云環(huán)境下的刀具知識本體建模及應(yīng)用

段紹林，張?zhí)A，何二寶

（1.貴州師范大學(xué) 制造服務(wù)與知識工程技術(shù)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(chǎn)品全生命周期中，從事產(chǎn)品設(shè)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(xiàn)。另外，產(chǎn)品開發(fā)過程中的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計、零部件重用和修改，往往需要用到企業(yè)已有的經(jīng)驗、設(shè)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(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，與產(chǎn)品相關(guān)的各種知識成爆炸式的增長，形成了大數(shù)據(jù)環(huán)境下的海量知識。為了從大數(shù)據(jù)環(huán)境中獲取有用的知識并加以應(yīng)用，出現(xiàn)了制造領(lǐng)域的云計算，即云制造[3～5]。云制造是一種基于網(wǎng)絡(luò)的、面向服務(wù)的智慧化制造新模式，它能將各類知識虛擬化、服務(wù)化處理，并進(jìn)行統(tǒng)一、集中的優(yōu)化管理，用戶只能隨時隨地按需獲取各種知識及其服務(wù)，進(jìn)而將知識應(yīng)用到產(chǎn)品全生命周期的各類活動中[3]。云制造環(huán)境下的各種知識具有異構(gòu)性、分散性、動態(tài)性、自主性等特點，在應(yīng)用過程要求其滿足服務(wù)性、互動性、協(xié)同性、開放性和容錯性等需求[4]。因此，如何對云環(huán)境下的知識進(jìn)行建模，向用戶提供像使用水、煤、電一樣的知識服務(wù)，為產(chǎn)品全生命周期提供知識服務(wù)支持是一個需待解決的重要問題。

刀具作為一類機械產(chǎn)品，其對應(yīng)的產(chǎn)品全生命周期過程中各種知識處于大數(shù)據(jù)條件下的云環(huán)境中，如何對這些知識進(jìn)行建模并加以應(yīng)用，能提高刀具的改進(jìn)和創(chuàng)新設(shè)計、加工及服務(wù)等的質(zhì)量和效率。因此，如何對這類產(chǎn)品所涉及的知識進(jìn)行建模，構(gòu)建相應(yīng)的刀具知識庫，并提供給刀具企業(yè)進(jìn)行應(yīng)用顯得越來越重要。但是，到目前為止，關(guān)于刀具的研究，主要集中在刀具的結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)方面的建模[6～8]，而對刀具知識如何進(jìn)行建模并構(gòu)建相應(yīng)的知識庫，特別是云環(huán)境下的刀具知識建模及知識庫構(gòu)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(huán)境下的刀具知識進(jìn)行分類和本體建模，并構(gòu)建相應(yīng)的刀具知識庫，從而實現(xiàn)對刀具知識的集成與重用，縮短刀具的設(shè)計和生產(chǎn)周期，使企業(yè)能夠快速響應(yīng)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(shù)控刀具可從基本形式、結(jié)構(gòu)、制造材料、切削工藝、特殊要求等方面進(jìn)行分類。不同的分類體現(xiàn)了不同的加工需求。為了對刀具進(jìn)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(jìn)行分類（如圖1所示），以便在此基礎(chǔ)上進(jìn)行本體的構(gòu)建。

圖1 數(shù)控刀具分類圖

在刀具知識分類過程中，涉及到刀具設(shè)計過程中的材料選擇、幾何特征參數(shù)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(shù)的確定是最為關(guān)鍵的兩部分，這是刀具知識與其他產(chǎn)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(wěn)定性）與化學(xué)穩(wěn)定性、良好的熱物理性（導(dǎo)熱性）和耐沖擊性、良好的工藝性和經(jīng)濟性等；材料的選擇可根據(jù)用戶需求，選擇碳素工具鋼、合金工具鋼、高速鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷、金剛石、立方氮化硼等材料。

刀具幾何特征參數(shù)[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(zhì)量和加工成本的關(guān)鍵因素。刀具的幾何參數(shù)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(chǎn)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(jù)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(chǎn)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(zhuǎn)換和知識庫的構(gòu)建等任務(wù)，完成知識的組織和管理，為產(chǎn)品全生命周期提供優(yōu)質(zhì)的知識服務(wù)。在云環(huán)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(chǎn)品所各種幾何特征信息、材料相關(guān)信息等）、軟件資源（如刀具建模所需的各種軟件及其相關(guān)信息等）和知識資源（如刀具相關(guān)的各種文獻(xiàn)資料、專利、規(guī)范、設(shè)計手冊等），可采用各種傳感器、RFID標(biāo)簽、無線傳感網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)爬蟲、GPS等從這些軟硬件資源、知識資源中獲取相關(guān)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(jìn)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(shè)計與開發(fā)、制造及裝配、銷售及服務(wù)等過程的知識服務(wù)，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(huán)境下刀具知識的獲取過程

由于本體能對多、亂、散的各種產(chǎn)品知識進(jìn)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(jìn)行刀具知識本體的構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(gòu)建的描述語言。

2.2 刀具知識本體結(jié)構(gòu)的確定

本體是共享概念模型的明確的形式化規(guī)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(nèi)在關(guān)系。本文通過本體建模方法[13]對刀具知識中的概念間關(guān)系的構(gòu)建、細(xì)化、評估和維護等，建立起相應(yīng)的刀具知識本體結(jié)構(gòu)，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(gòu)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(gòu)建，這些組元包括本體標(biāo)識信息、刀具功能信息、刀具屬性信息和刀具服務(wù)信息組成。其中標(biāo)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(zhì)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(wù)信息由服務(wù)時間、服務(wù)價格組成。

圖3 刀具知識的本體結(jié)構(gòu)表示

2.3 刀具知識本體模型構(gòu)建

為對如圖3所示的刀具知識本體結(jié)構(gòu)進(jìn)行本體模型構(gòu)建，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)本體知識庫，本文采用斯坦福大學(xué)開發(fā)的本體建模工具Protégé 4.3，結(jié)合上文介紹的刀具產(chǎn)品知識和本體模型的構(gòu)建方法，構(gòu)建關(guān)于刀具產(chǎn)品知識的本體模型，如圖4（本體模型的表達(dá)）所示和圖5（與圖4相對應(yīng)的本體開發(fā)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(gòu)建過程中，為了消除本體內(nèi)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(jìn)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(jīng)嵌入了推理機（如FaCT++，HermiT），可在Protégé中直接推理檢驗操作，并在達(dá)到本體的正確性和一致性檢驗的基礎(chǔ)上，進(jìn)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(gòu)建的刀具知識本體模型為例，在對模型運用推理機進(jìn)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(yīng)用實例

某軍民兩用型企業(yè)是一個集刃具、量具、機床附件、工裝以及制冷行業(yè)中的各類家用空調(diào)、商用空調(diào)、汽車用空調(diào)壓縮機葉片、渦旋式壓縮機零部件、非標(biāo)設(shè)備制造、煤礦機械裝備等生產(chǎn)制造為一體的多元化經(jīng)營企業(yè)，其產(chǎn)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(yè)的核心產(chǎn)品，主要包括整體硬質(zhì)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(zhì)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(fù)雜刀具。為了利用刀具相關(guān)知識提高刀具的創(chuàng)新設(shè)計、改型設(shè)計能力、制造能力和服務(wù)能力等，企業(yè)一直希望對企業(yè)內(nèi)外的刀具知識進(jìn)行建模，并在此基礎(chǔ)之上建立企業(yè)的基于本體的刀具知識庫，為企業(yè)刀具全生命周期提供知識支持，從而提高企業(yè)的競爭力和快速反應(yīng)市場的能力。

因此，本文在對刀具知識本體建模的基礎(chǔ)上，在本體模型中對刀具的實例進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，如圖7的A圖中，分別對實例LatheTool01、LatheTool02、LatheTool03、LatheTool04和LatheTool05進(jìn)行了參數(shù)的設(shè)置。在設(shè)置參數(shù)之后，運用Java、Jena、Spring、iBaits、Struts、mysql等語言和技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建了一個刀具知識管理系統(tǒng)模型（如圖7中的B圖所示），并將上述實例的參數(shù)進(jìn)行解析后轉(zhuǎn)送到該刀具知識庫系統(tǒng)中進(jìn)行保存，同時將與該實例參數(shù)對應(yīng)的CAD系統(tǒng)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(shù)和CAD模型與實例之間的關(guān)聯(lián)關(guān)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(fā)、制造及服務(wù)人員等提供知識服務(wù)支持。

圖7 基于本體的刀具知識庫及應(yīng)用

4 結(jié)束語

知識集成與重用能縮短刀具的設(shè)計和生產(chǎn)周期，提高企業(yè)響應(yīng)市場的速度。為了更好地進(jìn)行刀具知識的集成與重用，本文根據(jù)云環(huán)境下刀具產(chǎn)品的分類方法，借助刀具產(chǎn)品分類結(jié)構(gòu)進(jìn)行對刀具知識進(jìn)行分類，對云環(huán)境下的刀具知識的感知與獲取、本體建模及知識庫構(gòu)建、產(chǎn)品全生命周期應(yīng)用等階段進(jìn)行描述。采用OWL本體建模語言，對云環(huán)境下已分類的刀具知識進(jìn)行本體建模和一致性驗證，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建相應(yīng)的刀具知識庫。最后，通過實例進(jìn)行應(yīng)用驗證說明。

本文對云環(huán)境下的刀具知識進(jìn)行本體建模研究，并將其應(yīng)用到刀具生產(chǎn)企業(yè)中。但對云環(huán)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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