（机械设计及理论专业论文）基于知识工程的拉丝机参数化设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 为缩短新产品开发周期，提高产品的设计和制造质量、增强企业对市场的快速响应 能力，一系列新的产品快速开发设计技术应运而生。基于知识工程的设计作为实现设计 自动化、智能化、并行化的一种方法，其应用研究是国内外学术界和工程界的研究热点 之一，它对提高产品的设计质量和效率具有重要的实用价值。本文结合拉丝机产品的设 计，对基于知识工程的设计方法进行了研究，提出了基于知识工程的参数设计方法。具 体研究如下： 对拉丝机知识进行了分析与提取。根据拉丝机设计流程，分析了拉丝机设计知识、 经验知识、设计标准知识等，并根据拉丝配模确定拉丝机主参数，归纳整理出符合知识 工程的拉丝机知识和结构参数。 研究了拉丝机知识的表达，包括参数提取、参数间关系式的表达、参数关联模型的 建立、骨架模型的建立、检查和规则机制的应用等。 提出了基于知识工程的参数设计方法。利用c a ：r 认的知识顾问模块，运用知识工程 原理，结合拉丝机知识，建立拉丝机整机的参数化模型；拉丝机参数化设计过程中针对 不同零件，依次采用自项向下设计、零件的参数化建模、用户自定义特征、自定义零件 库、关联设计等参数化设计关键技术完成设计。可实现参数驱动拉丝机整机模型设计变 更，所得到的拉丝机整机模型支持产品变形和系列化。 本文使用c a t 认软件对拉丝机进行设计，实现设计数字化，提高了拉丝机产品质量、 缩短了设计周期、提高了设计效率。 关键词：拉丝机；知识工程；参数化设计；自顶向下设计；关联设计； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t m 锄u 缸咖向唱i st h ef 0 u n d 撕0 na n d 如p p c 咀o f 也ec o u n 缸y se c 删cd e v e l o p m e n t i i l o r d c rt 0s h o n i md e v e l o p m e n tc y c l eo f n l en e wp i 咖t s ，i i l l p r o v et l l eq u a d i t ) ，o f p r o d l j c td e s i 印 a n dm 锄u 向舳g ，a n d 髓h 锄c em ec a p a b i l 姆o fr 印i d r e s p o 璐et 0m 蒯k e tf o rt l l ec 伽叩a n y a s 耐嚣o fn 伽瑚【p i dd c s i 孕l i i l g 洲o g ) ，c 锄ei 咖b e i l l g n l ed c s i 盟b 嬲e d k n o w l c d g e 姐班啪血gi sam e 也o do fr e a l i z i n g 蝴a ：t i 呱i n ：t e l l i g e n c c ，觚dp a m l l e l 蛳0 n r e s e 觚h ， i t sa p p l i c a 廿o nh 硒b e c o m em ed o m e s 矗c 觚df o i 谫g ns c h o l a r ss m d yb o t s p o t s m 钧n 、m l e ，i t l 强峪i i l l p o r t a n tp r a c 6 c a lv a l u ei i li l l 叩r 0 啊n g 也e 删锣卸de 街c i 髓c yo fp r o d i l c td e s i g l l i i 培i i l 锄sp a p 、) l ，i mn 圮d e s i 印_ i n go fm ew 如d r a w i i l gm a c l l i n e ，1 ed e s i g i l i i 培m e 1 0 db 髂e d h o w l e d g ee i l 咖痂gl 埝sb e e ns t u d i e 丑觚d 也ep 猢“cd e s i 蛐gm e t l l o db a s e do n 。h o w l e d 伊e i l 曲蛾血gh a sb e 铋p r o p o s e d s p e c i f i cs t u d i e sa 他鼬f 0 1 l o w i i l g ： 1 t h el c i l o w l e d g eo fw 如出砒gm 幽eh 嬲b e e n 删y z e d 孤de ) 【n 戳= t 。d a c c 饼伍n gt o n l ed e s i g n i i l gp i 0 c e s so fv ，i r e d e l 、i 1 1 9i n a c l l i n e ，l ek n o w l e d g 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i g 鸥t 叩叫d o w n i e s i g 珥a s s o c i 撕o nd e s i 皿 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景和意义 第1 章绪论 电线电缆是输送电能、传递信息和制造机电、电器、仪表的基础器材，是未来电气 化、信息化社会中不可缺少的基础产品【1 1 。作为电线电缆行业提供特种专用工艺装备的 电线电缆专用设备行业，其设计、制造水平直接关系着电线电缆行业技术创新、产品开 发、提高质量、提高效率、节能降耗、提高效益、装备更新、增强竞争力的物质基础。 目前电线电缆专用设备制造企业规模较小，研发能力较弱，很多产品还是几十年前 研发的、最近几年稍作改进的陈旧设备，与国外高性能的产品相比差距较大。国内电线 电缆专用设备制造企业改制重组后，产生许多小型企业，大部分企业依然沿用原有老技 术进行生产，即使投入人力、物力进行新产品研发和产品升级换代，也是采取传统的设 计方法，消化吸收主流设备进行模仿和类比设计。拉丝机传统设计过程如下：设计人员 按照任务书上产品的结构和性能参数，结合以往设计实例，借鉴以往的设计思想、方法 以及经验教训，来规划本产品的设计。设计管理上以工程师为主，设计方案主要由工程 师操心，设计中知识、经验存在于工程师的头脑中或用工程图做有限的辅助记忆和表达。 因此传统设计的结果人为因素很大，差错也难以避免；需要多次试制样品进行拆、装， 绘制装配图并审核校对，最终确定产品。因此针对传统设计方法出现的这些问题，必须 引入现代设计方法进行拉丝机设计，以此提高产品质量、缩短设计周期、提高设计效率。 由于计算机具有运算速度快、数据处理准确、存储量大和具有逻辑判断功能等特点， 它已经成为现代工程设计中分析、计算、综合、决策、数据处理、图形处理和与各种现 代设计法结构的不可替代的重要工具。工程技术人员利用计算机为工具进行设计，这种 人机交互式的设计方法，就是计算机辅助设计c a d ( c 唧u t e r 舢d c dd e s i 弘) 。企业应 用c a d ，实施数字化设计能够加快新产品的开发速度，并可以有效地管理现有的设计资 料。参数化设计是在c a d 基础上提出的规格化、系列化设计方法。拉丝机产品的设计 包括创新性设计和系列化设计，具有很强的继承性和产品结构的设计关联性，并遵循特 有的设计模式和设计过程。由于设计问题和产品结构的相似性，拉丝机产品的设计极具 参数化特征。 机械设计是一种复杂的、富于创造性的活动，设计过程中需要大量的相关领域内的 专门知识，丰富的实践经验及问题求解技巧【2 】。这个过程包括了大量的决策性和创造性 的活动：概念设计、方案选择、材料选择等，需要进行思考、推理和判断。其实质是“数 值计算+ 决策 的过程。而以往的c a d 技术仅仅着眼于数值计算，随着知识工程和专家 系统技术日趋成熟，为机械设计中需要专家丰富经验和创造性思维解决的问题提供了强 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 有力的求解手段和工具【3 1 。 于是本文结合知识工程和参数化设计，选择基于知识工程的参数化设计方法，使用 c a t 队软件，应用到拉丝机设计，实现设计数字化，提高拉丝机设计效率。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 拉丝设备的发展状况 为拉制不同的金属，不同粗细的线材，拉丝机有很多类型。我国金属制品的骨干企 业，大部分是上世纪五、六十年代建成投产的，在设备，工艺水平，生产能力、产品质 量等方面，远远落后于工业发达国家。许多厂家的拉丝机以普通滑轮式拉丝机为主，进 入上世纪八十年代后，各制品厂家为了提高产品质量、产量，增加产品品种，纷纷从各 发达国家引进各种型式的拉丝机，形成了以老式滑轮拉丝机为主，兼有双卷筒式、直进 式、活套式、调谐辊直线式、组合式及各种水箱拉线机并存的现状【帮6 7 1 。 滑轮式拉丝机是一种可积线的无滑动干式连续拉丝机。在拉拔过程中，钢丝与拉丝 轮表面沿拉丝轮圆周方向没有相对滑动，两者表面磨损量相对较小，并且当中间某一拉 丝轮临时停车时，其后面的拉丝轮仍可依靠各自的积线量照常工作一段时间。滑轮式拉 丝机适合于拉拔中、小规格，质量和强度要求相对较低的钢丝和其它金属丝。 双卷筒式拉丝机是在滑轮式拉丝机的基础发展形成的，避免了滑轮式拉丝机在拉拔 过程中钢丝扭转问题。该机型具有滑轮拉丝机的优点，钢丝在卷筒上的冷却效果更好。 双卷筒式拉丝机与滑轮式拉丝机一样，导轮较多，特别是上、下卷筒之间的中间过线导 轮，使钢丝通过它时产生1 8 0 。弯曲。该机型适合拉拔中、小规格钢丝。 活套式拉丝机也是一种无滑动拉丝机；它简化了各卷筒之间钢丝所走的路线，在拉 拔过程中钢丝不会产生轴向扭转，并且由于采用了直流电机拖动，能够实现较大范围无 级调速，扩大了卷筒之间延伸率的选用范围。而且活套在拉拔过程中对每一个卷筒都产 生了一个拉力或反拉力。反拉力的存在能使拉拔力减小，延长拉丝模寿命并减少动能消 耗。适合拉拔中小规格的高强度钢丝和合金钢丝。 针对滑轮式、双卷筒式及活套式拉丝机都采用有较多的过线导轮，不能拉拔大规格 钢丝和过硬材料的问题，发展了直进式拉丝机【引。钢丝在前一卷筒上缠绕几圈后，直接 进入下一拉丝模并缠绕在下一卷筒上，中间不通过任何过线导轮，两卷筒间钢丝呈直线 状。该机型的优点是穿线简单，钢丝在拉拔过程中无扭转和小半径弯曲。它的缺点是不 能拉制较细规格的钢丝，钢丝在卷筒上停留时间短，冷却效果差。 调谐辊直线式拉丝机是一种综合了活套式、直进式两种拉丝机优点的机型。钢丝在 各卷筒之间无小半径弯曲现象，钢丝的内在质量和表面质量都能得到较大程度的提高； 由于没有中间过线导轮，机械结构较活套式简化了许多，适合拉拔高强度、大规格的圆 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 形和异形钢丝。 上述介绍的五种拉丝机均属于非滑动式拉丝机，水箱拉丝机属于滑动式拉丝机，拉 拔过程中，钢丝与拉线轮之间存在不同程度的相对滑动，并且工作时钢丝、卷筒、拉丝 模浸泡在冷却润滑液中或被其喷淋。它的优点是结构紧凑，占地面积小，拉拔密集度高， 钢丝在拉拔过程中无扭转现象，可以进行高速拉拔；因拉拔过程是在冷却润滑液中进行， 钢丝的冷却及润滑条件很好，以此提高成品质量。其缺点是钢丝与卷筒表面之间存在着 沿卷筒圆周方向的相对滑动，由此产生的摩擦以及卷筒对冷却润滑液的搅动消耗了很大 的功率，降低了机器的效率，卷筒表面易磨损。 目前国际上拉丝机的设计制造主要有两大指导思想。一个是以意大利、德国、瑞典 等欧洲工业发达国家为代表，主张拉丝机向大型、高速的活套式、直线式方向发展；另 一个是以日本为代表，主张拉丝机有较高的速度，结合先进的辅助设备，向组合式拉丝 机方向发展例。 欧洲国家以先进的机械、电气工业体系为依托，首先在拉丝模及其润滑技术和卷筒 水冷系统上取得突破，使钢丝的拉拔速度和质量大大提高，其拉丝机主力是活套式、直 线式和水箱拉丝机叼。日本在拉丝机设计制造方面，与欧洲国家相比稍有差距，但在辅 助设备、简化电气控制系统等方面作了大量工作；它的指导思想是拉丝机首先应做到操 作、维护简单、方便，用先进高效的辅助设备来提高拉丝生产效率。在交流变频调速方 面取得突破，并主张利用组合式拉丝机，在保证钢丝质量的前提下，尽量降低设备投资。 1 2 2 传统设计方法 传统设计方法是以经验设计为主的设计方法，其设计过程如下：设计人员按照任务 书上产品的结构和性能参数，结合以往设计实例，借鉴以往的设计思想、方法以及经验 教训，来规划本产品的设计。设计管理上以工程师为主，设计方案主要由工程师操心， 设计中知识、经验存在于工程师的头脑中或用工程图做有限的辅助记忆和表达。因此传 统设计的结果人为因素很大，差错也难以避免；需要多次试制样品进行拆、装，绘制装 配图并审核校对，最终确定产品。其核心思想是修改现有的设计实例以满足新的设计目 标和要求。 通过对企业产品开发流程调研，发现大多数企业产品设计过程仍然以传统设计方法 为主，其中存在着如下的问题【1 1 】： ( 1 ) 产品设计周期长。市场的快速变化要求企业在新产品开发过程中具有敏捷性， 快速响应市场。现有的产品设计和开发手段虽较以前有较大的提高，但大部分分析、设 计工作仅停留在利用计算机辅助绘图、简单计算和文档录入和输出阶段，重复的工作很 多，设计效率低，设计周期长。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 ( 2 ) 在传统设计过程中，为了保证产品的安全可靠，在设计时所取安全系数比较高， 造成了一些不必要的浪费。 ( 3 ) 知识再利用的手段落后。在制造企业中，企业的产品设计资料大多采用图纸的 方式保存。在产品设计过程中往往采用类比法，依靠设计工程师的经验进行。设计工程 师根据经验调阅相关的产品图纸和技术文档，不能保证相似设计资料的全面获取，设计 结果很大程度上依赖于设计工程师经验的丰富程度，而且所得的结果往往只能在产品的 功能上予以保证，而不能做到最优化设计，由于不同工程师的经验和设计心得各异，从 而导致产品质量的参差不齐。在客户需求变化频繁的情况下，设计结果难以预料。由于 产品的多样性和复杂性，以及产品上市时间的要求，这种知识重用的方法已不能适应现 代新产品设计开发的要求。 ( 4 ) 产品设计知识管理混乱、效率低。现有的技术资料管理，不适合设计知识的管 理，其资源不仅占用大量的空间，而且由于产品设计知识的复杂性和多样性，导致知识 利用和存储的困难，这也间接造成了新产品开发效率低下。 ( 5 ) 不能为先进的产品设计模式和设计方法提供支持。并行协同设计、网络化异地 协同设计等先进的产品设计模式要求产品设计知识迅速、充分、全面、准确的共享，现 有的产品设计开发支持手段己不能满足其需要。 ( 6 ) 未形成有效的知识归纳、整理、归档的有效方法。缺少有效的知识表达的工具 和手段，未能建立完整的设计历史资料的数字化档案和各种结构设计和工艺设计的知识 库，也就无法在设计中有效、快捷地继承重用前人的成功经验，也无法有效地避免重犯 前人同样的错误。 ( 7 ) 知识共享程度低。企业编码和标准化信息还未全面电子化，企业还未建立有效 的、快捷的多媒体知识共享交流平台，因此，在新产品设计和开发过程中，还不能有效、 全面地利用标准件、通用件、典型结构件知识和原有的产品配置管理知识，更不用说， 及时准确地获得有关产品设计的最新知识。 总的来说，我国大多数制造企业产品设计手段落后，未能有效地对产品设计知识进 行发掘、保存、整合和再利用。 1 2 3c a d 技术发展 历经五十多年的发展，c a d 技术在理论、技术、系统和应用等方面都取得了很大的 发展，已经成为实现产品设计制造自动化、提高企业在市场上的竞争力、加速国内经济 发展和提高国防现代化建设水平的一项重要高新技术。如图1 1 所示，c a d 技术的发展 经历了以下几个阶段【1 2 】： 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 基于绘图 7 0 s 缸端 瓣i 卜 堂嘧差 数字化制图 基于特征 8 0 s 数字化建模 实体 特征 参数化 基于过程 9 0 s g 缓 口 ? 。? 一。未j ? ，- 数字化过程 汽车流程 航空流程 消费者流程 图1 1c a d 技术发展阶段 0 0 s 数字化知识 规则建模 过程集成化 优化设计 过程向导 ( 1 ) 上世纪7 0 年代，计算机的出现以及图形技术的发展，出现了最早的c a d 线框 式造型技术，c a d 技术开始在数字化图纸生成方面得到一定得应用，提高了工程图纸绘 制的效率，但是并没有对辅助设计起到实质性的帮助。 ( 2 ) 上世纪8 0 年代，随着曲面造型、实体造型在c a d 中发展，特征建模被越来越 多应用到三维设计中。在实体造型的基础上，引入参数通过约束驱动特征模型，实现参 数化设计。参数化设计的模型可用于有限元分析、运动仿真、装配干涉检查、数控加工 编程，辅助设计者完成三维建模、分析计算，从而提高设计质量和效率。 ( 3 ) 上世纪9 0 年代以来，基于过程的c a d 技术使产品数据模型能够在全生命周期 的不同环节间进行转换，支持集成的，并行的产品设计及其相关的各种过程，帮助产品 开发人员在设计开始阶段就考虑产品从概念形成到产品报废处理的所有因素，包括质量、 成本、进度计划和用户要求。但是，以几何模型为主的c a d 系统无法将各领域内的设 计原理和知识、同类设计以及专家经验等融入到几何模型中去，因此无法实现知识型资 源的重用，设计者仍然需要进行大量的重复性设计工作。在产品设计初期，这种情况影 响了设计者的创新性工作【1 3 1 。为了使设计者集中精力进行创新性工作，c a d 系统必须帮 助设计者从复杂性的工作中解脱出来，尽可能地实现设计过程的自动化。 ( 4 ) 基于知识工程k b e ( k o w l e d g eb a l s e de n g i l l e e 血g ) 技术1 1 4 ，1 5 】的出现，为这一问题提 供了最有效的解决方案。强把工业界的设计标准、手册、规范、专家经验等知识经过 组织、归纳和提炼与a 蛐c a e c a m p d m 系统有机地集成为一体，为解决传统c a d 系统存在的问题提出了方案，如设计原理的体现、约束是否冲突、如何在设计阶段进行 产品估价、设计制造是否可行以及设计的最终产品是否符合外观要求等，同时提供优化 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 方案。l ( b e 系统所要达到的目的是使产品信息在整个生命周期中都可得到应用，从而获 得最优化方案。 1 3 本文主要研究内容 c 肌是一个强大的c 觥删a e 智能化软件系统，不仅提供了大量常用的参 数化特征体，而且用户可以根据产品特点和开发需要，建立自己的参数化特征库。本文 以拉丝机为研究对象，运用基于知识工程的参数化设计方法，利用c a t 认的知识顾问模 块，运用知识工程原理，结合拉丝机知识，建立拉丝机整机的参数化模型。实现拉丝机 参数化设计，所得到的拉丝机模型支持产品变形和系列化。本课题主要内容和目的有如 下几个方面： ( 1 ) 在拉丝机产品设计活动中，电线电缆专用设备设计生产企业及其设计人员积累了 大量的领域设计知识。总结该领域设计原理和知识、同类设计以及专家经验，为拉丝机 参数化设计提供依据。 ( 2 ) 根据拉拔原理，对拉丝机进行拉丝配模，以此确定满足设计要求的拉丝机主参 数。 ( 3 ) 利用c a ：r 认的知识顾问模块，运用知识工程原理，结合拉丝机设计经验知识， 建立拉丝机的参数化模型。 ( 4 ) 拉丝机参数化设计过程中针对不同零件，依次采用自顶向下设计、零件的参数化 建模、用户自定义特征、自定义零件库、关联设计等参数化设计关键技术完成设计，所 得到的拉丝机模型支持产品变形和系列化。 本论文章节安排： 第l 章：介绍拉丝技术和拉丝设备的发展状况，结合传动设计中知识应用不足的现 状和现代c 仰技术发展，阐述本课题提出的背景、研究意义，和本论文的主要研究内容。 第2 章：介绍基于知识工程的参数化设计方法。介绍了知识工程关键技术和参数化 设计的概念和特点，结合知识工程和参数设计，提出了基于知识工程的参数化设计方法。 根据工程知识在机械产品设计中应用，总结了机械产品设计中知识的构成和特点。运用 基于知识工程的参数化设计方法对拉丝机进行设计，从知识的获取和应用两方面提出了 本文的核心内容，将分别在第3 章和第4 章进行详细阐述。 第3 章：拉丝机相关知识的获取，从拉丝机产品和拉丝机产品设计两方面展开，从 拉丝机产品角度，首先介绍了拉丝机工作原理和分类，在对本论文的研究对象进行详细 介绍。从拉丝机产品设计角度，介绍拉丝机设计流程，根据拉丝配模完成拉丝机主参数 确定。总结拉丝机结构设计中的知识和经验，为第4 章参数化设计提供设计参数和工程 规则。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第4 章：主要阐述了在c a ：r 认中实现拉丝机参数化设计的过程。首先讲述了拉丝机 参数化设计的思路采用自顶向下设计方法，创建拉丝机骨架模型，以骨架模型为参 考进行零部件详细设计。其次以拉丝机中典型零件为例，对参数化设计过程用到的关键 技术进行阐述。关键技术包括自项向下设计、零件的参数化建模、用户自定义特征、自 定义零件库、关联设计。最后针对拉丝机不同零件的特点，采用上述介绍的参数化设计 手段分别实现建模，实现通过骨架模型驱动拉丝机整机模型，所得到的拉丝机整机模型 支持产品变形和系列化，完成拉丝机参数化设计。 总结与展望：对论文主要成果的总结，并指出了今后进一步在本研究方向进行研究 工作的展望与设想。 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章基于知识工程的参数化设计 2 1 知识工程关键技术 2 1 1 知识工程概念 知识工程技术是设计和实现知识库系统及知识库应用系统的理论、方法和技术，应 用人工智能的原理与方法，知识获取、表达和推理过程为那些需要专家知识的应用难题 提供智能求解方法的一门学科。其核心是将有关的学科知识、相关的设计标准及规范、 设计参数选择规律、设计历史资料构建成知识库系统并嵌入到设计软件，通过逻辑判断 和推理，实现产品的智能化设计1 1 6 1 。恰当地运用知识获取、表达和推理过程的构成与解 释是设计基于知识工程系统的重要技术问题。通过知识库的管理，可实现知识的不断积 累和更新，避免知识的流失和过时。 2 1 2 知识工程关键技术 知识工程的关键技术包括知识获取、知识表示、知识推理和知识管理，其重点在于 在产品设计中实现设计知识和经验重复使用，以尽快的速度设计开发出最优的新产品 【l7 】 口 知识获取o w l e d g ea c q u i s i 廿o n ) 是把用于问题求解的各种领域知识从知识源中提炼 出来，并将其保存在知识库中。其中知识源可以是多种多样的，包括书本文献、领域专 家以及各种数据、信息掣1 8 】。知识获取主要通过3 种方式：( 1 ) 从书本中获取知识，如国 际、国家设计标准i 设计规范、图表等；( 2 ) 与领域专家和设计人员进行交流获取经验知 识：( 3 ) 通过机器学习或者数据挖掘的方式获得新的知识，有助于解决数据爆炸和知识贫 乏的问翘聊，其过程流程如图2 1 所示。 问题认识阶段概念化阶段形式化阶段实现阶段调试阶段 潦题h 篓h 器斟识削擞修 重新描述 重新收集 重新条理化 重新设计 图2 1 知识获取步骤流程图 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 知识表示n 0 训e d g er 印r e s 训o n ) f 烈璩1 】主要研究用什么样的方式将解决问题所需的 知识存储在计算机中，便于计算机能够接受处理并且进行处理的符号和方式。 知识推理( k n o w l e d g er e 弱。血l g ) 【2 2 2 3 1 是按照某种策略由已知判断推出另一判断的思 维过程，实现从已有知识中推导出所需要的结论和知识。 知识管理( 1 ( i l o w l e d g em a l l a g 锄e n t ) 【2 4 2 5 】包括知识查询、知识增加、知识删除、知识 修改以及知识的一致性、完整性维护等，其实质是如何更好的利用企业中的显性知识和 隐性知识。 2 2 基于知识工程的参数化设计 知识工程是人工智能在知识信息处理方面的发展，它主要研究如何由计算机表示知 识，进行问题的智能求解。参数化设计中引入知识工程，结合特征造型理论，来弥补当 前参数化设计的不足【2 6 2 7 捌，其实现流程如图2 2 所示。面向对象的技术已被深入应用 于特征的描述，这使得特征本身已包含了参数化变动尺寸值所需的成员变量和成员函数， 特征的尺寸值均可作为其变量，随时作适当改变。在这个基础上，进一步使特征以及特 征之间的依附关系能随一定的条件改变，即可实现参数化特型2 9 1 。因而在产品设计过程 中把涉及产品设计的所有信息集合起来，包括行业设计标准、产品的尺寸关联、尺寸约 束、特征关联和工艺顺序等，组成一个产品的知识库。由此可以采用以下办法来解决上 述参数化设计的不足。 开始 蒺彝h 添骠的h 添骈的h 雾糕圣卜压 图2 2c 朋1 a 知识工程环境下的参数化设计流程 ( 1 ) 建立产品的特征库和产品的特征关联、尺寸关联库。由于一个特征是用一个对象 来描述的，所以为特征设置一个属性a c t i v 时。当该属性值为t r u e 时，该特征被激活； 当该属性值为f a l 时，该特征隐藏，不出现在设计中。这样就可以通过自定义变量值 的范围、特征之间的依附关系等方法来确定某些特征是否被激活，是否出现在设计中。 这也就意味着在参数化设计过程中实现了特征驱动。同时尺寸关联库的建立更能很好地 组织和明确各特征的尺寸、特征间的位置关系。这样产品的特征和尺寸的关联信息将更 明确、清晰l j 。 ( 2 ) 引入一些校验。有些变量在设计过程中有一定的范围限制或受一些标准的约束， 有些变量与变量之间存在一定的函数约束关系。可以把它们列出，定义好其范围或函数 约束关系，并设置好相应的报错信息和推荐建议，组成一个设计检验库。在参数化设计 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 过程中，- 旦有些变量的改变引起其他变量违反其允许值的范围，即违反了某一校验， 则立即提示出相应的报错信息，同时给出一定的更正方案推荐给设计人员，设计人员可 以及时修正设计。设计人员也可以通过学习算法将好的设计经验写入设计检验库，或由 设计检验库通过学习算法自动学习知识。这一方法有效地增强了参数化设计的可靠性， 并能积累优秀的设计经验，以扩充产品知识库，在设计时就能得到产品的最佳设计。 在建立产品数据库的基础上进行参数化设计的基本构架如图2 3 所示【3 1 1 。这种基于 产品知识的参数化设计把知识工程与参数化设计有机地结合起来，用知识工程原理来组 织产品数据，表达成产品的知识库。用较完整的面向对象的高级语言来描述特征，并在 特征造型中使用参数化的同时，又利用结构化的高级语言参数化地变动尺寸和特征【3 2 】。 图2 3 基于知识的参数化设计的基本构架示意图 它不仅可以随时调整产品形状和尺寸，而且可以随时调整产品的结构和特征，同时 实现尺寸驱动和特征驱动。它又能实时地监督设计过程，检验设计是否符合要求，并提 出适当的建议，与设计人员进行人机对话。通过学习算法，设计人员可以不断丰富产品 的知识库，更有助于未来的设计。这样的参数化设计极大地方便了产品的修正和改良， 对缩短产品设计周期、节省产品设计成本有着巨大的实际意义，从而使产品设计变得更 加灵活、高效、智能。拥有产品工艺库的产品知识库，则能进一步帮助和指导设计人员 制定产品的工艺流程。 2 3 机械产品设计中知识的应用 机械产品设计是一个复杂的过程，属于强经验、弱理论的技术领域，很多设计知识 和经验很难用规则表达，而这些知识和经验往往决定了企业的生存和发展【3 3 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 机械产品设计知识内涵丰富，包括来自各种设计文献资料的方法规定、各种工业标 准、设计经验、设计公理、公式和专利等，但更重要的是企业及其设计人员长期积累的 设计经验和技能。 1 、机械产品设计知识的构成 综合各种文献资料对机械产品设计知识的描述，与机械产品设计相关的领域知识主 要包括如下4 个方面，对于特定的行业和生产企业而言，有其具体的设计知识组成内容。 ( 1 ) 工业标准：包括各种相关的国际标准、国家标准、行业标准和企业标准等，用 于建立一系列规则，促进产品设计将常用零件和组合件标准化，以提高生产效率和设计 制造水平。 ( 2 ) 设计规则：通过反复试验得到或长期积累、总结的设计所必须遵循的准则，或 经反复试验得到的相关准则，如定理、方程和设计规范等。 ( 3 ) 经验准则：经验准则属于指导性准则，在机械产品设计中应用最为广泛，并且 属于非书面的工程知识，这些工程知识更多地以实例的形式存在于有经验的工程师脑海 中，并反映在由他们完成的产品设计实例中。 ( 4 ) 团队技能：团队技能体现为一个设计群体对产品设计的深刻理解，这种理解集 中反映在由不同设计人员完成的产品设计实例中，而这种知识是企业产品竞争力中的关 键因素。 2 、机械产品设计知识的特点 对应用系统尤其是面向行业应用的专用c a d 系统而言，理解并尽可能多的收集所需 的领域设计知识，并加以合理的处理，是系统构建重要的基础工作。因此，需要了解和 研究设计知识的特点，以达到通过有效途径获取相关知识的目的。机械产品设计知识的 特点主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 机械产品设计的任务具有强烈的多学科交叉的特点，因此产品开发中涉及的知识 具有繁杂、无序、复杂和广泛等特点。 ( 2 ) 产品开发中涉及的表达具有多样性，如原理图、草图、二三维设计图、图表、 表格、工艺卡等，并且它们通过复杂的关联联系在一起。 ( 3 ) 产品开发有时可能是由不可靠的知识和正在探索中的策略完成的，它们的表达和 处理十分麻烦，具有动态的特点和实时性能的要求。 结合上述机械产品设计知识的构成和特点，产品设计知识的处理，通常要考虑两个 方面的问题：一是通过分析和运用各种知识推理技术，建立合理的各种形式设计知识的 综合表达机制；二是各种知识与几何造型知识的有效融合【州。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 2 4 基于知识工程的拉丝机参数化设计 基于知识工程的拉丝机参数化设计过程，就是针对拉丝机产品，分析获得该产品设 计的各种知识，从中提取出参数，驱动这些参数进行设计直接得到产品的数字模型。包 括两个主要步骤：拉丝机相关知识的获取和拉丝机参数化设计。拉丝机相关知识的获取 为参数化设计提供了设计参数和工程规则，拉丝机参数化设计最终将设计结果显示出来。 基于知识工程的拉丝机参数化设计思路如图2 4 所示。 图2 4 基于知识工程的拉丝机参数化设计思路 2 4 1 拉丝机知识获取 知识获取从知识源中提炼出来，并将其转换成计算机可执行代码的过程【3 5 】。知识获 取是k b e 系统的基础，它实际上是知识工程师与工程设计专家互通知识信息的过程， 通过与领域专家的交流，获得相关的设计知识与实践经验，主要包括： 关于设计过程的知识：即关于如何进行设计的知识，包括设计的一般原理和来自专 家方面的实践经验； 设计对象的知识：即设计对象的部件、结构、材料、用途等，还可以是一些典型产 品的结构原型和部件类型等； 用户方知识：即用户方对设计对象的要求和限制，包括企业标准、企业规范以及设 计对象的规格等。 拉丝机相关知识的获取，是本课题研究的一个重要内容，将在第3 章分别从以上三 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 个方面进行详细介绍。 2 4 2 拉丝机参数化设计 拉丝机产品的设计中，在获得了拉丝机相关知识即了解基本的设计要求和参数后， 设计人员要凭借以往的设计经验初定一些对整个产品的设计进程产生重要影响的经验参 数和产品的结构形式，并结合总体设计要求导航或定义各种结构零部件的设计。同时， 应将已经完成设计的拉丝机产品的相关经验数据作为不断积累的设计知识存储到相应的 知识库中，供设计人员在以后进行设计时，依据总体的设计要求和基本设计参数，并根 据相关结构设计的需要进行设计调用或参考。拉丝机参数化设计将在第4 章详细介绍。 2 5 本章小结 本章主要介绍了基于知识工程的参数化设计方法及其在机械产品设计中的应用。 1 首先介绍了知识工程基本概念及关键技术。 2 结合知识工程和参数化设计，提出了基于知识工程的参数化设计方法。 3 根据工程知识在机械产品设计中应用，总结了机械产品设计中知识的构成和特 点。 。 4 运用基于知识工程的参数化设计方法对拉丝机进行设计，从知识的获取和应用 两方面提出了本文的核心内容，将分别在第3 章和第4 章进行详细阐述。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 第3 章拉丝机知识获取 3 1 拉丝机工作原理及分类 拉丝机是实现拉拔加工的主要设备。由放线、拉丝、水冷、收线及排线等几个部分 组成，其中电气传动部份主要由放线电机，收线电机及排线电机实现，其生产质量和效 率对于企业来讲至关重要。拉丝机的主要组成决定了拉丝工艺的几个基本步骤，下面以 铝合金的拉丝工艺来简要说明。 图3 1 铝合金拉丝流程 如图3 1 所示，拉丝工艺过程主要由有放线，拉丝，收线等几个基本步骤。 放线：金属丝的放线，对于整个拉丝机环节来说，其控制没有过高的精度要求，大 部分拉丝机械，放线的操作是通过变频器驱动放线架实现的，但也有部分双变频控制的 拉丝机械，甚至直接通过拉丝环节的丝线张力牵伸送进拉丝机，实现自由放线。 拉丝：拉丝环节是拉丝机最为重要的工作环节。金属线材缠绕在拉丝轮上，在拉丝 轮旋转的带动下被牵伸穿过拉丝模，由于拉丝模的模孔具有一定形状，致使金属线材在 穿过拉丝模后形状和尺寸发生变化。金属线材通过多级拉丝达到规定尺寸。不同金属物 料，不同的丝质品种和要求，拉丝环节有很大的不同。 收线：收线环节的工作速度决定了整个拉丝机械的生产效率，也是整个系统最难控 制的部分。在收线部分，常用的控制技术有同步控制与张力控制实现金属制品的收卷。 拉丝机类型很多，这是为拉制不同金属，不同粗细的线材而设计的，是为提高生产 效率，改善线材品质降低生产费用而逐步发展出来的。按金属断面形状分：圆形断面金 属拉丝和异型断面金属拉丝。按工件的粗细分：粗拉、大拉、中拉、小拉、细拉拉丝机。 按工件在拉丝鼓轮上的运行速度分：滑动式拉丝机和非滑动式拉丝机1 3 6 1 。 滑动式拉丝机和非滑动式拉丝机型号规格的表示方法如图3 2 所示，从工件与拉线 绞轮的运行速度上分为滑动式和非滑动式拉线机；从绞轮的形状上分为等径绞 轮和塔式绞轮的拉线机。两种绞轮形式均为实现不同速比：一种是每个绞轮的直径相同， 排成一行，它们有各自的驱动轴，每轴的转速不同，造成各绞轮间的速比。另一种是若 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 l 口口皿田 上t 基 本论文研究对象为u d _ 4 5 0 1 3 型铝合金拉线机。该产品特点介绍：卧式串列式结构， 模块式组合简化设备的装配和安装：双电机驱动，可实现快速换模系统；高强度精密斜 齿轮传动，高承载，低噪音；浸没式润滑冷却系统，可保证线材和拉丝模有效的冷却和 润滑；独特的放线机构，保证线材的拉制质量，并可降低噪音。采用双盘连续收线，整 机自动化程度及生产效率高。 1 、设备用途 l 阳) - 4 5 0 1 3 型铝合金拉线机引进德国n m o f r 公司生产的最新m 8 5 型高速铝合金拉 线机技术进行的创新设计。用于将妒9 5 m m 铝合金杆及1 2 咖普通铝杆拉制成 矽2 2 4 5 i n m 的铝合金线或矽2 1 4 7 m m 的普铝线。拉线轮采用一列式倾斜排列，连续拉 制，机械电气速度均衡匹配，操作方便，能实现快速换模，自动不停机换盘收线。本机 具有操作方便，生产效率高，产品质量好等优点。 2 、设备主要技术参数 进线直径：妒9 5 ( 普铝矽1 2 ) 出线直径：矽2 6 5 4 5 姗( 铝合金) 2 1 _ 4 5 衄( 普铝) 最高速度：2 5 毗 一 拉线轮直径：矽4 5 0 i n m 最多拉伸道次：1 3 储线器最大长度：5 m 收线盘规格：p n d 5 0 0 ；p n d 5 6 0 ；p n d 6 3 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 拉线主电机：z 4 3 1 5 2 23 1 5 k w ( d c ) l o o 眈p m 定速轮电机：z 4 1 8 0 2 27 5 l 阿( d c ) 3 0 0 眦p m 收线电机：z 4 1 3 2 32 3 0k w ( d c ) 3 0 0 眦p m 设备总重量：4 0 0 0 0 k g 设备总尺寸：2 3 2 2 0 0 4 4 0 0 4 5 0 0 n 衄 3 、设备组成 本机由放线装置、拉线主机、储线装置、双盘自动收线装置、拉线润滑油系统、齿 轮润滑油系统、轧头穿模机、电气控制系统等组成。 3 3 拉丝机设计过程知识的获取 拉丝机设计流程：根据用户设计需求确定拉丝方法，即确定拉丝配模；根据拉丝配 模确定的设计参数确定机械部分结构及强度设计。分别从这两方面总结拉丝机设计过程 中的知识。 3 3 1 拉丝配模 l 、拉丝配模过程 拉丝配模，也叫拉拔程序或拉拔路线，指的是在拉制过程中对每道拉伸线模进行选 择的方法。合理的配模方式不但可以在拉制过程中减少断线，拉细等现象，提高生产效 率；还可使得成品线有良好的表面质量及合格的性能。合理的配模有两个要点，一是机 械：滑动式拉丝机有其固定的拉线轮速比，滑动”是其工作的基础，使拉线轮的线材速 度要同轮速“脱离”，才能保证其生产的连续性，这就要求在配模时每道( 除第一道) 的 延伸系数一定要大于拉线轮速比。二是线材性能：要充分利用拉制材料的塑性，选择较 高的变形量，以减少拉制的道次，减少模具。 拉丝断面不同，拉丝配模步骤和计算方法亦不同。本文研究对象为u d 4 5 0 1 3 型 铝合金拉线机，为圆形断面金属