智能工藝專家系統(tǒng)在推土機柔性化裝配制造中應(yīng)用的探究

吳 月 高德坊 王 超 董慶建

【摘要】針對推土機裝配制造過程復(fù)雜多變、工藝參數(shù)優(yōu)化和決策困難等問題，探究推土機智能裝配的工藝軟件與專家系統(tǒng)。目的是在原總裝生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上構(gòu)建起專業(yè)化的工藝優(yōu)化與管理平臺，提升工藝管理水平和整機質(zhì)量，在總裝線上實現(xiàn)多機型柔性化裝配。

關(guān)鍵詞：職能裝配；專家系統(tǒng)；柔性化裝配

針對山推液力傳動和靜液壓（全液壓）傳動兩種類型的推土機，提出基于產(chǎn)品BOM和制造BOM信息一體化的工藝數(shù)據(jù)和知識管理方法，為企業(yè)實施工藝知識管理提供了一種解決方案，可有效保證工藝數(shù)據(jù)的完整性和合理性。解決工藝知識管理實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，包括知識獲取、基于本體的知識表示、綜合CBR和RBR知識推理等，為推土機柔性工藝設(shè)計知識管理系統(tǒng)的利用提供了技術(shù)支持。利用面向全功率范圍推土機的工藝管理平臺并擬在企業(yè)實施，通過此系統(tǒng)，不僅可以實現(xiàn)知識管理目的，還可以提升企業(yè)組織生產(chǎn)的能變性及靈活性。

1.現(xiàn)有問題與優(yōu)勢分析

推土機按照現(xiàn)在的節(jié)拍生產(chǎn)根本就達不到市場的需求。經(jīng)過生產(chǎn)現(xiàn)狀進行分析探究后，發(fā)現(xiàn)表面上這條裝配線按照正常的工藝步驟以及生產(chǎn)計劃來進行，實際上存在著很多瓶頸工序，而人員操作順序以及工藝安排的不完善也是導(dǎo)致瓶頸工序出現(xiàn)的因素。

推土機裝配線的優(yōu)化以及對各個工序的負荷、時間均衡，其目的也是為了應(yīng)對多變的市場做出反應(yīng)而加快推土機裝配線的節(jié)拍時間，使整機裝配線達到一種無在制品滯留，無工人、工序負荷不平衡的狀態(tài)。

如何將整機裝配流程合理地分配到裝配線的各個工位上，需考慮的因素很多，如工位的負荷平衡、人機效率的綜合平衡及工具工裝的配置等。工藝優(yōu)化問題實質(zhì)是組合優(yōu)化問題，由產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計和制造過程技術(shù)決定的作業(yè)元素之間先后關(guān)系的多種變化，使工藝問題變得非常復(fù)雜。因此，需要從多個方面來評價整機裝配線的工藝，構(gòu)建多目標的工藝優(yōu)化模型并進行求解。

經(jīng)過多年的探究和發(fā)展，工藝數(shù)據(jù)庫己成為交互式工藝設(shè)計與工藝決策方法的基礎(chǔ)。工藝數(shù)據(jù)庫不僅可以管理大量的工藝專家經(jīng)驗、工藝數(shù)據(jù)以及加工實例等，而且可以為用戶提供方便快捷的檢索和查詢手段，為工藝設(shè)計提供工藝數(shù)據(jù)支持。

2.技術(shù)方案

以推土機產(chǎn)品的工藝綜合數(shù)據(jù)、知識庫以及工藝優(yōu)化技術(shù)為研究對象，研究應(yīng)用于推土機制造領(lǐng)域的工藝知識分類體系、工藝知識分類、編碼規(guī)范以及基于本體的工藝知識表達規(guī)范；研究推土機工藝綜合數(shù)據(jù)庫模型、知識庫模型、基于CBR和RBR的混合推理規(guī)則、工藝案例、工藝參數(shù)優(yōu)化等關(guān)鍵支撐技術(shù)，開發(fā)推土機的工藝綜合數(shù)據(jù)庫、知識庫和案例庫，面向全功率范圍推土機的裝配工藝參數(shù)優(yōu)化決策的工藝軟件，實現(xiàn)工藝資源管理、工藝設(shè)計質(zhì)量和工藝管理的水平提升，并形成可推廣的解決方案，具體內(nèi)容如圖1所示。

（1）工藝信息規(guī)范化描述及標準研究 首先，應(yīng)用于推土機制造領(lǐng)域的工藝知識分類體系的研究。針對推土機制造領(lǐng)域的工藝知識存在范圍廣泛、紛繁復(fù)雜、學(xué)科交叉、動態(tài)變化等特點，圍繞推土機的工藝知識分類體系的現(xiàn)狀、需求、分類方法及分類原則等內(nèi)容進行研究，解決相關(guān)工藝知識分類中的交叉、漏項等問題，并進一步在分類體系的基礎(chǔ)上對研究工藝知識的柔性分類編碼方法進行研究，構(gòu)造一套完整的工藝知識分類編碼體系。

其次，應(yīng)用于推土機制造領(lǐng)域的知識標準化研究。應(yīng)用于推土機制造領(lǐng)域的工藝知識分類和編碼規(guī)范研究：對工藝知識的分類方法、分類原則和分類體系模型等內(nèi)容進行研究，在分類體系的基礎(chǔ)上，制訂對分類編碼原則和具體的編碼方案等內(nèi)容的標準規(guī)范。工藝知識表達規(guī)范：針對應(yīng)用于推土機制造領(lǐng)域的工藝知識的描述和表達方法等內(nèi)容進行研究，制訂應(yīng)用于推土機制造領(lǐng)域的工藝知識描述與表達等內(nèi)容的標準規(guī)范。

（2）工藝知識及規(guī)則探究 首先，探究基于本體的工藝知識分類及表示方法。探究本體構(gòu)建的原則與方法，提出了一種AZPZ本體構(gòu)建方法。嚴格按照AZPZ法，深入分析推土機裝配工藝設(shè)計過程，針對工藝知識內(nèi)容，如制造資源知識、制造對象知識、制造工藝知識、工藝決策知識具有多領(lǐng)域、多學(xué)科的特點，嘗試采用本體理論和方法進行表示。本探究基于本體的框架表示法對實例知識進行表示，根據(jù)常規(guī)液力推土機SD16到SD42和全液壓推土機SD08YE到DH17機型及變型的結(jié)構(gòu)特點、裝配設(shè)備和工藝特點，形成完整的裝配數(shù)據(jù)庫。

工藝設(shè)計過程中涉及到的規(guī)則知識主要包括加工設(shè)備選擇、工裝資源選擇等，這些知識對工藝方案的編制具有重要的指導(dǎo)意義，本探究擬采用產(chǎn)生式表示方法表示工藝設(shè)計規(guī)則知識。

其次，探究推土機制造工藝知識推理規(guī)則。釆用混合推理策略，由于目的規(guī)則的數(shù)量遠遠小于非目的規(guī)則的數(shù)量，若規(guī)則庫中規(guī)則較為充分，先進行反向推理，就可推理出大部分結(jié)果，接著用正向推理方式進行。其具體實施過程為：將工藝流程設(shè)計規(guī)則細分為加工方法選擇、工裝設(shè)備選擇、加工順序安排及余量計算等。得到新零件特征之后，首先根據(jù)特征選出相應(yīng)的規(guī)則，如果同一特征有多條規(guī)則與之對應(yīng)或者與其他規(guī)則有沖突，則采用一種沖突消解策略來解決沖突，最后執(zhí)行選擇的規(guī)則，即可獲得完整的裝配工藝方案，在基于規(guī)則推理的知識應(yīng)用中，規(guī)則匹配、沖突消解的算法是基于規(guī)則推理得出的工藝方案合理與否的關(guān)鍵，如圖2所示。

最后，系統(tǒng)利用及集成。本探究將以推土機柔性裝配為主要探究對象，利用典型工藝綜合數(shù)據(jù)庫、工藝知識庫以及面向裝配的工藝優(yōu)化軟件。通過探究推土機裝配BOM（工程視圖）和工藝BOM（制造視圖）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的關(guān)系，規(guī)范和統(tǒng)一產(chǎn)品設(shè)計BOM和制造BOM信息模型表示，構(gòu)建基于BOM的產(chǎn)品裝配信息和產(chǎn)品制造信息映射模型，通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)提取支持產(chǎn)品設(shè)計與制造的關(guān)鍵信息，找出產(chǎn)品設(shè)計與制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，以構(gòu)造工藝BOM為核心，融合工藝規(guī)程數(shù)據(jù)、工藝文件數(shù)據(jù)和工藝資源數(shù)據(jù)等三類數(shù)據(jù)，形成推土機的工藝數(shù)據(jù)模型，如圖3所示。

工藝數(shù)據(jù)庫中的工藝數(shù)據(jù)包括： 工藝資源數(shù)據(jù)、工藝規(guī)程數(shù)據(jù)及工藝文件數(shù)據(jù)。

圖1 研究框架

圖2 RBR的混合推理過程

圖3 以SD16為例的EBOM和MBOM關(guān)系

工藝規(guī)程數(shù)據(jù)：原型工藝數(shù)據(jù)中存儲的是各種具有一定代表性或參考價值的原型工藝規(guī)程，而圖形數(shù)據(jù)則包含著零件圖和工序圖。

工藝文件數(shù)據(jù)：工藝路線表、加工過程卡、加工工序卡等，這些工藝文件是工藝設(shè)計的最終目標，它的生成是以工藝規(guī)程數(shù)據(jù)和工藝資源數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的。

工藝資源數(shù)據(jù)：零件信息數(shù)據(jù)、材料數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)等，如圖4所示。

構(gòu)建工藝知識庫：以面向?qū)ο蠹夹g(shù)為基礎(chǔ)，利用零件的結(jié)構(gòu)相似性、工藝相似性和功能相似性，將零件進行分類并劃分零件族，并將零件按照特征或加工方法離散化，形成多個工序組模塊，建立典型工藝的對象類層次結(jié)構(gòu)。一般知識庫系統(tǒng)主要包括：知識庫、推理機、知識獲取與表示機構(gòu)、用戶接口等部分，其中知識庫與推理機是知識庫系統(tǒng)的核心組成部分。知識庫是相關(guān)知識的集合及系統(tǒng)應(yīng)用的基礎(chǔ)；推理機則是利用知識庫中的知識進行推理的核心控制機構(gòu)。

探究裝配工藝優(yōu)化軟件：在整個裝配工藝優(yōu)化軟件系統(tǒng)中，裝配序列規(guī)劃子系統(tǒng)是核心系統(tǒng)，起到了承上啟下的作用。裝配工藝優(yōu)化軟件系統(tǒng)主要分為三層，第一層是系統(tǒng)的功能層，主要實現(xiàn)裝配建模、裝配信息提取、裝配序列規(guī)劃、裝配路徑規(guī)劃；第二層為系統(tǒng)層，主要通過應(yīng)用利用語言來實現(xiàn)系統(tǒng)的運行及數(shù)據(jù)的訪問；第三層為數(shù)據(jù)層，主要包括外部資源數(shù)據(jù)庫及工藝數(shù)據(jù)庫，如圖5所示。

3.結(jié)語

通過對推土機及零部件制造工藝過程、工藝知識推理規(guī)則、工藝優(yōu)化算法的探究，以結(jié)構(gòu)化的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫及工藝信息規(guī)范化描述及標準探究為基礎(chǔ)進行結(jié)構(gòu)化和標準化的描述，形成工藝資源庫、模板庫、知識庫、規(guī)則庫及算法庫等工藝數(shù)據(jù)庫，并將其應(yīng)用在裝配工藝優(yōu)化軟件中，提高工作效率25%～30%以上，縮短產(chǎn)品交付周期60%，提高資源利用率，降低制造成本。

圖4 基于BOM的裝配工藝綜合數(shù)據(jù)模型示意

圖5 推土機裝配工藝優(yōu)化系統(tǒng)的體系架構(gòu)

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作者簡介：吳月等，山推工程機械股份有限公司。