CN108804757B - 一种基于知识的可重构机床模块选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于知识的可重构机床模块选择方法，通过建立零件特征库，根据专家知识确定零件特征所需的加工操作；再根据操作确定运动模块，并生成一组RMT配置，支持设计者找出最小且足够的模块来形成用于加工零件族的不同RMT配置，降低了对设计人员的设计经验要求，能够极大提高设计效率，具有很强的实用性；还将可重构机床(RMT)设计过程中包含的离散知识进行综合到protégé软件中，形成针对RMT配置设计的零件特征库、加工操作库、RMT模块库，用于在可重构机床(RMT)的初步设计中选择必要的模块，以便在设计过程中根据给定的零件族快速设计RMT配置，缩短机床设计周期，提高企业竞争力。

Description

一种基于知识的可重构机床模块选择方法

技术领域

本发明属于机床设计领域，具体涉及一种基于知识的可重构机床模块选择方法。

背景技术

随着日益激烈的企业竞争和多样化的客户需求，企业亟待寻求快速转的变生产方式，以更低成本快速响应客户需求，同时保持产品质量。可重构机床(RMTs，ReconfigurableMachine Tools)的开发是制造企业增加对市场变化响应能力的有效的替代方案之一。可重构机床是面向特定需要的、定制化操作范围而设计，并且在需求变化时可以经济高效地进行转换的新一代机床。

可重构机床与传统的数控机床和通用机床相比，具有更好的成本效益和制造柔性。目前，RMT已经获得了大量的研究注意力，并且已经开发了各种RMT构型。在相关研究工作中，RMT的模块化设计具有重要意义，对此，给出了多种方式来表示预编译模块库，主要可分为以下四大类：

基于矩阵的表示。为了模拟不同RMT结构的运动学，Moon和Kota(Moon&Kota，1999.Reconfigurable machine tool.)提出了一种基于基于矩阵方法的旋量理论，该方法包括初始位置旋量矩阵，连接旋量矩阵，运动旋量矩阵，和配置旋量矩阵。这些矩阵有助于在给定一组操作任务的情况下搜索所需的机床模块，其中操作任务也被表示为矩阵。但是这种方法对于任务矩阵确定缺乏明确的指导，当加工操作数量的增加，确定最小但足够的一组任务矩阵变得相当困难。

基于符号的表示。Mpofu等人(Mpofu，2012.Machine Morphology in Reconfigur-able Machine Tools.；Mpofu&Tlale，2014Mpofu,K.,&Tlale,N.(2014).A morpho-logyproposal in commercial-off-the-shelf reconfigurable machine tools.Interna-tional Journal of Production Research,)提出了一种基于符号的表示方案，以从形态学角度对原始RMT模块进行建模，其中RMT配置被简化为刀具夹具和工件夹具的组合。这种方法操作简单，对设计者的技能要求不高，易于生成一组具有特定数量自由度的RMT配置。然而，该方法中的RMT配置使用自由度的数量进行索引，而不是将加工要求直接映射到必要的RMT模块的机加工操作或特征，这限制了该方法在仅有一组给出了所需的部件数量，未指定所需的自由度数量。

基于CAD模型的表示。为了便于使用基于仿真方法(如有限元法(FEM))在不同RMT配置上进行性能分析，一些研究人员使用捕获几何信息的CAD模型来表示RMT模块和配置。基于CAD模型的表示法的问题在于，它只捕获几何信息，这些信息不足以推理出有一组满足制造要求所需的模块。它必须将元信息(例如功能，行为等)纳入模块信息模型中，这样才能便于在模块选择过程中进行推理。

基于数据库的表示。Chen等人(Chen,L.,Xi,F.J.,&Macwan,A.(2005).Optimalmodule selection for preliminary design of reconfigurable machinetools.Journal of manufacturing science and engineering,127(1),104-115.)创建了一个“FR-DP”数据库，用于索引机床的几何特征和结构组件模块。根据“FR-DP”数据库，他们开发了一种“隶属等级”的矩阵，定义了度量指标以量化几何特征与机器模块之间的关联程度。这种方法的优点在于以公理化设计的理论指导建立功能需求(即特征)和设计参数(即模块)之间的映射，用于选择最小但足够的RMT模块。然而，这种方法的局限性在于使用成对比较法确定特征和模块之间的关联程度很可能会引起误导，而且由于有大量的替代方案，导致决策制定不一致。

RMT只有模块化并且具有开放的架构才能实现灵活性。模块化RMT的研究是基于一个假设，即一个模块库可供企业根据不同的操作要求，生成不同的配置示例模块，包括在操作过程中发挥不同功能的主轴头，旋转台，滑块等模块。选择合适的模块是生成RMT配置的关键步骤。

选择RMT模块的标准是满足操作要求，同时尽量减少冗余，最优模块集合应该是最小但足够的。选择最优的RMT模块组的现有方法有基于“成员等级矩阵”，其表示加工特征与“贡献度”机床模块之间的关系，以促进设计师在给出加工特征后选择最相关的模块。而构建一个巨大(40*43)隶属度矩阵的难度限制了该方法的实际应用。此外，不一致是另一个不可避免的问题，因为矩阵的构建基于层次分析法(AHP)，在选择RMT模块时，需要一种实用且内在一致的方法来为决策提供支持。

综上所述，现有的RMT模块选择和推理缺乏全面、快速的支持手段，而且缺乏面向更广范围RMT模块选择问题的支持能力。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于知识的可重构机床模块选择方法，可以找到最小且足够的模块来形成用于加工零件族的不同RMT配置，提高设计效率。

一种基于知识的可重构机床模块选择方法，包括如下步骤：

步骤1、搜集制造工艺中所有可能形式零件的所有可能特征，建立特征数据库；

步骤2、针对给定的所有零件，根据步骤1中建立的特征数据库，寻找给定零件与特征数据库中对应的特征，并确定每个特征的特征属性，并以集合的形式表示：

其中，

表示特征i的第n个特征属性；

步骤3、根据加工知识，确定零件的特征属性与对应的机床加工操作之间的映射关系；再根据映射关系确定给定零件的特征属性对应的加工操作；

步骤4、根据步骤3确定的给定零件对应的加工操作，推理每个加工操作所需的机床类型以及表征的运动方式，根据运动方式继而确定每一个加工操作所需的一组机床运动模块，将所有组运动模块存储到集合M中；

步骤5、针对集合M中的各组运动模块，当有2组或者2组以上运动模块完全相同时，只保留一组运动模块，其它从集合M中删除，如此集合M中剩余的各组模块即为选择出来的RMT构型。

较佳的，采用protégé软件实现零件特征、加工操作以及运动模块的表达。

较佳的，所述步骤3中，将所述映射关系整成规则，根据所述规则确定给定零件的特征属性对应的加工操作。

本发明具有如下有益效果：

本发明通过建立零件特征库，根据专家知识确定零件特征所需的加工操作；再根据操作确定运动模块，并生成一组RMT配置，支持设计者找出最小且足够的模块来形成用于加工零件族的不同RMT配置，降低了对设计人员的设计经验要求，能够极大提高设计效率，具有很强的实用性。

本发明将可重构机床(RMT)设计过程中包含的离散知识进行综合到protégé软件中，形成针对RMT配置设计的零件特征库、加工操作库、RMT模块库，用于在可重构机床(RMT)的初步设计中选择必要的模块，以便在设计过程中根据给定的零件族快速设计RMT配置，缩短机床设计周期，提高企业竞争力。

附图说明

图1为本发明所述的基于知识的可重构机床模块选择概述示意图。

图2为本发明所述的零件特征库、加工操作库、RMT模块库在protégé中的示意图。

图3为本发明中RMSO本体的属性定义和实例总体示意图。

图4为本发明用于“锥形孔”特征零件的模块选择RDF示意图。

图5为本发明所述的基于知识的RMT模块选择方法流程图。

图6为本实施例的一组零件族特征提取示意图。

图7为本实施例的特征实例在protégé软件表达示意图。

图8为本实施例中protégé的加工操作和RMT模块推理示意图。

图9为本实施例的protégé中部分RMT配置实例示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

为了克服上述RMT模块表示方案在促进模块选择上的缺点，我们使用本体论来表示RMT模块，该模块捕获特征，操作和模块之间的语义关系，从而可以基于这些关系推断模块。

选择合适模块以形成满足一系列操作要求的RMT配置(例如零件族的加工)基本上是基于知识的多领域映射过程，其在很大程度上依赖于在制造过程中运用的设计者专业知识。为了选择合适的模块，工艺设计师需要对加工特征，加工操作，机床模块等三个不同领域以及它们之间的相关映射规则有足够的了解。规范而明确地表示上述知识的知识库有利于模块选择过程的自动化。近年来，本体越来越多地用于工程知识管理，它对知识之间的术语和关系做出了明确的形式化规范。

本体，是一种描述术语及术语间关系的概念模型。机床是一个复杂的产品，本体的知识整合能力被用于机床设计，可以融合多学科知识，本发明中创建了一个本体来模拟加工特征，加工操作，机床模块的分类，以及它们之间的关联关系。

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

市场需求的多样性通常表现为一系列零件(或产品)中的功能或几何差异，设计人员需要通过以给定零件族为输入，生成最少但足够的模块来组合可重构机床RMT配置，图1为本发明所述的基于知识的可重构机床模块选择概述示意图。图中包括六大核心类：零件族、零件、加工特征、加工操作、RMT模块、RMT构型。表1给出这些类的定义。

表1可重构机床核心分类的定义

零件族和RMT配置之间的关系使用一个名为需求配置的属性捕获，该属性是指定零件族的预期输出，这个期望的输出不能直接实现，而要通过连接零件、加工特征、加工操作、RMT模块概念的因果链来实现。因果链包含五个关系，即至少有一个零件关联关系(hasPart)，至少有一个特征关联关系(hasFeature)，要求操作(requiresOperation)，要求模块和至少有一个模块关联关(hasModule)，它们将概念彼此映射，如图1所示。这些关系反映了RMT设计人员在确定适当的RMT时通常应用的推理过程配置。在因果链中，“特征-操作-模块”子链(如图1中的虚线所示)是关键部分，因为它将生产要求与机床相连接。然而，这个“特征-操作-模块”链的实现是一项具有挑战性的任务，因为它严重依赖于设计者通常是非结构化和隐含的专业知识。

图2为本发明所述的零件特征库、加工操作库、RMT模块库在protégé中的示意图。我们根据STEP标准(“ISO技术委员会184，分委会4，STEP-ISO 10303.，”2006)开发加工特征的分类。在分类法中，类MachingFeature(加工特征)派生出它的三个子类，即MachinableFeature代表使用车床和铣床可加工的典型特征，ReplicatedFeature代表从可加工特征复制的特征，TransitionFeature代表转换过程。每个子类也可以继续派生它的子类。其中加工操作的分类根据进行操作的四种常用机床(即，卧式车床、立式车床、卧式铣床和立式铣床)进行分类。例如，在立式铣床上进行的车削，钻削和铰削等操作被定义为属于VerticalMilling类的VM_turning，VM_Drilling和VM_Reaming等类，在卧式车床上执行的车削，铣削和钻削等操作定义为HL_Turning，HL_Facing，属于HorizontalLathe类的HL_Boring。RM模块是根据传统机床模块(即卧式车床模块、立式车床模块、卧式铣床模块和立式铣床模块)进行分类。每个机床的基础模块包括主轴箱模块、立柱模块、床身模块、十字滑台模块、旋转台模块等，本发明中将机床中的不同模块进行分类管理，例如，在卧式车床设置中的主轴模块定义为HL_Spindle类。使用Protégé5.2(

2018)本体编辑器开发加工特征，操作和RMT模块分类的详细层次结构，如图2中关于加工特征的分类。

属性在本体中非常重要，用于专门表示类和知识库中的实例。在加工特征分类中，40个不同的特征被识别并定义为可重构机床模块选择本体中的类。为了表示这些类，我们定义了两组属性，即共有属性和专有属性。共有属性包括requiresOperation(将特征链接到操作的对象属性)，粗糙度，公差，铸造条件等，它们捕获所有加工特征的共享特征。专有属性用于捕获特征类型的临界尺寸参数，例如通孔的直径和深度。

加工操作分类中，包括沿着坐标轴方向的平移和旋转运动，这些机床的加工运动被定义为代表在卧式车床、立式车床、卧式铣床和立式铣床上执行的43种不同操作。考虑到RMT模块分类标准，识别包括functionType，motionType，motionDirection等在内的属性以表示从传统机床中提取的24个核心模块。根据这些属性，实例库中的实例数量如图3所示。

“特征-操作-模块”链中的因果关系指出了回答“如何确定一组可满足给定特征的加工要求的RMT模块”问题的逻辑过程。该问题可以分为两个连续的子问题：a)如何确定给定特定特征的一组加工操作，b)如何确定一组可执行特定加工操作的RMT模块。前者表示“特征-操作”映射，后者表示“操作-模块”映射，二者分别用语义Web规则语言(SWRL)表示。“特征-操作”映射是一个基于规则的过程，严重依赖过程设计者的专业知识。例如，如果要加工工件上的锥形孔，工艺设计人员可以使用以下规则确定加工操作：

工件旋转时，“直径-深度比”较小时，在卧式车床上进行镗削加工。

工件旋转时，“径深比”较大时2，在立式车床上进行镗削加工。

工件不旋转时，在立式铣床上进行锥孔加工。

在本发明中，语言规则正式表示为SWRL规则。将机器特征映射到操作的SWRL规则被创建为表达式1中所示的一阶逻辑。

在表达式中，

表示关于特征i的特定属性k的预测为真，

是当特征i的所有n个预测都为真时的结果操作。表2显示了决定锥形孔加工操作的SWRL规则。PropertyOp将操作链接到给定特征。区分小与大“直径与深度”比率的阈值设置为0.3。

表2 SWRL确定锥型孔操作的规则

与“特征-操作”映射类似，“操作-模块”映射也是基于规则的过程。以确定RMT模块进行卧式车床钻孔为例，语言规则如下：

RMT模块必须具有“卧式车床”机床类型属性。

需要具有“过渡”运动类型属性和“X”运动方向属性的RMT模块。

需要具有“过渡”运动类型属性和“Z”运动方向属性的RMT模块。

需要具有“旋转”运动类型属性和“Z”运动方向属性的RMT模块。

本发明使用表达式2中所示的一阶逻辑，将上述语言规则(将加工操作映射到RMT模块)作为SWRL规则进行编码。示出了确定执行卧式车床镗孔操作的RMT模块的SWRL规则在表3中。

表3确定用于执行卧式车床镗孔操作的RMT模块的SWRL规则

根据前面创建的SWRL规则，知识库中的类MachiningFeature，MachiningOperation和RMTModule的实例可以通过属性requiresOp自动链接，该属性requiresOp将要素链接到操作，并且需要将操作链接到模块。以功能TaperedHole为例，所需的加工操作和相关的RMT模块执行操作如图4所示。

我们通过案例研究来验证本发明中开发的基于知识的方法。案例研究的目的是使用基于知识的方法来选择形成RMT配置所需的最优(最小但足够的)RMT模块集，这些模块将能够加工给定的板件部分。图6中显示了用于该案例研究的四个盘盖类零件。这些盘盖类零件组成了一个零件族，为此可设计具有不同配置的可重构机床。确定每个盘盖类零件的加工特征，并将其列为要测试的基于知识的方法的输入。

为了推断所需的操作以及支持用于盘盖类零件族的RMT模块，应首先在知识库中填充盘盖类零件的特征。如图7所示，使用protégé工具可以简化特征实例的群体。群体过程包括三个步骤：

1)填充零件实例(即“part1”，“part2”，“part3”，“part4”)以表示四个板，如图7中央面板所示。

2)使用图6中列出的项目填充要素实例，并使用对象属性hasFeature将要素实例链接到“part1”，“part2”，“part3”和“part4”。如图7中央面板周围的四个面板上所示，特征和部分之间的关联形成四个由元组组成的属性列表(例如<hasFeature Step_part1>“part1”)。

3)为每个要素实例指定属性值。例如，要素“RegularCylindricalHone_part2”的属性值被指定为元组为{<hasDepth 20.0f>，<isThrough true>，<isRevolved true>，<hasDiameter 5.0f>，<accuracyLevel“Low”^^xsd：string>}，如图7顶部面板所示。这些属性值对于第5.2节中讨论的自动推理至关重要。

如图8所示，本发明用基于规则的推理引擎自动推断5.1节中实例化的盘盖类零件特征的操作和特征模块。推理过程分为三个步骤，如下所示：

1)SWRL规则集。将特征映射到操作的规则以及将操作映射到RMT模块的规则编码为SWRL，以填充规则库中的规则，请参见图8左侧的“SWRLTab”面板。这些SWRL规则将用于通过DROOLS推理引擎对加工操作和RMT模块进行推理。

2)操作推理。DROOLS引擎从规则库中获取规则以匹配5.1节中填充的每个特征实例，并推导出所需的操作实例。例如，特征实例“ConstantOuterDiameterOuterRound_part1”被推断为要求“HL_Turning”作为加工操作，如图8的右上方所示。通过该步骤，推断所有加工盘盖类零件的操作。

3)模块推理。DROOLS引擎采用规则来匹配上一步中推断的每个操作，并进一步推断符合的RMT模块。例如，操作实例“HL_Turning”被推断为要求“HL_Spindle”，“HL_Z_Slide”和“HL_X_Slide”作为支持RMT模块。通过这一步，推断出与加工操作相关的所有RMT模块。

用于加工盘该类零件族操作的RMT配置是根据RMT模块最小但足够的标准形成的，同时所有配置都相互区分。为了实现这一点，表3中的SQWRL语句应用于检索不同的操作。这个特定盘盖类零件的不同操作实例包括“VL_Boring”，“VL_Turing”，“VM_Turning”，“VM_CounterBoring”等。基于操作检索结果，RMT配置以及与每个操作对应的RMT模块将被填充在知识库中。图9中示出了protégé中的RMT配置实例(“RMTConfiguration_3”)的示例。图9右侧的面板显示出了“RMTConfiguration_3”的属性结果，其指示：

1)RMT配置设置用于加工盘盖类零件族。

2)将执行“VM_Turing”操作。

3)操作所需的核心运动模块包括“VM_Spindle”，“VM_X_Slide”，“VM_Y_Slide”，“VM_Z_Slide”。

4)加工特征包括第1部分的“ShortRoundedSlot”和“RevolvedVolumeRemovel”，第3部分和第4部分的“EgeRound”。

表4总结了用于盘盖类零件的所有特征的RMT配置，

表4用于加工盘盖类零件的RMT配置

从表4中可以看出，10种不同的RMT配置被确定用于完成在盘盖类零件族中加工四个所需零件的任务。这十种RMT配置涵盖了所有四种常规机床设置(即卧式车床，立式车床，水平铣床和立式铣床)，因为该盘盖类零件具有多种特征。许多特征子集(即使它们可能属于RMSO本体中定义的不同MachiningFeature类)都具有相同的加工操作，因此将它们组合为一个常见的RMT配置。例如，第1部分的特征1,2,4,5,9和第3部分的特征1,2,3,4,5被组合为配置1，因为它们都被推断为需要在竖直方向上进行“钻孔”操作车床设置。具有相同MachiningFeature类的某些特征可能会被分成不同的RMT配置，因为属性值的差异会使推理引擎推断它们需要不同的加工操作。例如，零件1的特征5和零件3的特征8属于相同类型的孔，然而，它们分配给配置1，其中“竖直”操作的立式车床配置和立式铣床配置的配置6由于不同的孔径尺寸，分别进行“钻孔”操作。

将共享操作组合为一种常见的RMT配置，可确保最终的十个配置对于盘盖类零件族非冗余。基于与每个RMT配置相对应的独特操作，表4中还给出了必要的模块，以确保RMT重构后的功能可以精确地匹配加工操作需求。在本发明中，将特定加工操作的需求定义为一组运动，包括沿X，Y和Z轴的旋转和移动，因此仅推断运动模块。因为推理是基于运动和模块之间的一对一映射，所以生成的RMT模块的数量被认为是最小的但足够的。例如，配置1中的“钻孔”操作既需要旋转又需要沿Z轴转换，因此仅推断支持相应运动的“VL_Spindle”和“VL_Z_slide”。

与表4中十个配置相关的所有模块都是必要的(最小但足够的)构建块，供企业初步设计模块化可重构机床，该机床能够从一个配置转换到另一个配置以执行不同的操作并且加工盘盖类零件的不同特征。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于知识的可重构机床模块选择方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、搜集制造工艺中所有可能形式零件的所有可能特征，建立特征数据库；

步骤2、针对给定的所有零件，根据步骤1中建立的特征数据库，寻找给定零件与特征数据库中对应的特征，并确定每个特征的特征属性，并以集合的形式表示：

其中，f_i ⁿ表示特征i的第n个特征属性；

步骤3、根据加工知识，确定零件的特征属性与对应的机床加工操作之间的映射关系；再根据映射关系确定给定零件的特征属性对应的加工操作；

步骤4、根据步骤3确定的给定零件对应的加工操作，推理每个加工操作所需的机床类型以及表征的运动方式，根据运动方式继而确定每一个加工操作所需的一组机床运动模块，将所有组运动模块存储到集合M中；

步骤5、针对集合M中的各组运动模块，当有2组或者2组以上运动模块完全相同时，只保留一组运动模块，其它从集合M中删除，如此集合M中剩余的各组模块即为选择出来的RMT构型。

2.如权利要求1所述的一种基于知识的可重构机床模块选择方法，其特征在于，采用protégé软件实现零件特征、加工操作以及运动模块的表达。

3.如权利要求1所述的一种基于知识的可重构机床模块选择方法，其特征在于，所述步骤3中，将所述映射关系整成规则，根据所述规则确定给定零件的特征属性对应的加工操作。

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