ＣＡＰＰ系统开发工具的设计方法

1、系统开发工具的设计方法         1引言    系统的研究已有余年的>' target='_blank' class='infotextkey'>历史，取得了一些成就，但在工厂中能够真正发挥作用的系统还比较少研制周期长、适应性差、开放性差、低水平重复是研究面临的主要困难这与在及机械制造企业实现自动化中的重要作用是不相称的    研制专家系统开发工具是解决上述问题的有效途径其思想基础是，很多系统看似多种多样，实

2、质却是大同（具有很多共性）与小异（一定的个性）并存我们可以抽取系统的实现机制，提取其共性，为不同企业、不同产品的系统开发提供一个设计环境系统开发工具是专家系统开发工具在工艺过程设计领域中的应用和推广虽然人工智能领域中专家系统开发工具的研究成果启发了这方面的思路，但由于工艺设计领域的特殊性，系统开发工具的理想实现模式和合理设计方法仍是目前研究中亟待解决的问题    2  “工艺功能配置型”CAPP系统开发工具    一般认为，专家系统开发工具有种实现方法：外壳型、通用知识语言型和模块组合型将这种实现方法应用于领域，则可以构造种

3、类型的实现模式：（）外壳型工具系统：用户按规定格式输入工艺知识和数据，即可构成面向特定加工对象、制造环境和工艺习惯的系统在外壳型系统中，知识表达方式、工艺推理过程和策略都已基本固定，因而也具有很强的针对性和局限性，实际上没有脱离传统的系统模式（）模块组合式工具系统：提供工艺过程设计的通用功能组件，开发者根据自己的需要进行有效、方便的组合，以实现领域系统这种开发工具的设计难度和开发规模较大（）语言型工具系统：设计者根据自己的需要，利用开发工具设计具体的推理过程和知识表示模式相当于更专门、更高级的程序设计语言优点是开发者具有较大的自由度，缺点是开发工作量和难度较大，要求系统开发者既是经验丰富的工艺

4、师，又是训练有素的软件工程师    机械零件工艺过程设计问题域复杂，单一的实现模式难以满足实际需要具体系统的实现，与零件类型、制造环境和工艺习惯个主要因素有关，当一个因素变更时，就可能需要重新设计系统的推理框架和知识表示方式例如，应用领域较窄时，一般只是零件类型发生变化，从使用的简单方便考虑，外壳型工具构造模式无疑是最适合的但当应用领域较宽，制造环境和工艺人员习惯有较大变动时，则要求开发者重新设计推理机或重组功能模块，此时工具系统就必须具有语言型或模块组合型的功能特性    所以，本文认为，成功的专家系统开发工具应是上述种构造模式的优

5、点组合首先，系统开发工具应具有基本的推理机、控制策略和知识表示框架，以此部分构成所谓通用外壳（）在通用外壳的功能支持下，通过知识库构造工具中的知识发生器获取动态工艺知识，以支持开发领域系统其次，工具系统提供足够多的推理机功能构件，以通用外壳为基础，将功能构件进行配置和组装，以达到通用外壳不能满足的设计要求最后，工具系统提供设计推理机功能构件的简易可行方法，以满足某些特殊需要本文将专家系统开发工具的这种构造方式，称为“工艺功能配置型”系统开发工具，如图所示图“工艺功能配置型”系统开发工具    3外壳功能的实现    所谓外壳功能，是指

6、工具系统在基本的推理策略、控制结构和知识表示框架（通用外壳）的支持下，单纯通过改变工艺决策知识和工艺决策数据，不变动推理机，以设计领域系统外壳型方法是借助工具系统设计领域的最简单、最理想的方法主要从下述个方面来实现：    （）规范统一的工艺知识表达方式、直观方便的知识获取>' target='_blank' class='infotextkey'>管理功能    以知识单元的统一形式表达工艺知识，并作为属性封装于相应的对象类中知识单元内部，工艺知识有种表现形式：产生式规则、框架、规

7、则框架体系、元知识工艺决策知识用产生式规则或规则框架体系表达，工艺决策数据用框架结构表达元知识有类：一类是关于如何选择和运用工艺知识的元知识，以及关于如何选择工艺决策过程的元知识，其表现形式是产生式规则；另一类是关于工艺知识内容和结构特征的元知识，如工艺知识的产生背景、格式说明、应用范围等，它附属于其它类型的工艺知识单元，是一种文字说明，不参加推理匹配    我们提出一种分类层次模型，以存储和>' target='_blank' class='infotextkey'>管理工艺知识工艺设计过程可以分解为几类子任务

8、，如加工方法选择、工艺路线排序等每一类子任务所用到的知识，既与其它部分的知识有一定程度的关联，又表现出很大的独立性各子任务所用到的工艺知识在内容和表现形式上也有较大的不同所谓分类，是指将工艺知识按子任务分类；所谓分层，是指将每一类子任务的工艺知识按特征类、零件类别或加工方法和设备的不同分为许多细类，构成一种层次结构模型分类层次组织模型的底部，即具体的知识记录单元，其形式和内容是标准一致的对于每一类知识都设置了基本固定的句法结构和表达内容，以实现知识表达形式的规范化要求    以分类层次模型为基础，设立了独立的工艺知识库>' target='_

9、blank' class='infotextkey'>管理系统    （）柔性化的工艺路线决策过程、独立的工艺路线决策知识    工艺路线决策（包括定位面决策、装夹方案设计和工序的排序）是机械零件工艺过程设计的主要方面现有的系统中，工艺路线决策过程依赖于零件类型、加工环境以及工艺习惯，难以设计成独立的推理机，决策知识也难以离开推理机独立提取系统开发工具的提出，在很大程度上也正是因为这个棘手问题的存在，所以，抽取独立的工艺路线决策知识、设置柔性的工艺路线决策推理机是本文实现工具系统外壳型功能的重点以下是工具

10、系统中工艺路线决策的指导思想：    （）决策逻辑在强调针对性（某类零件）的基础上，又具有一定的普遍性（可适合该类中的所有零件）既能提供各类零件普遍适用的决策推理机制，又能针对各零件类的实际情况（如箱体、支座类），构造具有个性的决策推理机的功能构件    （）工艺路线决策知识以零件类为基础，从工艺过程的全局进行表达和抽取，而不是分级分阶段地进行提取工艺知识的结构形式应尽可能标准化，至少在同一大类零件里的表现形式是一致的，以便于建立基于知识的通用决策模块    为此，我们设计了种工艺路线决策推理策略：考虑工

11、艺约束的基因遗传算法将工艺路线决策知识表达为统一的适用度函数，适用于无成熟工艺参考、工序多、差异大的零件种类；工艺主干约束匹配法以先验的工艺路线为基础，抽取其主干作为工艺决策知识，适用于零件类型单一、工艺成熟的情况    4  模块组合功能的实现    机械零件工艺过程设计是一个复杂的过程，其推理策略、工艺知识的种类和形式会随零件类别和加工环境以及工艺经验的不同而产生很大的差异工具系统单纯依靠工艺知识的变更来完成特定系统的设计（即外壳型功能），在有些情况下较难实现因为，特定于具体零件和具体生产环境的推理决策是很难单纯以工艺知

12、识的改变来实现的，必须对推理过程作适当的改动模块组合功能是指工具系统提供足够多的功能预构件，用户按规定方式组装功能构件以实现领域系统本文从下述个方面实现工具系统的模块组合功能    （）建立功能构件库    机械零件工艺过程设计可以分解为类子任务：一类对于不同的零件类、不同的制造环境，其实现方法和决策过程是相同的，这类子任务包括加工方法选择、机床工装选取、刀具选择、切削参数决策；另一类子任务对于不同类的零件而言，虽然其完成的功能相同，但其决策过程却有很大差别，难以构造统一的决策模块这类子任务有定位面选择、夹紧方案设计、工序排序、工序尺

13、寸计算、工序图绘制等    对于前一类子任务，本文提供了共同的功能模块对于后一类子任务，考虑到实际情况，以零件大类和制造环境为基础，提供了大量的功能构件    所谓功能构件，也就是功能相同、实现过程不同的操作在结构化程序设计中，功能构件的表现形式是能完成特定任务的函数或子程序，一定数量的功能构件组成功能构件库（函数库）对于人工智能程序设计，由于程序（推理机）要经常地和外部文件（知识库、原始数据）发生联系，单独的程序难以构成完整的功能构件    本文用面向对象方法进行系统分析和系统设计，以对象类为中心来组织

14、系统每一对象类中不仅封装了方法，还封装了完成该方法所需的有关数据和知识工艺过程设计的各个子任务封装于相应的对象类中，例如加工方法决策封装于零件特征类中，工艺路线决策封装于零件类别类中各个子任务的不同实现过程可以通过调用不同的对象或者通过对象类中的不同方法来实现因此，系统开发工具的功能构件有种表现形式：一是对象类，一是同一对象类中的不同方法    以对象类形式表现的功能构件主要适用于具有分类层次结构的对象类，这种分类层次结构体现超类燉子类关系，子类通过对父类函数的重载来完成名称相同、实现过程不同的功能零件特征类和零件类别类具有明确的分类层次结构，可以预设计多个功能构

15、件例如工艺路线决策，对于箱体类零件和壳体类零件而言，其决策过程是不同的，因此可以定义种零件对象类，分别对应于箱体类零件和壳体类零件零件类中封装了工艺路线决策的不同实现方法，可以作为工具系统的功能预构件机床主轴箱体零件可以看作箱体类零件的子类，其工艺路线决策当然可以继承其父类的方法，但为使决策过程更准确合理，可以在其中重新定义（重载）工艺路线决策函数，函数名可以相同    以对象类中的不同方法表现的功能构件适用于种情况：一是工艺路线决策，当零件类别相同、制造环境不同时，其实现方法和过程也有所不同例如用镗铣类加工中心加工箱体零件和用普通机床设备群加工箱体零件，工艺路线

16、有很大差异，其决策过程封装在同一零件类别类中另外一种情况是，不存在分类层次结构关系的对象类（例如工艺规程类）中封装的子任务（如工序尺寸计算），可以在同一对象类中通过定义不同的方法来实现    （）建立框架控制文件    工具系统功能构件的组装需要一个总控程序来实现结构化程序设计中的总控程序就是主程序主程序的修改是异常困难的，要涉及程序内部细节，要求用户对内部程序结构有相当程度的了解本文采用框架控制文件完成功能构件的组装    工艺设计可以按子任务依序执行实现一个子任务的路径有多种，可以通过选取不同实现过程

17、的功能构件来实现究竟选用哪些功能构件需根据环境条件而定框架控制文件实际上是一种“元知识”，即关于如何选取功能构件的知识框架由子任务槽（）组成，每个子任务槽又有个侧面（），其数据结构如下：    （：子任务说明零件类    （指针：（上层子任务）                        

18、0;       （下层子任务集合）    （知识单元：（知识文件名）                                （规则集）    

19、0;                           （框架集）                      

20、0;         （规则框架集）                                （元知识集）    （决策动态信息）    （功能

21、构件：（对象类）                                （类中的方法）    是子任务在工艺设计过程中执行次序的描述信息，有个值是子任务决策所需工艺知识的描述信息，包括个值：为工艺知识文件名（包括文件路径）；为工艺知识文件中，该子任务用

22、到的各类型知识记录单元（规则、框架、规则框架体系、元知识）是决策动态信息文件名，用于记录推理所用到的决策知识和数据，为工具系统的跟踪解释机制服务是完成子任务的功能构件名，有个值：对象类名和对象类中的方法名    5 语言功能的实现    作为工具系统功能的补充和未来工作的探索，本文也考虑了系统开发工具语言型功能的实现途径工具系统对于生产实际中的大量问题难以面面俱到，扩充和修改工艺知识不能达到要求，系统提供的推理机预构件也满足不了具体问题的需要此时，需要用户设计自己的控制和推理机制    面向对象方法所具有的软件重用和增量型设计特性，为这种功能的实现提供了方便本文以对象类为中心来组织工具系统，并提供了较多的对象类对象类的内部结构和外部接口模仿高级编译器（，）中的窗口类、对话框等对象类用户在系统提供的对象类库的全面支持下，在的语言环境中，通过对象继承、重载和重编译，完成自己的功能构件设计，设计出特定的系统这是一种更高层次的开发机制，相当于专家系统开发语言。    另外，对典型问题（例如