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潍坊学院本科毕业设计1 支持机床系统的面向对象设计 摘要 : 本文阐述了一个面向对象的智能辅助设计系统,此系统主要用于帮助基本机床的设计,尤其是加工中心。这个机床设计系统通过与有经验的设计着的交谈来被分析,为了展示设计过程,一个面向对象的模型被建立。被叫做设计对象的软件系统是基于为了实现智能辅助设计系统对机床的设计而提出的。用于加工中心的辅助设计系统的模型在设计对象的基础上发展,一些案例研究被实施用来验证方法的有效性。 关键词 : 面向对象 辅助设计系统 机床 设计程序 设计目标 1、简介 目前,需要各种各样的机床来应对小批量的生产各种各样的产品。因此,需要建立辅助设计系统来帮助机床设计者有逻辑性的、系统的设计各种类型的机床。机床设计过程是一个非常复杂的决策过程,这需要有实际经验的设计师。所以,开发一个为机床设计智能辅助设计系统是很重要的,它能有效利用有实际经验的设计师。 有各种各样的智能 CAD 系统和专门的系统来执行日常的机械产品的设计,在这些系统中,产品的结构是固定的,设计各种零件的标准是众所周知的。 Brown 和Chandrasekaran 已经开发了 AIRCYL 系统,用来帮助设计各种各样的汽缸。 Mittal 已经提出了设计纸张处理系统的 PRIDE 系统。在这种情况下,产品主要是产品的零件,并且其结构配置几乎不动。 本文阐述了机床设计尤其是加工中心,这是复杂机械产品的典型例子。机床有各种各样的结构配置来应对广泛的加工能力。很多关于机床设计的研究已经完成。提出系统方法的目的是基于成型过程的分析来开发基本的机床设计系统。已经开发了一些结构设计系统来设计基本结构模块化的机床。一个以知识为本的系统已经开发出来,其目的是从功能需求确定加工中心的类型。然而,大部分的系统主要处理设计问题,在这些问题中,设计之初,机床的设计参数是确定的。 目前研究的目的是开发智能辅助设计系统来帮助实现基本的机床设计,尤其是加工中心的设计。这个机床设计系统通过与有经验的设计着的交谈来被分析,为了展示设计过程,一个面向对象的模型被建立。被叫做设计对象的软件系统是基于为了实现智能辅助设计系统对机床的设计而提出的。用于加工中心的辅助设计系统的模型在设计对象的基础上发展,一些案例研究被实施用来验证方法的有效性。 2、机床的面向对象的设计 2.1 设计过程分析 机床设计问题被认为是结构问题,因为没有关于机床结构的信息不能了解机床参数。以下的阐述是通过与有经验的设计者交谈,主要谈论作为机床设计的例子的加工中心的设计: 潍坊学院本科毕业设计2 ( 1)设计师首先根据需求选一个合适的加工中心的结构; ( 2)可以用两种方法来选择合适的结构:专门的结构和各个零部件的结构; ( 3)当选择了合适的结构后,设计参数也就确定了。根据需求这些参数可以系统的、有逻辑的被确定; 加工中心的设计过程包含一系列的阶段,每个阶段都包含两个步骤:选择和设计。如图 1 所示。在图中。机械产品是设计目标。机械产品包含机器、装置、零部件等等,所有这些都需要设计。后文中所有的机械产品都称作产品。每一步的设计如下所示: 第一步:选择一个合适的产品类型 产品的合适的结构根据产品需求来选择。如果选择特殊的结构,一系列的设计参数是给出的。 第二步:设计选定类型的产品 产品的类型是基于需求选择的,通过确定产品的设计参数来设计产品。 在产品的几何信息与技术信息确定之前,步骤一与步骤二反复进行。 图 1:设计过程 2.2 设计对象的设计过程模型 被叫做设计对象的软件模块在这里被提出,目的是设计出个性化的产品,例如加工中心和加工中心的零部件。个人设计对象与个别类型的产品一一对应。设计对象相当于在面向对象的设计中的设计对象。设计对象表现个别产品设计的设计参数的信息和潍坊学院本科毕业设计3 程序。产品包括加工中心及其零部件,例如主轴装置、自动换刀装置、进给装置。设计对象的任务是确定设计产品的设计参数以及选择合适的设计对象,以便在接下来的设计中激活产品。 图 2 展示了一个通过设计对象表达设计过程模型的例子。这里显示的分类模式是通过与经验丰富的常规加工中心的设计师交谈获得的。在本图中,椭圆代表设计对象,它们被一系列的普遍而有特殊作用的构件连接。加工中心的设计对象首先通过信息来来使设计过程开始。设计对象决定了加工中心的参数和产生它的过程,这会在一个柱状图中表现出来。此后,加工中心的设计目标就是选择设计对象来使生产实例专门化。在示意图图 2 中,立式加工中心被选为设计对象来确定详细的设计参数。 因此,选择一个合适的设计对象相当于选择一个特殊类型的产品,设计选定的类型的产品相当于生成设计对象的实例。 在例子中,伴随着设计的进行,通过普通的专业化链接,直到所有的需求参数被确定,详细的信息才会被确定。图片中的特殊例子是 VMC1 型,是一种典型的垂直加工中心。 大部分的加工中心可以通过普通而专门的连接激活设计对象来设计,如图 2。然而,在很多情况下,设计目标不会满足所有的要求。例如,立式加工中心和水平加工中心都不能满足五轴同时加工的的需求。在这种情况下,设计者通常会把加工中心分为主轴单元、 ATC 单元、进给单元等等,这些零部件的详细信息将在下一阶段确定。零件的设计对象需要进行设计。 潍坊学院本科毕业设计4 图 2:应用设计对象的设计过程模型 表示设计对象 表示设计结果 图 3 表示了在设计对象给定的情况下加工中心的设计过程模型。节点和连接分别显示设计对象和设计对象之间的关系。在这里两种类型的链接 一般连接和专门连接与在图 2 中表示的相同并且整个零件的连接表示了整个产品与各个部分的关系。 图 3:机床各个设计对象之间的联系 基于模型的对加工中心的设计如下图 3 所示。首先确定加工中心的设计对象,然后确定设计参数。此后,为了推进设计过程,与加工中心有关的设计对象进行设计。这里被选择的设计对象可以是特殊产品的设计对象,也可以是一个零件。通过一般 专业的连接和整体连接来设计设计对象的设计过程是先进的。 3、加工中心的设计对象 产品的设计对象的设计内容如下: ( 1) 产品属性设计; ( 2) 用来确定属性的知识; ( 3) 用来选择特殊产品和部件的知识; 设计对象决定产品的属性。 图 4 的表格用来表示设计对象的信息。这些信息包含三个方面 ID 部分,属性部潍坊学院本科毕业设计5 分,方法部分。设计对象的名称和与其他设计对象的关系在 ID 系统中是指定的。 属性部分定义了属性的情况,基本上分为规格和设计参数。由规格决定的功能、设计产品的性能需求以及设计参数的确定是基于属性的。决定设计参数价值程序和信息附着在上面。 图 4:设计对象表格 一段单个的信息代表一个价值单元。很多属性有很多方面,例如价值、类型、范围、默认值、额定值等等。 最后一部分给出了当收到其他设计对象的信息时的执行方法,设计对象使用如下方法来控制设计步骤: ( 1) 决定:这种方法是为了确定设计参数; ( 2) 专业化:这种方法是为了实例的配置和选择合适的设计对象; ( 3) 分部:这种方法是为了把实例分成各个零件以及为零部件选择合适的设计对象。 图 5 显示了个人设计的设计过程。实例中的设计参数的值首先在规格的基础上确定。 潍坊学院本科毕业设计6 图 5:设计对象的设计流程图 其次,设计者检验通过设计目标产生的设计实体是否符合标准。如果有必要,设计师可以修改实例内容。 再次,选择合适的设计目标来促进设计实例。这里所选择的设计对象或者是特定产品的设计或者是一系列零部件的设计。在特殊产品的设计部分,可以获得另类的结构配置。最合适的配置选择方案如下:选择的次序取决于参照表,他决定很多观点的选择,例如,加工精度、切削性能、可操作性和可靠性。设计师根据等级的选择来选择最合适的参数。 第四,设计对象实例的生成。 最后,把这些信息传递给特定实体或零件。这些信息包括信息的规格和约束生成实例。 图 6 是执行方法和执行程序的例子。在本图中,决定信息是原型,这是一个垂直加工中心的实例。实体被定义为“原型”后选择合适的方法,这一方法决定立式加工中心的设计对象是否开始的结果。该方法 -“测定”是指需要定义叫做原型的实体的设计参数,以及确定额定参数。每一个程序决定设计参数的价值,并把实体的结果叫做原型。 潍坊学院本科毕业设计7 图 6:执行方法和程序 4面向对象的智能设计辅助系统 加工中心智能设计辅助系统的原型已经在设计对象的基础上产生。 图 7 是系统的基本结构,本系统主要由子系统设计对象、对象管理器、推理引擎、程序和人机界面组成。子系统的内容及功能如下: 图 7:支撑系统结构设计 潍坊学院本科毕业设计8 ( 1) 设计对象基础。子系统存储了关于加工中心和零件的所有设计对象,以及设计对象之间的关系。 ( 2) 对象管理器。设计对象实例的形成和修改是动态的。因此,对象管理器管理动态情形和设计对象之间的关系。 ( 3) 推理引擎。推理引擎是一种生产系统,它实施了通过规则存储设计对象。推理引擎通过决定设计参数的设计对象和选择合适的设计对象被激活。 ( 4) 程序库。程序库是一个程序的集合,可以被设计对象直接使用。 ( 5) 人机界面。这个子系统为设计者提供互动的方法来输入数据、设计产品的监控方法以及推理过程。 智能设计辅助系统的原型已经在 K-PROLOG 一个 32 位的工作站得到实施。图 8 展示了个人设计对象代表一系列的有相同标题的板块。这些方面是槽、面、价值以及其他不明确的方面。每一个板块表示关于对象设计的一部分信息。这个属性代表的是事实情况,程序和方法代表规则板块。 图 8:设计对象的表示 5个例研究 一些案例研究的实施是为了证实系统的系统开发的有效性。图 9 显示了一个加工中心的设计流程。设计对象的执行过程的简介如下: 潍坊学院本科毕业设计9 ( 1)新的模型信息被传输到加工中心的设计对象的。产生的设计对象实例叫原型。 图 9:加工中心的设计过程 ( 2)决定信息传输到叫做原型的生成实例上,它的设计参数在功能需求的基础上,通过设计者的规定来定义,如表 1. 潍坊学院本科毕业设计10 表 1:加工中心的功能要求 ( 3)专业化的信息传输到叫做原型的实例上,是为了选择合适的专业装配实例。立式加工中心的设计对象就是一个合适的例子。 (4)决定信息传输到叫做原型的生成实例上。通过决定立式加工中心的设计参数来设计实例的详细信息。 图 10 显示了在案例研究中加工中心的立体模型设计。加工中心的长度为 600 毫米,主轴锥度选 50 号,主轴转速为 20000 转 /分钟。这些结果是从那些有经验的设计师那里得到的。 6.总结 通过与有经验的设计者讨论来研究机床设计过程,然后产生设计过程模型。该模型表示了一系列的设计对象以及他们之间的关系。软件模块被启动,用来决定设计对象的设计参数。 为描述设计对象的内容提出了数据模型,这一模型含有描述产品的属性、用来决定产品特性的知识、用来选择特定产品和零件的知识。 面向对象的智能设计支持系统的原型已在设计对象的基础上建立起来了。这一系统包含基础设计对象、对象管理器、程序引擎、基本程序以及人机界面。一些案例研究已证实了开发这种系统的有效性。 潍坊学院本科毕业设计11 图 10:设计的加工中心 参考文献 Brown, D. 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