基于UG的減速器KBE系統(tǒng)的研究與設計

劉德仿，陳建軍，陶 杰，江 強

LIU De-fang1,CHEN Jian-jun2,TAO Jie2,JIANG Qiang2

（1. 鹽城工學院 優(yōu)集學院，鹽城 224002；2. 江蘇大學 汽車與交通工程學院，鎮(zhèn)江 212013）

0 引言

減速器是一種原動機與工作機之間獨立的封閉式傳動裝置，用來降低轉速及相應地增大轉矩，是一種應用極為廣泛的重要機械部件。

減速器的結構雖然比較簡單，但其設計計算長期以來按傳統(tǒng)設計方法進行，過程相當繁復。設計者需要通過查閱大量資料文獻，參照同類產品，結合自己的經驗，通過估算、模擬或試驗完成產品的設計[1]。而且目前，用于設計的CAD/CAPP/PDM 軟件系統(tǒng)，都是一些工具型軟件，沒有KBE知識庫，也不可能事先開發(fā)出針對減速器設計的KBE系統(tǒng)[2]。本文基于UG NX二次開發(fā)平臺，根據(jù)減速器的設計流程，在其設計特點的基礎上對減速器KBE系統(tǒng)進行了研究。

1 減速器KBE系統(tǒng)的總體設計

圖1 減速器KBE系統(tǒng)模塊結構

減速器KBE系統(tǒng)是主要以UG軟件的CAD建模及裝配模塊、二次開發(fā)模塊以及減速器實例數(shù)據(jù)庫為基礎，以特征參數(shù)化產品建模技術為核心的集成系統(tǒng)。系統(tǒng)的設計按照模塊化思想進行，不同的功能由不同的模塊來完成，模塊之間相互聯(lián)系，使整個系統(tǒng)結構清晰，功能完善。模塊劃分自上而下，逐級進行，如圖1所示。

1.1 減速器設計知識挖掘

對減速器結構和功能進行分析，在設計前需要獲得：減速器設計范例、國內外標準；減速器的設計流程、設計準則及變型設計要求；減速器結構及結構與參數(shù)變型的類型；減速器各零部件之間的相互關系，包括裝配關系、幾何關系和參數(shù)關系等。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可以整理、歸納、抽象出設計過程所要用到的工程知識，并由此建立知識庫。

1.2 定義工程規(guī)則

利用所挖掘的設計知識來定義減速器設計過程的工程規(guī)則，然后根據(jù)用戶的需要建立由這些工程規(guī)則和設計知識所組成的設計過程導引，從而實現(xiàn)從減速器工程參數(shù)到三維模型幾何參數(shù)的轉化，并驅動相關的設計過程。

1.3 建立系統(tǒng)原型庫

運用系統(tǒng)建模技術，根據(jù)工程知識和工程規(guī)則所確定的幾何參數(shù)，建立蘊含減速器設計知識的原型模型，當用戶修改相應的工程參數(shù)、更新工程知識和調整工程規(guī)則時，系統(tǒng)能激活相應的設計知識，使原型模型自動更新，實現(xiàn)減速器的自動設計。

1.4 軟件開發(fā)

按照軟件工程的要求進行軟件開發(fā)，在采用軟件生命周期方法學的基礎上，結合面向對象的方法和工具進行系統(tǒng)的定義、分析、設計、編碼和調試，每一階段都形成完備的技術文檔，并使用快速原形化方法來確定系統(tǒng)的功能模塊，使系統(tǒng)開發(fā)既有一定的先進性，又較符合實際工程的要求。

1.5 系統(tǒng)流程

系統(tǒng)研究開發(fā)以減速器設計理論、知識工程和數(shù)據(jù)庫技術為基礎，采用結構化分析、設計和面向對象的方法，進行軟件系統(tǒng)的分析設計，以確保系統(tǒng)的開發(fā)質量、可靠性與實用性：

1）在統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫下，利用UG/Open API二次開發(fā)工具與C語言，建立產品選型設計、三維參數(shù)化建模等信息的共享環(huán)境；

2）利用UG開發(fā)環(huán)境實現(xiàn)減速器的三維特征參數(shù)化建模并納入統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫管理，以解決設計過程中的“自動化孤島”問題，實現(xiàn)系統(tǒng)集成，最終形成基于UG的專用減速器自動裝配模塊；

圖2 系統(tǒng)流程圖

3）基于UG裝配建模環(huán)境，結合UG/Open API二次開發(fā)實現(xiàn)了減速器的虛擬裝配。

系統(tǒng)運行流程如圖2所示。

2 減速器KBE系統(tǒng)的關鍵技術

知識工程的關鍵技術包括： 知識獲取、知識表示、知識推理和知識管理[3]。KBE系統(tǒng)具有“自我生成”的知識繁衍機制，允許用戶利用KBE提供的工具添加自己的獨特知識，從而對系統(tǒng)進行擴展。在減速器KBE系統(tǒng)中，知識獲取通過對各部件的設計范例、國內外標準、設計過程中得到的結論知識等來實現(xiàn)。所獲取的知識，納入到統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫管理。

2.1 知識表示

目前在實施KBE的過程中，用得最多的知識表示方法有一階謂詞邏輯表示法、語言網絡、產生式表示法、面向對象、框架知識表示等[3,4]。知識庫是智能KBE系統(tǒng)的核心，是系統(tǒng)智能的源泉，主要由設計規(guī)則庫、產品實例庫和工程數(shù)據(jù)庫等構成[5]。單一的知識表示方法很難滿足表達以上知識的要求，減速器KBE系統(tǒng)針對不同部件的特點、知識側重，將幾種知識表示方法綜合起來應用，采用知識的集成表示法，以達到更加準確合理的處理知識的目的。例如單級減速器KBE系統(tǒng)傳動方案的表示，可利用框架知識表示法來描述：

2.2 知識推理

知識推理可以分為：基于規(guī)則的推理RBR(Rule-Based Reasoning)、基于模型的推理MBR(Model-Based Reasoning)和基于事例的推理CBR(Case-Based Reasoning)，其中RBR是目前應用最廣泛的推理技術[6]?；谝?guī)則的推理按驅動方式可分為正向推理、反向推理、混合推理、雙向推理。正向推理和反向推理都具有其局限性，為充分發(fā)揮兩者的優(yōu)點，在減速器KBE系統(tǒng)采用混合推理技術：設計過程中采用正向推理，校核時采用反向推理。

2.2.1 正向推理

正向推理的過程是：首先由用戶提供與求解問題有關的初始條件及設計任務知識，然后開始正向使用規(guī)則，在知識庫中搜索能夠與其匹配的規(guī)則，該規(guī)則即為可用規(guī)則，按照某種沖突消解策略，得出所使用規(guī)則的結論；通過檢驗推理結果，如果不符合設計要求，則需重新進行新規(guī)則的匹配，如此重復上述過程，直到得出結論或者知識庫中沒有可用的規(guī)則為止，而推出的結論又可以作為中間結果加入到實例數(shù)據(jù)庫中作為下段推理的已知條件。例如減速器輸入軸軸徑的初步設計計算的推理過程，在軸的結構和材料（45#）已經選取的前提下，可以啟用設計規(guī)則（第三強度理論），由此推理出軸徑的計算公式。其推理流程如圖3所示。

圖3 傳動軸設計正向推理過程

2.2.2 反向推理

反向推理是以某個假設的目標作為出發(fā)點的一種推理，首先提出一個假設目標，再從知識庫中尋找支持該假設的證據(jù)（規(guī)則集），如果所需要的規(guī)則（“與”關系中的全部子目標，或者“或”關系中的某一個子目標）能夠通過用戶提供的知識庫找到，則該假設成立，推理成功，并把得到的規(guī)則結論加入到實例數(shù)據(jù)庫中。而如若無法找到支持該假設的規(guī)則，則說明假設不成立，需要另做新的假設而進行再次的反向推理，或者推理失敗，結束推理。在減速器輸入軸的彎曲剛度校核時，假設軸的彎曲剛度滿足要求，再通過在數(shù)據(jù)庫中尋找能滿足該目標的規(guī)則集，以此反向推理，進而可以驗證所選取的軸徑。

3 實例

本文以單級斜齒輪減速器設計為例，實現(xiàn)減速器KBE系統(tǒng)。在建立系統(tǒng)模型前先對減速器做詳細的參數(shù)化模型設計，對斜齒輪減速器進行特征分解后，通過兩條技術路線實現(xiàn)產品建模：一方面利用UG的復合建模技術實現(xiàn)各零部件的建模；另一方面利用UG二次開發(fā)模塊實現(xiàn)具有參數(shù)化特征的齒輪傳動部件的產品建模。主要零件參數(shù)化模型如圖4、圖5所示。

圖4 輸入軸

圖5 斜齒輪

完成減速器三維建模后，利用UG NX4的UG/OPEN MenuScript編輯以.men為擴展名的菜單腳本文件，在UG NX4中加入專用菜單的方式來實現(xiàn)菜單用戶化。采用UG/Open API、UG/ Open UIStyler和UG/Open GRIP并結合VC++ 6.0進行開發(fā)：UG/Open UIStyler用于生成可視化的交互對話框，UG/Open GRIP用于編寫讀寫參數(shù)文件的*.grx文件，而UG/Open API與VC++ 6.0則用于編寫完成對話框相應功能的*.dll文件。

然后，配置環(huán)境變量進入UG軟件，點擊菜單欄上“圓柱斜齒輪減速器快速成型系統(tǒng)”進入系統(tǒng)。根據(jù)用戶要求，逐步添加減速器零件，系統(tǒng)自動計算完成減速器的裝配與設計。減速器KBE系統(tǒng)中輸入軸部件和齒輪部件的實現(xiàn)，如圖6、圖7 所示。所有零件裝配完成后，可以得到單級斜齒輪減速器的模型，如圖8所示。

圖6 輸入軸部件

圖7 齒輪部件

圖8 單級斜齒輪減速器

4 結論

本文以知識性和參數(shù)化的核心技術為基礎開發(fā)出基于UG平臺的減速器KBE智能系統(tǒng)，能激活相應的設計知識，使原型模型自動更新，實現(xiàn)減速器的自動設計。系統(tǒng)具有如下優(yōu)點：1）從減速器設計的全局來考慮問題，而不是僅僅提供某一傳動副的計算；2）自動化程度高，用戶只需輸入減速比、輸入功率和轉速，即可得到全部的幾何參數(shù)、精度值、應力校核結果、部件模型和裝配模型；3）具有高度的柔性，在自動計算的過程中，用戶可以隨時干預設計進程，更改設計選項和參數(shù)，從而使用戶的意圖體現(xiàn)在設計結果中；4）在了解工程師的設計思維和設計習慣的基礎上，將專家多年的減速器設計經驗體現(xiàn)在程序的設計中。

[1] 江征風,劉麗華,丁毓峰.基于UG/KF技術的減速器設計知識重用系統(tǒng)[J].機械制造,2008,46(530)：19-22.

[2] 郭衛(wèi)光,郭鋼,等.汽車轉向器KBE系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J].機械研究與應用,2008,21(1)：111-113.

[3] 陳軍,石曉祥,趙震,等.KBE關鍵技術及其在現(xiàn)代模具智能設計中的應用[J].鍛壓技術,2003(4)：47-49.

[4] 趙波.基于KBE的機械產品設計[J].機械設計,2004,21(7)：7-8,54.

[5] 李儉波,方宗德,等.基于UG平臺的車門設計KBE系統(tǒng)關鍵技術研究[J].機械設計與制造,2007(10)：73-75.

[6] 彭穎紅,胡浩.KBE技術及其在產品設計中的應用[M].上海：上海交通大學出版社,2007：202.