进行前期的探索研究；( 3 ) 制造知识的变换问题，其目的在于动态地认识制造知识，从相互转换上把握制造知识及其创新规律。这些方面的研究成果将有助于当前制造工业和国民经济中某些带有紧迫性的问题的解决。首先，制造知识的定量表述方面的研究，将有助于制造系统、制造过程及产品的知识含量或其增量的正确计算与评估：将有助于制造科学与制造工程领域智力劳动成果的合理评价；将有助于制造过程中知识投入及产出的指标体系及制造技术发展水平的科学评价；将有助于基于知识的高技术产品的价值观及其合理的价格体系等一系列问题的解决。其次，在制造知识的结构体系及表示方面的研究，将有助于现代自动化生产与智能制造中的知识表述的格式、知识交换的协议问题；将有助于基于特征的产品模型、基于概念的设计优化及基于符号的智能推理；将有助于制造工程教育中必备知识、教学大纲与教材内容的合理制订等一系列问题的求解。第三，在制造知识的动态转换方面的研究，将有助于以下问题的求解：( 1 ) 产品设计知识、工艺知识及制造系统知识的相互转化的规律性、转换当量及制造过程中的知识( 信息) 利用率问题：( 2 ) 现代制造设备或系统的信息驱动的“动力学”问题；( 3 ) 虚拟制造环境中制造知识的建模与操作，智能制造中异质a g e m 之间通讯，机器视觉模型的表达等一系列问题。因此，研究制造过程中知识的结构表示、计量和变换，对于制造过程中知识创新规律、制造信息学、制造科学和制造工程的发展都具有重要的理论意义和应用价值。1 3 国内外研究现状二战结束以来，国内外的专家和学者对于制造知识工程做了大量的研究工作，取得了很多的研究成果，本文将他们归纳如下：1 3 1 制造知识的表达知识表达是智能计算技术中最基本的研究问题之- - 18 j 【1 9 j 。目前，在人工智能领域，对知识表达的研究已经取得了相当大的进展，不仅提出了很多行之有效的知识表达方法，如语义网、框架、逻辑等，而且开发了很多实际的智能系统进行实验验证和评价。本文将知识的表达模型及其表示方法进行了概括和总结，将它们分为三种基本类型，即几何表达模型、物理表达模型和关系表达模型，同时对这些知识表达模型和方法作了一定地分析和比较，下砸分别进行阐述。5华中科技大学博士学位论文地认识制造知识，从相互关系上把握制造知识，认识制造知识的结构、组成以及各种知识的表示方法，建立制造知识的表达模型，为制造知识的度量、变换和创新作前期的探索工作；( 2 ) 制造知识的计量问题是从数量上把握制造知识，其目的在于精确地认识制造知识，为制造知识创新的研究以及制造信息学和制造科学发展成为精确的科学进行前期的探索研究；( 3 ) 制造知识的变换问题，其目的在于动态地认识制造知识，从相互转换上把握制造知识及其创新规律。这些方面的研究成果将有助于当前制造工业和国民经济中某些带有紧迫性的问题的解决。首先，制造知识的定量表述方面的研究，将有助于制造系统、制造过程及产品的知识含量或其增量的正确计算与评估：将有助于制造科学与制造工程领域智力劳动成果的合理评价；将有助于制造过程中知识投入及产出的指标体系及制造技术发展水平的科学评价；将有助于基于知识的高技术产品的价值观及其合理的价格体系等一系列问题的解决。其次，在制造知识的结构体系及表示方面的研究，将有助于现代自动化生产与智能制造中的知识表述的格式、知识交换的协议问题；将有助于基于特征的产品模型、基于概念的设计优化及基于符号的智能推理；将有助于制造工程教育中必备知识、教学大纲与教材内容的合理制订等一系列问题的求解。第三，在制造知识的动态转换方面的研究，将有助于以下问题的求解：( 1 ) 产品设计知识、工艺知识及制造系统知识的相互转化的规律性、转换当量及制造过程中的知识( 信息) 利用率问题：( 2 ) 现代制造设备或系统的信息驱动的“动力学”问题；( 3 ) 虚拟制造环境中制造知识的建模与操作，智能制造中异质a g e m 之间通讯，机器视觉模型的表达等一系列问题。因此，研究制造过程中知识的结构表示、计量和变换，对于制造过程中知识创新规律、制造信息学、制造科学和制造工程的发展都具有重要的理论意义和应用价值。1 3 国内外研究现状二战结束以来，国内外的专家和学者对于制造知识工程做了大量的研究工作，取得了很多的研究成果，本文将他们归纳如下：1 3 1 制造知识的表达知识表达是智能计算技术中最基本的研究问题之- - 18 j 【1 9 j 。目前，在人工智能领域，对知识表达的研究已经取得了相当大的进展，不仅提出了很多行之有效的知识表达方法，如语义网、框架、逻辑等，而且开发了很多实际的智能系统进行实验验证和评价。本文将知识的表达模型及其表示方法进行了概括和总结，将它们分为三种基本类型，即几何表达模型、物理表达模型和关系表达模型，同时对这些知识表达模型和方法作了一定地分析和比较，下砸分别进行阐述。5华中科技大学博士学位论文1 3 1 1 几何知识及其表示几何形状是三维零件基本的内在特性，零件的定义通常是与形状相联系的，这就决定了几何知识在知识表达模型中的重要地位。描述几何形状的模型有二维和三维两种情况。二维几何形状表示的技术已经比较成熟，它的优点是适合手工设计和标注，其不足之处是不利于计算机的表达。下面主要介绍的表示方法是针对三维实体而言的。对三维实体的几何表示通常借鉴或者直接使用了计算机图形学和c a d c a m 中的技术，几何表示方法的研究一直是非常活跃的，形成了很多适合于不同应用的方法，可以将这些方法归纳为以下六种【2 ”l j ：l 线框表示( w i r e - 细m cr e p r e s e n t a t i o n )线框表示是一个由三维顶点和边缘所形成的表达。它是早期计算机视觉研究的目标。其形式简单，但这种表示存在歧义性，所以目前已经很少应用于c a d c a m c , 坤p和计算机视觉中了。2 体积表示( v o l u m e 恻m f i o n )体积表示法是用立体基元( 如块、柱、锥、球等) 直接表示零件的方法，它可以分为以下两类：( 1 ) 空间占有表示：用零件占有的三维空间中不重叠的子区来定义描述零件，这类方法又包括真实体例表示，空间位置枚举法和单元分解法等类型。八叉树( o c t r e e )是单元分解法的一种特例。它是二维图像四分树结构的三维推广，可以用统一、简单的立方体表示任意形状的零件，数据结构简单、有层次，并可以用成熟的树遍历算法完成对它的许多操作，目前在一些系统中得到应用。( 2 ) 结构立体几何( c o n s t r u c ts o l i dg e o m e t r y ，简称c s g ) ：是计算机图形学目前最通用的三维零件体积表示方法，它通过三维体积基元( 如长方体、棱锥、柱体、锥体、环、球等) 的正则集合运算和几何变换组合成所需零件。集合运算包括并、交、差等，正则性使运算具有保持维数不变的性质。c s g 表示可以看作是有序的二叉树，其中间节点代表集合运算或刚体运动，叶节点代表体积基元，这使其具有层次清楚、存储结构简单的特点。体积表示法表示的零件一般都是无二义性的，但其表达并不是唯一的。它们便于计算零件的特性，包括体积、质心、惯量矩和惯量积等。但是，在计算机中使用体积描述还有很多困难，其原因在于：难以实现空间几何变换，因而难以直接进行匹配：体积表示法一般不存储顶点、棱边和表面等边界信息，也没有显式地定义三维点集与所表示零件在空间上的一一对应关系。3 表面边界表示( s u r f a c eb o u n c l a i yr e p r e s e n t a t i o n ，简称b - - r e p )用零件的表面进行零件的表示在零件表达中是一个很重要表示方法b r e p 方法6华中科技大学博士学位论文一_ 一_ i - - - _ _ _ _ - _ - - - _ _ _ - _ - _ _ _ - - - - _ _ - _ 一就是通过定义零件的边界面来表示零件。此时定义边界面所用的基元是表面( & e ) 或称为表面片( p a t c h ) 。一个表面片是零件边界上具有有限面积的一个子集，全部表面片的集合组成了边界面。用表面边界表示的零件实际上都是关于面的一个列表，它可以表示为链表结构。表的节点是一个包合数据与指针的记录，通常有四种类型：顶角、边、面、和体。体节点描述景物结构，面节点描述表面特征，边缘节点提供面、边缘和顶角之间的拓扑信息，顶角节点描述三维顶点的位置。因而方法的关键在于对表面片的描述方法。对此，计算机图形学和c a d 中有大量的研究成果可以利用。b - - r e p 方法的一个重要特点是在该方法中，描述零件的信息包括几何信息与拓扑信息。前者描述了零件的大小、尺寸、形状等，后者则表明了零件上所有的顶点、棱边和表面之间的连接关系。这一特点对零件知识量的计算来说是很有帮助的：便于查询得到零件各表面的信息，如形状、尺寸；可以用统一的数据结构表示拓扑结构相同而大小、形状不同的一类零件。4 广义锥表示( g e n e r