面向电子装配的工艺知识建模方法

1、面向电子装配的工艺知识建模方法 A process knowledge modeling method for electronic assembly 杨光育1，田林1，赵东平2，辛宇鹏2YANG Guang-yu1,  Tian Lin1,Zhao Dong-ping2 ,Xin Yu-peng2（1.中物院电子工程研究所，四川 绵阳621900）（2.西北工业大学CAPP与制造工程软件研究所，陕西 西安710072）摘 要:针对目前电子装配CAPP系统中，工艺知识重用效率低和组织管理困难问题，提出了从知识层次维和粒度维出发的工艺知识建模方法。首先研究

2、了工艺知识的获取方法；接着从工艺知识粒度维和层次维构建了电装工艺知识的二维度模型。为更好地从层次上组织工艺知识，提出工艺知识层的概念。粒度维将电装工艺知识分为整机装配工艺知识、PCA工艺知识和电缆装配工艺知识分别进行描述；层次维将电装工艺知识分为数据层和应用层进行描述。实例中研究了电装工艺知识模型下的CAPP工艺设计流程，以一个PCA工艺设计为例，讨论了所提方法的应用过程。关键词：电子装配；工艺知识；二维度描述；工艺知识层中图分类号：TP391.7文献标志码：A0引言与机械产品装配相比，电子产品的装配由于其产品结构简单，更多地表现为元器件的装配，并且自动化程度高的特点，促使了CAPP技术在电子

3、产品装配领域的应用1,2。电子装配工艺知识库作为CAPP系统的主要模块，可以实现工艺知识的共享和重用，提高设计质量，避免设计资源的浪费和缩短设计周期。然而，目前电子装配工艺知识是按照机械装配知识模型进行组织，导致电装工艺设计中的知识重用和共享效率低。如何从电子装配的特点和要求出发，对电装工艺知识进行建模，是目前CAPP技术在电子装配领域应用中亟待解决的问题。目前，基于本体、规则、框架、等多种知识建模方法在知识工程和人工智能等领域发展迅速起来3。文献4针对不同的工艺知识，采用事实、过程和规则的方法来表示；文献5提出在工艺知识建模中本体的应用实例；文献6研究了以工艺知识载体、使用情境和内容为基础的

4、建模技术；文献7提出了基于元模型的知识建模方法及建模框架。但是，这些知识建模方法应用到电子装配领域，存在着如下问题： (1)针对性差。工艺知识缺乏面向应用的归纳和整理，导致知识、经验的重用和共享性差； (2)工艺知识库及其管理不完善，导致工艺设计阶段花费较多的时间搜索、查阅书本和知识8；虽然专家系统的应用已解决了部分问题，但对多种工艺知识的表示和组织，以及与其他系统的集成等方面的研究还存在明显不足8。为解决以上问题，本文提出了一种面向电子装配工艺设计的工艺知识建模方法，为CAPP技术在电子装配领域的发展奠定了基础。1. 电装工艺知识建模流程1.1 电装工艺设计特点电子产品装配中，目前主要存在以

5、下三种装配工艺：（1） 印制电路板装配（PCA）工艺印制电路板装配技术经历了手工、半自动、插装THT和表面贴装SMT四个发展阶段。随着电子元器件的迅速发展，表面贴装类元器件已成为印制电路板上的主要元件，同时也存在少量通孔插装类元件。因此，总结印制电路板的装配方法主要有三种：通孔插装装配方法、表面贴装方法以及两种方法的混合装配方法。在印制电路板装配工艺设计时，工艺人员首先根据印制电路板上元器件分布状态，选用合适的装配方法。当使用两种方法安装时，根据电路板两个面的安装顺序确定两种方法的使用顺序；随后，将安装方法和对应的工艺路线结合起来，形成一条完整的工艺路线；最后，根据各工序元器件的特性确定工序参

6、数。（2） 整机电子装配工艺目前，整机装配工艺比较落后，仍然以手工操作为主。对于小批量装配生产，整机装配不仅仅涉及到结构的装配，同时也涉及到电路及元器件的装配，导致装配工艺的编制错综复杂。因此，整机电子装配工艺流程具有不确定性，工艺人员创造性的思维在工艺编制中起着决定性作用。（3） 电缆装配工艺对于电缆装配的工艺流程，实际上就是将电缆插头连接到电缆上，可以总结为先左后右的安装流程，即首先，针对左侧电缆插头的装配要求，对左侧电缆剥制并进行插头装配，然后，针对右侧电缆插头的装配要求，对右侧电缆剥制并进行插头装配。其中，各个电缆插头的电缆剥制方法和装配方法都是固定的。当电缆插头数多于两个并且待装配件

7、由许多根导线组成的非同轴电缆时，装配流程与单插头单导线的装配流程相似，各个插头的装配方法也是按固定标准进行，不同之处在于众多插头装配顺序的设计，工艺人员在设计出插头的装配顺序后，需要给出导线接线图。整机装配和电缆装配都离不开导线接线图，其中，导线接线图的编制是电装工艺设计中一项重要的任务。导线接线图的编制是一项事务性工作，其步骤烦琐且容易出错的，工艺设计人员的大部分时间和精力都花费在了导线接线图的编制上。1.2 电装工艺知识建模流程结合电装工艺设计的特点，构建的电装工艺知识建模流程如图1所示。首先，研究了电装工艺知识的获取技术；接着，从层次维和粒度维出发，构建了电装工艺知识二维度概念模型；然后

8、，在数据层和应用层分别构建了工艺知识数据模型。图1电装工艺知识建模流程(1) 电装工艺知识获取：描述了电装工艺知识获取的三种方法，即间接知识获取、直接知识获取、自动知识获取。(2) 电装工艺知识二维度概念建模：从层次维和粒度维出发，构建电装工艺知识二维度概念模型，并定义相关概念。(3)面向应用的电装工艺知识数据模型：提出工艺知识层概念后，在工艺知识数据层，依据电装工艺知识的应用类型和相似性特点，将电装工艺知识分为整机装配工艺知识集、PCA工艺知识集和电缆装配工艺知识集进行描述，建立面向知识应用的电装工艺知识数据模型。2. 知识的获取电子装配工艺知识的获取（knowledge acquisiti

9、on）是将电子装配领域的工艺知识抽取并对将其进行形式化的过程。电子装配工艺知识的获取方法主要有下列三种：知识自动获取、知识直接获取、知识间接获取。目前，工艺设计相关理论的研究和应用不成熟，电装工艺知识的获取大多采用知识的间接获取方法，其基本操作为：从电子装配企业现有的工艺文件、工艺规程和经验丰富的工艺人员获取电装工艺知识。本文对基于对象模型的知识获取方法进行研究。首先，电装工艺师对对象类进行识别，即对电子装配领域的相关工艺知识进行识别。知识识别完成后，进行知识的属性确定，进而确定对象之间及对象属性之间的关系，并根据已经识别的知识之间的关系，对新知识进行识别，直到电装领域中的所有对象被识别；接着

10、，划分知识单元、求解问题，并确定操作领域对象和关系的方法，直到所有的领域知识被获得。基于对象模型的工艺知识获取流程如图2所示。图2 基于对象模型的知识获取流程本文提出的通过对象模型进行的知识获取方法，一方面是一种自底向上的方法，知识在对象模型中的提取，是不断进行从下而上的访问顺序；另一方面是一种从顶向下的方法，由于知识过去的过程是不断循环的，它指导知识的获取，不断分析、补充新的知识。3. 电装工艺知识模型建立1.3 二维度概念 从层次维和粒度维出发，分层构建电装工艺知识二维度概念模型，如图3所示。图3 电装工艺知识二维度概念模型该二维空间可表达为：(1)式中，DS，G分别表示层次维和粒度维的划

11、分。其中，表示在粒度i和j上的单元子模型，其依据应用特点，对电装工艺知识进行分类描述。层次维用于描述电装工艺知识在不同描述层次的特性。为了描述电装工艺知识在某个确定描述层次的特性，引进电装工艺知识层的概念。电装工艺知识层是指工艺知识在描述过程中确定层次上的知识集合。电装工艺知识层所包含的工艺知识集可用式（2）来描述：(2)式中，表示第i个描述层；G表示粒度；，分别表示电装工艺知识数据层的管理知识、方法知识和设备知识等的粒度划分；，分别表示电装工艺知识应用层所包含的整机装配工艺知识、PCA工艺知识和电缆装配工艺知识的粒度划分；表示电装工艺知识直接及层次之间的约束、规则集。 1.4 电装工艺知识层

12、描述按照电装工艺知识的应用类型和相似性准则对电装工艺知识进行分类，将复杂多变的工艺知识在应用层分为若干工艺知识集，有利于工艺知识的高效处理。正确规定每段工艺知识的相似程度十分重要，相似程度过高，则出现的工艺知识集合过多，每个集合内工艺知识较少，为管理带来困难。相反，工艺知识相似性过低，则难以取得成集管理的良好效果。电装工艺知识应用层描述是指根据电装工艺知识的应用类型，将电装工艺知识汇总为整机装配工艺知识集、PCA工艺知识集和电缆装配工艺知识集的分类描述方法。令表示电装工艺知识应用层，则有：(3)式中，表示整机装配工艺知识集；表示PCA工艺知识集；表示电缆装配工艺知识集；表示三者之间的约束、规则

13、集。同理建立电装工艺知识数据层描述规则。根据上述电装工艺知识应用层和数据层定义，建立的电装工艺知识描述模型如图4所示。 图4电装工艺知识模型其中，以电装工艺知识应用层描述说明。应用层描述模型由三大类工艺知识组成：（1）整机装配工艺知识：整机装配工艺设计所需的知识。包括型号、产品代号工序代号、工序。其中工序有包括工序名称、工序装备等知识。（2）PCA工艺知识：PCA工艺设计所需知识。包括型号、产品代号工序代号、印刷电路板、装配工序等。（3）电缆装配工艺知识：电缆装配工艺设计所需知识。包括型号、产品代号工序代号、电缆装配工序等知识。在工艺知识重用时，通过分层次、分粒度建立的电装工艺知识模型，可以实

14、现按工艺设计类型快速的完成应用领域知识调用，进而快速的调用相应的数据层知识，方便了电装工艺知识的管理，提高了知识的重用效率。4. 应用实例在原有基于知识的电子装配CAPP系统中，采用本文提出的方法，对CAPP Framework进行了相关开发，构建了电装CAPP工艺设计的新流程。如图5所示。图5基于知识的电子装配CAPP系统设计过程电子装配工艺知识库由两个层次组成，即应用层和数据层。应用层包括整机装配工艺知识、PCA工艺知识和线缆装配工艺知识；数据层包括设备知识库、规则库、工艺参数库、工艺装配库、典型工艺库等多个知识数据库。获取的工艺知识存储到工艺知识库的数据层，工艺知识重用时，通过至上而下的

15、方式，首先访问电装工艺知识库应用层，再通过应用层调用数据层知识，即在电子装配工艺设计过程中，装配知识通过两层智能选择实现调用，进而辅助工艺设计。以PCA工艺设计为例说明，当工艺设计需要调用PCA知识时，首先调用应用层的PCA工艺知识。此时，数据层相关数据依据PCA数据的组织调用要求，通过自动检索、动态关联或智能决策等技术，实现知识的快速遍历，再通过PCA工艺知识获取工具，直接掉调用到当前界面进行利用。5 结束语本文通过分析电子装配工艺知识在电装CAPP工艺设计系统中存在的问题，提出了一种从粒度维和层次维出发的电装工艺知识建模方法。该方法结合电装工艺设计中知识的应用特点，将复杂多变的电装工艺知识

16、在应用层和数据层分为多个粒度进行描述，大大简化了电装工艺知识在组织和管理上的复杂度，提高了知识的重用和共享效率。以PCA工艺设计为例，验证了该方法的可行性和有效性。参考文献1 张厚道，田林，张振明等. 基于知识的电子装配CAPP技术研究J. 机床与液压，2007，35(12): 64-66.2 刘小龙，田林等. 基于知识的电子装配工艺规划系统研究J. 机床与液压，2011,39(7): 41-44.3 DEVEDZIC V. A survey of modern knowledge modeling techniques J.Expert Systems with Application，1999，17(4):275-294. 4 张虹，周来水. 飞机复合材料构件工装设计知识库研究与实现J. 中国制造业信息化，2007，36(5):16-19. 5 王 强，薛善良，高长伟，等. 基于本体的船舶传动装置设计知识建模研究J. 中国制造业信息化，2009，38(6)：18-21.6 潘旭伟，顾新建，仇元福. 面向知识管理的知识建模技术J. 计算机集成制造系统，2003(7):