基于本体的磨床变型设计研究开题报告

1、研究生学位论文选题报告研 究 课 题 基于本体的磨床变型设计研究 研 究 生 姓 名 所在教研室名称 机械教研室 攻 读 学 位 专业硕士 导 师 姓名职称 论 文 工 作 的起 止 时 间 2014年3月至2015年3月 一、选题依据（选题来源，研究意义，国内外研究现状、水平和发展趋势）（1）选题来源；选题来源：基于本体的磨床变型设计研究（2）研究的意义：随着市场竞争的日益激烈和计算机技术在现代工业中的广泛应用，大批量定制技术应运而生。变型设计是大批量定制的关键技术之一，它能快速地设计产品模型，降低设计成本，提高产品质量，因而被广泛应用于产品创新设计中。变型设计是在保持产品的基本原理不变的条

2、件下，根据客户需求和概念设计，对产品变型设计主模型的局部结构形式、尺寸或要素进行调整、变更，从而得到相似的新产品设计方法。同时，由于产品结构日益复杂，功能不断增强，新产品的开发越来越复杂，开发周期却有增加的趋势。如何较好地解决产品市场周期短与产品开发周期长这一对日益尖锐的矛盾已经成为企业生死攸关的问题。既要满足客户的个性化需求，又要缩短产品的交货期，这是现代企业面临的一个两难问题。而开发设计的技术与方法，在这里起关键作用。传统的产品开发设计方法没有充分重用企业己有的设计资源。这些会造成设计成本、工装成本和制造成本的增加，严重影响企业的经济效益。但在目前的产品变型设计中，大多是从产品结构的角度进

3、行设计，而对产品的背景、用途以及与其他产品的关联等信息的描述比较缺乏，因此不能很好地满足不同设计者对产品的需要，尤其跨学科设计的需求。本体可以为产品提供详细的知识，提供形式化描述产品的基础，具有很好的概念层次结构，可以很好地弥补上述缺陷。本文将采用本体和参数化设计技术相结合进行产品变型设计，目前关于基于本体的机床变型的研究比较少，但具有客观的经济效益，因此本文的研究有一定的学术价值。3）本选题有关研究方向的历史、国内外研究现状、水平和发展趋势本体（Ontology）的概念最初起源于哲学领域，古希腊哲学家亚里士多德在哲学中的定义为“对世界上客观存在物的系统地描述，即存在论”，是对客观存在的一个系

4、统的解释或说明，关心的是客观现实的抽象本质。随着计算机科学的发展研究者将本体引入到计算机科学领域。在人工智能界，最早给出本体定义是Neches等人，他们将本体定义为“给出构成相关领域的词汇的基本术语和关系，以及利用这些术语和关系构成的规定这些词汇的外延的规则的定义”。后来在信息系统、知识系统等领域，越来越多的人研究本体，并给出了许多不同的定义。其中最著名并被广泛引用的定义由 Gruber 提出的，他认为“本体是概念化的明确的规范说明”。后来 W. N. Borst 对该定义进行了引申，指出“本体是共享的概念模型的形式化的规范说明”。Fensel 对这个定义进行分析后认为本体的概念包括四个主要方

5、面，分别是：（1）概念化 （Conceptualization）：客观世界的现象的抽象模型；（2）明确（Explicit）：概念及它们之间联系都被精确定义；（3）形式化（Formal）：精确的数学描述；（4）共享（Share）：本体中反映的知识是其使用者共同认可的。本体是目前广泛采用的知识表达方式，领域本体就是关于某领域概念化的显式说明，本体强调相关领域的本质概念及其之间的关联。直观地讲，本体是对某领域的概念分析、建模的结果，即把现实世界中的某个领域抽象成一组概念（如实体、属性、进程等） 及概念间的关系，构造出这个领域的本体，使得这些概念和关系在共享的范围内具有大家共同认可的、明确的、唯一的定

6、义，为该领域内的信息处理提供了一个准确无歧义的规范化说明。本体同领域密切相关，本体的概括程度体现在对领域的依赖程度上。本体的概括程度越高，对领域的依赖程度越低。按概括程度从低到高，本体通常分为：（1）领域本体：描述了某一专门领域的知识；（2）通用本体：描述在几个领域中都有效的知识；（3）应用本体：包含了对某一特定领域建模时需要的所有知识，应用本体一般包括领域本体和方法本体；（4）表示本体：不包含任何特定的领域知识，而是提供了一组与具体应用无关的知识表示实体；（5）方法与任务本体:用来描述问题求解方法和特定任务的知识。在机械工程领域，本体也得到了大量的应用，包括企业本体、工程设计本体、产品本体、

7、产品设计资源本体和（分布式）工作流程本体等，不同的研究人员由于侧重点不同，所建立的产品本体反应出的产品信息也各不相同，具体包括用于设计的产品本体、用于产品生命周期管理的产品本体、用于产品数据交换的产品本体、构建产品信息系统的产品本体和产品零件库本体等。代表性的成果有：（1）基于本体的产品信息模型 来自美国华盛顿大学和美国国家标准与技术研究院的 Sudarsan、Fenves 和 Sriram 等人为支持产品生命周期管理各个方面的信息需求，以本体为表示工具开发了一种产品信息模型框架。该框架将明确表示的设计原理作为描述产品本身的重要内容。它以形式化语义为基础，通过采用合适的本体就能进行自动推理，为

8、产品提供了全方位的信息支持。同时该框架致力于促进新应用和过程的开发，可以避免由于环境中信息不齐备而造成的对新应用开发的阻碍，同时也可作为产品级不同系统间互操作的转换与接口。（2）产品信息语义交换 美国密歇根大学 Patil 等人开发了一个以产品本体作为语义交换的标准中介，即产品语义表示语言（Product Semantic Representation Language，PSRL）。以 PSRL 本体作为产品信息的形式化表示。PSRL 本体中的核心概念包括对象、规格、装配、制品、形态、功能、行为、几何形状、材料、特征和约束等。PSRL 的核心概念和核心关系是典型的基于特征的造型系统的标准术语，

9、这些核心概念可以进一步组合成新概念。PSRL 还允许定义新的核心概念和关系，以保证该本体具有足够的可扩展性和实用性。PSRL 已成为产品信息语义交换的中间语言和方法论基础。（3）机械工程行业的本体应用框架 西北工业大学的赵建勋等人为促进机械工程企业中知识管理和复用的有效进行，便于信息系统中的信息共享和异构系统之间的互操作，针对机械工程的行业特点，提出了针对机械工程行业的本体应用框架。该框架包括应用层、知识库层、本体层和推理机等。根据需要建立不同粒度的本体，将细粒度的本体通过本体映射和本体集成等技术形成粗粒度本体。由本体构成应用系统的知识库，采用已有的推理技术实现基于知识的应用。系统之间的互操作

10、和知识共享在本体的基础上由本体解析器对本体进行解析来实现，本体解析器还用于应用系统的知识获取。由此可见，本体在机械工程领域得到了一定程度的应用，但在产品设计领域，目前的研究并没有充分利用本体的特性，让本体发挥其应有的作用。现代产品设计是基于知识的设计，支持数据、信息和知识的交换、重用和共享已成为影响产品快速响应的决定性因素。正是由于本体具有前文所述的优点，使其非常适合于信息检索系统、智能信息集成和知识管理、信息复用等方面的研究与应用，为解决产品设计重用的关键技术提供了可行有效的解决方案。变型设计的主要任务就是根据具体的设计需求，将已有的类似产品或模块作为设计模板，在保持其整体结构和功能不变的前

11、提下，对其局部结构的配置和尺寸做出一定范围内的变动、调整，以设计出符合要求的产品系统。就整体而言，变型设计就是一个相应于产品的基本组成结构而对设计任务逐步分解、求精的过程，即运用一定的规则将对整个产品的设计归结为对其中各个部件、零件等功能模块的设计。目前，国内外学者针对变型设计技术提出了很多理论和方法，其中主要有：1)基于相似设计理论的变型设计 系统相似，尺寸与性能参数皆成一定比例关系的纵向系列产品称为相似系列产品。基于相似设计理论的变型设计是将相似设计理论应用于变型设计中，首先选定相似系列产品中的某一产品为基型，对它进行最佳方案设计，确定其材料、尺寸和参数，然后再按相似设计原理求出系列产品中

12、的其它产品的尺寸和参数，前者称为基型产品，后者称为扩展型产品，即变型设计产品。基于相似设计理论的变型设计是企业目前广泛应用的设计方法之一。 2）基于模块化技术的变型设计 在对产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列通用模块，根据市场需求，对这些模块进行选择组合，就可以构成不同功能，或功能相同但性能不同、规格不同的变型产品。模块化变型设计实际上是模块化设计思想在变型设计中的应用。模块化设计包括模块创建和模块综合两个过程。模块创建包括功能模块的划分过程和功能模块的设计过程。模块综合则是根据具体的设计要求进行功能分解，并从模块集中选择合适的模块实现分解功能，并最终将各功能模块组合形成产品。模块化

13、设计可以使产品的设计、制造周期大大缩短，降低成本且提高产品质量，并可使产品具有很大的灵活性和适应性，能快速响应用户对多品种、小批量的需求，使产品具有较强的竞争力。3）基于特征的变型设计 特征设计以基于几何模型为基础并包括零件设计、生产过程所需的各种信息的一种产品模型方案。它充许设计者通过组合常见形体来完成产品设计，而不是使用抽象的几何点、线、面。系统提供了用不同属性值实例化特征的能力，而且一般常用的形状特征由系统设计者以特征库的形式提供给用户。特征技术的发展给产品的变型设计提供了一种手段，用户通过对一系列特征的实例化和特征的自动维护达到产品的变型设计的目的。特征设计用于变型设计时，一般和参数化

14、设计方法结合。但特征间的交互作用对特征的影响和设计过程中特征的有效性的维护以及特征设计使概念设计、技术设计完全受制造方法的限制等都是这种变型设计方法的不足。从根本上讲特征设计是零件级的设计，特征设计无法支持概念设计和自顶向下的设计方法，不支持产品设计的全过程。4）基于参数化和变量化设计方法的变型设计 参数化设计和变量化设计都是通过参数约束设计对象的尺寸关系，在参数的作用下驱动对象变型。参数化设计一般是在设计对象结构比较成熟的基础上，用一组参数来表示尺寸值和约束关系，通过修改设计对象的尺寸参数来驱动模型变型，其核心是尺寸参数驱动。变量化设计的设计对象的修改具有更大的自由度，它主要将满足设计要求的

15、几何形状放在第一位，通过求解约束方程组来确定产品的尺寸和形状。在参数化和变量化设计中需着重考虑的是约束的合理性和完备性，否则可能无法生成变型产品或产生意料不到的结果。当产品结构复杂时，参数之间的关系非常复杂，使得设计难以控制。参数化和变量化设计适用初始设计和定型产品系列化设计，使产品可以随着某些结构尺寸的修改和设计要求的需要而自动更改。5）基于关系型产品模型的变型设计 上海交通大学的陈俊、钟廷修等根据合理化工程哲理的订单规划的需要，提出了一种关系型产品模型，即在先进的信息理论和计算技术的支持下，定义和表达重用产品资源所必需的产品数据及其数据关系的数字化信息模型，分析了订单规划活动的信息类型和信

16、息内容，得到了关系型的逻辑构成，它们是：设计模型、工艺模型、制造模型、成本模型。作者详细分析了设计模型，利用产品重组技术对企业资源按面向对象的方法进行分类重组，建立了对象分类框架，实现了对象的抽象定义，在此基础上建立了对象的类属模型，利用这些技术实现了企业产品的合理、快速变型设计。6）基于产品动态模型的变型设计 中国矿业大学的赵继云、上海交通大学的钟廷修等提出了基于产品动态模型的变型设计理论，将产品设计分为三个阶段：概念设计阶段、技术设计阶段、施工设计阶段，这三个阶段的产品模型分别对应着概念设计模型、装配设计模型、产品定义模型，具有过程性、动态性和层次性。这三个动态子模型反映了产品设计不同阶段

17、的产品的信息，它们既相互独立，又相互影响。为了全面反映产品设计不同阶段的信息，引入了动态子模型多视图概念，从不同的侧面描述产品，试图利用多视图来表达动态子模型信息。根据对企业资源的利用程度，将变型设计分为初始变型设计和二次变型设计，并将二次变型设计分为概念变型设计、装配变型设计、产品定义变型设计。利用RBR（Rule Based Reasoning）和CBR(Case Based Reasoning)混合推理的方法进行二次变型设计。7）智能变型设计理论 智能化是变型设计的发展方向，目前常用的变型设计方法是基于实例推理技术的变型设计、基于实例和规则混合推理的智能变型设计。基于实例的设计(Case

18、 Based Design，CBD)是人工智能技术CBR在CAD领域内的应用。CBD是组合或修改已存在的设计结果，产生满足新设计要求的过程。CBR技术具有知识表示简单、不需要精确模型、具有自学习能力等优点，是目前一个研究的热点。将CBR技术应用于产品变型设计便是基于实例推理的变型设计，将CBR与RBR机制用于变型设计，发挥各自的优势，称为基于实例和规则的混合推理智能变型设计。二、研究目标、内容及拟解决的关键技术问题1）研究目标基于参数化分析，汲取人工智能的最新研究成果，将本体技术引入变型设计中，添加相应的公差信息，建立磨床变型设计本体，并在此基础上，采用SWRL语言定义机床变型设计过程的约束条

19、件，从而构建磨床变型设计知识库，实现磨床变型设计知识的共享与重用。2）研究内容研究的内容主要有以下几点：1）对模块划分技术、变型设计技术、实例推理技术等相关知识的深入学习。2）通过逆向工程，运用solidworks将机床进行三维实体建模。3）采用语义网络规则语言SWRL定义变型设计的约束知识，构建磨床变型设计知识库，实现了尺寸信息与公差信息的推理。4）设计者自主选择合适的重用产品实例，通过构建的变型修改平台，完成对重用实例的修改。5）构建产品数据库，用本体表示方法表示实例模型，添加索引管理所有产品，有效管理数据库知识。通过检索用户需求及自定义权重，获得与目标相似产品系列实例集。3）技术方案技术

20、路线 1）构建零件的几何模型。根据要求在造型系统中构建磨床零件的几何模型。2）建立机床零件的变型设计本体。分析机床零件的特点，构建变型设计元本体模型，利用protégé工具添加相应的个体，建立变型设计本体。3）构建知识库。在OWL语言描述的结构化知识的基础上，利用SWRL语言描述变型设计的约束化知识，建立变型设计知识库。4）构造实例断言。由几何模型，根据已知条件构建实例断言。5）知识库系统推理。在知识库中，调用JESS推理引擎推导出变型零件的尺寸信息与精度信息，并对结果进行一致性检测。6) 在知识库系统的基础上，开发变型设计原型系统。本研究通过在构建特定知识域的本体模型，建

21、立磨床的知识库，采用基于实例推理方法解决解决新的设计问题，这个过程中包括实例的检索、重用、修改和保存。整个研究是以CBR为基础，结合本体知识的表达方法和变型设计技术。4）实施所需的条件技术条件：1）掌握机械设计、机械制造技术基础和计算机辅助设计等相关知识；2）掌握人工智能方面的本体语义表达，实例表示方法；3）掌握模块划分技术、参数化设计技术等技术；4）掌握三维软件的参数化设计方法和分析软件的分析技术，而且可以熟练使用；实验条件：solidworks软件、VC 6.0.及SQL Sever2000数据库、protégé。5）存在的主要问题和拟解决的技术关键1）多数变型设计技术

22、主要对产品的几何模型尺寸的变型，对公差变型设计的研究较少，而公差是联系产品设计与制造的桥梁，对产品进行公差设计是保证产品质量一项不可缺少的重要技术指标。2）变型设计知识不能共享，无法在异构的cad系统中重用。3）在建立产品模型时，如何有效地表示产品实例模型，才能实现变型的有效性。4）构建变型修改模块时，如何实现建立合适产品的模型构建方法，并能实现局部结构的修改。三、可行性分析（1）基于实例推理的技术的研究比较成熟，可以找到很多关于CBR的资料进行研究、试验及应用。（2）对于参数设计技术的研究也很多，基于这些资料，我们可以结合前人的设计方法，根据实际情况建立合适的参数化模型，实现建模和相应分析。

23、（3）关于基于本体设计技术，国内外的文献比较多，可以参考国外先进的设计技术，与此同时学习国外的研究方法。（4）导师曾承担和完成多项与本课题相关的科研项目，有较强的研究能力和丰富的组织经验，他的指导是完成本项目的必要保证。四、研究的创新点本文深入研究了基于本体采用语义网络规则语言SWRL定义变型设计的约束知识，构建机床变型设计知识库，实现了尺寸信息与公差信息的推理问题。结合具体项目进行系统的开发和实施，主要的创新点如下：将本体的概念引入产品变型设计中，利用 protégé构建产品的本体模型，通过产品及零部件的本体库，使产品及零部件的信息描述更规范详尽。通过用户界面的输入，可以

24、在本体库中动态检索相近的本体库模型，从库中调用产品三维模型的模板或绘图程序，通过程序给参数赋值即可实现产品的变型设计，极大地提高设计效率，减少重复设计，为企业节约了设计成本，缩短了产品的设计周期。五、主要参考文献目录1 邵园园，曾庆良，玄冠涛，王成龙.基于本体的液压支架产品变型设计 M .矿山机械,2011,1,12 谌炎辉，周德俭,等.复杂产品的最小最大划分模块化方法 J . 2012，18(1):10-143 赵应娟.机械产品三维化和模块化设计平台研究 J . 现代商贸工业,2011，2814 寿旺洁.机械产品族规划设计技术研究 J . 中国新技术新产品,2010,1145 马澜,张山.

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