劉 釗 劉婷婷 汪惠芬

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京 210094)

數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)知識庫是將機(jī)床設(shè)計(jì)過程中的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)知識、理論和實(shí)驗(yàn)方法、優(yōu)化設(shè)計(jì)知識等重要的設(shè)計(jì)知識綜合起來建立的一個(gè)完整的知識庫，旨在幫助機(jī)床設(shè)計(jì)人員更好更快地完成機(jī)床的設(shè)計(jì)。

當(dāng)前，歐美國家在研究知識庫系統(tǒng)方面取得了很大的成果，國外對知識庫系統(tǒng)的研究正向通用化、標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化和高度智能化方向發(fā)展［1］。在國內(nèi)，許多大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)對知識庫系統(tǒng)進(jìn)行了研究與探索，但由于研究起步比較晚，仍有很多理論和應(yīng)用問題需要去研究。在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域，知識庫系統(tǒng)的研究也逐漸起步，主要研究集中在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)領(lǐng)域，涉及到設(shè)計(jì)知識、協(xié)同設(shè)計(jì)、虛擬設(shè)計(jì)等方面。劉曉冰等人采用面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù)和方法對產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識庫建立方法開展了研究［2］，王曉倩在碩士論文中探討了機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識庫系統(tǒng)的研究，分析了機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識的特點(diǎn)、類型及表示方法，并進(jìn)行了推理機(jī)的設(shè)計(jì)［3］。但是針對數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)知識庫方面的研究卻比較少。

我國現(xiàn)階段的數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)水平較之國外先進(jìn)水平仍有很大差距，存在自主開發(fā)能力薄弱，專業(yè)化的配套體系不完善，功能部件發(fā)展滯后，產(chǎn)品自動化水平低，可靠性、精度保持性差等落后狀況。各類機(jī)床廠設(shè)計(jì)的機(jī)床結(jié)構(gòu)為確保設(shè)計(jì)的成功率，大多數(shù)利用以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，模仿國內(nèi)外成熟產(chǎn)品采用類比設(shè)計(jì)，較少有創(chuàng)新和突破。同時(shí)，在機(jī)床設(shè)計(jì)行業(yè)，數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)知識以及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的重用性和共享性差，機(jī)床設(shè)計(jì)知識庫的研究尚在起步階段，還有很長的路要走。

因此，在我國這樣一個(gè)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量巨大，而核心技術(shù)又比較落后的國家，開展數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)知識庫方面的研究，建立完整準(zhǔn)確的數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)知識庫，才能快速、低成本地開發(fā)出高速、高精度、高效率的機(jī)床產(chǎn)品，提高市場競爭力。

本文分析了數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)知識的特點(diǎn)并對其進(jìn)行了歸納和分類，采用面向?qū)ο蟮谋硎痉椒▉肀硎緳C(jī)床設(shè)計(jì)知識，運(yùn)用層次知識庫結(jié)構(gòu)思想劃分實(shí)例庫和規(guī)則庫，應(yīng)用元知識的方法實(shí)現(xiàn)知識管理和利用。成功地實(shí)現(xiàn)了知識獲取、表示和維護(hù)，并運(yùn)用SQL Server 2000和Visual Basic 6.0開發(fā)了數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)知識管理系統(tǒng)，最后給出了應(yīng)用實(shí)例。

1 數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)知識

數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)知識的特點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

(1)廣泛性機(jī)床產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識涉及范圍廣，與機(jī)床設(shè)計(jì)密切相關(guān)的知識主要包括工程技術(shù)、機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、加工工藝、金屬材料、理論力學(xué)、材料力學(xué)、人機(jī)工程學(xué)、工程制圖和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)等，這些專業(yè)知識都是機(jī)床設(shè)計(jì)人員所要掌握的知識。

(2)隱含性機(jī)床產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識有很大一部分是設(shè)計(jì)人員頭腦中的經(jīng)驗(yàn)、技藝和訣竅等，很難以顯性化的方式表達(dá)出來，需要采用一定的方法激勵設(shè)計(jì)人員以實(shí)現(xiàn)知識的共享。

(3)復(fù)雜多樣性 機(jī)床產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域知識類型多、內(nèi)容復(fù)雜且多種多樣，既有設(shè)計(jì)理論知識和專家設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，還有實(shí)踐中不斷發(fā)展著的設(shè)計(jì)知識。

由此可見機(jī)床設(shè)計(jì)知識庫開發(fā)的難度很大程度上取決于對機(jī)床設(shè)計(jì)知識的歸納總結(jié)。依據(jù)理論學(xué)習(xí)和實(shí)際調(diào)研情況，可以將機(jī)床設(shè)計(jì)知識分為實(shí)例知識和規(guī)則知識，具體分類如圖1所示。

實(shí)例知識主要是設(shè)計(jì)成功的機(jī)床產(chǎn)品、相應(yīng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及機(jī)床動態(tài)特性分析知識等。機(jī)床設(shè)計(jì)實(shí)例具有可重用性，根據(jù)所要設(shè)計(jì)機(jī)床產(chǎn)品的功能、精度、性能等要求，分析查找先前設(shè)計(jì)成功的實(shí)例作為設(shè)計(jì)的重要參考，并依據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)做出需要的修改，將適用的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法運(yùn)用于當(dāng)前的設(shè)計(jì)中。

規(guī)則知識是指在數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)理論知識，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)知識以及設(shè)計(jì)人員寶貴的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)等，將這些知識作為規(guī)則存儲到規(guī)則庫中，用于指導(dǎo)機(jī)床設(shè)計(jì)。這一部分相當(dāng)關(guān)鍵，規(guī)則庫中知識量的多少將直接影響解決問題的能力，所以應(yīng)該建立激勵機(jī)制，鼓勵設(shè)計(jì)人員貢獻(xiàn)出自己的知識，使隱性知識顯化。將這些寶貴的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)知識放到知識庫中實(shí)現(xiàn)知識共享。

2 數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)知識的表示方法

知識表示是把從知識源獲得的關(guān)于事實(shí)、判斷和推理的知識進(jìn)行歸納概括并建立起各種關(guān)系，然后將知識表達(dá)成計(jì)算機(jī)易于表達(dá)和利用的符號［4］。知識表示的常用方法有一階謂詞邏輯、產(chǎn)生式規(guī)則表示法、語義網(wǎng)絡(luò)法、框架表示法和面向?qū)ο蟊硎痉ǖ龋?］。知識表示是實(shí)現(xiàn)知識存儲和建立知識庫的前提。根據(jù)上文中闡述的數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)知識的特點(diǎn)，本文選用面向?qū)ο蟮闹R表示方法，很好地實(shí)現(xiàn)了機(jī)床設(shè)計(jì)知識的表示。

面向?qū)ο蟮闹R表示方法是以對象為中心，將對象的屬性、動態(tài)行為和特征、相關(guān)領(lǐng)域的知識和數(shù)據(jù)處理方法等有關(guān)知識封裝在表達(dá)對象的結(jié)構(gòu)中，以便于數(shù)據(jù)的共享和再利用;而且面向?qū)ο蠓椒ǖ睦^承性體現(xiàn)了概念分離抽象，在對象繼承結(jié)構(gòu)上，下層對象繼承上層對象的特征(屬性和操作)，因而便于知識的演化和增量式的擴(kuò)充［6－7］。

2.1 機(jī)床產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識抽象成類以及類間關(guān)系的表示

依據(jù)圖1機(jī)床設(shè)計(jì)知識的分類，采用面向?qū)ο蟮闹R表示方法，我們將機(jī)床設(shè)計(jì)知識抽象成兩大基本類:機(jī)床設(shè)計(jì)實(shí)例知識類和機(jī)床設(shè)計(jì)規(guī)則知識類，在此基礎(chǔ)上還可以再抽象出多個(gè)知識子類，例如實(shí)例知識類可以再分為機(jī)床系列實(shí)例類、關(guān)鍵零部件實(shí)例類、整機(jī)動態(tài)特性分析實(shí)例類和機(jī)床結(jié)合面特性實(shí)例類;設(shè)計(jì)規(guī)則知識類可以再抽象為總體設(shè)計(jì)方案規(guī)則類、部件設(shè)計(jì)規(guī)則類和零件設(shè)計(jì)規(guī)則類。根據(jù)實(shí)際情況還可以在子類的基礎(chǔ)上再抽象子類的子類，然后根據(jù)情況具體化為對象。

在抽象成類的同時(shí)定義每一個(gè)知識類的屬性和類與類之間的聯(lián)系。用戶在定義類的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了知識類的屬性定義和屬性之間的關(guān)聯(lián)定義，從而實(shí)現(xiàn)了類之間的關(guān)系模型。

對象類的抽象結(jié)構(gòu)定義形式:

2.2 對機(jī)床設(shè)計(jì)知識類的管理

在將機(jī)床產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識抽象成類以后，可以采用樹形知識結(jié)構(gòu)來對這些類進(jìn)行管理。樹形結(jié)構(gòu)非常適合表達(dá)層次知識模型，這樣就可以清晰地表達(dá)出類與類以及類與對象之間的層次關(guān)系。

在樹形結(jié)構(gòu)中，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)表示一個(gè)類，知識節(jié)點(diǎn)之間存在明顯的分支和層次關(guān)系。如圖1機(jī)床設(shè)計(jì)知識分類所示，上層知識是對下層知識的概括和歸納，下層知識是對上層知識的細(xì)化、詳述及擴(kuò)展。樹形結(jié)構(gòu)一般具有以下幾個(gè)特點(diǎn):

(1)節(jié)點(diǎn)的層數(shù)可以是無限的;

(2)有1個(gè)或者幾個(gè)根節(jié)點(diǎn);

(3)每個(gè)根節(jié)點(diǎn)有大于或者等于0個(gè)子節(jié)點(diǎn);

(4)每個(gè)節(jié)點(diǎn)最多只有1個(gè)父節(jié)點(diǎn)，有大于或者等于0個(gè)子節(jié)點(diǎn)。

2.3 按照面向?qū)ο蟮姆椒▽?shí)現(xiàn)對機(jī)床設(shè)計(jì)知識的描述

數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)實(shí)例知識和規(guī)則知識運(yùn)用面向?qū)ο蟮谋硎痉椒梢悦枋鋈缦隆?/p>

(1)實(shí)例知識的表示

在面向?qū)ο蟮闹R庫中，可以描述如下:

實(shí)例知識:Object:＜Object Name＞＜Object ID＞＜CLASS＞＜ATTRIBUTE＞。以導(dǎo)軌知識為例，Object＜導(dǎo)軌LAH30EL＞＜Guideway008＞＜關(guān)鍵零部件＞＜生產(chǎn)廠家:HWIN……＞。

(2)規(guī)則知識的表示

在面向?qū)ο笾R庫中，單條規(guī)則主題由 IFTHEN兩個(gè)部分組成。IF部分為一組前提或狀態(tài)，THEN部分為若干結(jié)論或動作。規(guī)則的表示形式為:IF(前提1)＆(前提2)＆… THEN(結(jié)論1)＆(結(jié)論2)＆…。例如:IF(載荷大)＆(轉(zhuǎn)速低)THEN(選用滾子軸承)。

3 數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)知識庫系統(tǒng)的開發(fā)

知識庫研究的重點(diǎn)之一是根據(jù)數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)知識的特點(diǎn)及其表示方法來組織設(shè)計(jì)知識和經(jīng)驗(yàn)的存儲方法。為了有效地存儲數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)過程中使用的各種設(shè)計(jì)知識、方法和實(shí)例，采用面向?qū)ο蠼＜夹g(shù)和方法構(gòu)建知識表達(dá)模型，將面向?qū)ο竽Ｐ陀成涞疥P(guān)系數(shù)據(jù)庫中［2］，按照數(shù)據(jù)庫的組織策略組織實(shí)例庫和規(guī)則庫。

3.1 知識庫的結(jié)構(gòu)

數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)知識庫的層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)實(shí)例庫按照知識庫層次結(jié)構(gòu)的分類特點(diǎn)，分為機(jī)床系列實(shí)例庫、關(guān)鍵零部件實(shí)例庫、整機(jī)動態(tài)特性分析實(shí)例庫和機(jī)床結(jié)合面特性實(shí)例庫等。規(guī)則庫則由總體設(shè)計(jì)方案規(guī)則庫、部件設(shè)計(jì)規(guī)則庫、零件設(shè)計(jì)規(guī)則庫和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)庫等組成。

數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)知識的層次性結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了知識庫的層次結(jié)構(gòu)。為了更好地管理這些設(shè)計(jì)知識，本文采用元知識的方法(元知識是關(guān)于知識的知識)，建立元知識層(如圖2中第二層)，這樣既可以方便地管理知識庫中的知識，也便于知識的查詢。

3.2 知識庫系統(tǒng)的開發(fā)

在人與計(jì)算機(jī)交互進(jìn)行知識的處理時(shí)，必須有一個(gè)能對知識進(jìn)行系統(tǒng)化的組織與管理，能存儲、查詢和檢索知識，以及能對知識進(jìn)行增、減、刪、改的機(jī)制，這就是知識庫和知識庫的管理系統(tǒng)。知識庫管理系統(tǒng)是知識庫系統(tǒng)的核心部分，實(shí)現(xiàn)對知識庫的知識獲取、知識查詢、知識維護(hù)等功能。目前常用的知識庫管理的方式主要有文件管理方式、框架系統(tǒng)管理方式、借用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)方式以及專用知識庫管理系統(tǒng)?？紤]到將設(shè)計(jì)知識存入數(shù)據(jù)庫中，使用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對知識的管理是一種成熟且容易實(shí)現(xiàn)的方法，本文采用借用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的方式來開發(fā)知識庫管理系統(tǒng)。

知識庫系統(tǒng)的原理簡圖如圖3所示，按照面向?qū)ο蟮姆椒?，機(jī)床設(shè)計(jì)知識抽象成類，并定義每個(gè)類的屬性及類之間的關(guān)系，然后將其存儲到知識類的SQL數(shù)據(jù)庫中，用戶可以運(yùn)用ADO技術(shù)通過程序接口調(diào)用數(shù)據(jù)庫。知識庫管理系統(tǒng)界面用來向用戶展示規(guī)則知識和實(shí)例知識的具體內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)知識獲取、知識維護(hù)和知識查詢等功能。知識獲取有兩種形式:一是由知識庫管理系統(tǒng)直接輸入知識庫，二是由規(guī)則推理生成中間知識輸入知識庫中。知識維護(hù)主要實(shí)現(xiàn)對知識的刪除與更新，及時(shí)清除冗余知識，更新知識庫，是非常有必要的。為了保證知識庫中輸入知識的質(zhì)量，需要通過知識檢查技術(shù)對知識進(jìn)行校驗(yàn)。這里的知識檢查包括語法檢查、冗余性檢查和矛盾性檢查。知識查詢概括起來主要有兩種方式:精確查詢和模糊查詢。以設(shè)計(jì)流程知識查詢?yōu)槔?，既可以根?jù)知識名稱進(jìn)行精確查詢又可以根據(jù)關(guān)鍵詞、設(shè)計(jì)要求等進(jìn)行模糊查詢。知識庫管理系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了知識庫和推理系統(tǒng)的接口，這樣就很好地實(shí)現(xiàn)二者的分離，提高系統(tǒng)的性能。推理系統(tǒng)采用了先實(shí)例推理，再規(guī)則推理的集成機(jī)制［8－9］。

4 數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)知識庫的運(yùn)行實(shí)例

數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)知識庫管理系統(tǒng)是在SQL Server 2000和Visual Basic 6.0環(huán)境下開發(fā)的，能夠?qū)崿F(xiàn)知識添加、知識修改、知識刪除和知識查詢等管理功能。下面給出機(jī)床設(shè)計(jì)過程知識管理實(shí)例。

機(jī)床設(shè)計(jì)過程由總體方案設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)分析優(yōu)化、部件及機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和零件設(shè)計(jì)組成。以主軸部件知識管理為例，用戶可以通過知識維護(hù)界面(如圖4所示)實(shí)現(xiàn)主軸部件設(shè)計(jì)知識的添加、修改和刪除功能，其中用戶可以上傳設(shè)計(jì)知識相關(guān)的文件或工程圖，存儲于知識庫中。設(shè)計(jì)人員可以通過知識查詢界面查找設(shè)計(jì)需要的知識，方便快捷。知識查詢界面如圖5所示，設(shè)計(jì)人員既可以選擇精確查詢，根據(jù)知識名稱、關(guān)鍵詞和知識范疇精確查詢所需要的設(shè)計(jì)知識，也可以使用模糊查詢功能，輸入所需要的內(nèi)容進(jìn)行匹配查詢。查詢結(jié)果會顯示在界面的表中，使用者可以打開相應(yīng)的記錄查看，對更好更快地完成設(shè)計(jì)具有積極的意義。

5 結(jié)語

本課題研究與開發(fā)的數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)知識庫系統(tǒng)能夠應(yīng)用于一些規(guī)模較大的機(jī)床生產(chǎn)企業(yè)。該知識庫以樹狀的知識結(jié)構(gòu)清晰地組織了機(jī)床實(shí)例設(shè)計(jì)知識、關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)知識、動態(tài)特性分析知識、機(jī)床設(shè)計(jì)流程知識以及一些重要的設(shè)計(jì)規(guī)則知識和專家設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，能夠方便地查看知識分類信息，進(jìn)行全方位的知識檢索以及調(diào)用一些推理結(jié)果以輔助機(jī)床的設(shè)計(jì)。該知識庫系統(tǒng)依據(jù)機(jī)床企業(yè)設(shè)計(jì)人員的需求而設(shè)計(jì)，能夠快速地融入到企業(yè)的實(shí)際應(yīng)用中，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

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