基于知識工程的折彎機快速設計系統(tǒng)研究

劉士標，趙高暉，仲梁維

(上海理工大學 機械工程學院，上海　200093)

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基于知識工程的折彎機快速設計系統(tǒng)研究

劉士標，趙高暉，仲梁維

(上海理工大學 機械工程學院，上海200093)

摘要：為了縮短產品的開發(fā)周期，響應市場個性化的需求，提高產品質量，將知識工程應用到折彎機的設計流程中。構建基于知識工程的折彎機總體設計的結構框架, 運用模塊化和參數化等產品設計開發(fā)技術，結合折彎機傳統(tǒng)設計流程和方法，開發(fā)出了基于知識工程的折彎機快速設計系統(tǒng)。該快速設計系統(tǒng)以pro/E三維設計軟件為應用平臺，利用SQL Server數據庫來管理產品的零部件信息，利用VB.NET對pro/E進行二次開發(fā)。

關鍵詞：折彎機；知識工程；快速設計；參數化

0引言

折彎機(bending machine)作為目前加工彎曲件的主要設備，社會的汽車、船舶、家具等行業(yè)高速發(fā)展，市場對折彎機的需求量不斷增大以及產品的多樣性也不斷增多。將大批量定制生產模式應用到現(xiàn)代折彎機的生產制造中，將對折彎機、剪板機等企業(yè)的發(fā)展起著至關重要的作用。傳統(tǒng)的折彎機生產方式往往存在著很多弊端，使產品的設計周期大大延長；設計知識也未得到系統(tǒng)的總結，造成知識的流失；產品的數據管理不完善。

因此，為了適應大批量定制生產模式，將知識工程、快速設計技術運用到折彎機產品設計中，最大程度地縮短產品的設計周期，提升企業(yè)的生產力和市場的競爭力。為企業(yè)的高速高效的生產提供技術支持，符合現(xiàn)代制造業(yè)的生產規(guī)范，實現(xiàn)企業(yè)折彎機產品的生產規(guī)模和生產的高速發(fā)展。

1基于知識工程的折彎機快速設計系統(tǒng)

1.1折彎機快速設計系統(tǒng)體系結構

基于知識工程的折彎機快速設計系統(tǒng)通過Visual Basic.NET技術和ADO(Active Data Object，即ActiveX數據對象)、OLE-DB(Object Linking and Embedding-Database，即對象連接與嵌入)技術相結合，與此同時，研究pro/E VBApI函數，將其作為二次開發(fā)接口工具，開發(fā)了基于pro/E軟件平臺的折彎機快速設計系統(tǒng)[1]。系統(tǒng)通過pro/E 自帶的VBApI工具集成了pro/E軟件，主要具有三個基本的服務：一是連接數據庫，操作數據庫數據，將數據讀取到pro/E軟件中，實現(xiàn)模型的重生；二是操作并連接用戶開發(fā)的新的功能；三是實現(xiàn)開發(fā)的功能與pro/E軟件平臺之間的功能聯(lián)系。該系統(tǒng)把pro/E軟件的三維零部件設計、產品裝配、工程圖生成等功能，與自行開發(fā)的參數化設計模塊、設計校驗、工程圖模板和設計信息管理等模塊功能相互集成，在零部件實體模板、零部件工程圖模板的基礎上實現(xiàn)折彎機產品的參數化快速設計，系統(tǒng)的體系結構如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)的體系結構

1.2系統(tǒng)知識庫建立

知識庫是用來存儲知識的實體，是實現(xiàn)知識組織和存儲的場所。折彎機設計過程中會用到各種各樣的相關設計知識和設計經驗，如何將它們合理有效地存儲起來更好地為設計系統(tǒng)服務，就涉及到知識庫的內容[2-4]。折彎機快速設計系統(tǒng)的知識庫主要通過兩種不同的方式共同實現(xiàn)，分別為基于實例的推理和基于規(guī)則的推理。參照結構要求構建滿足要求的實例庫來實現(xiàn)基于實例的推理，基于總結的設計規(guī)則建立充實的規(guī)則庫來實現(xiàn)基于規(guī)則的推理。知識庫結構如圖2所示。

圖2　折彎機知識庫結構

1.3系統(tǒng)開發(fā)關鍵技術

1.3.1基于實例的推理技術(CBR)

基于實例推理是人工智能領域的一個重要學科，通過利用歷史問題的解決經驗和特定知識來直接解決類似新問題，受到廣大專家和學者的關注。同時，CBR是一種具有自適應學習能力的重要方法，每次新問題被解決之后，新的經驗知識將作為一個新的實例被保存到綜合數據庫中，并被應用于解決以后的新問題。整個實例推理主要包括四個過程：檢索、復用、修正、存儲，首先系統(tǒng)會根據用戶對問題的描述，從實例庫中自動檢索出一個相似度最高的實例，并根據新問題的要求對實例進行修改[5-7]。其次，將新設計的實例作為新的知識實例，保存到實例庫中,實例推理的流程圖如圖3所示。

折彎機知識推理的原則是從部分到整體，然后在整體到部分進行的。首先，由折彎機主要特征數據檢索到整體實例，再由整體到部分傳遞新的設計參數，按照原來的約束關系進行設計重組，從而得到折彎機的虛擬樣機、工程圖等設計結果，設計完成后，若滿足存儲需要，作為實例存儲到實例庫中。

圖3　CBR系統(tǒng)的工作流程

1.3.2模塊化設計技術

產品模塊化是根據對產品的子功能或功能元的劃分將產品劃分成一些相對獨立的通用單元，即產品的功能模塊。這些功能模塊有特定的功能接口可以與其他模塊關聯(lián)以實現(xiàn)產品整體的功能。

模塊是進行產品初期設計、生產和管理的最小單元。模塊化產品設計的關鍵是模塊的劃分，模塊的劃分是以盡量少的模塊組合完成所有產品的設計為目標，為了科學的進行模塊的劃分，首先在產品設計公理的基礎上對基型產品功能進行分解，通過功能和結構的映射關系實現(xiàn)基型產品模塊的劃分。

1.3.3基于知識的參數化設計

參數化設計(parametric Design)，也稱為尺寸驅動(Dimension-Driven)，源于CAD技術根據實際應用所提出來的課題。所謂參數化設計就是在產品設計時，通過一些具體的約束關系和參數條件來確定產品的結構形狀及拓撲關系，從而設計出各種規(guī)格的產品。參數化設計一般的實現(xiàn)方法，是在原有設計的基礎上，通過定義選擇的定形、定位尺寸關系使其作為變量，并將這些變量和其他相關尺寸點建立函數關系，實現(xiàn)修改這些變量即可得到所需要的設計產品[8-9]。參數化設計的核心是將模型約束，特征是實現(xiàn)尺寸驅動。參數化設計的本質是修改結構形狀一致產品所設置的參數尺寸值來再生出新產品，通過參數化設計，只需輸入機械零部件的部分重要參數，就能自動、快捷、準確地生成工程圖。

2基于知識工程的折彎機工作流程

通過已建立的折彎機的規(guī)則知識庫、參數規(guī)則庫，基于知識推理的檢索機制，參照實例庫進行模型匹配和檢索。如果能夠檢索到相應的折彎機產品模型，系統(tǒng)會重用設計數據，免去設計人員重新設定參數的環(huán)節(jié)，直接調用以往設計數據，并將設計結果直接輸出；否則，就要基于實例在原來相似的實例基礎上進行變型設計或者直接進行新的設計。在實例庫中沒有相似實例的情況下，系統(tǒng)將給出設計模塊，供用戶設定新產品所需參數，進行設計的折彎機產品設計。最后，系統(tǒng)將設計獲得的新的折彎機產品以數據和實例的形式保存到庫中以便實例的積累，并豐富折彎機設計庫，為日后設計提供實例參考，系統(tǒng)的工作流程如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)的工作流程

3應用實例

折彎機快速設計系統(tǒng)中的界面主要包括系統(tǒng)登錄界面和詳細參數設計界面等。登陸界面由用戶名、密碼和用戶類型三者驗證用戶是否能夠正確登錄折彎機設計系統(tǒng)。用戶類型包括項目主管和項目成員兩種用戶類型，項目主管登錄系統(tǒng)后有權限增加項目成員和刪除項目成員，項目成員有權限對自己的密碼進行更改。

參數設計界面的參數內容是根據折彎機的系列和規(guī)格變化時，折彎機各個模塊結構參數變化情況確定的，同時也包括企業(yè)要求提供修改功能的特殊參數如圖5所示。由于折彎機結構參數有很多，參數設計界面僅顯示折彎機重要的關鍵參數，其他的折彎機結構參數通過一定的關系與關鍵參數相關聯(lián)，修改關鍵參數后，這些參數按照設定的關系變化，對各個模塊進行結構參數化驅動，各模塊設計完成后，系統(tǒng)對各模塊進行自動裝配成整機[10]。最后將設計的新實例存入實例庫，以便下次使用。如圖6所示。

圖5　折彎機參數設計界面

圖6　系統(tǒng)生成的折彎機三維模型

4結束語

本文將知識工程技術應用到折彎機的設計中，通過對實例推理、模塊化和參數化設計等關鍵技術的研究，開發(fā)出了基于知識工程的折彎機快速設計系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)有利于產品設計知識的積累和充分利用，減少設計錯誤，縮短了產品的設計周期。最后通過折彎機設計實例的實現(xiàn)驗證了系統(tǒng)的有效性和可靠性。

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Research on Rapid Design System of Bending Machine Based on Knowledge Engineering

LIU Shi-biao, ZHAO Gao-hui, ZHONG Liang-wei

(College of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093, China)

Abstract：In order to Shorten the product develop cycle time，response to market personalized demands and improve product quality, the knowledge engineering technology is applied in the design process of bending machine. The framework of bending machine overall design is constructed base on knowledge-based engineering technique, product design and development techniques are used, such as modularization and parameterization, and combined with bending machine traditional design processes and methods. The system used pro/E design software as application platform, combined with SQL Server database to manage product parts information and applied VB.NET programming language for secondary development of pro/E software.

Key words：bending machine；knowledge-based engineering；rapid design；parameterization

中圖分類號：TH166;TG65

文獻標識碼：A

作者簡介：劉士標(1990—)，男，江蘇揚州人，上海理工大學碩士研究生，研究方向為CAD/CAE/CAM，(E-mail)lshibiao_2015@163.com。

收稿日期：2015-03-24

文章編號：1001-2265(2016)01-0131-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.01.036