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机床大讲堂第61讲—— 基于CBR和RBR的再制造零件修复工艺智能决策系统(一)

《制造技术与机床》杂志创刊于1951年,是我国机械工业科技期刊中创刊早、发行量大、影响面广的刊物之一,拥有广泛、专业的读者群体。本刊属中文核心期刊,中国科技论文统计用刊和《中国学术期刊文摘》摘录用期刊。




基于CBR和RBR的再制造零件修复工艺智能决策系统(一)

导读
  考虑再制造零件特征信息和工艺知识,采用CBR和RBR相结合的推理方法,构建了再制造零件修复工艺智能决策方法与模型,分析了再制造工艺知识、实例表达、实例组织与索引、规则表达与推理等过程。通过Java开发平台,采用B/S模式开发了智能决策系统原型,并以液压缸的再制造为例验证了该工艺智能决策模型的有效性与可行性,提高了再制造零件修复工艺智能决策的效率与准确性。

  随着我国经济的快速发展,资源与环境问题日益成为社会关注的焦点。再制造以产品使用报废的后半生资源最优化循环利用为目标,结合先进工程技术而进行的资源再利用、再生产的活动,其节约成本50%、节能60%、节材70%,并能够充分利用废旧产品中的价值,是解决资源与环境问题的有效途径。再制造工艺决策对于再制造过程效率、质量、成本、资源利用率等具有重要影响,相关学者对再制造工艺方面作了一定的研究。例如,李成川等考虑废旧机电产品再制造拆卸、分类、清洗、检测、再制造加工等过程,对再制造工艺路线展开了系统性的研究;陈伟达等建立一个自适应模糊推理系统对产品拆卸成本、最优拆卸序列等拆卸工艺进行了研究;张晶等采用面向对象的着色petri网对再制造生产资源建立OCPN模型来完成再制造加工对象工艺设计过程;文献从工艺知识的角度对再制造工艺知识进行分类并设计出满足企业需求的工艺知识管理系统;李成川等根据再制造工艺加工的特点及现有工艺方案获取的不足,运用多色集合理论建立了再制造工艺加工仿真模型;柳和生等通过对再制造系统工艺路线的不确定性问题,建立一种基于图形评审技术的再制造工艺路线模型。这些文献分别从再制造工艺系统性规划、具体拆卸工艺、工艺资源与设计、工艺知识、工艺仿真及路线等方面对再制造工艺问题作了一定探讨,但都未涉及针对再制造对象的失效特征信息、零部件特征及历史工艺案例来进行再制造工艺决策的研究。事实上,由于再制造零部件在失效特征、零部件特征及历史信息等方面存在一定差异性,即使有着相同失效模式的同一零件,其修复工艺方案也可能不同,从而使得再制造零件修复工艺具有一定的不确定性与案例性。随着再制造工程实践的规模化与推广应用,如何降低工艺决策对工艺人员经验的依赖,快速准确地为不同废旧再制造零部件制定合适的修复工艺方案成为再制造工艺决策研究的重点与难点之一。

  随着实例推理CBR(Case Based Reasoning)和规则推理RBR(Rule Based Reasoning)技术的发展,其在智能决策方面有较多的研究与应用,但从其研究领域与成果来看,尚未涉及再制造零件工艺决策的研究与应用。由于再制造零件修复工艺的不确定性,使得其知识规则提取困难,规则之间的冲突及组合爆炸问题难以规避,而引入实例推理,通过建立实例库储存各具体工艺情况下的工艺实例,可以有效解决再制造工艺知识规则提取困难及不确定性的问题。与此同时,实例推理虽然能够学习并存储再制造过程中的成功工艺实例,但也不可能覆盖再制造零件修复工艺领域全部问题及某些工艺局部差异性问题,此时,引入的规则推理则可以更好地解决这些实际工艺及差异性问题。因此,本文通过CBR与RBR的结合,发挥二者优势,弥补各自缺点,探讨再制造零件修复工艺智能决策方法与模型,提高再制造零件修复工艺决策效率和准确性。

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基于CBR和RBR的修复工艺智能决策系统

  再制造零件修复工艺智能决策系统利用人工智能专家技术,采用基于CBR和RBR相结合的混合推理方法,针对输入的再制造零件新的工艺问题,通过对修复工艺历史实例的检索和规则推理,快速准确地形成再制造零件修复工艺方案,提高再制造零件修复工艺决策的效率与准确性。基于CBR和RBR的再制造零件修复工艺智能决策过程模型如图1所示。

1.1 再制造工艺知识

  再制造工艺知识是再制造过程中涉及的与工艺有关的一系列知识。再制造零部件在全生命周期中因工作环境、零部件更换情况、失效模式、失效部位等的不同,导致其修复工艺存在一定的差异性与不确定性,并且对不同形式的特征失效有不同的修复工艺方法,因而再制造工艺知识具有较强的经验性。根据再制造过程中工艺知识存在的特征,再制造工艺知识主要以以下形式存在:(a)结构化形式:如ERP系统、CAPP系统、DFM系统、工艺定额管理系统等系统中的数据库及关系表;(b)文档形式:如以Word文档、Excel文档、AutoCAD、Xml文本等格式存在的工艺卡片、技术文件、工艺规章图纸;(c)网页资源的形式:如各种工艺相关知识网站与Web资源等;(d)隐性知识的形式:如操作工人的经验技能、头脑中的意识与想法等。

  再制造工艺知识数据库为再制造工艺过程决策提供底层数据支撑,包括为再制造知识库、规则库及工艺实例库等提供底层数据源。与再制造工艺相关的信息包括零件历史信息、零件特征信息、失效模式、失效部位、失效程度、修复工艺、设备工装信息等。本文结合再制造工艺知识存在的形式及工艺实例表达,对再制造零部件工艺知识数据库进行设计,其属性关系及主要数据库表如图2。

1.2 工艺实例表达与组织

  再制造工艺实例库模块是再制造零件修复工艺智能决策的重要组成部分,其目的是将已存在的成功的再制造零件修复工艺实例记录为计算机可识别利用的数据结构。工艺实例库由众多的再制造零件工艺实例组成,定义工艺子实例可以选择实例库中已存储的实例为父实例,父子实例之间可以建立继承关系,子实例可以继承父实例的部分特征信息,工艺子实例采用面向对象的方式组成。一个再制造零件修复工艺实例表达了再制造加工过程中涉及的一系列信息,主要包括再制造零部件基本属性描述、工艺实例问题的属性描述、工艺问题的解决方案3部分。再制造零件基本属性描述根据具体零部件特征及结构来记录,包括零件名称,零件类型、材料类别、材料牌号、材料硬度、表面粗糙度、直线度等特征属性;工艺实例问题描述则涉及对废旧零部件失效信息的描述、技术加工要求、工艺约束条件等,例如再制造零件失效部位、失效模式、失效程度、配合精度要求、磨削余量、波纹度、最大相邻误差等;工艺问题的解决方案主要包括再制造零部件在修复工艺过程中所涉及的工序信息、设备信息、加工参数等,例如工序号、工序名称、工序内容、设备型号、设备参数性能设置、加工技术规范与标准等具体修复工艺方案。因此,结合再制造工艺实例表达特征及要求,可以将再制造零件工艺实例表述为一个四元组集合:

  再制造零件修复工艺实例在实例库中以一定的组织结构存储在计算机中,而工艺实例库的组织结构直接影响着实例推理运行的绩效和解决新工艺问题的能力。实例库的组织方式主要有平面组织、网络组织、聚簇组织、分层组织等几种方式。为了有效地存储工艺实例,考虑再制造零件工艺实例的特征和检索的需要,通过对工艺实例库进行组织、整理。本文根据再制造修复工艺实例的特性及要求,提出如图3所示的工艺实例的组织方式。

未完待续,下期放送

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