劉德仿，陳建軍，陶 杰，江 強(qiáng)

LIU De-fang1,CHEN Jian-jun2,TAO Jie2,JIANG Qiang2

（1. 鹽城工學(xué)院 優(yōu)集學(xué)院，鹽城 224002；2. 江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013）

0 引言

減速器是一種原動機(jī)與工作機(jī)之間獨(dú)立的封閉式傳動裝置，用來降低轉(zhuǎn)速及相應(yīng)地增大轉(zhuǎn)矩，是一種應(yīng)用極為廣泛的重要機(jī)械部件。

減速器的結(jié)構(gòu)雖然比較簡單，但其設(shè)計計算長期以來按傳統(tǒng)設(shè)計方法進(jìn)行，過程相當(dāng)繁復(fù)。設(shè)計者需要通過查閱大量資料文獻(xiàn)，參照同類產(chǎn)品，結(jié)合自己的經(jīng)驗，通過估算、模擬或試驗完成產(chǎn)品的設(shè)計[1]。而且目前，用于設(shè)計的CAD/CAPP/PDM 軟件系統(tǒng)，都是一些工具型軟件，沒有KBE知識庫，也不可能事先開發(fā)出針對減速器設(shè)計的KBE系統(tǒng)[2]。本文基于UG NX二次開發(fā)平臺，根據(jù)減速器的設(shè)計流程，在其設(shè)計特點(diǎn)的基礎(chǔ)上對減速器KBE系統(tǒng)進(jìn)行了研究。

1 減速器KBE系統(tǒng)的總體設(shè)計

圖1 減速器KBE系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)

減速器KBE系統(tǒng)是主要以UG軟件的CAD建模及裝配模塊、二次開發(fā)模塊以及減速器實例數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，以特征參數(shù)化產(chǎn)品建模技術(shù)為核心的集成系統(tǒng)。系統(tǒng)的設(shè)計按照模塊化思想進(jìn)行，不同的功能由不同的模塊來完成，模塊之間相互聯(lián)系，使整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰，功能完善。模塊劃分自上而下，逐級進(jìn)行，如圖1所示。

1.1 減速器設(shè)計知識挖掘

對減速器結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行分析，在設(shè)計前需要獲得：減速器設(shè)計范例、國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)；減速器的設(shè)計流程、設(shè)計準(zhǔn)則及變型設(shè)計要求；減速器結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)與參數(shù)變型的類型；減速器各零部件之間的相互關(guān)系，包括裝配關(guān)系、幾何關(guān)系和參數(shù)關(guān)系等。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可以整理、歸納、抽象出設(shè)計過程所要用到的工程知識，并由此建立知識庫。

1.2 定義工程規(guī)則

利用所挖掘的設(shè)計知識來定義減速器設(shè)計過程的工程規(guī)則，然后根據(jù)用戶的需要建立由這些工程規(guī)則和設(shè)計知識所組成的設(shè)計過程導(dǎo)引，從而實現(xiàn)從減速器工程參數(shù)到三維模型幾何參數(shù)的轉(zhuǎn)化，并驅(qū)動相關(guān)的設(shè)計過程。

1.3 建立系統(tǒng)原型庫

運(yùn)用系統(tǒng)建模技術(shù)，根據(jù)工程知識和工程規(guī)則所確定的幾何參數(shù)，建立蘊(yùn)含減速器設(shè)計知識的原型模型，當(dāng)用戶修改相應(yīng)的工程參數(shù)、更新工程知識和調(diào)整工程規(guī)則時，系統(tǒng)能激活相應(yīng)的設(shè)計知識，使原型模型自動更新，實現(xiàn)減速器的自動設(shè)計。

1.4 軟件開發(fā)

按照軟件工程的要求進(jìn)行軟件開發(fā)，在采用軟件生命周期方法學(xué)的基礎(chǔ)上，結(jié)合面向?qū)ο蟮姆椒ê凸ぞ哌M(jìn)行系統(tǒng)的定義、分析、設(shè)計、編碼和調(diào)試，每一階段都形成完備的技術(shù)文檔，并使用快速原形化方法來確定系統(tǒng)的功能模塊，使系統(tǒng)開發(fā)既有一定的先進(jìn)性，又較符合實際工程的要求。

1.5 系統(tǒng)流程

系統(tǒng)研究開發(fā)以減速器設(shè)計理論、知識工程和數(shù)據(jù)庫技術(shù)為基礎(chǔ)，采用結(jié)構(gòu)化分析、設(shè)計和面向?qū)ο蟮姆椒?，進(jìn)行軟件系統(tǒng)的分析設(shè)計，以確保系統(tǒng)的開發(fā)質(zhì)量、可靠性與實用性：

1）在統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫下，利用UG/Open API二次開發(fā)工具與C語言，建立產(chǎn)品選型設(shè)計、三維參數(shù)化建模等信息的共享環(huán)境；

2）利用UG開發(fā)環(huán)境實現(xiàn)減速器的三維特征參數(shù)化建模并納入統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫管理，以解決設(shè)計過程中的“自動化孤島”問題，實現(xiàn)系統(tǒng)集成，最終形成基于UG的專用減速器自動裝配模塊；

圖2 系統(tǒng)流程圖

3）基于UG裝配建模環(huán)境，結(jié)合UG/Open API二次開發(fā)實現(xiàn)了減速器的虛擬裝配。

系統(tǒng)運(yùn)行流程如圖2所示。

2 減速器KBE系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

知識工程的關(guān)鍵技術(shù)包括： 知識獲取、知識表示、知識推理和知識管理[3]。KBE系統(tǒng)具有“自我生成”的知識繁衍機(jī)制，允許用戶利用KBE提供的工具添加自己的獨(dú)特知識，從而對系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展。在減速器KBE系統(tǒng)中，知識獲取通過對各部件的設(shè)計范例、國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計過程中得到的結(jié)論知識等來實現(xiàn)。所獲取的知識，納入到統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫管理。

2.1 知識表示

目前在實施KBE的過程中，用得最多的知識表示方法有一階謂詞邏輯表示法、語言網(wǎng)絡(luò)、產(chǎn)生式表示法、面向?qū)ο?、框架知識表示等[3,4]。知識庫是智能KBE系統(tǒng)的核心，是系統(tǒng)智能的源泉，主要由設(shè)計規(guī)則庫、產(chǎn)品實例庫和工程數(shù)據(jù)庫等構(gòu)成[5]。單一的知識表示方法很難滿足表達(dá)以上知識的要求，減速器KBE系統(tǒng)針對不同部件的特點(diǎn)、知識側(cè)重，將幾種知識表示方法綜合起來應(yīng)用，采用知識的集成表示法，以達(dá)到更加準(zhǔn)確合理的處理知識的目的。例如單級減速器KBE系統(tǒng)傳動方案的表示，可利用框架知識表示法來描述：

2.2 知識推理

知識推理可以分為：基于規(guī)則的推理RBR(Rule-Based Reasoning)、基于模型的推理MBR(Model-Based Reasoning)和基于事例的推理CBR(Case-Based Reasoning)，其中RBR是目前應(yīng)用最廣泛的推理技術(shù)[6]?；谝?guī)則的推理按驅(qū)動方式可分為正向推理、反向推理、混合推理、雙向推理。正向推理和反向推理都具有其局限性，為充分發(fā)揮兩者的優(yōu)點(diǎn)，在減速器KBE系統(tǒng)采用混合推理技術(shù)：設(shè)計過程中采用正向推理，校核時采用反向推理。

2.2.1 正向推理

正向推理的過程是：首先由用戶提供與求解問題有關(guān)的初始條件及設(shè)計任務(wù)知識，然后開始正向使用規(guī)則，在知識庫中搜索能夠與其匹配的規(guī)則，該規(guī)則即為可用規(guī)則，按照某種沖突消解策略，得出所使用規(guī)則的結(jié)論；通過檢驗推理結(jié)果，如果不符合設(shè)計要求，則需重新進(jìn)行新規(guī)則的匹配，如此重復(fù)上述過程，直到得出結(jié)論或者知識庫中沒有可用的規(guī)則為止，而推出的結(jié)論又可以作為中間結(jié)果加入到實例數(shù)據(jù)庫中作為下段推理的已知條件。例如減速器輸入軸軸徑的初步設(shè)計計算的推理過程，在軸的結(jié)構(gòu)和材料（45#）已經(jīng)選取的前提下，可以啟用設(shè)計規(guī)則（第三強(qiáng)度理論），由此推理出軸徑的計算公式。其推理流程如圖3所示。

圖3 傳動軸設(shè)計正向推理過程

2.2.2 反向推理

反向推理是以某個假設(shè)的目標(biāo)作為出發(fā)點(diǎn)的一種推理，首先提出一個假設(shè)目標(biāo)，再從知識庫中尋找支持該假設(shè)的證據(jù)（規(guī)則集），如果所需要的規(guī)則（“與”關(guān)系中的全部子目標(biāo)，或者“或”關(guān)系中的某一個子目標(biāo)）能夠通過用戶提供的知識庫找到，則該假設(shè)成立，推理成功，并把得到的規(guī)則結(jié)論加入到實例數(shù)據(jù)庫中。而如若無法找到支持該假設(shè)的規(guī)則，則說明假設(shè)不成立，需要另做新的假設(shè)而進(jìn)行再次的反向推理，或者推理失敗，結(jié)束推理。在減速器輸入軸的彎曲剛度校核時，假設(shè)軸的彎曲剛度滿足要求，再通過在數(shù)據(jù)庫中尋找能滿足該目標(biāo)的規(guī)則集，以此反向推理，進(jìn)而可以驗證所選取的軸徑。

3 實例

本文以單級斜齒輪減速器設(shè)計為例，實現(xiàn)減速器KBE系統(tǒng)。在建立系統(tǒng)模型前先對減速器做詳細(xì)的參數(shù)化模型設(shè)計，對斜齒輪減速器進(jìn)行特征分解后，通過兩條技術(shù)路線實現(xiàn)產(chǎn)品建模：一方面利用UG的復(fù)合建模技術(shù)實現(xiàn)各零部件的建模；另一方面利用UG二次開發(fā)模塊實現(xiàn)具有參數(shù)化特征的齒輪傳動部件的產(chǎn)品建模。主要零件參數(shù)化模型如圖4、圖5所示。

圖4 輸入軸

圖5 斜齒輪

完成減速器三維建模后，利用UG NX4的UG/OPEN MenuScript編輯以.men為擴(kuò)展名的菜單腳本文件，在UG NX4中加入專用菜單的方式來實現(xiàn)菜單用戶化。采用UG/Open API、UG/ Open UIStyler和UG/Open GRIP并結(jié)合VC++ 6.0進(jìn)行開發(fā)：UG/Open UIStyler用于生成可視化的交互對話框，UG/Open GRIP用于編寫讀寫參數(shù)文件的*.grx文件，而UG/Open API與VC++ 6.0則用于編寫完成對話框相應(yīng)功能的*.dll文件。

然后，配置環(huán)境變量進(jìn)入UG軟件，點(diǎn)擊菜單欄上“圓柱斜齒輪減速器快速成型系統(tǒng)”進(jìn)入系統(tǒng)。根據(jù)用戶要求，逐步添加減速器零件，系統(tǒng)自動計算完成減速器的裝配與設(shè)計。減速器KBE系統(tǒng)中輸入軸部件和齒輪部件的實現(xiàn)，如圖6、圖7 所示。所有零件裝配完成后，可以得到單級斜齒輪減速器的模型，如圖8所示。

圖6 輸入軸部件

圖7 齒輪部件

圖8 單級斜齒輪減速器

4 結(jié)論

本文以知識性和參數(shù)化的核心技術(shù)為基礎(chǔ)開發(fā)出基于UG平臺的減速器KBE智能系統(tǒng)，能激活相應(yīng)的設(shè)計知識，使原型模型自動更新，實現(xiàn)減速器的自動設(shè)計。系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：1）從減速器設(shè)計的全局來考慮問題，而不是僅僅提供某一傳動副的計算；2）自動化程度高，用戶只需輸入減速比、輸入功率和轉(zhuǎn)速，即可得到全部的幾何參數(shù)、精度值、應(yīng)力校核結(jié)果、部件模型和裝配模型；3）具有高度的柔性，在自動計算的過程中，用戶可以隨時干預(yù)設(shè)計進(jìn)程，更改設(shè)計選項和參數(shù)，從而使用戶的意圖體現(xiàn)在設(shè)計結(jié)果中；4）在了解工程師的設(shè)計思維和設(shè)計習(xí)慣的基礎(chǔ)上，將專家多年的減速器設(shè)計經(jīng)驗體現(xiàn)在程序的設(shè)計中。

[1] 江征風(fēng),劉麗華,丁毓峰.基于UG/KF技術(shù)的減速器設(shè)計知識重用系統(tǒng)[J].機(jī)械制造,2008,46(530)：19-22.

[2] 郭衛(wèi)光,郭鋼,等.汽車轉(zhuǎn)向器KBE系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J].機(jī)械研究與應(yīng)用,2008,21(1)：111-113.

[3] 陳軍,石曉祥,趙震,等.KBE關(guān)鍵技術(shù)及其在現(xiàn)代模具智能設(shè)計中的應(yīng)用[J].鍛壓技術(shù),2003(4)：47-49.

[4] 趙波.基于KBE的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計[J].機(jī)械設(shè)計,2004,21(7)：7-8,54.

[5] 李儉波,方宗德,等.基于UG平臺的車門設(shè)計KBE系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[J].機(jī)械設(shè)計與制造,2007(10)：73-75.

[6] 彭穎紅,胡浩.KBE技術(shù)及其在產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用[M].上海：上海交通大學(xué)出版社,2007：202.