Automatisierung von Konstruktionsaufgaben mit ganzheitlichem wissensbasierten Ansatz

Abstract

In dieser Arbeit wird ein ganzheitlicher Ansatz eines neuartigen wissensbasierten Konstruktionssystems vorgestellt, und darauf basierend ein Prototyp mit dem Namen DEXPERT (Design Expert) entwickelt, der die Automatisierung von komplexen Variantenkonstruktionen unterstützt. Im Kern besteht dieses System aus der Kopplung des marktüblichen CAD-Systems AutoCAD® mit der Expertensystem-Shell CLIPS und der Implementierung eines Frameworks, das die hierarchische Abbildung von komplexen Konstruktionsprozessen in übersichtlicher Weise ermöglicht. Dazu wurde ein neuartiges CAD-Expertensystem-Schnittstellenkonzept, das auf verteilter Datenhaltung basiert, entwickelt und implementiert. Des weiteren wurde ein systematischer Konstruktionsablauf erarbeitet, der durch eine Kombination aus fest vorgegebener Grobsteuerung auf Modulebene und heuristischer Lösungsfindung innerhalb eines Konstruktionsschrittes, den Gestaltungsprozess unterstützt. DEXPERT hilft mit der bereitgestellten Funktionalität den Konstrukteur bei der Automatisierung von Konstruktionsaufgaben bei denen strukturell sehr unterschiedliche Randbedingungen, wie beispielsweise elektrische und mechanische, berücksichtigt werden müssen. Der wesentliche Vorteil dieses neuartigen Konstruktionssystems ergibt sich aus der Möglichkeit, auf abstrakter Ebene und in der Sprache des Konstrukteurs Konstruktionsaufgaben der Gestaltungs- und Ausarbeitungsphase problemspezifisch abzubilden. Daraus resultieren deutlich kürzere Entwicklungszeiten als bei der Verwendung herkömmlicher Hochsprachenentwicklungsumgebungen ohne wissensbasierten Erweiterungen. Die praktische Umsetzung des neuartigen Konstruktionssystems wird anhand eines Beispiels aus dem 'Elektromaschinenbau' demonstriert. Dabei wird die 'Verdrahtungskonstruktion der Oberspannungsseite eines Großtransformators' mit Hilfe von DEXPERT automatisiert. Die spezielle Herausforderung bei dieser Beispielanwendung ist die Berücksichtigung der strukturell sehr unterschiedlichen Randbedingungen 'elektrische Kurzschlussfestigkeit', 'mechanische Stabilität' und 'verfügbarer Raum'.

This thesis presents a new holistic approach regarding the construction and development of knowledge-based design systems. Based on this approach, a prototype of such an environment, called DEXPERT (Design Expert) is presented, which shows the possibility to automate complex variant design. This prototype uses a combination of the CAD system AutoCAD and the expert system shell CLIPS for the development of a framework, which allows a hierarchical specification of a complex design process in an easily maintainable form. A basic concept is a new form of interfacing between CAD system and expert system shell, which is based on a distributed management of design information. A standardized design process specific to this framework has been developed, which supports the creative design process by searching for design solution with a combination of heuristics and fixed control at the module level. DEXPERT supports the designer with the automation of design problems in observing many different constraints regarding mechanical or electrical aspects of the intended design result. The main benefit of this design environment results from the possibility to map a description of a design tasks at an abstract level and in the language of the designer into a problem-specific form, which can be processed by this intelligent design tool. Compared to currently available design environments, which do not provide knowledge-based extensions like DEXPERT, the development of a design process automation in DEXPERT is more efficient, less time consuming and provides better results in terms of automation. The functionality and benefits of this new knowledge-based design system is demonstrated with a specific design task from the power transformer business. The design task 'wiring of a transformer' is demonstrated by using DEXPERT for automation.