智造讲堂:智能CAPP系统

文摘   2024-09-27 08:00   北京  
引自:《智能工艺设计》(作者:邓朝晖、刘伟、万林林、吕黎曙、刘涛)
该书已出版,详细信息请见文末~


「 1. 系统总体结构 

在机械产品工艺设计中,存在大量的不确定因素,早期建立在单纯依赖于成组技术基础上的CAPP系统,不能很好地解决这些离散知识的获取问题,只能设计出检索式或派生式系统。通过将人工智能技术附加于设计工具或计算机软件系统之中,在一定程度上可以帮助人们进行推理、求解和决策,其中最重要的问题是设计知识表达、推理、获取、更新等问题。随着人工智能技术在CAPP系统开发中的应用,有助于工艺人员利用产品和企业的全部数据进行工艺规划,改进工艺方案的可行性和设计效率。

图1是智能CAPP系统示意图。作为工艺设计专家系统,其知识库由零件信息规则集组成,推理机是系统工艺决策的核心,它以知识库为基础,通过推理决策,得出工艺设计结果。


图1 智能CAPP体系与结构

智能CAPP系统各模块的功能如下:


(1)建立零件信息模型模块。它采用人机对话方式收集和整理零件的几何拓扑信息及工艺信息并以框架形式表示。


(2)框架信息处理模块处理所有用框架描述的工艺知识,包括内容修改、存取等,它起到连接推理机和外部数据信息接口的作用。


(3)工艺决策模块即推理机,它以知识集为基础,作用于动态数据库,给出各种工艺决策。


(4)知识库是用产生式规则表示的工艺决策知识集。


(5)数控编程模块为在数控机床上的加工工序或工步编制数控加工控制指令。


(6)解释模块是系统与用户的接口,解释各种决策过程。


(7)知识获取模块通过向用户提问或通过系统的不断应用,来不断扩充和完善知识库。


「 2. 系统开发模型 

系统的开发过程中需要遵循一定的规程、开发方法来进行,不仅可以节省大量的时间,还可以节省人力、财力,并且最终开发出的系统也能够更好的满足用户的需求。在系统开发的过程中,用合理的方法进行系统开发是关系成败的关键。在系统开发的实践中,有很多方法让系统开发人员来选择,这些方法在各自的适用领域有着不同的优越性与生命力。但不管采用哪种方法进行系统开发,系统的开发都得经历分析、设计、编码、测试和维护5个阶段。


(1)系统分析阶段。系统的需求分析就是分析并确定开发一个需要满足什么功能的系统。此阶段从用户的需求出发,把系统所需实现的功能用特定的方式表达出来,以保证后续的开发过程不会出现太大的偏差。


2)系统设计。系统设计阶段的主要任务就是通过对系统结构的分析将系统分成不同的模块,再根据不同模块的不同功能进行设计。


(3)系统编码阶段。把模块设计的结果用代码的形式表示出来。在系统编码阶段,编码语言的选择和程序设计的风格对保证产品的质量起着重要的作用。


(4)系统测试阶段。对系统进行测试是保证系统质量的重要手段。它的目的是保证系统的稳定性和正确性,从而节约成本、提高经济效益。因此系统测试阶段是系统开发过程中十分重要的一个步骤。


(5)系统维护阶段。此阶段在系统交付使用之后,为了保证系统的实用性,对运行中的错误进行修改,并根据系统的具体情况进行修改以满足新的要求。系统的维护阶段可以保证系统的适用性、扩展性,并且大大提高企业的经济效益。


其中,需求分析是系统开发过程的第一步,也是最重要的基础。需求分析可以将系统所需实现的总体目标和要求具体化,它可以对系统所需的功能做具体分析,然后将分析的结果作为系统开发的重要依据,以确保开发出的系统和用户的要求不会有太大的偏差。因此在确定系统需求的过程中,应与用户进行沟通,全面考虑用户的要求、想法。


系统需求的主要内容包括以下方面:


(1)系统功能需求。这个部分应该清晰的规定系统所有的功能要求,包括系统应该主动提供的功能,以及对于用户操作系统所需做出的反应;


(2)系统性能需求。即非功能需求,是对系统提供的功能进行约束,常用于整个系统,而不单独存在于某个系统功能中;


(3)系统安全需求。描述了在什么情况下能够被授权访问系统;


(4)系统操作需求。系统操作的物理和技术环境;


(5)系统出错处理需求。当系统出错时或用户操作出错时的处理情况;


(6)系统接口需求。这个部分描述了系统与其他已经实现的或者环境中运行着的系统接口情况;


(7)系统的可扩展性要求。


需求分析阶段是对系统定义过程中的最后一步,也是系统开发阶段的第一步,在两个阶段之间起到了承接的作用。需求分析明确规定了系统需要完成的工作,并且对要求完成的工作做了具体的要求。需求的确定是系统开发中的一个重要的过程。若未对系统进行需求分析,在系统开发过程中系统是非常容易进行更改的。当系统开发进入后期阶段时,一点小小的需求更改都会对之前的整个工作成果产生重大影响,将系统开发变得非常困难,增加了额外工作量,大大减缓了开发效率。


开发CAPP系统主要考虑零件几何尺寸和工艺尺寸的提取、工艺决策、系统开发平台、系统开发工具这四个方面的问题。CAPP起到CAD和CAM之间的桥梁作用之一就是CAPP系统能够自动读取CAD系统中零件的几何尺寸和工艺尺寸信息,并基于专家知识与智能算法对加工信息的处理实现工艺设计,从而指导开展CAM。其中,工艺决策是CAPP系统中的枢纽,工艺决策在CAPP系统中涉及问题很多,工艺决策的好坏很大程度上是因工艺决策方式所决定。


构成零件信息的基本结构单元是特征,也是产品功能和制造集成以及工艺过程的重要元素,伴随产品开发的全过程,信息也随之传递。例如在三维智能型CAPP系统中,特征数据主要是以三维CAD中集成几何尺寸和工艺信息的方式存储在零件信息库中,而这种特征信息的封装程度更高,包含的数据量更大,在后续传递环节的处理难度也会增加。


专家系统中的产生式规则获得的是工艺加工链,采用智能算法对工艺加工链排序,最终获得可行的工艺加工顺序。根据获取的几何尺寸和工艺信息,推理加工方法链,加工方法链的推理机制采用数据驱动方法,数据驱动就是一种正向推理方法,也就是专家系统中的产生式规则,当数据库中的某条数据满足某条规则时,那么就会得到一个相应的动作,逐个规则对比,最终产生一系列的特征加工方法链。


目前人工智能技术已越来越广泛地应用于各种类型的CAPP系统之中,成为智能CAPP系统模型开发的重要组成部分。常用的人工智能技术包括专家系统、神经网络、粗糙集、多代理系统等。智能CAPP系统开发中还有模糊推理方法。此外,集合论在工程领域的应用非常活跃,它具有描述不精确知识的能力,可用于CAPP中知识的模糊表达、工艺知识复用、工艺方案的模糊评判、特征归类等。


由于工艺设计是特征技术、逻辑决策、组合最优化等多种过程的复合体,用单一的数学模型很难实现其所有功能。人们通过各种智能技术的综合运用,进一步推动CAPP向智能化方向发展。例如,人工神经网络具有知觉形象思维的特性,而模糊推理具有逻辑思维的特性,将这些方法相互渗透和结合,可起到互补的作用。所以,CAPP将进一步建立在人工智能技术驱动的、专家系统上的、基于知识的工艺决策体系与组合优化过程。


「 3. 系统搭建 

通过对工艺问题定义、工艺智能优选、工艺智能推理等的研究后,可以建立具有用户界面层、系统功能层、系统支撑层、物理硬件层以及第三方软件等5个层次的智能CAPP系统,整体架构如图2所示。

图2 智能CAPP系统整体架构


(1)用户界面层。用户界面层是系统用户与系统的接口,为企业工艺工程师、管理人员及其他使用者提供可视化操作界面。任何软件系统都需要安全控制功能,智能CAPP系统也不例外,将系统的用户分为系统管理员、工艺部、设计部、生产部四类,不同部门的用户拥有不同的权限,在实现时,将每一类用户定义为一个角色,这样授权时只需对角色授权,而无需对具体用户授权。


(2)系统功能层。系统功能层是智能CAPP系统的核心部分,包含了系统基本的功能模块。提供了工艺管理、零件管理、工艺审查、定义特征、毛坯设计、工序设计、工步设计、工艺发布等功能。


(3)系统支撑层。系统支撑层在物理硬件层之上,是底层硬件与上层软件之间的桥梁,由三维CAPP软件网络支撑环境、应用程序接口等组成,提供了数据检索引擎、权限设定、消息与通知等组件,同时提供与PDM、PRO/E 等软件的集成接口。为系统的运行提供了扩展、支撑复杂应用的运行环境。


(4)物理硬件层。物理硬件层是整个系统运行的载体,包括服务器、客户机、传输介质与通讯连接设备等,并且存放了各种数据库、规则库、方法库等,为系统支撑层及功能层提供数据的运算、存储和传输等服务。


(5)第三方软件。智能CAPP系统可以和一些第三方软件进行集成,如SolidWorks、PRO/E、UG、PDM等。系统操作者可以根据需要实现工艺数据的输入及输出、文档或图纸的编辑等工作,可以实现系统之间数据的传输,大大提高工作的效率。



编辑:刘杨
编审:辛召

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