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?！?00093)

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基于知識(shí)工程的折彎機(jī)快速設(shè)計(jì)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(chǎng)個(gè)性化的需求，提高產(chǎn)品質(zhì)量，將知識(shí)工程應(yīng)用到折彎機(jī)的設(shè)計(jì)流程中。構(gòu)建基于知識(shí)工程的折彎機(jī)總體設(shè)計(jì)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(jì)開發(fā)技術(shù)，結(jié)合折彎機(jī)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程和方法，開發(fā)出了基于知識(shí)工程的折彎機(jī)快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)。該快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)以pro/E三維設(shè)計(jì)軟件為應(yīng)用平臺(tái)，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(duì)pro/E進(jìn)行二次開發(fā)。

關(guān)鍵詞：折彎機(jī)；知識(shí)工程；快速設(shè)計(jì)；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(huì)的汽車、船舶、家具等行業(yè)高速發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)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(duì)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(jì)周期大大延長；設(shè)計(jì)知識(shí)也未得到系統(tǒng)的總結(jié)，造成知識(shí)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(shí)工程、快速設(shè)計(jì)技術(shù)運(yùn)用到折彎機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，最大程度地縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，提升企業(yè)的生產(chǎn)力和市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)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(shí)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(shí)工程的折彎機(jī)快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)

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

基于知識(shí)工程的折彎機(jī)快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)通過Visual Basic.NET技術(shù)和ADO(Active Data Object，即ActiveX數(shù)據(jù)對(duì)象)、OLE-DB(Object Linking and Embedding-Database，即對(duì)象連接與嵌入)技術(shù)相結(jié)合，與此同時(shí)，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(tái)的折彎機(jī)快速設(shè)計(jì)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(gè)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(shí)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(shí)現(xiàn)開發(fā)的功能與pro/E軟件平臺(tái)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(jì)、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(jì)模塊、設(shè)計(jì)校驗(yàn)、工程圖模板和設(shè)計(jì)信息管理等模塊功能相互集成，在零部件實(shí)體模板、零部件工程圖模板的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)折彎機(jī)產(chǎn)品的參數(shù)化快速設(shè)計(jì)，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(shí)庫建立

知識(shí)庫是用來存儲(chǔ)知識(shí)的實(shí)體，是實(shí)現(xiàn)知識(shí)組織和存儲(chǔ)的場(chǎng)所。折彎機(jī)設(shè)計(jì)過程中會(huì)用到各種各樣的相關(guān)設(shè)計(jì)知識(shí)和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，如何將它們合理有效地存儲(chǔ)起來更好地為設(shè)計(jì)系統(tǒng)服務(wù)，就涉及到知識(shí)庫的內(nèi)容[2-4]。折彎機(jī)快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)的知識(shí)庫主要通過兩種不同的方式共同實(shí)現(xiàn)，分別為基于實(shí)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(shí)例庫來實(shí)現(xiàn)基于實(shí)例的推理，基于總結(jié)的設(shè)計(jì)規(guī)則建立充實(shí)的規(guī)則庫來實(shí)現(xiàn)基于規(guī)則的推理。知識(shí)庫結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　折彎機(jī)知識(shí)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(shí)例的推理技術(shù)(CBR)

基于實(shí)例推理是人工智能領(lǐng)域的一個(gè)重要學(xué)科，通過利用歷史問題的解決經(jīng)驗(yàn)和特定知識(shí)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(shí)，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(yàn)知識(shí)將作為一個(gè)新的實(shí)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(gè)實(shí)例推理主要包括四個(gè)過程：檢索、復(fù)用、修正、存儲(chǔ)，首先系統(tǒng)會(huì)根據(jù)用戶對(duì)問題的描述，從實(shí)例庫中自動(dòng)檢索出一個(gè)相似度最高的實(shí)例，并根據(jù)新問題的要求對(duì)實(shí)例進(jìn)行修改[5-7]。其次，將新設(shè)計(jì)的實(shí)例作為新的知識(shí)實(shí)例，保存到實(shí)例庫中,實(shí)例推理的流程圖如圖3所示。

折彎機(jī)知識(shí)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(shí)例，再由整體到部分傳遞新的設(shè)計(jì)參數(shù)，按照原來的約束關(guān)系進(jìn)行設(shè)計(jì)重組，從而得到折彎機(jī)的虛擬樣機(jī)、工程圖等設(shè)計(jì)結(jié)果，設(shè)計(jì)完成后，若滿足存儲(chǔ)需要，作為實(shí)例存儲(chǔ)到實(shí)例庫中。

圖3　CBR系統(tǒng)的工作流程

1.3.2模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)

產(chǎn)品模塊化是根據(jù)對(duì)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(duì)獨(dú)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(shí)現(xiàn)產(chǎn)品整體的功能。

模塊是進(jìn)行產(chǎn)品初期設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和管理的最小單元。模塊化產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)公理的基礎(chǔ)上對(duì)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(shí)現(xiàn)基型產(chǎn)品模塊的劃分。

1.3.3基于知識(shí)的參數(shù)化設(shè)計(jì)

參數(shù)化設(shè)計(jì)(parametric Design)，也稱為尺寸驅(qū)動(dòng)(Dimension-Driven)，源于CAD技術(shù)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用所提出來的課題。所謂參數(shù)化設(shè)計(jì)就是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，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(jì)出各種規(guī)格的產(chǎn)品。參數(shù)化設(shè)計(jì)一般的實(shí)現(xiàn)方法，是在原有設(shè)計(jì)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(diǎn)建立函數(shù)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)修改這些變量即可得到所需要的設(shè)計(jì)產(chǎn)品[8-9]。參數(shù)化設(shè)計(jì)的核心是將模型約束，特征是實(shí)現(xiàn)尺寸驅(qū)動(dòng)。參數(shù)化設(shè)計(jì)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(jì)，只需輸入機(jī)械零部件的部分重要參數(shù)，就能自動(dòng)、快捷、準(zhǔn)確地生成工程圖。

2基于知識(shí)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(shí)庫、參數(shù)規(guī)則庫，基于知識(shí)推理的檢索機(jī)制，參照實(shí)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(huì)重用設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，免去設(shè)計(jì)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(jì)數(shù)據(jù)，并將設(shè)計(jì)結(jié)果直接輸出；否則，就要基于實(shí)例在原來相似的實(shí)例基礎(chǔ)上進(jìn)行變型設(shè)計(jì)或者直接進(jìn)行新的設(shè)計(jì)。在實(shí)例庫中沒有相似實(shí)例的情況下，系統(tǒng)將給出設(shè)計(jì)模塊，供用戶設(shè)定新產(chǎn)品所需參數(shù)，進(jìn)行設(shè)計(jì)的折彎機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)。最后，系統(tǒng)將設(shè)計(jì)獲得的新的折彎機(jī)產(chǎn)品以數(shù)據(jù)和實(shí)例的形式保存到庫中以便實(shí)例的積累，并豐富折彎機(jī)設(shè)計(jì)庫，為日后設(shè)計(jì)提供實(shí)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(shí)例

折彎機(jī)快速設(shè)計(jì)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(jì)界面等。登陸界面由用戶名、密碼和用戶類型三者驗(yàn)證用戶是否能夠正確登錄折彎機(jī)設(shè)計(jì)系統(tǒng)。用戶類型包括項(xiàng)目主管和項(xiàng)目成員兩種用戶類型，項(xiàng)目主管登錄系統(tǒng)后有權(quán)限增加項(xiàng)目成員和刪除項(xiàng)目成員，項(xiàng)目成員有權(quán)限對(duì)自己的密碼進(jìn)行更改。

參數(shù)設(shè)計(jì)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(shí)，折彎機(jī)各個(gè)模塊結(jié)構(gòu)參數(shù)變化情況確定的，同時(shí)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(jì)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(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)化驅(qū)動(dòng)，各模塊設(shè)計(jì)完成后，系統(tǒng)對(duì)各模塊進(jìn)行自動(dòng)裝配成整機(jī)[10]。最后將設(shè)計(jì)的新實(shí)例存入實(shí)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(jì)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(shí)工程技術(shù)應(yīng)用到折彎機(jī)的設(shè)計(jì)中，通過對(duì)實(shí)例推理、模塊化和參數(shù)化設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)的研究，開發(fā)出了基于知識(shí)工程的折彎機(jī)快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)有利于產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識(shí)的積累和充分利用，減少設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期。最后通過折彎機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)例的實(shí)現(xiàn)驗(yàn)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(hào)：TH166;TG65

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)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?yàn)镃AD/CAE/CAM，(E-mail)lshibiao_2015@163.com。

收稿日期：2015-03-24

文章編號(hào)：1001-2265(2016)01-0131-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.01.036