云環境下的刀具知識本體建模及應用

段紹林，張太華，何二寶

（1.貴州師范大學 制造服務與知識工程技術工程中心，貴陽 550014；2.貴陽市機械與控制仿真重點實驗室，貴陽 550014）

0 引言

在產品全生命周期中，從事產品設計、制造、銷售和維護活動的人員要能夠及時獲取所需要的信息，保證合適的人在合適的時間能訪問到合適的信息[1]，即對知識獲取需求的實現。另外，產品開發過程中的產品創新設計、零部件重用和修改，往往需要用到企業已有的經驗、設計知識、實例知識等，即對知識重用提出了新的需求[2]。

近年來，隨著信息技術和網絡技術的發展，與產品相關的各種知識成爆炸式的增長，形成了大數據環境下的海量知識。為了從大數據環境中獲取有用的知識并加以應用，出現了制造領域的云計算，即云制造[3～5]。云制造是一種基于網絡的、面向服務的智慧化制造新模式，它能將各類知識虛擬化、服務化處理，并進行統一、集中的優化管理，用戶只能隨時隨地按需獲取各種知識及其服務，進而將知識應用到產品全生命周期的各類活動中[3]。云制造環境下的各種知識具有異構性、分散性、動態性、自主性等特點，在應用過程要求其滿足服務性、互動性、協同性、開放性和容錯性等需求[4]。因此，如何對云環境下的知識進行建模，向用戶提供像使用水、煤、電一樣的知識服務，為產品全生命周期提供知識服務支持是一個需待解決的重要問題。

刀具作為一類機械產品，其對應的產品全生命周期過程中各種知識處于大數據條件下的云環境中，如何對這些知識進行建模并加以應用，能提高刀具的改進和創新設計、加工及服務等的質量和效率。因此，如何對這類產品所涉及的知識進行建模，構建相應的刀具知識庫，并提供給刀具企業進行應用顯得越來越重要。但是，到目前為止，關于刀具的研究，主要集中在刀具的結構和幾何參數方面的建模[6～8]，而對刀具知識如何進行建模并構建相應的知識庫，特別是云環境下的刀具知識建模及知識庫構建，目前還沒有具體的研究實例。因此，本文擬采用OWL（Web Ontology Language）本體建模語言，對云環境下的刀具知識進行分類和本體建模，并構建相應的刀具知識庫，從而實現對刀具知識的集成與重用，縮短刀具的設計和生產周期，使企業能夠快速響應市場的需求。

1 刀具知識分類及獲取過程

1.1 刀具知識分類

數控刀具可從基本形式、結構、制造材料、切削工藝、特殊要求等方面進行分類。不同的分類體現了不同的加工需求。為了對刀具進行本體建模，提高刀具知識的通用性，本文選用刀具的基本形式進行分類（如圖1所示），以便在此基礎上進行本體的構建。

圖1 數控刀具分類圖

在刀具知識分類過程中，涉及到刀具設計過程中的材料選擇、幾何特征參數的確定、加工工藝制定、加工等方面的知識，其中材料選擇和幾何特征參數的確定是最為關鍵的兩部分，這是刀具知識與其他產品知識差別所在。

刀具材料的選擇要求滿足以下性能：高的硬度和耐磨性、足夠的強度和韌性、高的耐熱性（熱穩定性）與化學穩定性、良好的熱物理性（導熱性）和耐沖擊性、良好的工藝性和經濟性等；材料的選擇可根據用戶需求，選擇碳素工具鋼、合金工具鋼、高速鋼、硬質合金、陶瓷、金剛石、立方氮化硼等材料。

刀具幾何特征參數[9]的選擇對切削變形、切削力、切削溫度、刀具壽命等有顯著的影響，是影響加工質量和加工成本的關鍵因素。刀具的幾何參數主要包括：前角、后角、主偏角、副偏角、刀尖形狀、刃傾角。前角的選取對切削刃強度、刀具磨損會產生影響；合理的后角能夠減小刀面與工件的接觸面積，減小后刀面磨損，影響刀尖圓弧半徑、切削刃強度、散熱條件和刀具的耐用度；主偏角的選擇會影響切削分力、切削刃的工作長度、切削厚度、殘余面積和散熱條件；副偏角的選擇影響刀尖強度、散熱條件和耐用度等；刀尖形狀可根據用戶需求選擇圓弧過渡刃或者直線形過渡刃；刃傾角的選擇對切屑的流出方向、刀尖的強度、切削刃上受沖擊力、刀刃的鋒利程度和切削分力大小生產影響。

1.2 刀具知識的獲取過程

知識獲取是通過對知識信息的抽取、知識建模與轉換和知識庫的構建等任務，完成知識的組織和管理，為產品全生命周期提供優質的知識服務。在云環境中，存在著各種刀具知識資源，包括刀具的硬件知識資源（如刀具產品所各種幾何特征信息、材料相關信息等）、軟件資源（如刀具建模所需的各種軟件及其相關信息等）和知識資源（如刀具相關的各種文獻資料、專利、規范、設計手冊等），可采用各種傳感器、RFID標簽、無線傳感網絡、網絡爬蟲、GPS等從這些軟硬件資源、知識資源中獲取相關的刀具知識信息，然后通過OWL本體建模工具對這些知識信息進行本體建模和處理，形成刀具OWL本體，并將其存儲到刀具知識庫中，最后通過刀具知識庫提供給刀具設計與開發、制造及裝配、銷售及服務等過程的知識服務，其過程如圖2所示。

2 刀具知識本體建模

2.1 本體建模語言的選取

圖2 云環境下刀具知識的獲取過程

由于本體能對多、亂、散的各種產品知識進行組織和管理，并有利于知識的共享、重用和維護[10]。為此，本文采用本體進行刀具知識本體的構建。目前的本體建模語言比較多（如OWL、RDF、RDFS、OIL、DAML+OIL等）[11]，但與其他本體建模語言相比，OWL是基于語義Web的標準語言，從描述能力、推理能力、可擴展性等方面比其他本體建模語言好，并能為用戶進行知識共享和重用提供透明訪問和互操作。因此，在本文中選取OWL作為刀具知識本體構建的描述語言。

2.2 刀具知識本體結構的確定

本體是共享概念模型的明確的形式化規范說明[12]，通過類、實例和屬性來描述知識中概念間的各種內在關系。本文通過本體建模方法[13]對刀具知識中的概念間關系的構建、細化、評估和維護等，建立起相應的刀具知識本體結構，如圖3所示。在圖3中，刀具知識本體由表面加工刀具知識本體、孔加工刀具知識本體、螺紋加工刀具知識本體、齒輪加工刀具知識本體、切斷刀具知識本體構建成。而具體的刀具知識本體（例如，螺紋銑刀知識本體）由多個組元構建，這些組元包括本體標識信息、刀具功能信息、刀具屬性信息和刀具服務信息組成。其中標識信息由本體名稱和本體URI組成；屬性信息由零件重量、零件尺寸、加工精度和表面質量組成；功能信息由加工方法、材料選擇、毛坯類型、幾何特征組成，服務信息由服務時間、服務價格組成。

圖3 刀具知識的本體結構表示

2.3 刀具知識本體模型構建

為對如圖3所示的刀具知識本體結構進行本體模型構建，并在此基礎上開發本體知識庫，本文采用斯坦福大學開發的本體建模工具Protégé 4.3，結合上文介紹的刀具產品知識和本體模型的構建方法，構建關于刀具產品知識的本體模型，如圖4（本體模型的表達）所示和圖5（與圖4相對應的本體開發代碼的片段）所示。同時，為了驗證刀具本體模型的一致性。

圖4 刀具知識本體模型

圖5 部分代碼片段

2.4 刀具知識本體模型推理

在刀具知識本體的構建過程中，為了消除本體內的存在的語義沖突，驗證刀具知識的正確性和一致性，需要采用合適的推理機對進行推理檢驗，合格證知識的正確性和一致性要求。

由于本體建模工具Protégé已經嵌入了推理機（如FaCT++，HermiT），可在Protégé中直接推理檢驗操作，并在達到本體的正確性和一致性檢驗的基礎上，進一步查詢對象的直接父類、等價類、直接子類、子類和實例等。例如，以構建的刀具知識本體模型為例，在對模型運用推理機進行推理后，在查詢“OutsideProcessingTool”類時，可以得到其直接父類為“NCTool”，其直接子類為“ExternalBroach”、“FileTool”、“LatheTool” 、“MillingTool”、“PlanerTool”等，如圖6所示。

圖6 刀具知識本體正確性和一致性推理過程

3 應用實例

某軍民兩用型企業是一個集刃具、量具、機床附件、工裝以及制冷行業中的各類家用空調、商用空調、汽車用空調壓縮機葉片、渦旋式壓縮機零部件、非標設備制造、煤礦機械裝備等生產制造為一體的多元化經營企業，其產品主要出口美國、日本、韓國、德國、丹麥等國家。其中刀具是該企業的核心產品，主要包括整體硬質合金刀具和工具，前者即為高精度、高效率、高可靠性的整體硬質合金銑削刀具和孔加工刀具；后者即為各種銑制、全磨制、半磨制高速鋼立銑刀及復雜刀具。為了利用刀具相關知識提高刀具的創新設計、改型設計能力、制造能力和服務能力等，企業一直希望對企業內外的刀具知識進行建模，并在此基礎之上建立企業的基于本體的刀具知識庫，為企業刀具全生命周期提供知識支持，從而提高企業的競爭力和快速反應市場的能力。

因此，本文在對刀具知識本體建模的基礎上，在本體模型中對刀具的實例進行參數設置，如圖7的A圖中，分別對實例LatheTool01、LatheTool02、LatheTool03、LatheTool04和LatheTool05進行了參數的設置。在設置參數之后，運用Java、Jena、Spring、iBaits、Struts、mysql等語言和技術相結合，構建了一個刀具知識管理系統模型（如圖7中的B圖所示），并將上述實例的參數進行解析后轉送到該刀具知識庫系統中進行保存，同時將與該實例參數對應的CAD系統的CAD模型（如圖7中的C圖所示）也存入到刀具知識庫中，并在刀具知識庫中建立實例參數和CAD模型與實例之間的關聯關系。這樣，就在刀具知識庫中存儲了各種刀具具體實例的知識，為刀具開發、制造及服務人員等提供知識服務支持。

圖7 基于本體的刀具知識庫及應用

4 結束語

知識集成與重用能縮短刀具的設計和生產周期，提高企業響應市場的速度。為了更好地進行刀具知識的集成與重用，本文根據云環境下刀具產品的分類方法，借助刀具產品分類結構進行對刀具知識進行分類，對云環境下的刀具知識的感知與獲取、本體建模及知識庫構建、產品全生命周期應用等階段進行描述。采用OWL本體建模語言，對云環境下已分類的刀具知識進行本體建模和一致性驗證，并在此基礎上構建相應的刀具知識庫。最后，通過實例進行應用驗證說明。

本文對云環境下的刀具知識進行本體建模研究，并將其應用到刀具生產企業中。但對云環境下刀具知識的感知與獲取、知識安全等問題考慮得較少，這是我們下一步的研究重點。

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