芮 雪

（長治職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 長治 046000）

在科技水平與經(jīng)濟(jì)發(fā)展效率不斷提升的背景下，為有效開展各種復(fù)雜多樣的工程項目，各行各業(yè)對機(jī)械制造產(chǎn)品的質(zhì)量要求越來越嚴(yán)格，因此機(jī)械研發(fā)制造行業(yè)在應(yīng)用智能設(shè)計技術(shù)時需要保證該技術(shù)能夠有效提高產(chǎn)品質(zhì)量[1]。在日漸激烈的市場競爭中，效率是確保企業(yè)能夠占據(jù)優(yōu)勢地位的關(guān)鍵因素之一，而智能設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用能夠有效提高機(jī)械制造的生產(chǎn)效率，同時降低人工作業(yè)強(qiáng)度。

1 智能設(shè)計技術(shù)在機(jī)械研發(fā)制造中的應(yīng)用

1.1 數(shù)控車床智能設(shè)計平臺系統(tǒng)

機(jī)械研發(fā)制造智能設(shè)計系統(tǒng)主要由兩部分組成，一部分是以遺傳算法為核心技術(shù)的優(yōu)化方案系統(tǒng)，另一部分是以實例推理技術(shù)為核心的智能CAD詳細(xì)方案設(shè)計系統(tǒng)。機(jī)械產(chǎn)品具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜化、層次多樣化等特性，對其分解后的設(shè)計方案可以利用遺傳算法技術(shù)進(jìn)行編碼，同時利用遺傳優(yōu)化構(gòu)建出完善的設(shè)計方案。對設(shè)計方案進(jìn)行深入分析，利用以實例推理技術(shù)為核心的智能CAD系統(tǒng)對具體的零部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計[2]。智能CAD系統(tǒng)主要包括推理分析與模型構(gòu)建兩部分，利用實例推理對過往相關(guān)成功案例進(jìn)行搜索，合理選用成功案例中的系統(tǒng)知識，以此完成新系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計；利用參數(shù)化建模對零部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型構(gòu)建，同時支持模型修改操作，利用數(shù)據(jù)庫將推理和建模有效關(guān)聯(lián)。本研究結(jié)合數(shù)控車床的特點(diǎn)與機(jī)械研發(fā)制造智能設(shè)計系統(tǒng)，構(gòu)建了數(shù)控車床智能設(shè)計平臺。

1.2 數(shù)控車床結(jié)構(gòu)分析

數(shù)控車床的系統(tǒng)設(shè)計通常利用模塊化方法。該方法能夠有效提高產(chǎn)品的多變性和實用性，其在實際應(yīng)用中對機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行科學(xué)的層級分解，對各模塊重新組構(gòu)，以此生成機(jī)械產(chǎn)品整體規(guī)劃方案，利用遺傳算法對數(shù)控車床進(jìn)行重組的思想同時符合模塊設(shè)計基礎(chǔ)思想。數(shù)控車床由眾多機(jī)械零件共同構(gòu)成，具有一定的層次性，可以依據(jù)這一特點(diǎn)對數(shù)控車床進(jìn)行多層次分解。數(shù)控車床包括冷卻系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)以及機(jī)械系統(tǒng)等[3]。其中，冷卻系統(tǒng)主要包括12 L/min以及50 L/min的冷卻單元；機(jī)械系統(tǒng)包括刀架、機(jī)床主體、滑臺以及尾座等結(jié)構(gòu)；機(jī)床主體包括平床身與多角度斜床身，如30°、45°、60°斜床身等。數(shù)控車床結(jié)構(gòu)具體情況如圖1所示。

圖1 數(shù)控車床結(jié)構(gòu)圖

將分解后的數(shù)控車床數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫，每一個實例都代表一項可選擇的方法，數(shù)據(jù)儲存方法采用方案編碼形式進(jìn)行，對數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)籌編碼。數(shù)控車床中每一項實例層次的不同會導(dǎo)致其位置不盡相同，方案數(shù)據(jù)庫依據(jù)遺傳算法構(gòu)建[4]。通過車床零部件數(shù)據(jù)庫和結(jié)構(gòu)信息數(shù)據(jù)庫構(gòu)建數(shù)控車床的結(jié)構(gòu)屬性與功能屬性，功能屬性數(shù)據(jù)庫主要應(yīng)用在機(jī)械產(chǎn)品零部件設(shè)計當(dāng)中，結(jié)構(gòu)屬性數(shù)據(jù)庫主要應(yīng)用在零部件參數(shù)建模當(dāng)中。

1.3 數(shù)控車床智能設(shè)計平臺框架結(jié)構(gòu)

數(shù)控車床智能設(shè)計平臺在實際應(yīng)用過程中應(yīng)當(dāng)包括系統(tǒng)主界面、程序后臺運(yùn)行以及數(shù)據(jù)庫等內(nèi)容，智能系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)可以分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層、功能層以及表示層，數(shù)控車床智能設(shè)計平臺框架圖如圖2所示。

圖2 數(shù)控車床智能設(shè)計平臺框架圖

系統(tǒng)顯示界面是使用者與智能系統(tǒng)之間進(jìn)行交流互動的主要窗口，使用者的具體設(shè)計需求、操作過程等都需要通過系統(tǒng)界面進(jìn)行輸入，同時系統(tǒng)的具體運(yùn)行結(jié)果也會通過界面及時反饋給使用者。系統(tǒng)界面是整體設(shè)計系統(tǒng)中十分重要的組成因素，是溝通使用者與設(shè)計系統(tǒng)的主要橋梁。

程序后臺運(yùn)行主要是指系統(tǒng)界面中的對話交流框能夠利用后臺程序進(jìn)行功能操作。程序利用C++語言進(jìn)行編程撰寫，通過遺傳算法、實例推理、信息檢索、數(shù)據(jù)生成以及參數(shù)化建模等方法實現(xiàn)運(yùn)行[5]。后臺運(yùn)行系統(tǒng)是整個設(shè)計系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行的核心環(huán)節(jié)，是操作指令與數(shù)據(jù)庫之間有效連接的關(guān)鍵因素。

數(shù)據(jù)庫主要存放數(shù)據(jù)信息和實例信息，本研究所設(shè)計的系統(tǒng)采用SQL數(shù)據(jù)庫，其中包括系統(tǒng)運(yùn)行實例數(shù)據(jù)庫、數(shù)控車床零部件性能參數(shù)數(shù)據(jù)庫以及方案實例數(shù)據(jù)庫等。數(shù)據(jù)庫的主要功能就是為系統(tǒng)后臺操作運(yùn)行提供良好的數(shù)據(jù)信息支持，同時對系統(tǒng)運(yùn)行操作后的處理結(jié)果進(jìn)行儲存整合，是整個數(shù)控車床設(shè)計系統(tǒng)中的集成部分[6]。

1.4 數(shù)控車床智能設(shè)計平臺功能模塊設(shè)計

數(shù)控車床智能設(shè)計平臺主要包括三部分，分別是零部件參數(shù)化建模、實例推理設(shè)計以及遺傳算法方案生成。其中，將零部件參數(shù)化建模與實例推理設(shè)計相結(jié)合能夠構(gòu)建智能CAD系統(tǒng)。

遺傳算法模塊主要包括設(shè)計要求和遺傳算法參數(shù)。將參數(shù)輸入設(shè)計系統(tǒng)中，使其進(jìn)行遺傳算法運(yùn)算。設(shè)計要求的主要功能是為了滿足使用者的基礎(chǔ)功能作用而制定的關(guān)鍵性指標(biāo)參數(shù)，在實際運(yùn)行中會參與方案生成環(huán)節(jié)。遺傳算法的參數(shù)包括交叉變異率、觀察間隔時間、最大基因數(shù)、群體規(guī)模以及終結(jié)遺傳算法運(yùn)行的遺傳代數(shù)等[7]。設(shè)計要求包括機(jī)床實際功率大小、產(chǎn)品加工精確度、具體功能與經(jīng)濟(jì)因素的需求以及占地面積等。在設(shè)計要求和遺傳算法參數(shù)設(shè)定完畢后需要啟動基因算法，從而生成機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)設(shè)計方案，將其通過系統(tǒng)界面展現(xiàn)出來。

依據(jù)遺傳算法制訂的設(shè)計生產(chǎn)方案只是初始的整體系統(tǒng)方案，其中并沒有對具體的零部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計。將數(shù)控車床中的機(jī)械部分進(jìn)行選取，利用實例推理尋找過去的成功案例，將其中的重點(diǎn)知識與核心體系重新解構(gòu)，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行新產(chǎn)品制造系統(tǒng)的有效設(shè)計。實例推理的運(yùn)用主要依靠科學(xué)合理的搜索算法對數(shù)據(jù)庫中相關(guān)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行全面搜索。比如轉(zhuǎn)塔刀架結(jié)構(gòu)的設(shè)計，是利用實例推理進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)資源搜索，在構(gòu)建數(shù)據(jù)庫的過程中將結(jié)構(gòu)屬性參數(shù)和功能屬性參數(shù)進(jìn)行分離操作[8]。其中，參數(shù)輸入界面包括換刀時間、刀位權(quán)重、刀位數(shù)、中心高度、定位精準(zhǔn)度以及二次定位精準(zhǔn)度等，權(quán)重值可以利用Delphi法以及層次分析方法來明確。功能屬性參數(shù)與結(jié)構(gòu)屬性參數(shù)相對應(yīng)，在系統(tǒng)界面修改結(jié)構(gòu)參數(shù)時，系統(tǒng)后臺程序就會對修改后相對應(yīng)的數(shù)據(jù)源進(jìn)行調(diào)整更新儲存。依據(jù)使用者的具體需求輸入設(shè)計要求，權(quán)重值可以使用默認(rèn)權(quán)重，通過后臺程序?qū)?quán)重參數(shù)直接傳送至輸入框。結(jié)構(gòu)參數(shù)輸入界面能夠?qū)⒔Y(jié)構(gòu)參數(shù)有效儲存到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，為系統(tǒng)進(jìn)行三維建模提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

機(jī)械產(chǎn)品制造設(shè)計需要CAD技術(shù)的大力支持，對機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計能夠為系統(tǒng)模型生成以及后續(xù)數(shù)據(jù)修改提供有效保障。在實例推理系統(tǒng)中設(shè)置三維模型構(gòu)建程序，將CAD與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行有效連接，確保CAD系統(tǒng)能夠有效調(diào)動數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)資源，以此實現(xiàn)實例推理智能CAD系統(tǒng)[9]。同時，該系統(tǒng)還對UG開發(fā)技術(shù)下的參數(shù)化建模進(jìn)行研究分析，以此實現(xiàn)UG訪問數(shù)據(jù)庫。應(yīng)用模塊包括用戶界面、應(yīng)用程序以及數(shù)據(jù)庫模塊，利用UG/Open UIStyler以及UG/Open MenuScript設(shè)計對話框與菜單系統(tǒng)；應(yīng)用程序主要利用VC++語言進(jìn)行編寫；SQL數(shù)據(jù)庫中存放實例參數(shù)信息。在參數(shù)化建模的過程中利用MFC AppWizard生成格式為cpp的系統(tǒng)文件，同時在對話框中添加回調(diào)函數(shù)，為調(diào)用UG軟件提供DLL格式文件[10]。利用ODBC接口構(gòu)建數(shù)據(jù)庫訪問操作，利用MFC AppWizard構(gòu)建工程文件，同時借助其他系統(tǒng)工具實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的調(diào)用管理，確保能夠?qū)?shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索查詢與連接溝通等操作。同時，為實現(xiàn)數(shù)控車床與數(shù)據(jù)庫之間的有效連接，對數(shù)控車床的主軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計，具體步驟如下。

程序編寫與界面設(shè)計時進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計。界面系統(tǒng)中需要包括輸入界面、菜單、導(dǎo)入模板以及數(shù)據(jù)庫連接等功能，同時增加回調(diào)函數(shù)，利用choicdata-func函數(shù)調(diào)動MFC對話框。利用工程向?qū)nigraphics NX AppWizard V1加載數(shù)據(jù)庫中格式為lib的文件，隨后運(yùn)行zhu-zhou-prt.dll文件。構(gòu)建數(shù)據(jù)源。數(shù)控車床零部件數(shù)據(jù)和實例信息存放在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，需要通過ODBC接口訪問數(shù)據(jù)庫，而訪問數(shù)據(jù)庫需要指定DSN，就是構(gòu)建一個數(shù)據(jù)源。在添加數(shù)據(jù)庫并測試成功后需要及時構(gòu)建數(shù)據(jù)源。

2 結(jié)論

綜上所述，智能設(shè)計技術(shù)在應(yīng)用中能夠極大程度地提高生產(chǎn)設(shè)計質(zhì)量與效率，利用大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)提高產(chǎn)品設(shè)計的精確度與高效性，進(jìn)而推動機(jī)械研發(fā)制造行業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展。