基于KBE的門式起重機主梁智能并行設計

馬士良

（徐州工業職業技術學院，江蘇 徐州221140）

隨著信息化程度的提高，創新設計向智能化程度方向發展，傳統的智能化設計方法如[1-2]，如基于推理的參數化設計，KBE技術的產品模塊化設計，雖然設計智能化程度大大提高，但是程序未模塊化開發，未考慮產品生命周期信息以及下游生產中工程圖的自動生成。因此，有必要結合產品知識進行產品的并行設計。本文針對門式起重機主梁產品標準化、系列化、模塊化、知識集成度較高的特點，以三維設計軟件SolidWorks為平臺，以Visual Basic為開發語言，利用KBE技術，產品參數與模型、圖紙信息分別進行了優化，開發了可以重用的主梁智能模塊體，不僅避免了重復設計，也提高了設計的效率及智能化，同時該產品開發平臺可以并行設計。

1 基于KBE的門式起重機系列產品設計方法

KBE技術是人工智能、CAD系統、計算機軟件技術相結合的產物，是知識工程（Knowledge Engineering，KE）技術在工程設計領域的應用技術，目標是實現設計決策的智能化和設計過程的自動化。其關鍵技術為知識表示、知識獲取、甚于事例的推理（CBR）。門式起重機參數較多，結構復雜，既有同一系列不同型號、形狀規則的標準件，也有接頭、跨中大隔板、主梁頭部、支座、角鋼型號等形式多樣、分布方式不定的情況，在全三維環境下，既有設計中錯綜復雜的參數信息，也有全相關全周期設計，尺寸、視圖位置、明細、工藝（焊接符號、粗糙度等）等圖紙信息，因此需要建立數據庫和知識庫集成的廣義知識庫（GKDB），綜合利用KBE技術，將產品信息規范化和標準化，減少零部件數量，建立面向用戶定制的CAD系統。

2 門式起重機主梁產品級參數化建模

單獨的零部件參數化建模容易實現，然而，對于產品的設計，需要考慮產品的整體結構、參數、相互約束關系以及各零件配置變化后對于整體產品的影響，如果利用傳統的設計方法，很難滿足產品設計的意圖。目前，在產品設計過程中，一般采用自頂向下的設計方法，從產品的整體布局考慮，規劃好產品的概念草圖，所有的幾何位置關系以及尺寸約束，都集成在產品的布局草圖里面，圖1為主梁的裝配示意圖。

圖1 主梁隔板裝配

結合門式起重機主梁系列化產品的特點，首先分析產品結構，劃分產品參數，根據主梁是否有接頭，建立布局草圖，在裝配設計過程中，參考裝配基準面，一般只需要建立正面和側面兩個草圖，草圖能夠反映主梁的形狀、輪廓，包含產品的主要參數以及配合關系。草圖建立完成以后，改變草圖某些尺寸參數，檢查草圖是否會自動更新，防止產品發生突變、崩潰。

草圖建立以后，進行零件的參數化建模。各零件在設計過程中，零件材料、代號、尺寸、展開長等屬性需要分別添加自定義屬性，變異零件建立特征庫，不同配置同一零件的需要建立配置，系列化零件利用表驅動的方式建立，拉伸特征兩側對稱，零件變型較大的進行全特征建模。

各零部件建立以后，將零部件的邊線、面與草圖的線段以及裝配基準面添加配合關系，其參數尺寸采用添加方程式的方法與草圖尺寸建立驅動關系。主梁中隔板的分布，利用陣列命令進行陣列，數量兩個即可，利用程序驅動陣列參數，隔板與角鋼中的特征孔可利用程序進行特征壓縮。

要保證零件與零件彼此勿進行配合，防止零件在后續裝配驅動中，出現裝配混亂、崩潰的局面。其次，布局草圖和零件建模都必須完全定義，同時再次修改草圖參數，進行二次檢驗。

3 門式起重機主梁產品模塊化程序開發

為了實現產品的并行設計，將主梁程序劃分為三大模塊：結構參數設置、裝配驅動計算、工程圖調優。根據主梁的結構，如圖2所示，其中還可分為若干子模塊，例如變異件的變型設計驅動，通用件的參數驅動等，隔板分布、參數確定可以利用人機交互的方法，裝配體的驅動利用數據庫、三維軟件API函數等知識驅動，工程圖調優又可以分為提取工程圖重要信息的預處理模塊，以及尺寸、符號的位置優化、圖紙的比例調整、明細表的自動更新等模塊，產品知識和推理機自始至終貫穿于其中。

圖2 主梁分布界面

3.1 結構參數設置

參數設置之前，進行設計計算，得到系列范圍內的參數。在參數設置界面，將參數劃分不同的級別，驅動草圖尺寸的參數為一級，變異零件尺寸的為二級，對結構、性能影響忽略不計的為從動參數，該參數不能設置，為自動計算的結果，為灰色，不能修改。界面中如果參數設置錯誤，提示錯誤，文本框字體顏色變紅。界面中零件孔特征的設置可以用下拉列表框的方式進行設置，零件圖將自動更新。界面中鋼結構件的分布及參數設置后，隔板示意圖自動更新。

3.2 裝配驅動計算

門式起重機主梁的結構復雜，對于形狀特征發生變化或產品結構不同的結構件，采用變型設計的方法，可調用異性零件程序或者壓縮、陣列等方式滿足產品設計的要求。對于系列化產品，采用改變產品配置或者參數化產品的方法來實現。由于客戶的需要以及實際工作的不同，其結構主要根據接頭、跨中大隔板、主梁頭部、支座、角鋼型號以及分布方式等幾個方面來確定。

接頭的個數，主要根據主梁跨度的大小來確定，接頭不能在主梁中間放置，設跨度為S，接頭個數一般按下列標準確定:S≤ 18 m，無接頭；18 m30m，設2個接頭。程序可通過壓縮的方式實現。為了加強主梁的剛性，提高主梁的穩定性，在受壓時防止主梁腹板變形，在主梁中部設置有大隔板，其分布主要根據主梁的跨度和梁的高度變化，其間距一般有1.5 m、1.8 m、2.0 m、2.2 m四種形式，角鋼穿過隔板，隔板特征孔也有所不同。靠近主梁接頭、頭部、支座的間距可以根據需要進行調整。

主梁軌道分為方軌及鋼軌兩種情況。方軌時腹板處有10×10×L的加強方剛，方軌參數的計算根據方軌高度的提示，判斷方軌參數是否為標準值，標準方軌按有關規格表配置。若為鋼軌時，主梁圖中不出現軌道，兩相鄰大隔板之間按等分增加兩小隔板。

支座處、接頭處以及頭部處，大隔板與上下蓋板是封閉的，即沒有間隙，其他跨中隔板和下蓋板之間留有10 mm的間隙。主梁端部有彎曲和直的兩種，可通過設置彎曲高度為無限小實現變直。主梁支腿支座可實現一剛一柔和兩個剛性支座之間的選擇。剛性支座處主梁隔板4-6塊，撓性支座處2-3塊隔板，支座變化時，兩處的隔板隨之變化。主梁腹板角鋼有一到四排可選，設腹板角鋼參數為FJNO，根據主梁腹板是否有角度，腹板角鋼的分布方式有四種可選。

對于標準件與通用件，利用系列化表驅動的方式驅動產品參數。數據庫里面存放不同系列的數據，在產品信息模型，在參數劃分的基礎上，根據門式起重機主梁的參數化設計要求，建立參數數據庫，提取參數信息，驅動草圖尺寸，草圖尺寸利用布局草圖中的方程式驅動零件的尺寸，從而實現參數驅動產品的自動更新。對于非標準件以及變異件利用變型設計的方法，建立柔性模塊。在柔性模塊內部封裝了系列化的可調節變量，通過變量的變化驅動生成相應的柔性模塊結構[4]。可利用API函數編寫程序代碼，調用對應的系列。例如，根據上下蓋板處有無角鋼可選，角鋼與隔板開口需要嚴格的按照標準進行配合，更改其配置的方式進行，例如：mod_config"MCA20.5.1.1.02-25"，"無孔××J".

3.3 工程圖調優

裝配驅動后，三維生成的工程圖偏差較大，不符合企業的要求，特別是對于復雜的產品，尺寸出現漂移，缺失的尺寸會變成黃色，視圖大小比例不協調，尺寸、位置、序號雜亂無章，明細表因為零件的增加和缺失不能自動更新，如果人為進行修改，工作量較大，而且容易出錯，因此，有必要對工程圖進行二次開發，使工程圖能夠自動調優。

在三維向二維轉化的過程中，自動生成的工程圖圖幅較差，尺寸標注不整潔，線條繁雜（可以省略的線條不能自動缺省）。因此需要對工程圖進行進一步調優。

主梁工程圖調整過程中，首先需準確定制符合企業的設計模板。將工具選項中與工作相關的選項如箭頭、自定義屬性、材質屬性、字體等信息進行鏈接。然后進行裝配圖的簡化，對尺寸的尺寸、位置和工藝信息焊接符號、粗糙度等進行知識表示，分別建立輪廓層、尺寸層、位置注釋等。為了并行設計，分別建立數據讀取模塊、推理機模塊和工程圖調整模塊。

首先對模型自動生成的圖紙實例庫提取所需要的相關知識，添加預處理模塊。將尺寸位置、視圖位置記錄下來，提取零件的數量，提取圖層信息等，以記事本文件或數據庫的形式存儲起來，以便后期調用。然后利用推理機進行設計計算、推理分析，該模塊為調優模塊。自動生成的視圖與原視圖大小進行比較，按照國標，以人機交互的形式，進行比例優化。尺寸內外位置根據尺寸層的分布利用程序自動計算。零件名以鏈接的形式，實現零件名自動更新等。

4 結束語

本文主要根據門式起重機主梁鋼結構件的特點，研究了系列化產品變型設計、數據庫表驅動參數、提取相關知識等智能驅動的方法，將產品與程序進行并行設計的方式進行，以KBE為設計思想，開發了起重機主梁系統的程序三大模塊。在企業中已經成功應用，極大地提高了產品設計的效率和質量，可以生成產品一系列模板，知識集成度強，其重用性高，大大降低了設計人員的重復勞動，集中到產品的創新設計過程中，對其他結構件系列化產品也有著較好的借鑒意義。

[1]陳 雨，毛恩榮，呂黃珍，等．基于推理的大型收獲機械變速箱參數化設計[J]．農業機械學報，2013，11（02）：278-282.

[2]辛立娜，曹旭陽，許 濱，等．基于KBE技術的橋式起重機模塊化設計系統[J]．起重運輸機械，2013，12（04）：30-34.

[3]徐保文，姚軼峰，張立雷，等．基于KBE實施體系的研究[J]．硅谷，2013，31（05）：25-30.

[4]李中凱，程志紅，程 剛.復雜機電產品柔性平臺模塊化再設計集成方法[J]．計算機集成制造系統，2012，18（8）:1810-1818.