陳洪財(cái)，黃文培，丁國(guó)富，夏曉龍，閻開印

CHEN Hong-cai，HUANG Wen-pei，DING Guo-fu，XIA Xiao-long，YAN Kai-yin

（西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 先進(jìn)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)研究所，成都 610031）

0 引言

目前橋式起重機(jī)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)十分激烈，自動(dòng)化設(shè)計(jì)在橋式起重機(jī)的設(shè)計(jì)制造中至關(guān)重要，并已成為起重機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)[1]。目前在起重機(jī)設(shè)計(jì)知識(shí)庫的構(gòu)建中已有很多知識(shí)表示方法，例如基于面向?qū)ο笾R(shí)表示的起重機(jī)專家系統(tǒng)[2]、基于產(chǎn)生式規(guī)則和框架的橋式起重機(jī)快速智能設(shè)計(jì)[3]以及基于XML的面向?qū)ο笾R(shí)表示的起重機(jī)CAD系統(tǒng)[4]等。在人工智能領(lǐng)域內(nèi)已發(fā)展了多種知識(shí)表示方式，這些方式各有利弊。傳統(tǒng)的知識(shí)表示方法在語義表現(xiàn)等方面存在一定局限，而使用本體論來表示知識(shí)可以在語義的表現(xiàn)、挖掘隱含的信息方面有很大的改善，知識(shí)表示關(guān)系的更豐富。本體論在零件工藝設(shè)計(jì)[5]、汽車和機(jī)床等領(lǐng)域均獲得了良好的應(yīng)用[6]。

本文將本體方法應(yīng)用到橋式起重機(jī)零部件選型中，首先根據(jù)橋式起重機(jī)零部件信息建立橋式起重機(jī)零部件領(lǐng)域本體知識(shí)庫并利用推理機(jī)對(duì)領(lǐng)域本體進(jìn)行一致性檢查，然后存儲(chǔ)領(lǐng)域本體，再結(jié)合VS 2008開發(fā)工具實(shí)現(xiàn)橋式起重機(jī)零部件選型等相關(guān)信息的智能管理及應(yīng)用。系統(tǒng)集成三維CAD技術(shù)針對(duì)選型結(jié)果進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)方法能適應(yīng)復(fù)雜的起重機(jī)零部件的自動(dòng)化選型設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)框架流程設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

本文研究的橋式起重機(jī)零部件選型系統(tǒng)將本體方法與參數(shù)化設(shè)計(jì)方法緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)零部件自動(dòng)化快速設(shè)計(jì)，即：用戶需求—推理匹配設(shè)計(jì)—校核—參數(shù)化設(shè)計(jì)—結(jié)果返回，系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

橋式起重機(jī)零部件自動(dòng)化選型系統(tǒng)主要包括零部件知識(shí)庫、推理規(guī)則庫、零部件模型庫三個(gè)部分。零部件知識(shí)庫由Protégé軟件根據(jù)橋式起重機(jī)零部件相關(guān)信息建立；規(guī)則庫來源于兩個(gè)方面：一是本體中所蘊(yùn)含的公理，二是領(lǐng)域規(guī)則；模型庫由橋式起重機(jī)零部件模型構(gòu)成。

圖1 橋式起重機(jī)零部件智能快速選型系統(tǒng)框架

其中，知識(shí)庫用于預(yù)處理用戶提交的查詢條件及用于零部件的匹配選型，它是快速智能設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)；匹配推理是自動(dòng)快速設(shè)計(jì)的核心，包括推理設(shè)計(jì)、匹配算法設(shè)計(jì)等；規(guī)則庫用于橋式起重機(jī)零部件智能快速選型過程中實(shí)例檢索；參數(shù)化設(shè)計(jì)是快速設(shè)計(jì)模型的實(shí)現(xiàn)方法，可以利用SolidWorks實(shí)現(xiàn)基于尺寸的參數(shù)化建模。

1.2 系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

基于本體的橋式起重機(jī)零部件智能快速選型流程：

1）提交用戶需求。用戶提交基本參數(shù)。

2）匹配推理。查詢條件預(yù)處理后進(jìn)入零部件選型推理匹配過程。

3）參數(shù)化設(shè)計(jì)。將匹配結(jié)果返回并校核通過后，進(jìn)入?yún)?shù)化設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行零部件參數(shù)化建模。

4）結(jié)果返回。參數(shù)化設(shè)計(jì)完成后返回結(jié)果并存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)橋式起重機(jī)零部件智能快速選型。

2 知識(shí)庫、規(guī)則庫、模型庫建立及匹配推理設(shè)計(jì)

2.1 知識(shí)庫的建立

橋式起重機(jī)零部件知識(shí)庫中包含項(xiàng)目信息、用戶信息、零部件類型、零部件型號(hào)、零部件特征、零部件裝配、零部件選型要求等相關(guān)信息。

橋式起重機(jī)零部件知識(shí)庫用Protégé軟件根據(jù)橋式起重機(jī)零部件相關(guān)信息建立。Protégé軟件是目前最為流行的開源本體編輯軟件，由斯坦福大學(xué)開發(fā)[7]。Protégé軟件提供了本體概念類、關(guān)系、屬性和實(shí)例的構(gòu)建，并且屏蔽了具體的本體描述語言，用戶只需在概念層次上進(jìn)行領(lǐng)域本體模型的構(gòu)建。

圖2 聯(lián)軸器部分

以聯(lián)軸器為例，利用本體理論構(gòu)建知識(shí)庫中聯(lián)軸器部分知識(shí)的具體步驟如下，如圖2所示。聯(lián)軸器領(lǐng)域本體建立步驟如下：

1）界定領(lǐng)域范圍，即聯(lián)軸器。

2）選擇數(shù)據(jù)源抽取聯(lián)軸器相關(guān)信息的概念構(gòu)造概念類，如聯(lián)軸器類、齒輪型齒式聯(lián)軸器類等類。

3）確定聯(lián)軸器相關(guān)概念的屬性，構(gòu)造屬性類。如許用轉(zhuǎn)速、許用轉(zhuǎn)矩、質(zhì)量等。

4）確定聯(lián)軸器相關(guān)屬性類和聯(lián)軸器概類念間的關(guān)系。

5）建立聯(lián)軸器概念的個(gè)體，如齒輪型齒式聯(lián)軸器、CL1型齒輪齒式聯(lián)軸器等。

在橋式起重機(jī)零部件領(lǐng)域本體建立完成后，對(duì)領(lǐng)域本體進(jìn)行一致性檢查，一致性檢查通過后存儲(chǔ)領(lǐng)域本體。按照存儲(chǔ)介質(zhì)不同可以分為基于主存、基于文件系統(tǒng)和基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫三類本體存儲(chǔ)方法[8]?；谖募到y(tǒng)的存儲(chǔ)方式實(shí)現(xiàn)起來比較簡(jiǎn)單,很多相關(guān)工具都支持對(duì)文件格式的本體進(jìn)行存取。本文采用基于文件系統(tǒng)存儲(chǔ)，將橋式起重機(jī)零部件領(lǐng)域本體以O(shè)WL格式存儲(chǔ)在文件系統(tǒng)中。

2.2 規(guī)則庫的建立

整個(gè)匹配推理過程中，包括的兩個(gè)中心環(huán)節(jié)：規(guī)則庫的設(shè)計(jì)和匹配推理設(shè)計(jì)。知識(shí)庫建立完成后，我們建立用于匹配推理的規(guī)則庫，規(guī)則庫中的規(guī)則來源于兩個(gè)方面：一是本體中所蘊(yùn)含的公理，二是領(lǐng)域規(guī)則。

公理主要包括本體中的類關(guān)系和屬性關(guān)系。其中，類關(guān)系覆蓋了等價(jià)類關(guān)系、子類關(guān)系、互斥類關(guān)系。屬性關(guān)系則包括等價(jià)屬性關(guān)系、子屬性關(guān)系、逆屬性關(guān)系。在構(gòu)建領(lǐng)域規(guī)則時(shí)，需要遵循一些原則：1）明確表示條件和動(dòng)作間的關(guān)聯(lián)；2）規(guī)則必須符合領(lǐng)域中的應(yīng)用，且規(guī)則之間不能存在沖突；3）滿足常用有效的規(guī)則表示形式，以便計(jì)算機(jī)處理。如齒輪型齒式聯(lián)軸器類是聯(lián)軸器類的子類、聯(lián)軸器類是起升機(jī)構(gòu)的子類。電動(dòng)機(jī)類是起升機(jī)構(gòu)的子類等。推理規(guī)則（部分）如表1所示。

表1 推理規(guī)則（部分）

例如，假設(shè)滿足規(guī)則類型rule1，聯(lián)軸器類subClassOf 起升機(jī)構(gòu)類；起升機(jī)構(gòu)類 subClassOf橋式起重機(jī)類。則有聯(lián)軸器類 subClassOf 橋式起重機(jī)類，即聯(lián)軸器類是橋式起重機(jī)類的子類。假設(shè)滿足規(guī)則類型rule2，電機(jī)類EquivalentClass電動(dòng)機(jī)類；電動(dòng)機(jī)類EquivalentClass電機(jī)類。則電機(jī)類與電動(dòng)機(jī)類是相等類。

2.3 匹配推理設(shè)計(jì)

將用于存放匹配結(jié)果的匹配數(shù)組置空，用來存放已完成匹配的實(shí)例的匹配結(jié)果。我們要對(duì)返回的結(jié)果根據(jù)相似度的大小進(jìn)行排序。最后將相似度最高的結(jié)果返回。

1）預(yù)處理用戶提交的查詢條件。用戶需求經(jīng)過預(yù)處理變?yōu)橐唤M采用“AND”連接的關(guān)鍵字。實(shí)例信息中至少包含一個(gè)查詢關(guān)鍵字便視其為相匹配的實(shí)例，需返回。

2）與知識(shí)庫中實(shí)例進(jìn)行匹配。系統(tǒng)基于規(guī)則庫規(guī)則及橋式起重機(jī)零部件知識(shí)庫推理找到需要選型的零部件類，再找到實(shí)例層中對(duì)應(yīng)該零部件類的所有實(shí)例。系統(tǒng)自動(dòng)將經(jīng)預(yù)處理的查詢條件與橋式起重機(jī)零部件知識(shí)庫中的實(shí)例進(jìn)行匹配，若與實(shí)例的一個(gè)或幾個(gè)屬性匹配，則增加用于存儲(chǔ)該次匹配結(jié)果的數(shù)組中的值；若屬性不匹配，則數(shù)組中的值不變。

3）匹配結(jié)束。比較各匹配實(shí)例匹配數(shù)組中變量的值。最后將相似程度值最大的實(shí)例返回并進(jìn)行相關(guān)參數(shù)校核。

2.4 模型庫的建立

根據(jù)橋式起重機(jī)零部件相關(guān)幾何信息，采用SolidWorks軟件逐一建立各零部件的模型，構(gòu)成模型庫。結(jié)合系統(tǒng)的管理功能，在系統(tǒng)使用過程中逐漸完善模型庫。

3 參數(shù)化設(shè)計(jì)

目前關(guān)于橋式起重機(jī)的參數(shù)化設(shè)計(jì)有較多的參考文獻(xiàn)，目前參數(shù)化建模技術(shù)可分為三類：基于尺寸驅(qū)動(dòng)的參數(shù)化建模、基于約束驅(qū)動(dòng)的參數(shù)化建模和基于特征的參數(shù)化建模?；诔叽珧?qū)動(dòng)的參數(shù)化建模通過對(duì)模型的幾何尺寸進(jìn)行修改，實(shí)現(xiàn)對(duì)圖形的修改。它是目前應(yīng)用最為廣泛的建模方法，也是最基本的方法。本文采用基于SolidWorks尺寸驅(qū)動(dòng)的參數(shù)化建模方式。參數(shù)化設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖3 基于SolidWorks的參數(shù)化設(shè)計(jì)流程

橋式起重機(jī)零部件智能快速選型系統(tǒng)利用VS2008開發(fā)工具將知識(shí)庫模塊、規(guī)則庫模塊和模型庫模塊集成。系統(tǒng)中參數(shù)化設(shè)計(jì)模塊是基于SolidWorks的二次開發(fā)函數(shù)API，采用C#語言調(diào)用SolidWorks軟件，實(shí)現(xiàn)將Solidworks軟件嵌入到選型系統(tǒng)中。根據(jù)零部件匹配選型結(jié)果相關(guān)信息進(jìn)行零部件參數(shù)化設(shè)計(jì)，得到零部件的三維模型并返回結(jié)果，參數(shù)化設(shè)計(jì)結(jié)束。

4 實(shí)例驗(yàn)證

以電動(dòng)機(jī)輸出軸用聯(lián)軸器選型為例來說明零部件自動(dòng)快速選型過程。聯(lián)軸器選型包括聯(lián)軸器類型選擇、聯(lián)軸器具體型號(hào)選擇等。參考系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)，選型過程如下。

1）確定聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)類型

（1）提交用戶需求

提交用戶需求即輸入聯(lián)軸器類型選擇基本參數(shù)，如表2所示。聯(lián)軸器選型基本參數(shù)從已完成選型的相關(guān)零部件讀取和用戶提交的基本參數(shù)中讀取。其中原動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性、聯(lián)軸器的載荷特性、聯(lián)軸器的許用轉(zhuǎn)速及兩軸的相對(duì)偏移和傳遞精度等參數(shù)從已完成選型的相關(guān)零部件中獲取，安裝和維護(hù)、經(jīng)濟(jì)性、工作環(huán)境等參數(shù)由用戶選擇提交。

表2 聯(lián)軸器類型選擇基本參數(shù)

（2）匹配推理

將基本參數(shù)處理變?yōu)橐唤M采用“OR”連接的關(guān)鍵字，系統(tǒng)基于規(guī)則推理在知識(shí)庫中首先找到橋式起重機(jī)概念類，基于rule1找到起升機(jī)構(gòu)概念類，然后找到聯(lián)軸器概念類，最后找到聯(lián)軸器零部件的實(shí)例。將系統(tǒng)預(yù)處理后基本參數(shù)與起重機(jī)知識(shí)庫中的聯(lián)軸器實(shí)例匹配。主要考慮兩軸相對(duì)偏移、工作環(huán)境、載荷特性等主要因素，再參考經(jīng)濟(jì)性等次要因素。

（3）經(jīng)過推理匹配輸出匹配程度最高的聯(lián)軸器類型：齒輪型齒式聯(lián)軸器。

2）確定聯(lián)軸器規(guī)格型號(hào)

（1）提交用戶需求

輸入聯(lián)軸器型號(hào)選擇基本參數(shù)，如表3所示。選型基本參數(shù)從已完成選型的零件讀取和用戶提交的基本參數(shù)中讀取。

表3 聯(lián)軸器型號(hào)選擇基本參數(shù)

其中聯(lián)軸器類型從前面聯(lián)軸器類型匹配結(jié)果獲取，驅(qū)動(dòng)功率（用于聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩校核）、聯(lián)軸器輸入軸轉(zhuǎn)速、聯(lián)軸器輸入軸直徑和聯(lián)軸器輸出軸直徑參數(shù)從已完成選型的電機(jī)等部件中獲取。

（2）匹配推理

首先預(yù)處理基本參數(shù)并基于規(guī)則推理在知識(shí)庫中找到齒輪型聯(lián)軸器實(shí)例。將系統(tǒng)預(yù)處理后基本參數(shù)與起重機(jī)知識(shí)庫中的齒輪型聯(lián)軸器實(shí)例進(jìn)行匹配。主要考慮聯(lián)軸器輸入轉(zhuǎn)速、聯(lián)軸器輸入軸直徑、聯(lián)軸器輸出軸直徑等主要因素，再參考經(jīng)濟(jì)性、重量等次要參數(shù)。聯(lián)軸器型號(hào)選擇匹配結(jié)果信息見表4。經(jīng)過推理匹配并校核聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩，輸出匹配程度最高的齒輪型齒式聯(lián)軸器，型號(hào)CL3。

表4 聯(lián)軸器型號(hào)匹配結(jié)果

3）參數(shù)化設(shè)計(jì)

匹配結(jié)束后，從知識(shí)庫中讀取CL3型聯(lián)軸器幾何尺寸信息，CL3型聯(lián)軸器幾何尺寸信息見表 5。并將信息傳遞到參數(shù)化設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行聯(lián)軸器參數(shù)化建模。CL3聯(lián)軸器模型如圖4所示。

表5 CL3型齒式聯(lián)軸器幾何尺寸參數(shù)(單位mm)

圖4 聯(lián)軸器零件模型及相關(guān)信息

4）結(jié)果返回

在參數(shù)化設(shè)計(jì)完成后，輸出聯(lián)軸器的種類、型號(hào)及零件模型圖等信息并存儲(chǔ)。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)用Protégé軟件建立了橋式起重機(jī)零部件知識(shí)庫，根據(jù)相關(guān)原則建立了用于匹配推理的規(guī)則庫，建立了用于參數(shù)化建模的原始模型庫。然后基于VS2008開發(fā)工具將知識(shí)庫模塊、規(guī)則庫模塊和參數(shù)化設(shè)計(jì)模塊集成起來。最后通過實(shí)例證明了該系統(tǒng)有效可行。

本文旨在對(duì)我國(guó)橋式起重機(jī)零部件選型的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法做一些嘗試和探索，因此還有不完善的地方，但本文提出的思想對(duì)起重機(jī)零部件選型會(huì)有一定的啟發(fā)和推動(dòng)作用。

[1]陳欽云,張海柱,黎榮,丁國(guó)富,賈美薇.造船門式起重機(jī)虛擬樣機(jī)快速定制及評(píng)價(jià)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,2012,03:107-110.

[2]于萍,吳業(yè)福.面向?qū)ο笾R(shí)表示在起重機(jī)專家系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展,2008,11:204-206+210.

[3]王偉.橋式起重機(jī)智能快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].濟(jì)南大學(xué),2012.

[4]張雄.基于知識(shí)的橋式起重機(jī)CAD系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[D].大連理工大學(xué),2006.

[5]嚴(yán)鍵,陳友玲,劉文科.基于本體映射的零件工藝實(shí)例重用方法研究[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2012,01:177-180.

[6]趙建勛,張振明,田錫天,賈曉亮,朱名銓.本體及其在機(jī)械工程中的應(yīng)用綜述[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2007,04:727-737.

[7]韋雯倩,南蓬,陳燕,張曉艷,李軒,劉雷,李作峰.Protégé文本標(biāo)注工具在藥物知識(shí)表示中的應(yīng)用及其比較[J].復(fù)旦學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,01:142-147+152.

[8]常萬軍,任廣偉.OWL本體存儲(chǔ)技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2011,08:2893-2896.

[9]紀(jì)兆輝.本體的推理研究[J].南京師范大學(xué)學(xué)報(bào)(工程技術(shù)版),2012,03:54-59.

[10]張質(zhì)文,虞和謙,王金諾,等.起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,1997.