基于知识的组合机床总体设计CAD系统的研究与开发

26 o 机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i n e r y De s i g n Ma n u f a c t u r e 第 1 期 2 0 1 2年 1月 文章 编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 2 0 1 0 2 6 0 0 3 基于知识的组合机床总体设计 C A D系统的研究与开发术 周临震 顾 琪 倪红军 刘德仿 李丽英 盐城工学院 优集学院 盐城 2 2 4 0 0 0 2 盐城纺织职业技术学院 机电工程系 盐城 2 2 4 0 0 5 s 南通大学 机械工程学院 南通 2 2 6 0 1 9 Re s e a r c h a n d d e v e l o p me n t o n a k n o wl e d g e b a s e d CAD s y s t e m f o r o v e r a l I d e s i g n o f mo d u l a r ma c h i n e t o ol Z HO U L i n z h e n G U Q i N I H o n g j n n L I U D e f a n g L I L i y i n g U G S C o l l e g e Y a n c h e n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y Y a n c h e n g 2 2 4 0 0 0 C h i n a 2 Y a n c h e n g C o l l e g e o f T e x t i l e T e c h n o l o gy Y a n c h e n g 2 2 4 0 0 5 C h i n a S c h o o l o f Me c h a n i c s E n g i n e e r i n g N a n t o n g U n i v e r s i t y N a n t o n g 2 2 6 0 1 9 C h i n a 摘要 根据组合机床产品设计的特点 采用模块化设计思想 建立了组合机床总体设计C A D系 统体 系架构 系统的设计过程以 自顶向下为主 自底向上为辅 研究了知识工程关键技术在 系统中的应 用 将组合机床 总体设计的领域与经验知识和知识工程相结合 加强对设计知识的继承和重用 实现组 合机床 总体的快速设计 为组合机床设计提供 了可靠的技术保障 最后介绍 了系统开发平 台和开发 工 具 并通过 实例验证了系统可以显著提高组合机床产品设计效率和质量 关键词 组合机床 总体设计 知识工程 Ab s t r a c t B a s e d o n t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f m o d u l ar m a c h i n e t o o l d e s i g n a C A D s y s t e m arc h i t e c t u r e r mo d u l ar mac h i n e t o o l h as b e e n e s t a b l i s h e d b y mo d u l ar d e s i gn t e c h n o l o g y wh i c h d e s i gn p r o c e s s i s d o m i n a t e d b y t o p d o wn a n d s u p pl e me n t e d b y b o t t o m u p T h e k e y t e c h n o l o g i e s KB E b e i n g a p pl i e d i n t h e s y s t e m h a s b e e n s t u d i e d i n a d d t i o n t h e r e s e a r c h t h e mo d u l ar mac hi n e t o o l d e s i gn c o mb i n i n g wi t h t h e e c p e r i e n c e a n d k n o w l e d g e e n gin e e r i n g m a y s t r e n g t h e n t h e i n h e r i t a n c e and r e u s e o fd e s i g n k n o w l e d g e tril l t h e r a p i d d e s i gn and p r o v i d e a r e l i a b l e t e c h n i c a l s u p p o r t f o r t h e m o d u l ar m ach i n e t o o l d e s i g mF i n all y t h e p l a tf o r m and t h e t o o l s ofs e c o n d ar y d e v e l o p m e n t h a s b e e n i n t r o d u c e d at t h e s a me t i m e t h e d e s i g n e f fic i e n c y a n d q u al i t y h as b e e np r o v e d t o b e i m p r ove d s i gnific a n t l y b y t h e gi v e n i n s t a n c e Ke y wo r d s M o d u l a r ma c h i n e t o o l Ov e r a l l d e s i g n KBE 中图分类号 T H1 6 文献标识码 A 1引言 组合机床是根据工件实际加工需要 以大量的通用部件为基 础 配以少量的专用部件组成的高效专用机床 在当前竞争激烈的 市场经济中 用户对组合机床的技术先进性 质量可靠性以及供货 及时性要求者 艮 高 这些都要求工程技术人员不断提高产品的开 发能力 快速响应市场需求 研究新的组合机房 十 方法 基于知 识工程 K n o w l e d g e B a s e d E n g i n e e r i n g K B E 的组合机床 C A D系 统 引入先进的产品开发支持技术 将产品设计的领域知识和经验 知识与产品开发支持技术相结合 加强对领域知识的继承和重用 实现设计知识的重用和产品的快速化 自动化设计 同时为机床设 计提供可靠的技术保障 缩短设计周期 2系统总体架构设计 2 1系统功能模块划分 用户预期相应的功能 基于知识的组合机床总体设计 C A D系统 主要包括以下功能模块 系统初始化 被加工件特征拾取 参数计 算 部件设计和知识库管理模块 如图 1 所示 l 基于知识的组合机床总体设 一 系统 l I 组合机床总体设计 知识库管理 一 L 上 上 上 上 上 上 被 产 产 产 系 加 参 部 品 口 口 品 统 工 数 件 设 设 设 初 特 计 设 计 计 计 始 征 算 计 数 知 实 化 拾 据 识 例 取 库 库 库 图 1系统模块划分 2 1 1 系统初 始化模 块 系统设计采用模块化设计思想 通过定义不同的模块 实现 模块主要功能是对工程进行初始化 首先选择机床设计类 k 来稿 日 期 2 0 1 1 0 3 2 4 基金项 目 江苏省高校重点建设学科 机械制造及其自动化开放项目资助 Z J 2 0 0 9 0 2 4 第 1 期 周临震等 基于知识的组合机床总体设计 C A D系统的研究与开发 2 6 1 型 机床加工工位 机床配置形式 其次是加载被加工零件 最后 定义用户机床设计工程路径 在此系统下设计的所有 P a r t 文件 和数据表格等都将会保存到这个工程路径下 并且装配所需要的 通用部件也将 自动拷贝到这个这个工程路径下 2 1 2被加工件加工工艺特征选取模块 模块主要功能是通过与客户的交互界面选择被加件的加工 工艺特征 首先根据前一模块确定的机床类型 工位类型 加工面 数和结构型式带有设计导向性的为各个加工面提供面或孔的选 择 其次系统将客户选择的面或孔经行归类和储存 为后续工作 提供设计依据 最后自动化生成组合机床总体设计控制结构 2 1 3参数计算模块 模块主要功能是依照系统数据库 知识库对组合机床总体 设计过程的工艺参数 切削用量 进给速度等参数进行确定 同时 对客户提供参数修改方案 然后根据既定参数计算出各个加工面 动力部件所需加工功率 进给力 扭矩等 最后将计算结果存储到 工程当中 实现数据备份和传递 2 1 4部件设计和装配模块 模块主要功能是依照前续模块结果查询相关实例库 知识 库对组合机床通用部件和专用部件进行选择 匹配和设计 最后 按照总体控制结构要求实现设计部件的自动化装配 2 1 5知识库管理模块 依据组合机床的设计知识构成状况 结合不同类型组合机 床的结构组成特点 构建系统知识库 系统将知识库分为组合机 床产品设计知识库 部件实例库 设计知识数据库 以简化问题处 理的复杂性 方便系统的构建与管理 2 2系统总体设计结构 图 2基于知识组合机床总体设计 C A D系统构架 传统的产品设计大多采用自底向上的设计方法 即先分别 完成对产品零部件的设计制造 然后再根据不同的位置和约束关 系 对零件进行装配 为了能够支持产品的设计过程 组合机床总 体设计 C A D系统的设计过程是一种以自顶向下为主 自底向上 为辅的设计过程 系统利用知识库中存储的大量设计方法 经验 标准 规则 推荐参数和实例等 通过 C A D技术 人工智能技术 知识表示技术 数据交换技术和数据库管理技术等模仿领域专家 进行组合机床总体设计 系统可以根据被加工零件信息 用户输 入和计算机参数计算结果等条件 指导 帮助设计人员完成组合 机床总体设计 得到满足要求的总体设计结果 从而提高组合机 床总体设计的效率和质量 系统主要包括加载被加工零件 系统 初始化 被加工件特征拾取 设计计算 部件设计 组合机床总体 设计数据库 知识库实例库等几个部分 其构架 如图2所示 3知识工程在系统中的应用 3 1知识的获取 知识获取是把用于求解问题的知识从某些知识源中提取出 来 并将其转换成计算机上可执行代码的过程口 知识的获取通常 是由领域专家 知识工程师与知识获取机构共同完成 领域专家 负责收集和整理该领域内的理论知识 实践知识和个人经验 知 识工程师负责从领域专家那里提炼知识 并用适合的模式把知识 表达出来 而知识获取机构负责把知识转换为计算机可存储的内 部形式 然后把它们存入知识库中 K B E系统最终的目标就是 要把最好的设计实践经验和工程专家的知识囊括在共同的知识 库 中 4 1 3 2知识的表示 知识表示圈 是利用计算机能够接受并且进行处理的符号和 方式来表示人类在改造客观世界中所获得得知识 恰当的知识表 达可以使复杂的问题简单化 便于计算机存储 管理和利用 因 此 选择合适的知识表达方法十分必要 目前知识的表示方法大致有 逻辑模式 框架 语义网络 产 生式规则 直接表示 脚本 过程 面向对象模式等I6 每种知识表 达方法 均有其各 自特点 适用于不同的领域 组合机床总体设计 是一项复杂的工作需要多方面的知识 采用单一的知识表达方 法 往往不能准确地表示具体复杂的知识结构 因而 在系统的研 究中采用多种知识表示相结合的方式来表示组合机床总体设计 知识 比如 对于组合机床通用部件数据库中部件信息采用谓词 逻辑知识表示法 部件名 参量 1 参量 2 例如滑台可表示为 S l i p w a y l C o d e R o u t e d P f r o u n t P u p P c e n t e r 含义 S l i p w a y l 表示滑台 其代码为 C o d e R o u t e r 为滑台行 程 P f r o u n t 为滑台前安装基准面 P u p为滑台上安装基准面 P c e n t e r 为滑 台中心对称基准平面 采用这种表示方式唯一地描述组合机床的通用部件滑台 系统可方便地在通用部件库中搜索到所需元件 对于组合机床总体设计原则 方法以及设计专家的经验等 知识 可以采用产生式法表示 如组合机床总体布局设计的知识 可表示为 1 一 2 l 3 I 4 A N D 5 6 7 滑台前端面 3 3知识的推理 知识的推理m 是按某种策略由己知判断推出另一判断的思 维过程 一般来说 推理都包括丽种判断 一种是己知的判断 它 包括己掌握与求解问题有关的知识及关于问题的己知事实 另一 种是由已知判断推出的新判断及推理的结论 组合机床产品设计知识内容丰富 形式多样 包括各种立法 规定 国家标准 设计公理 公式和专利以及企业工程师长期积累 的设计知识 经验和技能 其设计是一个复杂的过程 很难用某一 种知识的推理机制实现整个产品设计知识的推理 系统采用混合集成推理方法实现推理机制的建立 例如在 设计开始阶段推理采用基于规则的推理 R u l e B a s e d R e a 8 o n i n g R B R 方式建立组合机床总体设计控制结构 在部件选型阶段采 用基于实例的推理 C a e b a s e d R e a s o n i n g C B R 方法 这样分别 采用 C B R和 R B R的优势 实现优势互补 提高推理准确性和推 理效率 4系统的实现 4 1开发平台和工具 系统开发环境是在 Wi n d o w s X P环境下 基于 N E T开发平台 采用一种面向对象的 运行于 N E T F r a m e w o r k 之上的高级程序设 计语言 c 为开发语言 同时依托 S i e me n s P L M S o f t w a r e 公司新 一 代数字化产品开发系统 N X U G 进行客户化定制系统开发 N X提供了N X O P E N G R I P N X O p e n A P I N X O p e n U l s t y l e r N X O p e n B l o c k S t y l e N X O p e n Me n u S c r i p t 五种程序开发包 如表 1 所示 其中 N X B l o c k S t y l e 是 N x为适应 N E T 最新推出的对话 框设计工具 系统是采用 N X O p e n A P I N X O p e n B l o c k S t y l e N X O p e n Me n u S c r i p t 进行开发 表 1开发工具及功能说明 软件开发工具 功能说明 NX Ope n AP I NX Op e n Me n u S c fip t NX Op e n UI S t y l e r NX Op e n B l o c k S t y l e r NX Op e n GRI P 应用编程接 口 用户菜单定制语言 用户对话框设计工具 图形交互程序 4 2系统运行实例 系统通过调用 A P I 编译生成的动态链接库实现系统运行 在关键参数设置决策阶段智能化的为设计师提供解决方案 并同 时通过开放的形式支持设计师修改计算机提供的方案 实现设计 师与计算机交互式协同设计 启动 N X软件 N X通过读取环境变 量u g i i v e n d o r d i r 的路径自动加载菜单文件 设计师按照系统设 计的具有导航性质的预设菜单步骤进行设计 分别经历组合机床 总f r ui t 夹具设计 多轴箱设计以及其他设计等 其中组合机床 总体设计部分 其下层设计包括系统初始化 选择加工面和孔 参 数计算 通用件选择等模块 如图 3 所示 为系统初始化用户交互 设计界面 系统以 汽缸体双面钻单工位卧式组合机床设计为例 设计 师根据工件需求决策机床类型 工位选择 机床配置形式 参数计 算 通用部件的选择匹配等设计工作 系统根据设计师输入的设 计约束 自动化装配生成组合机床三维数字化模型 汽缸体双面 钻单工位卧式组合机床三维数字化模型 如图4所示 图 3系统初始化界面 图 4汽缸体双面钻单工位卧式组合机床 5小结 组合机床设计属于专机设计 其设计量大 设计工作复杂 并且需要提高机床设计效率以快速响应市场需求 系统在 N X平 台上 将 K B E技术应用到组合机床总体设计中 通过挖掘 整理 和表示组合机床总体设计相关知识以及专家设计经验 建立组合 机床总体设计知识库 运用 N X O P E N二次开发工具