云环境下的刀具知识本体建模及应用

段绍林，张太华，何二宝

（1.贵州师范大学 制造服务与知识工程技术工程中心，贵阳 550014；2.贵阳市机械与控制仿真重点实验室，贵阳 550014）

0 引言

在产品全生命周期中，从事产品设计、制造、销售和维护活动的人员要能够及时获取所需要的信息，保证合适的人在合适的时间能访问到合适的信息[1]，即对知识获取需求的实现。另外，产品开发过程中的产品创新设计、零部件重用和修改，往往需要用到企业已有的经验、设计知识、实例知识等，即对知识重用提出了新的需求[2]。

近年来，随着信息技术和网络技术的发展，与产品相关的各种知识成爆炸式的增长，形成了大数据环境下的海量知识。为了从大数据环境中获取有用的知识并加以应用，出现了制造领域的云计算，即云制造[3～5]。云制造是一种基于网络的、面向服务的智慧化制造新模式，它能将各类知识虚拟化、服务化处理，并进行统一、集中的优化管理，用户只能随时随地按需获取各种知识及其服务，进而将知识应用到产品全生命周期的各类活动中[3]。云制造环境下的各种知识具有异构性、分散性、动态性、自主性等特点，在应用过程要求其满足服务性、互动性、协同性、开放性和容错性等需求[4]。因此，如何对云环境下的知识进行建模，向用户提供像使用水、煤、电一样的知识服务，为产品全生命周期提供知识服务支持是一个需待解决的重要问题。

刀具作为一类机械产品，其对应的产品全生命周期过程中各种知识处于大数据条件下的云环境中，如何对这些知识进行建模并加以应用，能提高刀具的改进和创新设计、加工及服务等的质量和效率。因此，如何对这类产品所涉及的知识进行建模，构建相应的刀具知识库，并提供给刀具企业进行应用显得越来越重要。但是，到目前为止，关于刀具的研究，主要集中在刀具的结构和几何参数方面的建模[6～8]，而对刀具知识如何进行建模并构建相应的知识库，特别是云环境下的刀具知识建模及知识库构建，目前还没有具体的研究实例。因此，本文拟采用OWL（Web Ontology Language）本体建模语言，对云环境下的刀具知识进行分类和本体建模，并构建相应的刀具知识库，从而实现对刀具知识的集成与重用，缩短刀具的设计和生产周期，使企业能够快速响应市场的需求。

1 刀具知识分类及获取过程

1.1 刀具知识分类

数控刀具可从基本形式、结构、制造材料、切削工艺、特殊要求等方面进行分类。不同的分类体现了不同的加工需求。为了对刀具进行本体建模，提高刀具知识的通用性，本文选用刀具的基本形式进行分类（如图1所示），以便在此基础上进行本体的构建。

图1 数控刀具分类图

在刀具知识分类过程中，涉及到刀具设计过程中的材料选择、几何特征参数的确定、加工工艺制定、加工等方面的知识，其中材料选择和几何特征参数的确定是最为关键的两部分，这是刀具知识与其他产品知识差别所在。

刀具材料的选择要求满足以下性能：高的硬度和耐磨性、足够的强度和韧性、高的耐热性（热稳定性）与化学稳定性、良好的热物理性（导热性）和耐冲击性、良好的工艺性和经济性等；材料的选择可根据用户需求，选择碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷、金刚石、立方氮化硼等材料。

刀具几何特征参数[9]的选择对切削变形、切削力、切削温度、刀具寿命等有显著的影响，是影响加工质量和加工成本的关键因素。刀具的几何参数主要包括：前角、后角、主偏角、副偏角、刀尖形状、刃倾角。前角的选取对切削刃强度、刀具磨损会产生影响；合理的后角能够减小刀面与工件的接触面积，减小后刀面磨损，影响刀尖圆弧半径、切削刃强度、散热条件和刀具的耐用度；主偏角的选择会影响切削分力、切削刃的工作长度、切削厚度、残余面积和散热条件；副偏角的选择影响刀尖强度、散热条件和耐用度等；刀尖形状可根据用户需求选择圆弧过渡刃或者直线形过渡刃；刃倾角的选择对切屑的流出方向、刀尖的强度、切削刃上受冲击力、刀刃的锋利程度和切削分力大小生产影响。

1.2 刀具知识的获取过程

知识获取是通过对知识信息的抽取、知识建模与转换和知识库的构建等任务，完成知识的组织和管理，为产品全生命周期提供优质的知识服务。在云环境中，存在着各种刀具知识资源，包括刀具的硬件知识资源（如刀具产品所各种几何特征信息、材料相关信息等）、软件资源（如刀具建模所需的各种软件及其相关信息等）和知识资源（如刀具相关的各种文献资料、专利、规范、设计手册等），可采用各种传感器、RFID标签、无线传感网络、网络爬虫、GPS等从这些软硬件资源、知识资源中获取相关的刀具知识信息，然后通过OWL本体建模工具对这些知识信息进行本体建模和处理，形成刀具OWL本体，并将其存储到刀具知识库中，最后通过刀具知识库提供给刀具设计与开发、制造及装配、销售及服务等过程的知识服务，其过程如图2所示。

2 刀具知识本体建模

2.1 本体建模语言的选取

图2 云环境下刀具知识的获取过程

由于本体能对多、乱、散的各种产品知识进行组织和管理，并有利于知识的共享、重用和维护[10]。为此，本文采用本体进行刀具知识本体的构建。目前的本体建模语言比较多（如OWL、RDF、RDFS、OIL、DAML+OIL等）[11]，但与其他本体建模语言相比，OWL是基于语义Web的标准语言，从描述能力、推理能力、可扩展性等方面比其他本体建模语言好，并能为用户进行知识共享和重用提供透明访问和互操作。因此，在本文中选取OWL作为刀具知识本体构建的描述语言。

2.2 刀具知识本体结构的确定

本体是共享概念模型的明确的形式化规范说明[12]，通过类、实例和属性来描述知识中概念间的各种内在关系。本文通过本体建模方法[13]对刀具知识中的概念间关系的构建、细化、评估和维护等，建立起相应的刀具知识本体结构，如图3所示。在图3中，刀具知识本体由表面加工刀具知识本体、孔加工刀具知识本体、螺纹加工刀具知识本体、齿轮加工刀具知识本体、切断刀具知识本体构建成。而具体的刀具知识本体（例如，螺纹铣刀知识本体）由多个组元构建，这些组元包括本体标识信息、刀具功能信息、刀具属性信息和刀具服务信息组成。其中标识信息由本体名称和本体URI组成；属性信息由零件重量、零件尺寸、加工精度和表面质量组成；功能信息由加工方法、材料选择、毛坯类型、几何特征组成，服务信息由服务时间、服务价格组成。

图3 刀具知识的本体结构表示

2.3 刀具知识本体模型构建

为对如图3所示的刀具知识本体结构进行本体模型构建，并在此基础上开发本体知识库，本文采用斯坦福大学开发的本体建模工具Protégé 4.3，结合上文介绍的刀具产品知识和本体模型的构建方法，构建关于刀具产品知识的本体模型，如图4（本体模型的表达）所示和图5（与图4相对应的本体开发代码的片段）所示。同时，为了验证刀具本体模型的一致性。

图4 刀具知识本体模型

图5 部分代码片段

2.4 刀具知识本体模型推理

在刀具知识本体的构建过程中，为了消除本体内的存在的语义冲突，验证刀具知识的正确性和一致性，需要采用合适的推理机对进行推理检验，合格证知识的正确性和一致性要求。

由于本体建模工具Protégé已经嵌入了推理机（如FaCT++，HermiT），可在Protégé中直接推理检验操作，并在达到本体的正确性和一致性检验的基础上，进一步查询对象的直接父类、等价类、直接子类、子类和实例等。例如，以构建的刀具知识本体模型为例，在对模型运用推理机进行推理后，在查询“OutsideProcessingTool”类时，可以得到其直接父类为“NCTool”，其直接子类为“ExternalBroach”、“FileTool”、“LatheTool” 、“MillingTool”、“PlanerTool”等，如图6所示。

图6 刀具知识本体正确性和一致性推理过程

3 应用实例

某军民两用型企业是一个集刃具、量具、机床附件、工装以及制冷行业中的各类家用空调、商用空调、汽车用空调压缩机叶片、涡旋式压缩机零部件、非标设备制造、煤矿机械装备等生产制造为一体的多元化经营企业，其产品主要出口美国、日本、韩国、德国、丹麦等国家。其中刀具是该企业的核心产品，主要包括整体硬质合金刀具和工具，前者即为高精度、高效率、高可靠性的整体硬质合金铣削刀具和孔加工刀具；后者即为各种铣制、全磨制、半磨制高速钢立铣刀及复杂刀具。为了利用刀具相关知识提高刀具的创新设计、改型设计能力、制造能力和服务能力等，企业一直希望对企业内外的刀具知识进行建模，并在此基础之上建立企业的基于本体的刀具知识库，为企业刀具全生命周期提供知识支持，从而提高企业的竞争力和快速反应市场的能力。

因此，本文在对刀具知识本体建模的基础上，在本体模型中对刀具的实例进行参数设置，如图7的A图中，分别对实例LatheTool01、LatheTool02、LatheTool03、LatheTool04和LatheTool05进行了参数的设置。在设置参数之后，运用Java、Jena、Spring、iBaits、Struts、mysql等语言和技术相结合，构建了一个刀具知识管理系统模型（如图7中的B图所示），并将上述实例的参数进行解析后转送到该刀具知识库系统中进行保存，同时将与该实例参数对应的CAD系统的CAD模型（如图7中的C图所示）也存入到刀具知识库中，并在刀具知识库中建立实例参数和CAD模型与实例之间的关联关系。这样，就在刀具知识库中存储了各种刀具具体实例的知识，为刀具开发、制造及服务人员等提供知识服务支持。

图7 基于本体的刀具知识库及应用

4 结束语

知识集成与重用能缩短刀具的设计和生产周期，提高企业响应市场的速度。为了更好地进行刀具知识的集成与重用，本文根据云环境下刀具产品的分类方法，借助刀具产品分类结构进行对刀具知识进行分类，对云环境下的刀具知识的感知与获取、本体建模及知识库构建、产品全生命周期应用等阶段进行描述。采用OWL本体建模语言，对云环境下已分类的刀具知识进行本体建模和一致性验证，并在此基础上构建相应的刀具知识库。最后，通过实例进行应用验证说明。

本文对云环境下的刀具知识进行本体建模研究，并将其应用到刀具生产企业中。但对云环境下刀具知识的感知与获取、知识安全等问题考虑得较少，这是我们下一步的研究重点。

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