一種支持整線定制設(shè)計的知識庫構(gòu)建方法

林貴祥，嚴都喜

（1.廣州秉優(yōu)信息科技有限公司，廣州 510006；2.廣東工業(yè)大學(xué)廣東省計算機集成制造重點實驗室，廣州 510006）

0 引言

生產(chǎn)線的前期設(shè)計工作都基于虛擬制造平臺和三維仿真軟件。目前整線的設(shè)計均是遵循分解訂單產(chǎn)品，通過工藝過程分析獲得整條生產(chǎn)線的設(shè)備選型，通過三維建模軟件來建立模型，繼而來編寫控制每個模型的腳本文件，再根據(jù)整線來設(shè)計路徑或存儲等算法，這前期工作的每個階段設(shè)計都需要花費很長時間，這就導(dǎo)致整個設(shè)計周期過長，開發(fā)效率低[1-3]。

生產(chǎn)線是生產(chǎn)商生產(chǎn)產(chǎn)品極其重要的組成部分。由于一般的生產(chǎn)線都比較復(fù)雜，具有不可預(yù)測且投資成本高等風(fēng)險，因此目前很多生產(chǎn)商對生產(chǎn)線的整線設(shè)計前期工作都基于各種三維動態(tài)仿真軟件來建立，通過這些仿真軟件建立起來的整線，可以清晰了解到整個生產(chǎn)線的運作狀況，評估整個系統(tǒng)的生產(chǎn)節(jié)拍，根據(jù)生產(chǎn)過程中可能出現(xiàn)的問題，及時修正[4-5]。這樣可以不斷完善設(shè)計方案，大大降低了生產(chǎn)成本和設(shè)計風(fēng)險。而目前用仿真軟件來建立一條定制的生產(chǎn)線，要求整線設(shè)計人員具備極高的技術(shù)水平和豐富的設(shè)計經(jīng)驗[6]。從初稿的給定，到整線設(shè)計出來，都需要花費較長一段時間。這就導(dǎo)致整個設(shè)計周期過長，開發(fā)效率低。

本文針對該問題，提出了一種支持整線定制設(shè)計知識庫的構(gòu)建方法，能夠解決整線開發(fā)設(shè)計時設(shè)計周期過長的問題。

1 知識庫構(gòu)建的基本框架

如圖1 所示，構(gòu)建的知識庫由模型庫、腳本庫、算法庫組成。由各行業(yè)中可能用到的各種設(shè)備模型組成模型庫，模型庫包括設(shè)備封裝、設(shè)備對象化、3D 模型（搭配基準/結(jié)構(gòu)）、裝配模型、簡化模型等。控制方案設(shè)計中的運動方式規(guī)則、動作運動軌跡、控制腳本編寫、控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、傳感器布局等組成腳本庫。一些常用優(yōu)化算法整合為算法庫[7]，包括數(shù)字化建模、耦合優(yōu)化算法、參數(shù)化等。當(dāng)有生產(chǎn)線需要定制設(shè)計時，通過工藝路線獲得設(shè)備選型后，便可以直接調(diào)用模型庫里的模型，模型根據(jù)要實現(xiàn)的邏輯動作配置腳本庫里的腳本文件，整線完成后調(diào)用算法庫里的優(yōu)化算法，從而實現(xiàn)整線設(shè)計中的智能優(yōu)化。

圖1 知識庫基本框架

算法庫中的控制邏輯、優(yōu)化方法寫入到腳本庫中，利用腳本完成對模型運動方式的控制。腳本實時反饋動作參數(shù)和變量，存儲到數(shù)據(jù)庫，輸出狀態(tài)信息，算法讀取狀態(tài)信息，自動更新算法，調(diào)整控制邏輯，實現(xiàn)控制方案的優(yōu)化設(shè)計，整個過程是一個閉環(huán)反饋過程，通過不斷迭代優(yōu)化，輸出最優(yōu)的定制設(shè)計控制方案。模型庫與腳本庫之間通過配置文件實現(xiàn)配置與修改，完成對設(shè)備模型的運動控制。

知識庫的構(gòu)建，涵蓋整線定制設(shè)計中的各個層次，能夠快速實現(xiàn)設(shè)計知識的復(fù)用，快速完成整線的布局設(shè)計、動作規(guī)劃、節(jié)拍設(shè)計、產(chǎn)線迭代優(yōu)化設(shè)計。

2 知識庫構(gòu)建方法

本文提出了一種支持整線定制設(shè)計知識庫的構(gòu)建方法，所述方法具體包括如下步驟。

（1）構(gòu)建模型庫，建立各種設(shè)備模型。根據(jù)設(shè)備的功能屬性，將設(shè)備分為加工設(shè)備類、物流設(shè)備類、控制設(shè)備類、輔助設(shè)備類等。利用三維建模軟件solidworks 給分類好的各種設(shè)備進行建模，對同一類但具有不同功能的設(shè)備應(yīng)分開建模。如磨邊機類型還分為雙邊磨邊機和四邊磨邊機。對三維模型進行簡化，詳細分析設(shè)備的功能動作，區(qū)分模型的動件與不動件，去除不影響該設(shè)備功能的零部件，減少模型所占內(nèi)存比，減輕仿真顯示引擎的負擔(dān)，利于模型在仿真軟件中的運行。建模后的設(shè)備按類模塊化，導(dǎo)入仿真軟件。設(shè)計者可以采用交互式從模型庫中選取需要的模型，設(shè)置模型的屬性參數(shù)并進行適當(dāng)調(diào)整。模型庫組成模塊如圖2 所示。

圖2 模型庫組成模塊

（2）為每個設(shè)備模型編寫控制該模型設(shè)備運動的腳本文件，構(gòu)建腳本庫。模型庫中模型的零部件要從靜態(tài)轉(zhuǎn)為動態(tài)，實現(xiàn)運動狀態(tài)，主要是由腳本文件來控制。在編寫腳本文件前分析各種設(shè)備模型要實現(xiàn)的動作，進行動作設(shè)計和動作規(guī)劃，分析設(shè)備模型的運動方式及運動參數(shù)[8]。比如機床工件的走刀方式、加工節(jié)拍、班次等。考慮設(shè)備與設(shè)備的聯(lián)系，考慮整線分段控制，段內(nèi)控制單元，工作單元的動作控制，其中包含自動化動作序列，復(fù)原動作等。工作單元之間的控制關(guān)系處理，段間控制關(guān)系處理。通過腳本Jscript 封裝設(shè)備運動動作，使用類方法，一般的動作包括直線運動，旋轉(zhuǎn)運動，往復(fù)運動，升降運動。

（3）編寫實現(xiàn)整線運行的優(yōu)化算法，構(gòu)建算法庫。根據(jù)生產(chǎn)線的單元配置及布局分配進行分類，分析各類生產(chǎn)線運行過程中要實現(xiàn)的優(yōu)化問題，對具體問題進行抽象，假設(shè)，簡化，從而將整線或單元模型抽象化、數(shù)字化，建立能有效解決問題的數(shù)學(xué)關(guān)系，將各類數(shù)學(xué)關(guān)系抽象成數(shù)學(xué)模型?；诟黝惓橄蟪鰜淼臄?shù)學(xué)模型，利用Java 開發(fā)環(huán)境研發(fā)不同生產(chǎn)線的算法。將各條生產(chǎn)線拆分，定制屬于生產(chǎn)線單元模塊的算法，如考慮緩沖策略，AGV（自動導(dǎo)向小車）運動策略，控制器控制策略，裝卸站的相關(guān)策略，機床相關(guān)策略，智能存庫等算法。封裝對象化研發(fā)出來的算法，封裝后的算法可供開發(fā)人員根據(jù)特定的生產(chǎn)線來選擇想要實現(xiàn)的算法，作為智能執(zhí)行引擎的內(nèi)核。

（4）模型庫與腳本庫的交互。根據(jù)特定整線選取合理的模型后，設(shè)置設(shè)備模型的屬性，運動參數(shù)包括運動速度、加速度、運動方向等參數(shù)。通過開發(fā)前置處理程序，生成生產(chǎn)線的規(guī)劃設(shè)計信息，如所選設(shè)備類型、數(shù)量、布局位置、朝向等，并按格式保存在相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中，利用系統(tǒng)的初始化程序讀取數(shù)據(jù)庫中的這些信息。根據(jù)數(shù)據(jù)庫讀取到的信息，通過相應(yīng)的配置文件與腳本庫里的腳本文件交互。

（5）腳本庫與算法庫的對接。封裝后的算法可以根據(jù)特定的生產(chǎn)線來選擇特定的算法。腳本庫中包含了設(shè)備模型的運動參數(shù)，運動狀態(tài)等參數(shù)信息，設(shè)備模型中傳感器采集現(xiàn)場信號，動件運動軌跡、與腳本庫進行實時交互，腳本庫將實時狀態(tài)信息通道，以反饋變量、參數(shù)的方式將狀態(tài)信息存放在狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，反饋到上層管控系統(tǒng)，共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，與算法引擎對接。各單元模塊的算法通過整合，統(tǒng)一整線的執(zhí)行邏輯關(guān)系，整合為整線的算法，執(zhí)行步驟（1）。

（6）通過模型庫、腳本庫、算法庫的相互交互和對接，整線初步設(shè)計完成。輸入生產(chǎn)數(shù)據(jù)后，根據(jù)整線的運行情況，分析仿真運行結(jié)果。

3 案例

根據(jù)本文提出的知識庫構(gòu)建方法，應(yīng)用于中空玻璃深加工產(chǎn)線，根據(jù)中空玻璃加工流程所涉及的工序，采用Solidworks 對各工序所應(yīng)用的設(shè)備進行建模，并導(dǎo)入仿真平臺，進行零部件動件和不動件區(qū)分及層次化處理，后對設(shè)備運行行為進行分析和腳本封裝，形成“幾何模型+控制邏輯”的智能設(shè)備模型，智能設(shè)備模型是專用模型庫和專用腳本庫針對具體設(shè)備對象相互映射的結(jié)果。對智能設(shè)備模型進行歸類，建立的專用設(shè)備庫，其在仿真平臺中呈現(xiàn)的方式如圖3 所示，包括切割機庫、網(wǎng)格倉儲架庫、磨邊機庫、輸送臺庫、鋼化爐庫、清洗機庫等。最終整線定制設(shè)計如圖4 所示。

圖3 專用庫結(jié)構(gòu)圖

圖4 整線定制設(shè)計

4 結(jié)束語

本文提出了一種支持整線定制設(shè)計知識庫的構(gòu)建方法，給出了構(gòu)建知識庫的設(shè)計框架和設(shè)計步驟。該方法能縮短前期設(shè)計中模型設(shè)備的二維構(gòu)圖、三維建模、腳本及算法編寫所耗費的時間。從而縮短整個設(shè)計周期，節(jié)約成本。