胡曉青 王艷娟

摘 要：本文在闡述制造知識(shí)分類的基礎(chǔ)上，針對(duì)制造知識(shí)中先進(jìn)制造設(shè)備信息并結(jié)合零件的加工過(guò)程的信息特征，分析了制造知識(shí)建模技術(shù)的需求，討論了該知識(shí)建模技術(shù)如何支持制造知識(shí)建模的方法，最后通過(guò)實(shí)例說(shuō)明了面向先進(jìn)制造設(shè)備信息的制造知識(shí)設(shè)計(jì)模型。該研究為需要者提供了制造知識(shí)建模切實(shí)可行的方法。

關(guān)鍵詞：建模技術(shù)；設(shè)備信息；數(shù)控車床

當(dāng)今的制造系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)高度復(fù)雜的系統(tǒng)，它包含并積累了大量的知識(shí)，我們稱之為“制造知識(shí)”。制造活動(dòng)的實(shí)質(zhì)是將知識(shí)或信息記錄在原材料或制造設(shè)備上，以提高其知識(shí)含量，并轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品[1]。伴隨著現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，知識(shí)已逐漸成為現(xiàn)代制造企業(yè)爭(zhēng)奪的重要資源，特別是隨著智能制造的興起和大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，新的生產(chǎn)過(guò)程和生產(chǎn)設(shè)備都需要新的信息技術(shù)的支持。在知識(shí)含量已成為產(chǎn)品價(jià)值決定因素的今天，市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品性能的更高要求使得制造知識(shí)的度量更為重要。為了研究制造知識(shí)的度量，必須首先研究制造知識(shí)的分類，并研究制造知識(shí)的建模，從而快速、良好地制造產(chǎn)品，提高產(chǎn)品研發(fā)水平[2-6]。

1 制造知識(shí)的分類

從結(jié)構(gòu)和信息特征等方面，運(yùn)用開(kāi)關(guān)因素的概念對(duì)制造知識(shí)進(jìn)行分類[1]。

根據(jù)制造知識(shí)的結(jié)構(gòu)，制造知識(shí)可分為單元知識(shí)和合成知識(shí)。所謂單元知識(shí)，是指其他制造知識(shí)（除了自身以外）所不能表達(dá)的知識(shí)；合成知識(shí)是指由單元知識(shí)綜合而成的表示某一整體特征的知識(shí)。

根據(jù)產(chǎn)品的信息特征， 制造知識(shí)可分為形狀特征知識(shí)和精度特征知識(shí)、裝配特征知識(shí)、檢驗(yàn)特征知識(shí)、材料特征知識(shí)。上述特征知識(shí)又可歸納為三類： 第一類是形狀特征知識(shí)； 第二類特征是由精度特征、裝配特征和檢驗(yàn)特征構(gòu)成的精度特征知識(shí)； 第三類是材料特征知識(shí)。按制造知識(shí)產(chǎn)生的過(guò)程， 制造知識(shí)可分為設(shè)計(jì)知識(shí)、工藝知識(shí)、裝配知識(shí)、檢驗(yàn)知識(shí)和材料知識(shí)等。工藝知識(shí)又包括宏觀變形知識(shí)（ 如沖壓、切削、鍛造等） 和微觀變形知識(shí)（ 如淬火、退火、冷處理、滲碳等）。

按照制造知識(shí)的用途，制造知識(shí)可分為一通用、常識(shí)知識(shí)、專門知識(shí)等。制造知識(shí)與設(shè)計(jì)和制造過(guò)程密切相關(guān)，它有許多方面和層次。它大致可以分為產(chǎn)品知識(shí)和制造過(guò)程知識(shí)。所謂產(chǎn)品知識(shí)是指準(zhǔn)確描述產(chǎn)品特性所必需的信息，包括產(chǎn)品幾何形狀、尺寸、公差、材料、各種技術(shù)規(guī)格和技術(shù)要求；所謂制造過(guò)程知識(shí)，是指為了實(shí)現(xiàn)一定的制造過(guò)程，并獲得滿足預(yù)定要求的零件所需的制造過(guò)程的各種知識(shí)，包括工藝知識(shí)（ process knowledge ）和管理知識(shí)。

制造企業(yè)的產(chǎn)品種類繁多、復(fù)雜。本文只分析與加工過(guò)程和資源相關(guān)的知識(shí)，即設(shè)備知識(shí)。針對(duì)制造知識(shí)中先進(jìn)制造設(shè)備信息結(jié)合零件的加工過(guò)程的信息特征， 本文將設(shè)備知識(shí)進(jìn)一步劃分為零件制造的過(guò)程知識(shí)（ 第三類特征知識(shí)中的制造過(guò)程知識(shí)） 和零件制造的資源知識(shí)（ 包括形狀特征知識(shí)中的材料知識(shí)和工藝知識(shí)等）。

2 知識(shí)建模技術(shù)的需求分析

制造知識(shí)的建模技術(shù)是制造知識(shí)的重要技術(shù)，其基本需求是：

（1）可辨識(shí)性是通過(guò)對(duì)知識(shí)進(jìn)行建模來(lái)識(shí)別不同種類的知識(shí)。

（2）統(tǒng)一性是將顯性知識(shí)與隱性知識(shí)統(tǒng)一建模，從而在加強(qiáng)隱性知識(shí)有效管理的同時(shí)，也有利于隱性知識(shí)轉(zhuǎn)化為顯性知識(shí)。

（3）開(kāi)放性是知識(shí)建模技術(shù)必須能夠適應(yīng)不同類型的企業(yè)和部門，適應(yīng)企業(yè)不斷變化的條件和環(huán)境，適應(yīng)知識(shí)的動(dòng)態(tài)更新。

（4）易用性是使知識(shí)所有者自己易于知識(shí)建模，由自己獲得或擁有的知識(shí)進(jìn)行建模是最合適的。

（5）知識(shí)模型的其他要求是計(jì)算機(jī)可實(shí)現(xiàn)的，并且獨(dú)立于特定的計(jì)算機(jī)平臺(tái)和應(yīng)用環(huán)境等[7]。

3 知識(shí)建模的步驟

要建立客觀存在對(duì)象的替代物-模型，一般需經(jīng)過(guò)若干步驟，因?yàn)閿?shù)學(xué)模型在制造過(guò)程中應(yīng)用較多，故以數(shù)學(xué)模型為例來(lái)介紹建模步驟。

1）提出問(wèn)題

提出問(wèn)題就解決了一半的問(wèn)題，它是解決問(wèn)題的關(guān)鍵一步。提出問(wèn)題的目的是在面對(duì)實(shí)際的研究對(duì)象時(shí)，弄清問(wèn)題的來(lái)龍去脈，抓住問(wèn)題的本質(zhì)，確定問(wèn)題數(shù)學(xué)模型的類型、輸入/輸出變量及用什么建模方法，所以，問(wèn)題提出的過(guò)程即是將一個(gè)實(shí)際問(wèn)題轉(zhuǎn)化成一個(gè)數(shù)學(xué)問(wèn)題的過(guò)程，只有對(duì)研究對(duì)象的物理本質(zhì)、概念、名詞、術(shù)語(yǔ)都很清楚的專業(yè)技術(shù)人員才可能正確地完成此項(xiàng)任務(wù)。

2）量的分析

數(shù)學(xué)建模過(guò)程中應(yīng)搞清原型對(duì)象的各種可獲取的常量和變量，分清主要的量和次要的量。

3）模型假設(shè)

對(duì)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題進(jìn)行必要的抽象和簡(jiǎn)化，抓住問(wèn)題的本質(zhì)和主要因素，忽略一些次要因素，這樣才有可能建立適用的數(shù)學(xué)模型。確定模型假設(shè)時(shí)要遵循以下簡(jiǎn)化原則。

（1）目的性原則

從建模目的出發(fā)，用于設(shè)計(jì)、優(yōu)化、控制、管理的模型，其目的會(huì)有差異，主次因素也會(huì)不同。

（2）合理性原則

因假設(shè)帶來(lái)的誤差能滿足建模目的允許的誤差要求，各個(gè)假設(shè)之間不應(yīng)互相矛盾。

（3）適應(yīng)性原則

假設(shè)要適應(yīng)模型的建立、求解、檢驗(yàn)、應(yīng)用過(guò)程。

（4）全面性原則

要注意到假設(shè)的無(wú)偏性，要給出原型所處的環(huán)境條件。

4）模型建立與模型求解

根據(jù)實(shí)際問(wèn)題和建模的目的、要求、以及建模人的數(shù)學(xué)特長(zhǎng)，選用合適的數(shù)學(xué)工具建立數(shù)學(xué)模型，求解出模型的相關(guān)參數(shù)。值得指出的是，對(duì)同一實(shí)際問(wèn)題可以構(gòu)造出不同的數(shù)學(xué)模型，在達(dá)到預(yù)期目的的前提下，所用的數(shù)學(xué)工具越簡(jiǎn)單越好。

5）模型分析與模型檢驗(yàn)

為了判斷模型求解的結(jié)果是否與實(shí)際對(duì)象的特點(diǎn)相吻合，要對(duì)模型進(jìn)行分析；為了判斷模型是否合適，如階次是否恰當(dāng)，要對(duì)模型進(jìn)行邏輯檢驗(yàn)，反復(fù)修改、循環(huán)運(yùn)作。經(jīng)過(guò)模型分析與模型檢驗(yàn)，方能建立一個(gè)合適的數(shù)學(xué)模型，用于替代實(shí)際對(duì)象。有了數(shù)學(xué)模型，就便于對(duì)實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行分析、控制、優(yōu)化等操作，也便于用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)化處理。

4 制造知識(shí)模型

現(xiàn)以CNC車床加工為例，介紹一種建立制造知識(shí)模型的方法。

1）制造信息與知識(shí)的收集

一臺(tái)制造設(shè)備的知識(shí)可分為過(guò)程知識(shí)和資源知識(shí)。如在CNC車床上，可包括過(guò)程如粗車、精車等知識(shí)，資源如車刀、夾具、CAM軟件等知識(shí)。

過(guò)程信息可包括辨識(shí)現(xiàn)有制造過(guò)程所得信息和已辨識(shí)的每一過(guò)程的屬性，有了這些信息，就可以知道在每一過(guò)程中的制造特征的，獲得了過(guò)程知識(shí)。資源知識(shí)是結(jié)構(gòu)化的信息及附加細(xì)節(jié)，它根據(jù)數(shù)控車削加工的以往經(jīng)驗(yàn)描述資源如何被使用。設(shè)備知識(shí)包含在該制造設(shè)備上辨識(shí)的過(guò)程知識(shí)和資源知識(shí)，為此需要定義一種結(jié)構(gòu)以便存取、存儲(chǔ)各種類型的設(shè)備常識(shí)。

2）制造知識(shí)模型的設(shè)計(jì)

工業(yè)部門與研究機(jī)構(gòu)的研究者們都把制造模型的概念作為制造信息的管理工具。用統(tǒng)一的建模語(yǔ)言表示知識(shí)的結(jié)構(gòu)。在制造知識(shí)模型中，存取的制造信息與知識(shí)分為三類：過(guò)程知識(shí)、資源知識(shí)和設(shè)備知識(shí)。

當(dāng)定義知識(shí)結(jié)構(gòu)時(shí)，關(guān)鍵的事項(xiàng)是如何確定一臺(tái)制造設(shè)備上的知識(shí)并對(duì)其進(jìn)行分類。可將設(shè)備知識(shí)分為兩超類。第一超類稱為設(shè)備知識(shí)，它關(guān)聯(lián)過(guò)程知識(shí)與資源知識(shí)，第二超類的為知識(shí)類型。

對(duì)于CNC車床而言，加工過(guò)程知識(shí)可分為車端面、粗車、精車等子類，類似地，資源知識(shí)可分為工具、機(jī)器、材料等知識(shí)子類，如圖1所示。

對(duì)于知識(shí)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建，要求理解知識(shí)類別和“面向”概念，知識(shí)類別由支持某一特定決策而要求的技術(shù)訣竅所確定。而知識(shí)分類遵循面向?qū)ο蟾拍睢?/p>

“知識(shí)類型”為超類，顯示知識(shí)，默認(rèn)知識(shí)和隱含知識(shí)為該超類的子類。重要的是定義合適的屬性來(lái)表示知識(shí)，例如，“知識(shí)類型”超類，具有的屬性有名稱，表示類型，辨識(shí)ID，修改次數(shù)，修改時(shí)間等，這些屬性具有管理設(shè)備知識(shí)的特征。此外，每個(gè)知識(shí)表達(dá)子類具有特定的屬性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文從結(jié)構(gòu)、信息特征等方面闡述了制造知識(shí)的分類，從建模的設(shè)計(jì)需求出發(fā)，闡述了制造模型的建立步驟，在此基礎(chǔ)上對(duì)與機(jī)械加工過(guò)程及資源有關(guān)的知識(shí)，即設(shè)備知識(shí)進(jìn)行了建模設(shè)計(jì)，建立了數(shù)控車削加工的制造知識(shí)模型，為先進(jìn)制造業(yè)的制造知識(shí)建模提供了思路。同時(shí)在該知識(shí)建模技術(shù)的基礎(chǔ)之上，能方便地建立企業(yè)的制造知識(shí)軟件系統(tǒng)，對(duì)實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行分析、控制、優(yōu)化，為企業(yè)實(shí)現(xiàn)知識(shí)的共享和重用提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

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作者簡(jiǎn)介

胡曉青（1983-），男，山東煙臺(tái)人，講師，碩士，研究方向：先進(jìn)制造技術(shù)以及知識(shí)管理與創(chuàng)新。