丁昌文1，惠為東2，李春燕3
(1.馬恒達(dá)悅達(dá)(鹽城)拖拉機(jī)有限公司，江蘇 鹽城 224007)(2.鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224005)(3.鹽城工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051)
摘要：為實(shí)現(xiàn)對設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)類知識(shí)的繼承、重用、繁衍、豐富，縮短制動(dòng)器產(chǎn)品研發(fā)周期和提高其設(shè)計(jì)質(zhì)量，將NX二次開發(fā)技術(shù)和參數(shù)化建模技術(shù)應(yīng)用到制動(dòng)器智能化設(shè)計(jì)中。根據(jù)開發(fā)步驟完成了原型系統(tǒng)的功能界面設(shè)計(jì)，并以具體案例說明了智能設(shè)計(jì)原型系統(tǒng)的運(yùn)行效果。利用該系統(tǒng)可降低工程師的重復(fù)勞動(dòng)率，幫助企業(yè)節(jié)約產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)的成本。
關(guān)鍵詞：知識(shí)；制動(dòng)器；智能化設(shè)計(jì)；系統(tǒng)
拖拉機(jī)是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化的重要?jiǎng)恿C(jī)械。它配合農(nóng)機(jī)既可以廣泛用于耕地、耙地和收割作業(yè)，也可以用于挖坑、推土和運(yùn)輸作業(yè)，還可以用于抽水、脫粒等固定作業(yè)[1]。制動(dòng)器是拖拉機(jī)的核心安全部件，其產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形狀及尺寸存在一定的模糊性，且制動(dòng)器新型產(chǎn)品開發(fā)存在設(shè)計(jì)成本高、設(shè)計(jì)知識(shí)的重用率低、對設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)知識(shí)以及成熟的設(shè)計(jì)案例的依賴性強(qiáng)等缺點(diǎn)。
對于制動(dòng)器的設(shè)計(jì)來說，需要建立在機(jī)車的整車性能參數(shù)的基礎(chǔ)上，確定下具體制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)型式，同時(shí)考慮前后輪制動(dòng)器力矩的分配，這個(gè)過程中會(huì)出現(xiàn)相當(dāng)繁多的參數(shù)，因此新制動(dòng)器的設(shè)計(jì)計(jì)算過程是相對復(fù)雜的，以往簡單的專家系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足市場的要求。同時(shí)，設(shè)計(jì)方法智能化已經(jīng)逐漸成為CAD軟件的重要發(fā)展方向，它也是基于CAX的快速智能化設(shè)計(jì)系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)新趨勢，其應(yīng)用可以把產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中總結(jié)出來的復(fù)雜流程和CAD系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合起來，開發(fā)出面向行業(yè)與設(shè)計(jì)流程的基于知識(shí)的智能CAD系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)智能化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[2]。
1.1 系統(tǒng)總體功能定義
本文采用基于知識(shí)工程(KBE)的設(shè)計(jì)理念和思想，結(jié)合人工智能理論方法、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、模塊化思想，設(shè)計(jì)出一種集成的設(shè)計(jì)系統(tǒng)。其總體功能目標(biāo)定義如下：
1)該系統(tǒng)可以為制動(dòng)器的設(shè)計(jì)人員提供較為系統(tǒng)并且完善的原始設(shè)計(jì)資料和數(shù)據(jù)，有效地引導(dǎo)設(shè)計(jì)工作的執(zhí)行人員逐步進(jìn)行設(shè)計(jì)，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，即使是缺乏經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員也能設(shè)計(jì)出具有專家水平的產(chǎn)品。
2)在新車型需求的前提下，滿足輪式拖拉機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)和使用要求，能夠根據(jù)整車設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)，引導(dǎo)設(shè)計(jì)者確定制動(dòng)器主要零部件的設(shè)計(jì)參數(shù)，系統(tǒng)中需要包括集合方案設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)選型、材料選擇等數(shù)據(jù)庫，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用基于知識(shí)工程的推理技術(shù)，完成制動(dòng)器的參數(shù)化設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)以及部分零部件的自頂向下參數(shù)化關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)。
3)在具體詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，系統(tǒng)應(yīng)具備基本的部件參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算以及主要零部件的強(qiáng)度、剛度、使用壽命和結(jié)構(gòu)尺寸的計(jì)算。如：制動(dòng)器制動(dòng)力矩的確定與校核、制動(dòng)蹄上單位壓力的計(jì)算、凸輪扭矩和彎曲應(yīng)力的驗(yàn)算、制動(dòng)器踏板上力的確定、自剎約束條件的確定等。
4)在上述基礎(chǔ)上，系統(tǒng)應(yīng)能夠生成與三維數(shù)字化模型對應(yīng)的二維工程圖、物料清單(BOM)等，設(shè)計(jì)者能夠隨時(shí)有效地對形成的三維模型庫中零件進(jìn)行修改和重用，在新類型零件需要添加時(shí)，系統(tǒng)支持必要的擴(kuò)展功能以及后續(xù)的維護(hù)管理。
除此之外，系統(tǒng)還要對所生成的試驗(yàn)性方案進(jìn)行分析、評價(jià)、篩選，最終確定出最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。
1.2 設(shè)計(jì)系統(tǒng)模塊劃分
本文的設(shè)計(jì)對象為拖拉機(jī)制動(dòng)器，根據(jù)系統(tǒng)總體功能定義和整個(gè)設(shè)計(jì)過程的需求分析，結(jié)合模塊化和層次化的設(shè)計(jì)理念，將整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)劃分為方案設(shè)計(jì)、主要參數(shù)設(shè)計(jì)、知識(shí)庫、分析評價(jià)以及詳細(xì)設(shè)計(jì)等模塊。圖1所示為制動(dòng)器設(shè)計(jì)系統(tǒng)的整個(gè)框架圖，其中最主要的是方案設(shè)計(jì)模塊、知識(shí)庫模塊、詳細(xì)設(shè)計(jì)模塊。
圖1 制動(dòng)器智能化設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)中的人機(jī)交互界面作為橋梁，連接設(shè)計(jì)人員和領(lǐng)域知識(shí)專家，設(shè)計(jì)者只需根據(jù)自身的設(shè)計(jì)要求，按照系統(tǒng)提供的友好界面提示，輸入初始條件和設(shè)計(jì)參數(shù)，在此過程中，用戶也可以隨時(shí)瀏覽和查詢設(shè)計(jì)步驟，對于不足的部分進(jìn)行完善和補(bǔ)充。
1)方案設(shè)計(jì)模塊：根據(jù)匹配的整機(jī)參數(shù)，制動(dòng)器在車身的配置定位、各類制動(dòng)器的制動(dòng)效能的不同、性能穩(wěn)定性、耐磨損性能、生產(chǎn)制造的成本等采用不同的設(shè)計(jì)方案。
2)主要參數(shù)設(shè)計(jì)模塊：如選擇了鼓式制動(dòng)器，就需要具體確定制動(dòng)鼓制動(dòng)半徑R、制動(dòng)蹄摩擦片寬度b和包角β、制動(dòng)凸輪中心至制動(dòng)鼓中心的距離e、制動(dòng)蹄回轉(zhuǎn)中心至制動(dòng)鼓中心的距離a等參數(shù)，其參數(shù)化表達(dá)式編輯對話框如圖2所示。
圖2 參數(shù)化表達(dá)式編輯對話框
3)詳細(xì)設(shè)計(jì)模塊：需要考慮制動(dòng)器制動(dòng)力矩的確定并校核、制動(dòng)蹄上單位壓力的計(jì)算、凸輪扭矩和彎曲應(yīng)力的驗(yàn)算、制動(dòng)器踏板上力的大小，最終生成零部件的三維模型、二維工程圖、BOM表，用于實(shí)際的生產(chǎn)制造。
4)分析評價(jià)模塊：對比系統(tǒng)生成的多種設(shè)計(jì)方案，推理最優(yōu)結(jié)果。
5)知識(shí)庫模塊：存儲(chǔ)設(shè)計(jì)所需的實(shí)例、模型以及推理所需的規(guī)則、評價(jià)知識(shí)等。
1.3 系統(tǒng)知識(shí)庫管理與維護(hù)
由于制動(dòng)器本身技術(shù)含量的不斷進(jìn)步與發(fā)展，制動(dòng)器的設(shè)計(jì)過程需要不斷隨之做出調(diào)整，那么知識(shí)庫中已有的設(shè)計(jì)知識(shí)不能繼續(xù)應(yīng)用到現(xiàn)有的設(shè)計(jì)需求上，這樣的知識(shí)就會(huì)轉(zhuǎn)化為冗余的知識(shí)。故需要對知識(shí)庫中的知識(shí)進(jìn)行不斷的更新，以保持知識(shí)庫系統(tǒng)的時(shí)效性和實(shí)用性，如果不做任何的管理和維護(hù)，將嚴(yán)重影響知識(shí)重用的有效性，導(dǎo)致設(shè)計(jì)者無法有效地獲取到設(shè)計(jì)所需的知識(shí)。
一般來說，知識(shí)庫的管理和維護(hù)包括對知識(shí)的分類、組織、存儲(chǔ)、增加、刪除等操作，本文所涉及到的知識(shí)庫管理系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)如圖3所示，設(shè)計(jì)人員通過設(shè)計(jì)界面實(shí)現(xiàn)對知識(shí)庫的管理操作。
圖3 制動(dòng)器設(shè)計(jì)知識(shí)庫管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
2.1 設(shè)計(jì)實(shí)例檢索流程
實(shí)例檢索是CBR(基于案例推理)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，也是其實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)智能化的核心[3]。實(shí)例檢索的過程就是設(shè)計(jì)人員輸入設(shè)計(jì)參數(shù)后，系統(tǒng)在實(shí)例庫中找到與目標(biāo)相同或相似的一個(gè)實(shí)例匹配過程，其中實(shí)例之間的相似度是衡量所檢索到實(shí)例準(zhǔn)確性的重要評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。
實(shí)例的檢索主要步驟有以下3步：特征識(shí)別→實(shí)例匹配→最優(yōu)目標(biāo)，其具體過程如圖4所示。
圖4 制動(dòng)器設(shè)計(jì)實(shí)例檢索一般流程
2.2 基于NX的二次開發(fā)設(shè)計(jì)流程
基于NX自帶的一系列二次開發(fā)工具以及特征擴(kuò)展功能，用戶借助API接口對NX進(jìn)行個(gè)性化需求的自定義開發(fā)，以滿足用戶對例如拖拉機(jī)制動(dòng)器這樣的系列化產(chǎn)品的多樣化變形設(shè)計(jì)需求。一個(gè)完整的基于NX的二次開發(fā)包含流程如圖5所示。
圖5 NX二次開發(fā)流程
2.3 混合推理總體流程
知識(shí)推理是指根據(jù)一定的策略從已知的事實(shí)和知識(shí)中推出結(jié)論的過程，而推理技術(shù)重點(diǎn)研究的是知識(shí)推理過程前提和結(jié)論之間存在的邏輯關(guān)系。產(chǎn)品的智能化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的基礎(chǔ)是知識(shí)的重用，而知識(shí)推理是其中最重要的部分之一，在一定程度上能夠?qū)崿F(xiàn)知識(shí)庫的維護(hù)和擴(kuò)充。CBR和RBR(基于規(guī)則推理)混合推理的方法有利于發(fā)揮二者各自的優(yōu)點(diǎn)并彌補(bǔ)各自的不足，已被應(yīng)用于疾病診斷[4]和故障診斷[5]等領(lǐng)域。
對于基于知識(shí)的拖拉機(jī)制動(dòng)器智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)來說，需要能有效地在龐大的設(shè)計(jì)知識(shí)源中獲取設(shè)計(jì)所需的各類知識(shí)，因此將知識(shí)推理技術(shù)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法結(jié)合起來，可以做到專家知識(shí)的有效利用、傳承、創(chuàng)新。結(jié)合制動(dòng)器自身設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，本文采用的是CBR-RBR混合知識(shí)推理方法，結(jié)合產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段式分層結(jié)構(gòu)，將在制動(dòng)器的方案設(shè)計(jì)和具體參數(shù)化設(shè)計(jì)階段采用不同的推理機(jī)制。
圖6 制動(dòng)器系統(tǒng)混合推理總體流程
3.1 基于NX二次開發(fā)技術(shù)
開放性和自動(dòng)化是NX二次開發(fā)技術(shù)的核心內(nèi)容，NX軟件系統(tǒng)為用戶提供了一套完整的二次開發(fā)工具集，方便用戶捕捉和重用設(shè)計(jì)過程中的知識(shí)，開發(fā)面向行業(yè)和設(shè)計(jì)需求的CAD系統(tǒng)。
3.2 基于NX參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)
對于系列化零部件，設(shè)計(jì)人員大都是在原有模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行變形設(shè)計(jì)，當(dāng)中包含大量的重復(fù)性設(shè)計(jì)工作。本系統(tǒng)運(yùn)用NX中自帶的部件族(part families)功能，只需建立某一個(gè)零件便可在此基礎(chǔ)上變形出該系列的所有規(guī)格的零件，根據(jù)要求在已經(jīng)建立好的零件族表格中，選中每行參數(shù)，利用excel和NX之間的接口模塊自動(dòng)創(chuàng)建生成零件的三維模型。
3.3 基于NX的模型庫的創(chuàng)建技術(shù)
基于知識(shí)的實(shí)例庫中機(jī)械產(chǎn)品的三維數(shù)字化模型的數(shù)量以及整個(gè)模型庫的完善程度是利用CBR技術(shù)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)的基石[6]。
本文在NX軟件的三維環(huán)境下建立拖拉機(jī)制動(dòng)器的三維數(shù)字化模型，采用相互間的關(guān)聯(lián)方式，將產(chǎn)品的主要驅(qū)動(dòng)參數(shù)與模型的尺寸參數(shù)關(guān)聯(lián)起來，從而實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的參數(shù)化，用戶根據(jù)設(shè)計(jì)的需求，手動(dòng)輸入產(chǎn)品的初始參數(shù)和設(shè)計(jì)規(guī)則，基于知識(shí)的智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)根據(jù)前者的命令由推理機(jī)推理出模型的驅(qū)動(dòng)主參數(shù)，利用參數(shù)化設(shè)計(jì)工具選擇主參數(shù)并建立起驅(qū)動(dòng)參數(shù)的表達(dá)式，在NX中自動(dòng)生成符合設(shè)計(jì)要求的三維模型。
本文以領(lǐng)從蹄式鼓式制動(dòng)器為例，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)器快速設(shè)計(jì)原型系統(tǒng)，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下。
步驟1：建立系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境目錄。
基于NX的智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開發(fā)需要開發(fā)人員在規(guī)定的路徑下建立NX的工程目錄結(jié)構(gòu)，這里需要注意的是NX系列軟件不支持以中文命名的目錄。目的是在NX啟動(dòng)時(shí)，對應(yīng)制定的目錄讀取并加載相應(yīng)的應(yīng)用程序或者數(shù)據(jù)文件。
步驟2：系統(tǒng)環(huán)境變量設(shè)置。
所謂系統(tǒng)環(huán)境變量就是指NX系統(tǒng)在啟動(dòng)過程中所要加載文件的所屬文件夾路徑名稱，這些路徑的存在保證了系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)能準(zhǔn)確找到加載項(xiàng)文件，從而順利完成初始化。本系統(tǒng)環(huán)境變量設(shè)置如圖7所示。
圖7 系統(tǒng)環(huán)境變量設(shè)置
步驟3：定制用戶菜單。
用戶可以根據(jù)自己的要求自定義具有特征化的NX菜單工具條，只需在startup工程路徑下建立文本文件，根據(jù)語法規(guī)則編寫菜單文件代碼，最后以.men為擴(kuò)展名保存即可。代碼如下：
LABEL 拖拉機(jī)制動(dòng)器快速設(shè)計(jì)原型系統(tǒng)
END_OF_BEFORE
MENU INTELLIGENT
CASCADE_BUTTONBRAKE PROGRAM_DESIGN
LABEL 制動(dòng)器方案設(shè)計(jì)
CASCADE_BUTTON BRAKE DETAILED_DESIGN
LABEL 制動(dòng)器詳細(xì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)
CASCADE_BUTTON KNOWLEDGE_BASE
LABEL 設(shè)計(jì)知識(shí)庫管理系統(tǒng)
END_OF_MENU
重啟NX8.5，系統(tǒng)初始界面如圖8所示。
圖8 系統(tǒng)初始界面
步驟4：制動(dòng)器智能化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。
點(diǎn)擊系統(tǒng)菜單欄“拖拉機(jī)制動(dòng)器快速設(shè)計(jì)原型系統(tǒng)”在下拉菜單中選擇“制動(dòng)器方案設(shè)計(jì)”，系統(tǒng)將彈出圖9所示的制動(dòng)器設(shè)計(jì)向?qū)Ы缑妗｜c(diǎn)擊“項(xiàng)目初始化”選項(xiàng)，按照提示勾選項(xiàng)目創(chuàng)建方式，在空白處輸入制動(dòng)器的名稱，最后建立新項(xiàng)目文件的保存路徑，點(diǎn)擊“完成”進(jìn)入制動(dòng)器的初始設(shè)計(jì)階段。
圖9 制動(dòng)器設(shè)計(jì)向?qū)Ы缑?/p>
在對各個(gè)子詳細(xì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)完成設(shè)計(jì)后，通過各主參數(shù)設(shè)計(jì)模塊得到某型號(hào)制動(dòng)器子部件三維數(shù)字化模型，再進(jìn)行裝配設(shè)計(jì)，最終可以得到整個(gè)制動(dòng)器分總成的三維參數(shù)化模型，如圖10所示。
圖10 領(lǐng)從蹄式制動(dòng)器分總成三維參數(shù)化模型
本文設(shè)計(jì)開發(fā)的基于知識(shí)的拖拉機(jī)制動(dòng)器智能化設(shè)計(jì)系統(tǒng)是建立在人機(jī)交互式的基礎(chǔ)上，主要依靠系統(tǒng)框架搭建起來的。該系統(tǒng)在Windows系統(tǒng)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)運(yùn)行，以VC++為開發(fā)語言，結(jié)合Visual Studio 2010、SQL Server 2008以及NX自身具備的多樣化的二次開發(fā)工具對NX8.5進(jìn)行二次開發(fā)。該制動(dòng)器智能化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，改善了設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)方法，提高了制動(dòng)器系列化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，最終實(shí)現(xiàn)了該類產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識(shí)的融合、繁衍、繼承與重用。
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DING Changwen1,HUI Weidong2,LI Chunyan3
(1.Mahindra Yueda(Yancheng) Tractor Co., Ltd., Jiangsu Yancheng, 224007, China) (2.Mechanical and Electrical Engineering College, Yancheng Industrial Vocational and Technical College, Jiangsu Yancheng, 224005, China) (3.School of Mechanical Engineering, Yancheng Institute of Technology, Jiangsu Yancheng, 224051, China)
Abstract：In order to realize inheritance, reuse, reproduction and enrichment of design knowledge, and shorten the brake product development cycle, improve the design quality of brake products, it introduces the second development technology to the brake intelligent design based on NX and parameterized modeling technology. According to the development of steps to complete the function of the prototype system interface design, it illustrates the running effect of the intelligent design prototype system of brake with specific case. This method reduces rework rate for engineers and saves the cost of product design and development.
Key words：knowledge; brake; intelligent design; system
DOI：10.3969/j.issn.2095-509X.2017.02.020
收稿日期：2016-05-26
基金項(xiàng)目：江蘇省產(chǎn)學(xué)研前瞻性聯(lián)合研究項(xiàng)目( BY2016065-57)
作者簡介：丁昌文(1976—)，男，江蘇鹽城人，馬恒達(dá)悅達(dá)(鹽城)拖拉機(jī)有限公司工程師，主要從事拖拉機(jī)產(chǎn)品智能化設(shè)計(jì)應(yīng)用研究。
中圖分類號(hào)：TP391
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
文章編號(hào)：2095-509X(2017)02-0091-05
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