22 SIMPÓSIO BRASILEIRO DE AUTOMAÇÃO INTELIGENTE CEFET-PR, 13 a 15 de Setembro de 1995 Curitiba Paraná

A Observação de Conflitos de forma Prioritária na Recuperação de Casos

Ricardo Luis de Freitas GWIGCEIUNESP

Rua 10, 2527 - Rio Claro-SP - Cx.P.: 178 e-mail: freitas@comOOl.uesp.ansp.br

Márcio RlUo DAlAlDEEIEPUSP

Cidade Universitária - São Paulo-SP e-mail: rillo@lsLusp.br

RESUMO

o uso de planejamento baseado em casos em domínios onde as terefas a serem executadas se repetem com certa frequência se mostra potencialmente interessante. Isso porque a reutilização de casos reduz o espaço de busca, o que melhora o tempo de resposta do sistema. Um domínio de aplicação que apresenta estas características é o de uma célula flexível de manufatura. Neste domínio é possível utilizar um planejador para automatizar a obtenção da sequência de ações a serem executadas pela célula para atender a produção de uma determinada peça. Porém., quando se busca esta automatização acaba-se por deparar com inúmeros problemas de conflitos entre os objetivos que irão especificar o formato pretendido da peça a ser produzida. Assim, torna-se importante e necessária a observação de tais problemas de forma prioritária para se ter um resultado satisfatório. Destaca-se ainda que esta observação de conflitos de forma prioritária não é explorada em sistemas similares existentes, o que mostra a importância de se caracterizar como isso pode ser feito. Assim, neste trabalho pretende-se caracterizar como o planejador PLANCEL representa o domínio de aplicação, explicitando como são manipuladas as restrições e conflitos possíveis de ocorrer.

Palavras Chave: Planejamento, Casos, Conflitos, Manufatura.

1. Introdução

Ao longo do tempo surgiram diferentes abordagens para planejamento apoiado em Inteligência Artificial [Freitas 92]. Dentre estas abordagens uma que tem recebido grande atenção é a que reutiliza experiências anteriores . também denominadas casos. para auxiliar na elaboração de novos planos [Freitas 93a]. Esta abordagem .que é denominada planejamento baseado em casos. se apóia na idéia de que, para resolver determinado problema, uma pessoa não faz um planejamento passo a passo em cima de ações primitivas. Ao invés disso, ela relembra situações passadas semelhantes e as adaptam para a nova situação [Hammond 89].

Observando as possibilidades de uso de planejamento baseado em casos dentro de automação industrial, podc>se destacar sua aplicação em células flexíveis de manufaturaI (CFMs). Neste contexto, planejamento poderia ser aplicado para determinar a ordem de tarefas a serem executadas pelos elementos componentes de uma célula flexível [Freitas 93b],[Freitas 95]. Ou seja, a partir de uma dada especificação para um item a ser produzido, o sistema de planejamento irá gerar um plano completo de ações a serem executadas pela célula de modo a atender a especificação. Isso fornecerá a CFM um maior grau de autonomia e flexibilidade.

Na prática o que se tem a disposição são ferramentas computacionais que, dada uma descrição gráfica ou textual de uma peça, elas geram a seqüência de ações para uma máquina-ferramenta CNC específica. Porém. essa especificação não observa os possíveis conflitos que podem ocorrer no momento de se produzir a peça. Um exemplo de conflito é quando para produzir uma determinada superfície da peça a ferramenta utilizada danifica a obtenção de outra superficie da mesma peça. A não observância destes conflitos acarreta, em certos casos, a necessidade de revisão detalhada por parte de um especialista humano.

Assim, um sistema de planejamento para fornecer maior grau de autonomia à uma CFM deve observar de forma precisa estes possíveis conflitos no momento da produção de uma peça. Além disso, como existe também a possibilidade de ocorrer conflitos entre diferentes máquinas componentes da CFM, toma-se igualmente importante que o sistema observe os possíveis conflitos, não somente para uma máquina. mas também entre máquinas distintas. É exatamente isso que o sistema PLANCEL [Freitas 94] faz.

Assim, no sistema PLANCEL proclU"ou-se dar ênfase em um aspecto ainda não explorado pelos sistemas similares existentes, que é a observância de forma prioritária dos possíveis conflitos entre os objetivos a serem atendidos pelo planejador.

1 A integração por computador de máquinas-ferramenta de controle numérico e robôs industriais recebe o nome de célula

flexível de manufatura.

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Esta ênfase se mostra potencialmente interessante quando se manipula problemas em donúnios onde o número de possíveis conflitos é demasiado grande, de forma que a não observância destes na recuperação de um caso acarreta em grande awnento de esforço a ser dispendido com a tarefa de adaptação.

Neste trabalho será apresentada em maiores detalhes a verificação de conflitos realizada pelo processo de recuperação de casos do sistema PLANCEL. Para isso toma-se necessário apresentar também o formato de representação usado para os objetivos e operadores do referido donúnio de aplicação.

2. Domínio de Aplicação

o sistema PLANCEL surgiu em função do interesse em se aplicar planejamento baseado em casos na determinação da ordem de tarefas a serem executadas nas CFMs2 existentes no Laboratório de Automação do DEMACIIGCE/UNESP - Rio Claro (SP).

Para isso tomou-se necessário determinar um formato de representação para este domínio de aplicação. Assim foram definidos formatos para: os objetivos que descrevem uma determinada peça a ser produzi~ as operações que podem ser realizadas; as restrições e conflitos possíveis de surgir e os casos a serem manipulados.

2.1. Descrição de Objetivos a serem Atendidos

Para descrever a peça que deverá ser produzida pela célula de manufatura, toma-se necessária a definição de um formato de representação para esta. Assim, foram denominadas duas fonnas básicas para descrever superficies: superficies de revolução e superficies lineares.

• Superftde de Revolução: as superficies de revolução são utilizadas para caracterizar todas as superficies geométricas possíveis de serem obtidas no tomo. Estas superficies serão representadas segundo o seguinte formato: superftde(N,(U1, VI),(Uf,Vf),Ralo)

• Superftcle Linear: as superficies lineares são utilizadas para caracterizar todas as superficies geométricas possíveis de serem obtidas na fresadora. Estas superficies serão representadas segundo o seguinte formato: superftde(N,(U1, VI),(Uf, Vf),Raio,Hl,Hf)

Onde: N: índice da superfície; (UI, VI): ponto inicial da curva que descreve a superficie em relação ao plano tomado; (Uf,Vf): ponto fmal da curva que descreve a superficie em relação ao plano tomado; Ralo: raio da curva que descreve a superficies em relação ao plano tomado. Se Raio = O então a superficie é linear; Ri: altura do início do deslocamento da curva que descreve a superficie em relação ao plano tomado; Df: altura do fmal do deslocamento da curva que descreve a superficie em relação ao plano tomado.

2.2. Operações Possíveis no Domínio de Aplicação

Para adequar o planejador ao donúnio de aplicação foi necessário denominar o conjunto de operações básicas possíveis de serem executadas. Para isso, as operações foram defmidas e agrupadas em função do elemento componente da célula para qual ela foi designada.

2.2.1. Operações sobre o Tomo CNC

• FERRAMENT A(Tipo): especifica em Tipo uma ferramenta que deverá ser utilizada, dentre as existentes para o tomo CNC.

• MA TERIAL(Materlal, Comprimento, Diâmetro): especifica qual é o tipo de matéria-prima que será colocada no tomo e suas respectivas dimensões.

• GERAR_CONE(Comprimento, DiâmetroInicial, DlâmetroFinal): realiza um tomeamento cônico externo. • ClLlNDRAR(Comprlmento, Diâmetro): realiza um tomeart1ento cilíndrico externo. • GERAR_CURVA(Comprimento, DlâmetroIniclal, DiâmetroFinal, Raio): realiza um tomeamento curvilínio externo. • SANGRAR(Comprimento, Diâmetro): realiza um desbaste somente no sentido do eixo Z. no tomo. Sua diferença em

relação a CD..JNDRAR é que SANGRAR é feita exclusivamente com uma ferramenta do tipo bedame.

2 Cada célula é composta de um tomo EMCO Compact 5 CNC, uma frezadora EMCO FI CNC e um robô industrial Esbed

Robotec ScorBot ER-V -Plus.

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2.2.2. Operações sobre a Fresadora CNC

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• FERRAMENTA(Tipo): especifica em Tipo uma ferramenta que deverá ser utilizada. dentre as existentes para a fresadora CNC.

• MA TERIAL(Material, Comprimento, Altura, Largura): especifica qual é o tipo de matéria-prima que será colocado na fresadora e suas respectivas dimensões.

• RANHURARLinear(Xi, Vi, Xf, Yf, Prof, Larg): realiza um desbaste de um chanfro. • RANHURARCircular(Xo, Yo, Oi, Of, Prof, Larg, Raio): realiza um desbaste de um chanfro na fonna circular. • FURAR(Xi, Yi, Prof,Raio): realiza um furo . • GERAR_LETRA(Tipo, Xi, Vi, Xf, Yf, Prol): descreve qual a letra que deve ser desenhada pela fresadora.

2.2.3. Operações sobre o Robô

• TranferlrClLINDRO(Origem, Destino, Orientação): robô transfere cilindro; • TransferirBLOCO(Origem, Destino, Orientação): robô transfere bloco.

3. Exemplos de Peças e seus Respectivos Planos

Para melhor caracterizar como seriam aplicadas as operações vistas anterionnente. será apresentado um exemplo de peça a ser produzida na célula. O exemplo será caracterizado pela especificação da peça a ser produzida. objetivos .• bem como pelo plano de ações que atende a referida especificação .Figura 1.

• Produção de um Peão (Peça do Tabuleiro de Xadrez)

10

2 S

Figura 1: E iPecificação de um Peão

IObjetivos) superficie(# 1,(0,0),(0,15),0). superficie(#2,(0, 15),(3, 15),0). superficie(#3,(3, 15 ),(5, 13),0). superficie(#4,(5,13),(7,15),0). superficie(#5,(7,15),(1O,15),0). superficie(#6,(1 0,15),(20,8),0). superficie(#7,(20,8),(35,8),0). superficie(#8,(35,8),(39,10),0). superficie(#9,(39,1 0),(54,1 0),0). superficie(# 10,(54,10),(58,8),0). superficie(# 11,(58,8),(58,0),0). superficie(#12,(47 ,0),(47 ,0),3,0,15).

[Plano) Robô TransferiICll..INDRO(Alimentador,Tor no); Tomo Material(Cobre,70,30) F erramenta(T03) {Gerar_Cone(3,16,20); Cilindrar( 15,20); Gerar_Cone(4.20; 16); Cilindrar(15,16); Gerar_Cone(1 0,16,30); Cilindrar(3,30); Gerar_Cone(2,30,26); Gerar_ Cone(2,26,30); Cilindrar(3,30);}

Robô TransferirCll..INDRO(Tomo, Fresadora); Fresadora

{Furar«47,0),15,30;} Robô TransferirCll..INDRO(Fresadora, Cesta);

Pode-se observar neste exemplo que a especificação da peça se dá segundo as superficies que ela apresenta. O plano, por sua vez, será composto de um conjunto ordenado de operadores dentre os defmidos, tanto para as máquinas-ferramenta, como para o robô.

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4. Mecanismo de Recuperação

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I~

Como dito anteriormente, uma característica que acarreta grande dificuldade para se automatizar a geração da seqüência de ações em células de manufatura. reside no grande número de restrições e conflitos existentes neste domínio. Com isso, para a obtenção de soluções corretas tomou-se necessário criar formas de representação que contenham a relação de restrições e conflitos potenciais para o domínio. Assim ao ser especificada uma peça a ser produzida, PLANCEL ativa seu processo de recuperação de casos de forma a verificar quais restrições e conflitos podem existir para a produção da peça.

4.1. Restrições

No domínio estudado foram detectadas restrições quanto ao uso de ferramentas para as máquinas-ferramenta CNC e quanto ao uso dos diferentes tipos de garras para o robô. Ou seja, dependendo do tipo de operação que se deseja processar, para a produção de uma determinada peça, tem-se limitações quanto aos tipos de ferramenta e garra a serem utilizadas.

Para melhor caracterizar isso observe o exemplo da Figura 2 onde é desejado executar uma operação Gerar_Cone«Il­Il),yl,y2) pelo tomo CNC para obter o objetivo superficie(#I,(xI,yl),(u,y2),O).

2 Z2~z1

, lf- --~ _fI"

Figura 2: Representação de uma Superficie

Supondo que a inclinação da superficie #1 a ser processada é de 35 0 então. pelas características das ferramentas para o tomo, tem-se que somente serão possíveis de serem utilizadas para realizar esta operação as ferramentas denominadas TOl e T03. Isso porque as restrições existentes impossibilitam o uso de qualquer uma das ferramentas restantes. Caso essa inclinação fosse superior a 600 então seria excluída também a possibilidade de uso de T03. Com esse exemplo fica clara a necessidade de se

. estabelecer todas as restrições possíveis de ocorrer no atendimento dos objetivos que descrevem uma peça a ser produzida.

Para determinar as restrições existentes no caso das ferramentas utilizadas pelo Tomo CNC devem ser observadas as caracteristicas de cada ferramenta por ele utilizada.

4.2. Conflitos

Neste domínio de aplicação foi possível detectar vários tipos de conflitos. Existem os conflitos devido a interação negativa entre objetivos que serão atendidos dentro de uma mesma máquina e entre máquinas distintas. .

4.2.1. Conflitos dentro da mesma Máquina

Basicamente estes conflitos se dão entre duas superficies . objetivos. consecutivas. Isto ocorre porque muitas vezes quando se analisa as superficies de modo isolado a solução que é encontrada acarreta problemas se a análise for considerando o conjunto de superficies. Dessa forma, toma-se extremamente importante a classificação e representação de todos os tipos de conflitos entre superficies possíveis de surgir.

Para ilustrar observe o exemplo da Figura 3, onde se deseja atender os objetivos superficie(#l,(Il,yl),(I2,yl),O) e superftcie(#2,(I2,yl ),(Il,y2),O).

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'~~_ LnL L ~2F,1 Figura 3: Representação de duas Superficies

Observando-se apenas as restrições tem-se que a superficie #1 poderia ser feita utilizando-se as ferramentas T01, T02 e T03. Porém, quando se observa também a superficie #2 percebe-se que o uso de T02 e T03 para produzir a superficie #1 iria prejudicar o atendimento de #2. Daí tem-se o aparecimento de um conflito entre #1 e #2. A análise deste conflito leva que a solução seria utilizar apenas TOl para produzir #1.

No exemplo pode ser facilmente observado que a análise conjunta de superficies pode levar a conflitos no uso de ferramentas. Como existem várias combinações de superficies possíveis tem-se um número também-Y-MÍado de possíveis conflitos entre superficies (objetivos).

(,..

··r

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4.2.2. Conflitos entre Máquinas Distintas

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Este tipo de conflito ocorre na produção de peças que necessitam tanto do tomo quanto da fresadora para sua produção. Muitas vezes existe a necessidade de se realizar as operações da fresadora antes do tomo . ou vice-versa. ~ pois sem esta ordem uma máquina acaba por danificar o processamento realizado pela outra.

Um exemplo poderia ser encontrado na produção de urna rosca que possuísse um furo no meio. Para produzir esta peça tem-se a necessidade do uso tanto do tomo quanto da fresadora. No tomo seria criada a rosca e na fresadora o furo. Um conflito que . poderia ocorrer é se primeiro fosse produzida a rosca. Neste caso, quando a peça fosse levada para a fresadora para ser produzido o furo , a rosca que foi feita poderia ser danificada pelos componentes da fresadora que fixam a peça. Portanto, tem-se um conflito que seria resolvido pela reordenação dos objetivos de forma a se atender a produção do furo primeiro.

4.3. Hierarquia de Classes

Para otimizar a reutilização de casos, PLANCEL criou uma categorização daS peças que podem ser produzidas em super classes , classes e subclasses. As superclasses defmem o nível mais geral possível de descrição da peça. No domínio em questão existirão: cilíndrica para peças cuja matéria-prima possue o formato cilíndrico e prismálica para peças cuja matéria-prima possue o formato de um bloco retangular.

As classes defmem um nível de descrição intermediário. Não existe um número linútado de classes possíveis, ficando a cargo do usuário definir este limite. Por fim, existem as subclasses que serão utilizadas para defIDir cada peça específica. Assim, para cada peça produzida pode ser associada uma subclasse específica que irá auxiliar na reutilização deste plano em situações idênticas futuras.

Dessa forma, toda vez que é passada uma especificação de peça a ser produzida, PLANCEL lista todas as superclasses, classes e subclasses existentes em sua base de casos. O usuário por sua Vf:Z faz a seleção dentre as opções possíves. Para melhor caracterizar observe novamente o exemplo da Figura 1. Neste caso, ao receber esta descrição PLANCEL devolve suas listas de superclasses, classes.e subclasses, como na Figura 4:

SUPERCLASSES CLASSES SUB CLASSES -Clltndrica Cone Bispo .u R_alnha

Parefuso Pelo Rosca Xadrez -

Prismíticl Port~bjeto

Figura 4: Representação de Superclasses, Classes e Subclasses

Como o sistema já produziu esta peça em urna situação anterior basta o usuário selecionar a subclasses correspondente e PLANCEL irá rapidamente devolver o plano correto. Caso não existisse esta subclasse, o usuário poderia optar pela classe udn:z, que apresenta planos semelhantes ao desejado. No pior caso, na inexistência da classe xadrf:Z (ou outra semelhante) poderia ser selecionada a superclasse cilíndrica. que reúne casos armazenados para peças que se utilizam de matéria-prima do tipo cilíndrica.

É possível observar que esta categorização traz contribuição ao processo de PLANCEL responsável por recuperar um caso passado armazenado no sentido de que provoca urna redução do espaço de busca.

4.4. Etapas do Processo de Rec:uperação

O processo de recuperação se incumbe de escolher dentre os planos existentes qual o mais adequado para a situação corrente. Para isso, em linhas gerais, ele realiza as seguintes etapas:

• Verifica a hierarquia de classes da peça. Caso seja escolhida urna subclasse então o plano é recuperado diretamente para uso, pois trata-se de repetição de peça já produzida anteriormente. Caso seja escolhida uma classe, então existem planos muito semelhantes ao necessário à solução. Por fim, caso seja escolhida apenas uma superclasse então não existem planos semelhantes as necessidades atuais e serão apenas os conflitos e objetivos que guiarão a recuperação.

• Verifica a existência de restrições. Para isso percorre cada objetivo (no caso a especificação de uma dada superficie) verificando quais ferramentas poderiam atendê-Io em função da tabela de restrições existente.

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.~

• Verifica a existência de conflitos dentro de uma mesma máquina-ferramenta. Percorre cada objetivo verificando se ele possue interação negativa com os objetivos vizinhos.

• Verifica a existência de conflitos entre máquinas distintas. Analisa se o atendimento de determinados objetivos por uma máquina-ferramenta prejudica o atendimento de outro grupo de objetivos que serão atendidos por outra máquina­ferramenta.

• Utiliza as restrições para definir quais ferramentas serão utilizadas e a categorização de classes da peça em conjunto com os conflitos encontrados para definir o material a ser utilizado e recuperar um caso anterior que seja potencialmente adequado à situação corrente.

Dessa forma pode-se concluir que os casos serão indexados pelos tipos de ferramentas. conflitos e categorização de classes. Como elementos de saída do processo de recuperação tem-se não somente o plano mais adequado para a situação corrente. mas também a relação de todos os conflitos ainda não resolvidos que deverão ser tratados pelo processo de adaptação.

5. Condusões

Neste trabalho procurou-se caracterizar que a maior dificuldade para se determinar a sequência de ações de forma totamente automatizada para uma CFM reside no grande número de restrições e conflitos que este domínio contém. Em função disso, para o desenvolvimento do sistema PLANCEL foi necessária a caracterização de todo o domínio de forma a explicitar estas restrições e conflitos para que seu mecanismo de recuperação possa buscar por um caso que os atenda de forma preferencial.

Isso trouxe uma diferenciação entre PLANCEL e os demais planejadores baseados em casos existentes. Enquanto em outros planejadores a métrica de sinúlaridade de um caso reside na repeticão de objetivos a serem atendidos. em PLANCEL esta métrica reside na repetição de conflitos possíveis de surgir. Assim. PLANCEL sempre procura por um caso que atenda o maior número possível, não de objetivos, mas de conflitos potenciais. Para fmatizar, salienta-se que para domínios que apresentem as mesmas características do estudado, a utilização desta métrica pode ser de grande valia em termos de se recuperar casos com maior adequação as necessidades correntes.

6. Referêndas Bibliográficas

[Freitas 95] Freitas,R.L.; Nakamiti,G.S.; Prado,J.P.A.; Rillo,M. The Use of Case-Based Planning in Flexible Manufacturing Ce//s. In Proceedings of the Eleventh International Conference on CAD/CAM, Robotics and Factories ofthe Future, IFAC, 1995.

[Freitas 94] Freitas,R.L.; PradoJ.P.A.; Nakamiti,G.S.; Policastro,C.A.; Rillo,M. PLANCEL: um Planejador para Células Flexíveis de Manufatura. Anais do VI Congresso Latino Americano de Controle Automático, SBA. 127-132, 1994.

[Freitas 93a] Freitas,R.L.; Prado,J.P.A.;Nakamiti,G.S. Guilherme,I.R.; Rillo.M. Planejamento usando Experiências Anteriores. Anais do I Simpósio Brasileiro de Automação Inteligente, 339-348. SBA. 1993.

[Freitas 93b] Freitas,R.L.; Prado,J.P.A.;Nakamiti,G.S. Policastro,C.A. Planejamento em Células Flexíveis de Manufatura. Anais do I Workshop Brasileiro em Fenômenos Não Lineares, Caóticos e Estocásticos, 121-122, SBMAC, 1993.

[Freitas 92] Freitas, R.L.; Monard,M.C. Planejamento Apoiado em Inteligência Artificial. Anais do XXV Congresso Nacional de Informática, SUCESU, Recife-PE, 1992.

[Hammond 89]Hammond,KJ. Case-Based Planning: Viewing Planning as a Memory Task. Academic Press, Cambridge, Massachusetts, 1989.