趙洪志，張 健，陶小剛

(沈陽理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159)

在產(chǎn)品的整個生產(chǎn)階段，裝配成本約占總制造成本的40%～60%.裝配在產(chǎn)品整個生產(chǎn)過程中任務(wù)最繁重，也是要求最高的環(huán)節(jié)，在很大程度上影響制造過程的效率、質(zhì)量和成本[1].優(yōu)化裝配工藝設(shè)計過程可以縮短產(chǎn)品研發(fā)與制造的周期[2].隨著數(shù)字化制造與裝配信息技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)裝配技術(shù)已經(jīng)成為相關(guān)領(lǐng)域快速發(fā)展的巨大障礙，企業(yè)只有充分利用數(shù)字化信息技術(shù)，不斷提升裝配效率、提高裝配質(zhì)量、控制成本，才能在需求多變的市場環(huán)境中生存和持續(xù)發(fā)展.

本文以航彈控制艙為研究對象，以三維設(shè)計軟件UG(Unigraphics NX)為平臺，進行裝配工藝路線設(shè)計技術(shù)研究，運用UG二次開發(fā)技術(shù)[3]、C++軟件編程技術(shù)等開發(fā)一種人機交互的裝配工藝路線選擇與優(yōu)化系統(tǒng)，以期自動完成裝配工藝路線設(shè)計，為航彈控制艙裝配提供依據(jù).

1 專家系統(tǒng)的架構(gòu)

專家系統(tǒng)的架構(gòu)是指專家系統(tǒng)各組成部分的構(gòu)造方法和組織形式[4].開發(fā)者可以根據(jù)不同環(huán)境及相應(yīng)功能等，選擇不同的架構(gòu).系統(tǒng)架構(gòu)的優(yōu)劣直接關(guān)系到專家系統(tǒng)的專業(yè)適用性以及處理數(shù)據(jù)的效率[5].完整的專家系統(tǒng)一般由知識庫、推理機、全局數(shù)據(jù)庫、解釋器和人機交互界面等模塊組成，各模塊之間都有相互聯(lián)系(圖1).知識庫和推理機是專家系統(tǒng)的必要模塊，若缺少其中一個，就稱不上是完整的專家系統(tǒng)[6].

圖1 專家系統(tǒng)的架構(gòu)

2 航彈控制艙裝配工藝知識庫

航彈控制艙裝配工藝知識庫的建立分為兩部分，即裝配工藝知識獲取和裝配工藝知識表示.其中裝配工藝知識獲取途徑有兩個：一是企業(yè)專家經(jīng)驗總結(jié)；二是控制艙裝配標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范性文件提煉.

2.1 專家經(jīng)驗總結(jié)

根據(jù)企業(yè)裝配工程師的經(jīng)驗，可總結(jié)出兩種控制艙裝配工藝規(guī)則，即基于零件劃分的裝配工藝規(guī)則(表1)和基于特性的裝配工藝規(guī)則(表2).

表1 基于零件劃分的裝配工藝規(guī)則

表2 基于特性的裝配工藝規(guī)則

2.2 裝配標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范性文件提煉

裝配標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范性文件主要指裝配控制艙時使用的企業(yè)傳統(tǒng)工藝卡片和裝配技術(shù)文件.對這些文件進行提取，可形成裝配控制艙的設(shè)計要求和注意事項等.

根據(jù)企業(yè)提供的相關(guān)資料和數(shù)據(jù)總結(jié)出航彈控制艙的知識庫，可采用Excel表格的形式建立知識庫(圖2).知識庫涵蓋零件名稱、零件BMP(Bitmap)地址和零件規(guī)則屬性等.知識庫中各項內(nèi)容都可進行補充和完善.

圖2 控制艙裝配工藝路線知識庫

2.3 裝配工藝知識表示

裝配工藝知識可采用產(chǎn)生式表示法(又稱產(chǎn)生式規(guī)則表示法)，表述事實、規(guī)則以及它們的不確定性度量等.產(chǎn)生式表示法通常用于表示具有因果關(guān)系的知識[7-8].

產(chǎn)生式表示法的基本形式是PIQ，或者IF P THEN Q.其中，P是產(chǎn)生式的前提；Q是在滿足前提P后得出的結(jié)論或者要繼續(xù)執(zhí)行的下一步.本文中，P為表1和表2中各規(guī)則；Q為裝配順序.

控制艙裝配工藝知識是反映裝配工藝事實和裝配操作經(jīng)驗的有序集合.針對不同的裝配工藝，選擇不同的裝配模塊，可用產(chǎn)生式表示法進行知識的表示.產(chǎn)生式表示法一般用“IF-THEN”表示.這里，IF表示裝配控制艙下一零部件時的發(fā)生條件；如果其中還含有并行的操作規(guī)則，則需用AND連接并行規(guī)則；如果條件滿足，則用THEN執(zhí)行下一步零部件的安裝.

3 航彈控制艙裝配工藝推理機制

推理技術(shù)(運用知識進行問題的推理和決策)指將知識庫中的知識和工作中的問題以事實結(jié)合起來，引導(dǎo)專家系統(tǒng).其中推理和決策過程是在程序中進行的，被稱為推理機.

3.1 推理方式及其分類

人的思維方式有很多種，例如線性思維和非線性思維、慣性思維和跳躍思維、抽象思維和具體思維以及直覺思維和創(chuàng)造性思維等.類比于計算機的程序系統(tǒng)，在具備思維能力的同時也應(yīng)具備多種思維方式，從而在面對復(fù)雜問題時可以通過多渠道解決.大部分具備推理和決策能力的應(yīng)用程序的推理方式如圖3所示.

圖3 推理方式及其分類

對于航彈控制艙的裝配工藝來說，在總結(jié)裝配工程師經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，羅列知識并建立裝配工藝知識庫，以基于知識的推理為前提，根據(jù)不同的裝配約束條件，可建立智能裝配工藝路線設(shè)計專家系統(tǒng)推理機制.該過程采用基于知識的推理方式.所謂裝配約束條件就是工程師提供的裝配工藝規(guī)則優(yōu)先級.

3.2 推理的控制策略

具體來說，推理階段就是搜尋問題答案的過程，而問題求解的質(zhì)量和效率依賴于問題的約束策略，即推理的控制策略.推理的控制策略主要包括：推理方向、求解策略、限制策略以及沖突消除策略等.

3.2.1 推理方向

推理方向分為正向推理、逆向推理、混合推理以及雙向推理.正向推理就是從問題的已知事實出發(fā)，正向使用推理規(guī)則向未知目標(biāo)的推理，也稱其為事實驅(qū)動推理，其推理的結(jié)果未知；逆向推理就是以某個假設(shè)目標(biāo)作為出發(fā)點，用逆向思維推理進而求得問題的解，也稱其為目標(biāo)驅(qū)動推理；混合推理就是結(jié)合正向和逆向推理的優(yōu)點，避開兩者的缺點而進行的完善推理；雙向推理就是正向與逆向推理同時進行.

在完成所有知識庫儲備的前提下，選擇的推理方向不同，問題的求解速度就不一樣.

已知關(guān)于航彈控制艙的裝配事實(即依據(jù)表1和表2中裝配工藝規(guī)則建立的航彈控制艙裝配工藝知識庫)，根據(jù)零部件的裝配工藝規(guī)則屬性來匹配裝配工藝知識庫中的規(guī)則，從而求解最優(yōu)裝配工藝路線，因此可采用正向推理方式.正向推理的一般流程如圖4所示.

3.2.2 求解策略

求解策略是指按要求推理過程得出所有可能的解以及最優(yōu)解.

圖4 正向推理的一般流程

3.2.3 限制策略

在推理過程施加約束，以便減少推理所需時間、空間等.一般可以在深度、寬度、時間、空間等方面進行推理約束.

3.2.4 沖突消除策略

在推理階段，系統(tǒng)要用知識庫中知識不斷地對已知事實進行匹配.其結(jié)果包括不能匹配、恰好匹配、多組匹配3種情況，為此針對不同問題所采用的解決方法稱為沖突消除策略.

本文總結(jié)的控制艙零件庫裝配規(guī)則屬性如表3所示.對零部件裝配工藝規(guī)則屬性與裝配工藝知識庫中的規(guī)則進行匹配，可實現(xiàn)零件裝配工藝路線的推理(圖5).

圖5 裝配工藝路線推理流程

表3 控制艙零件庫裝配屬性

4 專家系統(tǒng)實現(xiàn)

確定知識庫和推理方式后，構(gòu)建系統(tǒng)的人機界面設(shè)計框架.為便于系統(tǒng)的集成，在UG NX軟件平臺下，利用Block UI Styler添加相應(yīng)控件，并采用Visual Studio 2012軟件編程環(huán)境研究裝配路線推理機制，實現(xiàn)航彈控制艙智能裝配工藝路線設(shè)計專家系統(tǒng).專家系統(tǒng)人機交互界面如圖6所示.

圖6 專家系統(tǒng)人機交互界面

工藝人員通過航彈控制艙智能裝配工藝路線設(shè)計專家系統(tǒng)，選擇零部件對應(yīng)的規(guī)則屬性，經(jīng)過裝配工藝規(guī)則優(yōu)先級推理判斷，得出匹配合適的裝配工藝路線.優(yōu)先級的設(shè)定是指工藝人員面對裝配體時所設(shè)置的優(yōu)先裝配順序.不同裝配體的裝配工藝規(guī)則優(yōu)先級很可能不同，如針對控制艙，首先選擇優(yōu)先級“重大件優(yōu)先裝配”，系統(tǒng)匹配出cangti；選擇優(yōu)先級“重要件優(yōu)先裝配”，系統(tǒng)匹配出duoji；選擇優(yōu)先級“過盈過渡間隙優(yōu)先裝配”，系統(tǒng)匹配出zhoucheng；選擇優(yōu)先級“自下往上依次裝配”，系統(tǒng)匹配出兩條，即cangticegai和duoyi，按照優(yōu)先級依次類推.最后輸出裝配工藝路線文件，該文件可作為裝配仿真的指導(dǎo)性文件.裝配工藝路線輸出的形式包括記事本、Word、Excel等.圖7所示為控制艙智能裝配工藝路線輸出文件.輸出文件時可選擇不同的輸出形式和輸出位置.

工藝人員通過技術(shù)篩選，選擇合適的裝配工藝路線，能夠完成仿真裝配.根據(jù)三維模型要求，圖7中duoyi-cangticegai和duojikongzhiqi-redianchi的工藝路線不合理，應(yīng)人為排除.因此，最終以cangti-duoji-zhoucheng-cangticegai-duoyi-cangtihougai-redianchi-duojikongzhiqi作為工藝路線選定文件，實現(xiàn)了航彈控制艙裝配工藝路線設(shè)計專家系統(tǒng).

圖7 控制艙智能裝配工藝路線輸出文件

5 結(jié)束語

對裝配工程師經(jīng)驗歸納總結(jié)的基礎(chǔ)上，以航彈控制艙為例，賦予零部件裝配屬性規(guī)則，建立裝配知識庫，并根據(jù)裝配工藝規(guī)則進行推理機制研究，完成了航彈控制艙智能裝配工藝路線設(shè)計專家系統(tǒng)的開發(fā).通過該系統(tǒng)可選擇賦予零件的裝配屬性規(guī)則信息，進行裝配工藝規(guī)則匹配，輸出裝配工藝路線，指導(dǎo)裝配仿真.