基于知識工程的折彎機(jī)快速設(shè)計系統(tǒng)研究

劉士標(biāo)，趙高暉，仲梁維

(上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海　200093)

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基于知識工程的折彎機(jī)快速設(shè)計系統(tǒng)研究

劉士標(biāo)，趙高暉，仲梁維

(上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海200093)

摘要：為了縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，響應(yīng)市場個性化的需求，提高產(chǎn)品質(zhì)量，將知識工程應(yīng)用到折彎機(jī)的設(shè)計流程中。構(gòu)建基于知識工程的折彎機(jī)總體設(shè)計的結(jié)構(gòu)框架, 運(yùn)用模塊化和參數(shù)化等產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)技術(shù)，結(jié)合折彎機(jī)傳統(tǒng)設(shè)計流程和方法，開發(fā)出了基于知識工程的折彎機(jī)快速設(shè)計系統(tǒng)。該快速設(shè)計系統(tǒng)以pro/E三維設(shè)計軟件為應(yīng)用平臺，利用SQL Server數(shù)據(jù)庫來管理產(chǎn)品的零部件信息，利用VB.NET對pro/E進(jìn)行二次開發(fā)。

關(guān)鍵詞：折彎機(jī)；知識工程；快速設(shè)計；參數(shù)化

0引言

折彎機(jī)(bending machine)作為目前加工彎曲件的主要設(shè)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(jī)的需求量不斷增大以及產(chǎn)品的多樣性也不斷增多。將大批量定制生產(chǎn)模式應(yīng)用到現(xiàn)代折彎機(jī)的生產(chǎn)制造中，將對折彎機(jī)、剪板機(jī)等企業(yè)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)的折彎機(jī)生產(chǎn)方式往往存在著很多弊端，使產(chǎn)品的設(shè)計周期大大延長；設(shè)計知識也未得到系統(tǒng)的總結(jié)，造成知識的流失；產(chǎn)品的數(shù)據(jù)管理不完善。

因此，為了適應(yīng)大批量定制生產(chǎn)模式，將知識工程、快速設(shè)計技術(shù)運(yùn)用到折彎機(jī)產(chǎn)品設(shè)計中，最大程度地縮短產(chǎn)品的設(shè)計周期，提升企業(yè)的生產(chǎn)力和市場的競爭力。為企業(yè)的高速高效的生產(chǎn)提供技術(shù)支持，符合現(xiàn)代制造業(yè)的生產(chǎn)規(guī)范，實現(xiàn)企業(yè)折彎機(jī)產(chǎn)品的生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)的高速發(fā)展。

1基于知識工程的折彎機(jī)快速設(shè)計系統(tǒng)

1.1折彎機(jī)快速設(shè)計系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

基于知識工程的折彎機(jī)快速設(shè)計系統(tǒng)通過Visual Basic.NET技術(shù)和ADO(Active Data Object，即ActiveX數(shù)據(jù)對象)、OLE-DB(Object Linking and Embedding-Database，即對象連接與嵌入)技術(shù)相結(jié)合，與此同時，研究pro/E VBApI函數(shù)，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(jī)快速設(shè)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(wù)：一是連接數(shù)據(jù)庫，操作數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)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(shè)計、產(chǎn)品裝配、工程圖生成等功能，與自行開發(fā)的參數(shù)化設(shè)計模塊、設(shè)計校驗、工程圖模板和設(shè)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(chǔ)上實現(xiàn)折彎機(jī)產(chǎn)品的參數(shù)化快速設(shè)計，系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

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(jī)設(shè)計過程中會用到各種各樣的相關(guān)設(shè)計知識和設(shè)計經(jīng)驗，如何將它們合理有效地存儲起來更好地為設(shè)計系統(tǒng)服務(wù)，就涉及到知識庫的內(nèi)容[2-4]。折彎機(jī)快速設(shè)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(jié)構(gòu)要求構(gòu)建滿足要求的實例庫來實現(xiàn)基于實例的推理，基于總結(jié)的設(shè)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(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　折彎機(jī)知識庫結(jié)構(gòu)

1.3系統(tǒng)開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

1.3.1基于實例的推理技術(shù)(CBR)

基于實例推理是人工智能領(lǐng)域的一個重要學(xué)科，通過利用歷史問題的解決經(jīng)驗和特定知識來直接解決類似新問題，受到廣大專家和學(xué)者的關(guān)注。同時，CBR是一種具有自適應(yīng)學(xué)習(xí)能力的重要方法，每次新問題被解決之后，新的經(jīng)驗知識將作為一個新的實例被保存到綜合數(shù)據(jù)庫中，并被應(yīng)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(fù)用、修正、存儲，首先系統(tǒng)會根據(jù)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(jù)新問題的要求對實例進(jìn)行修改[5-7]。其次，將新設(shè)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(jī)知識推理的原則是從部分到整體，然后在整體到部分進(jìn)行的。首先，由折彎機(jī)主要特征數(shù)據(jù)檢索到整體實例，再由整體到部分傳遞新的設(shè)計參數(shù)，按照原來的約束關(guān)系進(jìn)行設(shè)計重組，從而得到折彎機(jī)的虛擬樣機(jī)、工程圖等設(shè)計結(jié)果，設(shè)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(shè)計技術(shù)

產(chǎn)品模塊化是根據(jù)對產(chǎn)品的子功能或功能元的劃分將產(chǎn)品劃分成一些相對獨立的通用單元，即產(chǎn)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(guān)聯(lián)以實現(xiàn)產(chǎn)品整體的功能。

模塊是進(jìn)行產(chǎn)品初期設(shè)計、生產(chǎn)和管理的最小單元。模塊化產(chǎn)品設(shè)計的關(guān)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(chǎn)品的設(shè)計為目標(biāo)，為了科學(xué)的進(jìn)行模塊的劃分，首先在產(chǎn)品設(shè)計公理的基礎(chǔ)上對基型產(chǎn)品功能進(jìn)行分解，通過功能和結(jié)構(gòu)的映射關(guān)系實現(xiàn)基型產(chǎn)品模塊的劃分。

1.3.3基于知識的參數(shù)化設(shè)計

參數(shù)化設(shè)計(parametric Design)，也稱為尺寸驅(qū)動(Dimension-Driven)，源于CAD技術(shù)根據(jù)實際應(yīng)用所提出來的課題。所謂參數(shù)化設(shè)計就是在產(chǎn)品設(shè)計時，通過一些具體的約束關(guān)系和參數(shù)條件來確定產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形狀及拓?fù)潢P(guān)系，從而設(shè)計出各種規(guī)格的產(chǎn)品。參數(shù)化設(shè)計一般的實現(xiàn)方法，是在原有設(shè)計的基礎(chǔ)上，通過定義選擇的定形、定位尺寸關(guān)系使其作為變量，并將這些變量和其他相關(guān)尺寸點建立函數(shù)關(guān)系，實現(xiàn)修改這些變量即可得到所需要的設(shè)計產(chǎn)品[8-9]。參數(shù)化設(shè)計的核心是將模型約束，特征是實現(xiàn)尺寸驅(qū)動。參數(shù)化設(shè)計的本質(zhì)是修改結(jié)構(gòu)形狀一致產(chǎn)品所設(shè)置的參數(shù)尺寸值來再生出新產(chǎn)品，通過參數(shù)化設(shè)計，只需輸入機(jī)械零部件的部分重要參數(shù)，就能自動、快捷、準(zhǔn)確地生成工程圖。

2基于知識工程的折彎機(jī)工作流程

通過已建立的折彎機(jī)的規(guī)則知識庫、參數(shù)規(guī)則庫，基于知識推理的檢索機(jī)制，參照實例庫進(jìn)行模型匹配和檢索。如果能夠檢索到相應(yīng)的折彎機(jī)產(chǎn)品模型，系統(tǒng)會重用設(shè)計數(shù)據(jù)，免去設(shè)計人員重新設(shè)定參數(shù)的環(huán)節(jié)，直接調(diào)用以往設(shè)計數(shù)據(jù)，并將設(shè)計結(jié)果直接輸出；否則，就要基于實例在原來相似的實例基礎(chǔ)上進(jìn)行變型設(shè)計或者直接進(jìn)行新的設(shè)計。在實例庫中沒有相似實例的情況下，系統(tǒng)將給出設(shè)計模塊，供用戶設(shè)定新產(chǎn)品所需參數(shù)，進(jìn)行設(shè)計的折彎機(jī)產(chǎn)品設(shè)計。最后，系統(tǒng)將設(shè)計獲得的新的折彎機(jī)產(chǎn)品以數(shù)據(jù)和實例的形式保存到庫中以便實例的積累，并豐富折彎機(jī)設(shè)計庫，為日后設(shè)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(yīng)用實例

折彎機(jī)快速設(shè)計系統(tǒng)中的界面主要包括系統(tǒng)登錄界面和詳細(xì)參數(shù)設(shè)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(jī)設(shè)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(quán)限增加項目成員和刪除項目成員，項目成員有權(quán)限對自己的密碼進(jìn)行更改。

參數(shù)設(shè)計界面的參數(shù)內(nèi)容是根據(jù)折彎機(jī)的系列和規(guī)格變化時，折彎機(jī)各個模塊結(jié)構(gòu)參數(shù)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(shù)如圖5所示。由于折彎機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)有很多，參數(shù)設(shè)計界面僅顯示折彎機(jī)重要的關(guān)鍵參數(shù)，其他的折彎機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)通過一定的關(guān)系與關(guān)鍵參數(shù)相關(guān)聯(lián)，修改關(guān)鍵參數(shù)后，這些參數(shù)按照設(shè)定的關(guān)系變化，對各個模塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)化驅(qū)動，各模塊設(shè)計完成后，系統(tǒng)對各模塊進(jìn)行自動裝配成整機(jī)[10]。最后將設(shè)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(jī)參數(shù)設(shè)計界面

圖6　系統(tǒng)生成的折彎機(jī)三維模型

4結(jié)束語

本文將知識工程技術(shù)應(yīng)用到折彎機(jī)的設(shè)計中，通過對實例推理、模塊化和參數(shù)化設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)的研究，開發(fā)出了基于知識工程的折彎機(jī)快速設(shè)計系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)有利于產(chǎn)品設(shè)計知識的積累和充分利用，減少設(shè)計錯誤，縮短了產(chǎn)品的設(shè)計周期。最后通過折彎機(jī)設(shè)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(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：劉士標(biāo)(1990—)，男，江蘇揚(yáng)州人，上海理工大學(xué)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