智能工厂一个最主要特征是“机器管理机器”。它除了要求生产制造系统的柔性、经营管理的柔性以外，首先是生产过程的智能化设计。这必须在型号产品的研制生产环节注重知识库和专家经验积累，不断提高研制生产的效率、质量和设计水平，因此，建设设计知识库和专家系统势在必行。

（1）总体架构。

通用的专家系统是一类具有专门知识和经验的计算机智能程序系统，通过对人类专家的问题求解能力的建模，采用人工智能中知识工程师的知识表示和知识推理技术来解决通常由专家才能解决的复杂问题，达到具有与专家同等解决问题能力的水平。这种基于知识的系统设计方法是以知识库和推理机为中心而展开的，即专家系统=知识库+推理机。一个通用的专家系统结构如图6.1-14所示。

图6.1-14　专家系统结构

①知识获取。

帮助企业获取、转化、构建、保存与产品设计有关的各种知识、标准、模型、经验等。它是把问题求解的各种专门知识从技术人员的头脑中或其他知识源那里，转换到知识库中的一个重要机构，是隐性知识显性化、个人知识企业化的重要步骤。

②知识库。

知识库是问题求解所需要的领域知识的集合。知识的表示形式，可以是多种多样的，包括模型、标准、框架、规则、语义网络等。知识库中的知识源于企业的各种标准，专家的知识、经验、规则，是决定专家系统能力的关键，即知识库中知识的质量和数量决定着专家系统的质量水平。知识库是专家系统的核心组成部分。

设计知识库包括标准与规范，即产品研发中需要遵循的约定和要求，如国家标准、行业标准、企业标准。基于模型定义的设计国家颁布了《数字化产品定义数据通则》（GB/T24734.（1-11）-2009），一共包括11个部分：术语和定义、数据集识别与控制、数据集要求、设计模型要求、产品定义数据通用要求、几何模型特征规范、注释要求、模型数值与尺寸要求、基准的应用、几何公差的应用和模型几何细节层次。

在企业产品系列化、模块化、标准化基础上，构建产品设计模板库、国家标准零部件库外购配套件库等可重用库，实现产品零部件的快速重用，以最少的零部件，满足众多客户个性化的需求。

设计计算知识库包括：典型的CAE分析流程、分析规范模块，多学科、多物理场的求解器，如结构分析、流体分析、温度场分析、震动分析等。

产品配置知识库包括：建立产品基准库、选用装置库、标准模块库、专用模块库与相似零部件库等。支持多种产品配置规则的定义，包括选装、互换、替换、组合、冲突等，能够自动检查规则的有效性、正确性。

工艺设计知识库：包括典型工艺流程库、工艺规则库、工艺内容知识库、工艺参数库、工艺装备知识库（包括加工装备、模具、夹具、刀具、量具等），用于各种工艺文件的生成。

③推理机。

推理机是实施问题求解的核心执行机构，它实际上是对知识进行解释的程序，根据知识的语义，对按一定策略找到的知识进行解释执行，并把结果记录到动态库的适当空间中。如产品研发设计中的过程向导的应用，总结企业产品开发的实际经验和流程，调用知识库中的知识，通过过程导向工具，一步一步引导产品研发人员快速完成设计。

推理机中的产品配置管理（Product Configuration Management）是在设计工作中最有效、常用的工具，是基于专家系统设计的重要组成部分。产品配置管理有几种名称：在军工领域叫产品技术状态管理或构型管理，在民品工业叫产品配置管理。

产品配置管理以物料清单为核心进行组织，把定义最终产品的所有工程数据包括几何模型信息、版本、分析结果、技术说明、工艺文件、合同订单与质量文件和文档联系起来，实现对产品数据的组织、控制和管理。

产品配置管理是一套支持多种产品配置规则的定义，包括选装、互换、替换、组合、冲突等，能够自动检查规则的有效性、正确性。

④综合数据库。

也称为动态库或工作存储器，是反映当前问题求解状态的集合，用于存放系统运行过程中所产生的所有信息，以及所需要的原始数据，包括用户输入的信息、推理的中间结果、推理过程的记录等。

⑤解释器。

用于对求解过程做出说明，并回答需求提问。两个最基本的问题是why和how。解释机制涉及程序的透明性，它让需求理解程序正在做什么和为什么这样做，向需求提供了关于系统的一个认识窗口。

（2）基于专家系统的新型号产品设计。

在前面章节，我们提到，为提高知识共享，在知识库中储存了大量的设计标准、规范，产品系列化、模块化，以及标准化的可重用零部件库、模板库、案例库、过程导向库等设计知识。设计人员要充分利用这些知识进行新产品的设计，最大限度地利用原有的知识，以最少的零部件、配套件、原材料满足新型号产品的要求，缩短产品开发时间，减少采购成本、生产成本和管理成本。如图6.1-15所示是基于专家系统的新产品设计流程。

图6.1-15　基于专家系统的新产品设计流程

当设计人员接到一个新产品设计任务时，首先就要从知识库中寻找与其最相似的案例。分析这个案例与客户需求不同的部分，找出需要修改设计的部件、零件、配套件、材料、技术条件等设计任务。在所选案例之外，从知识库中查找可用的标准、规范、标准件及模板，既可以直接选用，也可以在专业零件设计导向的引导下进行修改设计。经过设计评审，输出基于模型的设计图和设计文档。

当然这不是设计的结束，必要时还要进行设计的分析计算及模拟仿真，对设计进行验证。

（3）基于专家系统的构型（配置）设计。

对于产品系列化、模块化、标准化做得好的企业，我们可以采用构型管理的方法进行产品需求化的设计。

产品构型管理以产品结构管理（BOM）为核心，把定义最终产品的所有工程数据包括几何模型信息、版本、分析结果、技术说明、工艺文件、合同订单及质量文件和文档联系起来，实现对产品数据的组织、控制和管理，并在一定目标、参数、规则的约束下，满足需求化服务的要求。

构型管理由产品结构管理、构型项定义、构型有效性管理、构型基线管理、工程变更管理等组成。

①产品结构管理。

构型管理的核心是产品结构管理。在产品系列化、模块化的基础上，为了便于产品构型，首先需要建立通用产品结构GPS（Generic Prod Structue），或称为平台结构，实际的物料清单分为若干层，但按照构型的属性我们一般将产品结构分为三层：顶层、构型层、底层，如图6.1-16所示。

图6.1-16　产品结构层次的划分

顶层用来组织、建立、管理复杂产品的结构，通过顶层结构的分类可以迅速导航、查找到底层的零部件。顶层结构基本不变。

构型层是构型管理的主要层级，通过可构型项的建立，实现产品的配置、有效性管理和变更控制。对于顶层来说，这一层级的可构型项构成了顶层产品结构的管理节点。对于底层而言，它向下挂接了技术方案，也就是产品的装配和零部件。

底层是构型项挂接的技术方案，主要由构成产品零部件的各种模型和图档组成。这一层为工程管理层。

产品结构的设计需遵照下列原则：变化最少，将可变部分和不变部分分开；在连接方式上，分为顶层、构型层和底层三层，每个层级分不同的子层级。

②构型项定义。

构型项（Configuration Item）的定义和管理是产品结构管理的核心。构型项是一个产品结构中的主要组件，为最终产品提供重要的功能。构型项的指定过程是把规范分解到项目，从而进行分别研制的一种实用方法。所指定的构型项可以标注其组件的变更有效性。构型项的确定主要在产品需求分析和分解中进行，以形成最初的产品结构。(www.daowen.com)

构型项的指定与供应链中的位置有关，一般把供应商的最高层、最终产品作为构型项。构型项的数量多少与产品的复杂度有关，也与系统集成度有关。构型项不能选择太多，否则会使得构型非常复杂。构型项也不能太少，否则会减少向下层的有效分解。

③构型有效性管理。

构型管理过程中，产品零部件管理的有效性是通过两个层级来管理的：顶层产品结构通过对构型项的选配，用构型项来管理构型，构型层的设计方案用来管理有效性。产品构型用来在产品规划设计阶段定义产品顶层结构。对于不同的产品选配都有一个产品构型与之对应。任何一个产品的产品结构都有一个唯一的产品构型相对应，以保证构型的有效性，复杂产品的批次最终是通过对构型项的选配来完成的。

④构型基线管理。

在构型管理中，构型基线是在重大里程碑处或特定的时间点处，通过定义和记录批准的构型文件而建立的确定的参考构型。它是经确认的作为后续研制和生产活动基础的状态，通过正式批准发放和控制的技术文件、规范、图样或数据体现，是经过一系列的评审建立起来的。构型基线主要包括功能基线、分配基线、产品基线三条基线。这些基线建立后，基线文件也相应获得批准，因此，这些文件均需要开始就有严格控制和管理。不同的基线，其基线文件的构型控制流程、审批人员、级别、周期是不同的，需要根据基线文件的重要程度，更改影响范围进行有效管理。

⑤工程变更管理。

对于产品的变更要考虑产品的安全、性能、功能、可靠性、维护、重量、互换性、客户的技术要求、供应商等因素。在变更管理中，变更的原则是影响装配、外形和功能的零部件直接换号，否则零部件的编号不变直接提升版本号。

基于专家系统的构型设计流程如图6.1-17所示。根据客户需求和构型设计任务，在产品构型器的交换屏幕上输入产品型号、特征、参数、选配要求，系统找到通用产品结构（平台）。运行该产品的产品构型规则包括选装、互换、替换、组合、冲突等，经过逻辑运算“IF-AND-ORNOT”，生成客户化的物料清单。进行合规性和有效性的检查，输出精确的客户物料清单和有关的几何模型信息、版本、分析结果、技术说明、工艺文件等。

图6.1-17　基于专家系统的构型设计流程

产品构型管理极大地提高了大规模客户定制化的设计效率，提高零部件和物料的可重用性，降低了生产成本和管理成本。其技术难点一是通用产品结构建立的合理性和完整性，二是构型规则设计的正确性和严谨性。

（4）基于专家系统的工艺设计。

工艺设计是链接产品设计与生产制造的桥梁。工艺文件设计质量的好坏直接影响产品的质量、加工的效率、安全、环保等。工艺设计分为4个层级，它们构成了工艺结构树，如图6.1-18所示。

图6.1-18　工艺结构树

图6.1-18中的总工艺，也称工艺分配表，将零件工艺分配到车间，例如备料—锻造—机加—热处理—装配等。工艺路线描述零件在某车间内部的加工工序，如车加工—铣加工—热处理—磨削。工序是在一个机床上完成的作业内容。工步是在一个工序中分的若干步骤。

计算机辅助工艺过程设计（Computer Aided Process Planning，CAPP）是指借助于计算机软硬件技术和工艺知识库、工艺设计专家系统，利用计算机进行数值计算、逻辑判断和推理等的功能来制定零件加工的总工艺过程、零件加工工艺路线和工艺卡的制作。借助于CAPP系统，可以解决手工工艺设计效率低、一致性差、质量不稳定、不易达到优化等问题，也是利用计算机技术辅助工艺师完成零件从毛坯到成品的工艺设计和制造过程。

计算机辅助工艺过程设计通常有以下3种方式。

——检索式工艺过程设计系统。这是针对标准工艺的，将设计好的零件标准工艺进行编号，存储在计算机中，当制定某零件的工艺过程时，可根据输入的零件信息进行搜索，查找合适的标准工艺。

——派生式工艺过程设计。就是利用零件的相似性原理，认为特征相似的零件具有相似的工艺过程。最典型的零件特征相似性表达是零件的成组工艺编码。通过检索相似典型零件的工艺过程，加以增删或编辑而派生一个新零件的工艺过程。

——基于专家系统的工艺设计。随着基于模型定义MBD/MBE技术的深入应用，对工艺设计产生重大影响，真正开启三维工艺设计的时代。MBD/MBE技术将三维产品制造信息与三维设计信息共同定义到产品的三维数模中，舍弃二维图样，直接使用三维标注模型作为制造依据，使工程技术人员从二维设计中解放出来，实现了产品设计与工艺设计、工装设计、零件加工、部件装配、零部件检测检验的高度集成、协同和融合，加上工艺设计的知识库和专家系统，使工艺设计实现智能化。

传统二维工艺设计存在以下问题。

——二维工艺系统的工艺卡片主要以二维简图和描述信息表达为主，对于稍微复杂的工艺，这种表达方式很难进行清晰、直观、有效的表达，增大了生产制造环节出错的概率，影响产品的质量。

——对于特征标注较多的产品，二维图纸难以全面地表达设计信息，经常出现标注遗漏的情况，增加工艺规划的难度和出错概率，并缺少进行工艺验证的手段，经常在制造阶段才发现工艺设计存在缺陷，拖延了产品交付进度。

——二维图纸无法有效地利用现代的电子样机技术对产品进行虚拟仿真，更无法清晰流畅地进行各种性能分析，无法在工艺规划阶段消除问题，导致问题出现在后续的生产制造环节中，造成设计更改周期的增加和成本的提高。

三维工艺设计的优势如下。

——表达直观，消除了对工艺理解的二义性。有些空间的尺寸用二维图表述非常难以理解，用三维空间方式展示将会非常直观、形象。实现三维工艺指令向车间现场的数据发放，采用直观的三维工艺表达方式，增强了工艺信息的可读性，提高生产制造阶段的效率。

——能够最大限度地传递和继承设计的信息，有效减少工艺和设计理解上的偏差，降低出错概率。能将三维设计成果融入对应的工艺设计过程中，同一数据源可作为多种用途，为协同并行工作提供条件，提高各部门工作效率。

——工序模型之间可以保持关联，有效地保证数据的统一性和准确性。当设计模型发生更改时，各模型会自动更新，这种关联性是传统二维工艺所不具备的，这种关联性减少了工艺人员在工艺编制的过程中发生错误的概率。同时，工序模型参数化设计可实现快速更改。

——通过三维仿真验证手段，可以对产品装配、机加工过程进行全程仿真验证，最大限度地将问题暴露在设计工艺规划环节，降低后端更改的成本和时间。

目前存在的不足主要是基于模型的工艺设计相关标准尚处在研究阶段，通用的三维CAPP系统尚未成熟，因此必须构建基于专家系统的工艺设计系统。基于专家系统的工艺设计流程如图6.1-19所示。

图6.1-19　基于专家系统的工艺设计流程

基于专家系统的工艺设计系统很好地解决了设计模型和制造工艺信息的传递，但是，要真正实现智能化的工艺设计，必须有工艺知识库的支持。

——工艺流程库中存储产品加工工艺流程图上工艺节点（即工序）处理顺序的逻辑关系。

——工艺规则库中存储关于工艺处理的若干规则，例如工艺生成时提取信息的一系列规则和制造序号生成规则等。这些规则是在系统详细设计时经过分析和综合设计出的一套完善的规则，可以处理系统运行时可能出现的各种情况。规则库的功能是汇总工艺设计规则，包括典型几何要素的加工方法、机床选择规则、尺寸精度选择规则、工艺排序逻辑判断原则以及相关的加工类型。

——工艺内容知识库中存储工艺节点对象的属性知识，这些知识包括工艺节点的类型、输入项和专家提示信息，以及等同工艺节点、上级工艺节点、工艺的具体内容（即工步内容）等。

——工艺装备知识库与加工设备知识库分别存储加工工艺中所用到的工艺装备与加工设备的相关知识和信息。热处理知识库存储加工工艺热处理相关知识。

——标准件知识库等其他知识库分别存储相关知识。这些知识是工艺专家的经验总结，在系统设计时提供修改接口，可方便地加入专家的新知识、新规则，以及更新或删除陈旧过时的数据等。

——数据库用于存放加工数据，包括加工余量、刀（模）具参数、切削用量参数、辅具代码、量具代码、机床参数和台数、工装代码、工时数等。这些数据的来源可由用户根据本企业的产品特征和制造资源的环境新建，也可建立在已有数据库的基础上。

由于工艺过程设计本身是一个多参数、多约束、依赖于经验的、复杂的思维创作过程，其知识结构十分复杂。所以，这里提出用多层次、多种表达模式的、有机集合的知识表达方法，即把上述工艺规则和加工数据知识收集起来，采用分层方式排列。第1层是零件族特征获取，第2层是加工方法、工艺选择等工艺知识库，第3层是机床选择、加工类型、工装夹具的选择等制造资源库，第4层是加工数据、加工工时等工艺数据库。对低层知识用数据库表达方法；对高层知识如加工顺序、工装设备、切削用量、工序设计等，用框架式、产生式、逻辑式、过程式集成表达模式。

工艺推理采用数据驱动模式（正向推理策略）即从零件的毛坯开始，引入启发性知识进行多层次搜索分级推理。这样形成的知识库不仅具有逻辑原则，而且具有人工智能的能力。