基于知识工程的折弯机快速设计系统研究

刘士标，赵高晖，仲梁维

(上海理工大学 机械工程学院，上海　200093)



基于知识工程的折弯机快速设计系统研究

刘士标，赵高晖，仲梁维

(上海理工大学 机械工程学院，上海200093)

摘要：为了缩短产品的开发周期，响应市场个性化的需求，提高产品质量，将知识工程应用到折弯机的设计流程中。构建基于知识工程的折弯机总体设计的结构框架, 运用模块化和参数化等产品设计开发技术，结合折弯机传统设计流程和方法，开发出了基于知识工程的折弯机快速设计系统。该快速设计系统以pro/E三维设计软件为应用平台，利用SQL Server数据库来管理产品的零部件信息，利用VB.NET对pro/E进行二次开发。

关键词：折弯机；知识工程；快速设计；参数化

0引言

折弯机(bending machine)作为目前加工弯曲件的主要设备，社会的汽车、船舶、家具等行业高速发展，市场对折弯机的需求量不断增大以及产品的多样性也不断增多。将大批量定制生产模式应用到现代折弯机的生产制造中，将对折弯机、剪板机等企业的发展起着至关重要的作用。传统的折弯机生产方式往往存在着很多弊端，使产品的设计周期大大延长；设计知识也未得到系统的总结，造成知识的流失；产品的数据管理不完善。

因此，为了适应大批量定制生产模式，将知识工程、快速设计技术运用到折弯机产品设计中，最大程度地缩短产品的设计周期，提升企业的生产力和市场的竞争力。为企业的高速高效的生产提供技术支持，符合现代制造业的生产规范，实现企业折弯机产品的生产规模和生产的高速发展。

1基于知识工程的折弯机快速设计系统

1.1折弯机快速设计系统体系结构

基于知识工程的折弯机快速设计系统通过Visual Basic.NET技术和ADO(Active Data Object，即ActiveX数据对象)、OLE-DB(Object Linking and Embedding-Database，即对象连接与嵌入)技术相结合，与此同时，研究pro/E VBApI函数，将其作为二次开发接口工具，开发了基于pro/E软件平台的折弯机快速设计系统[1]。系统通过pro/E 自带的VBApI工具集成了pro/E软件，主要具有三个基本的服务：一是连接数据库，操作数据库数据，将数据读取到pro/E软件中，实现模型的重生；二是操作并连接用户开发的新的功能；三是实现开发的功能与pro/E软件平台之间的功能联系。该系统把pro/E软件的三维零部件设计、产品装配、工程图生成等功能，与自行开发的参数化设计模块、设计校验、工程图模板和设计信息管理等模块功能相互集成，在零部件实体模板、零部件工程图模板的基础上实现折弯机产品的参数化快速设计，系统的体系结构如图1所示。

图1　系统的体系结构

1.2系统知识库建立

知识库是用来存储知识的实体，是实现知识组织和存储的场所。折弯机设计过程中会用到各种各样的相关设计知识和设计经验，如何将它们合理有效地存储起来更好地为设计系统服务，就涉及到知识库的内容[2-4]。折弯机快速设计系统的知识库主要通过两种不同的方式共同实现，分别为基于实例的推理和基于规则的推理。参照结构要求构建满足要求的实例库来实现基于实例的推理，基于总结的设计规则建立充实的规则库来实现基于规则的推理。知识库结构如图2所示。

图2　折弯机知识库结构

1.3系统开发关键技术

1.3.1基于实例的推理技术(CBR)

基于实例推理是人工智能领域的一个重要学科，通过利用历史问题的解决经验和特定知识来直接解决类似新问题，受到广大专家和学者的关注。同时，CBR是一种具有自适应学习能力的重要方法，每次新问题被解决之后，新的经验知识将作为一个新的实例被保存到综合数据库中，并被应用于解决以后的新问题。整个实例推理主要包括四个过程：检索、复用、修正、存储，首先系统会根据用户对问题的描述，从实例库中自动检索出一个相似度最高的实例，并根据新问题的要求对实例进行修改[5-7]。其次，将新设计的实例作为新的知识实例，保存到实例库中,实例推理的流程图如图3所示。

折弯机知识推理的原则是从部分到整体，然后在整体到部分进行的。首先，由折弯机主要特征数据检索到整体实例，再由整体到部分传递新的设计参数，按照原来的约束关系进行设计重组，从而得到折弯机的虚拟样机、工程图等设计结果，设计完成后，若满足存储需要，作为实例存储到实例库中。

图3　CBR系统的工作流程

1.3.2模块化设计技术

产品模块化是根据对产品的子功能或功能元的划分将产品划分成一些相对独立的通用单元，即产品的功能模块。这些功能模块有特定的功能接口可以与其他模块关联以实现产品整体的功能。

模块是进行产品初期设计、生产和管理的最小单元。模块化产品设计的关键是模块的划分，模块的划分是以尽量少的模块组合完成所有产品的设计为目标，为了科学的进行模块的划分，首先在产品设计公理的基础上对基型产品功能进行分解，通过功能和结构的映射关系实现基型产品模块的划分。

1.3.3基于知识的参数化设计

参数化设计(parametric Design)，也称为尺寸驱动(Dimension-Driven)，源于CAD技术根据实际应用所提出来的课题。所谓参数化设计就是在产品设计时，通过一些具体的约束关系和参数条件来确定产品的结构形状及拓扑关系，从而设计出各种规格的产品。参数化设计一般的实现方法，是在原有设计的基础上，通过定义选择的定形、定位尺寸关系使其作为变量，并将这些变量和其他相关尺寸点建立函数关系，实现修改这些变量即可得到所需要的设计产品[8-9]。参数化设计的核心是将模型约束，特征是实现尺寸驱动。参数化设计的本质是修改结构形状一致产品所设置的参数尺寸值来再生出新产品，通过参数化设计，只需输入机械零部件的部分重要参数，就能自动、快捷、准确地生成工程图。

2基于知识工程的折弯机工作流程

通过已建立的折弯机的规则知识库、参数规则库，基于知识推理的检索机制，参照实例库进行模型匹配和检索。如果能够检索到相应的折弯机产品模型，系统会重用设计数据，免去设计人员重新设定参数的环节，直接调用以往设计数据，并将设计结果直接输出；否则，就要基于实例在原来相似的实例基础上进行变型设计或者直接进行新的设计。在实例库中没有相似实例的情况下，系统将给出设计模块，供用户设定新产品所需参数，进行设计的折弯机产品设计。最后，系统将设计获得的新的折弯机产品以数据和实例的形式保存到库中以便实例的积累，并丰富折弯机设计库，为日后设计提供实例参考，系统的工作流程如图4所示。

图4　系统的工作流程

3应用实例

折弯机快速设计系统中的界面主要包括系统登录界面和详细参数设计界面等。登陆界面由用户名、密码和用户类型三者验证用户是否能够正确登录折弯机设计系统。用户类型包括项目主管和项目成员两种用户类型，项目主管登录系统后有权限增加项目成员和删除项目成员，项目成员有权限对自己的密码进行更改。

参数设计界面的参数内容是根据折弯机的系列和规格变化时，折弯机各个模块结构参数变化情况确定的，同时也包括企业要求提供修改功能的特殊参数如图5所示。由于折弯机结构参数有很多，参数设计界面仅显示折弯机重要的关键参数，其他的折弯机结构参数通过一定的关系与关键参数相关联，修改关键参数后，这些参数按照设定的关系变化，对各个模块进行结构参数化驱动，各模块设计完成后，系统对各模块进行自动装配成整机[10]。最后将设计的新实例存入实例库，以便下次使用。如图6所示。

图5　折弯机参数设计界面

图6　系统生成的折弯机三维模型

4结束语

本文将知识工程技术应用到折弯机的设计中，通过对实例推理、模块化和参数化设计等关键技术的研究，开发出了基于知识工程的折弯机快速设计系统。利用该系统有利于产品设计知识的积累和充分利用，减少设计错误，缩短了产品的设计周期。最后通过折弯机设计实例的实现验证了系统的有效性和可靠性。

[参考文献]

[1] 张继春. pro/ENGINEER 二次开发教程(1)[J]. CAD/CAM 与制造业信息化, 2002(11):100-104.

[2] 赵震，彭颖红．基于KBE的工程设计理论、方法与实践[J] .机械科学与技术，2009，22(1):151-153．

[3] 王驰，郭钢，童福安，等．基于知识的转向器参数化设计系统知识库的构建[J]．机械工程与自动化，2008，148(3) ：1-4．

[4] 陈明，胡世德.基于知识的桥梁参数化建模[J]．工程图学学报，2011，32(5):1-9．

[5] 庞龙亮, 王宗彦, 吴淑芳，等. 基于实例推理的机械产品快速设计平台[J]. 制造业自动化, 2009, 31(10):134-138.

[6] 杨宇，李成华，张国梁．基于实例推理的铲式玉米精密播种机设计[J]．农业机械学报，2009, 40(12) :51-55．

[7] 胡中豫，申涛，李高峰，等． 基于案例与规则推理的干扰查找专家系统[J]．计算机工程，2009, 35(18) :185-190．

[8] 钟崴，童水光．锅炉智能CAD的技术和方法研究[J]．浙江大学学报：工学版，2006，40(4)：572-576．

[9] 辛宏彬,李亚伟,王兴昌，等. 桥式起重机箱形桥架参数化智能设计[J]. 起重运输机械,2013(1):98-100.

[10] 陈 绩. 33WE67K系列折弯机的有限元分析及参数化设计[D].湖北：华中科技大学,2009.

(编辑李秀敏)本刊欢迎订阅!

欢迎在线投稿!

欢迎刊登广告!

http:∥www.zhjcz.com.cn

Research on Rapid Design System of Bending Machine Based on Knowledge Engineering

LIU Shi-biao, ZHAO Gao-hui, ZHONG Liang-wei

(College of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093, China)

Abstract：In order to Shorten the product develop cycle time，response to market personalized demands and improve product quality, the knowledge engineering technology is applied in the design process of bending machine. The framework of bending machine overall design is constructed base on knowledge-based engineering technique, product design and development techniques are used, such as modularization and parameterization, and combined with bending machine traditional design processes and methods. The system used pro/E design software as application platform, combined with SQL Server database to manage product parts information and applied VB.NET programming language for secondary development of pro/E software.

Key words：bending machine；knowledge-based engineering；rapid design；parameterization

中图分类号：TH166;TG65

文献标识码：A

作者简介：刘士标(1990—)，男，江苏扬州人，上海理工大学硕士研究生，研究方向为CAD/CAE/CAM，(E-mail)lshibiao_2015@163.com。

收稿日期：2015-03-24

文章编号：1001-2265(2016)01-0131-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.01.036