基于實例推理的磁材壓機模塊化設計研究

王海軍，殷國富，唐明星

WANG Hai-jun1,YIN Guo-fu1,TANG Ming-xing2

（1.四川大學 制造科學與工程學院，成都 610065：2.成都四星液壓制造有限公司，成都 610052）

0 引言

隨著全球經(jīng)濟的迅速發(fā)展，市場競爭日益激烈，傳統(tǒng)的制造觀念及設計方法已經(jīng)無法滿足客戶不斷變化的個性化需求，企業(yè)為提高自身的競爭力，除了必須增強產(chǎn)品創(chuàng)新功能、降低生產(chǎn)成本、保證產(chǎn)品質(zhì)量之外，還須縮短產(chǎn)品設計周期，以快速設計并生產(chǎn)出滿足用戶需求的多品種、小批量定制化產(chǎn)品。

模塊化設計作為快速設計與可適應設計的重要設計方法和核心技術，通過功能模塊的不同組合實現(xiàn)產(chǎn)品的用戶化和定制化設計，被視為實現(xiàn)產(chǎn)品多樣化的主要途徑及大規(guī)模定制化的基本方法[1,2]。

模塊化設計始于20世紀初，歐洲一些國家將其用于家具行業(yè)，直到20世紀50年代，歐美一些國家正式提出了模塊化設計的概念，隨后模塊化設計便受到了越來越廣泛的關注和研究。國外學者[3～5]在模塊化設計的概念定義、模塊的劃分技術以及模塊的組合技術上都做了諸多研究；國內(nèi)學者[1,2,6]針對傳統(tǒng)模塊化設計的不足與局限性，將參數(shù)化設計與變量化分析技術引入模塊化設計，提出了廣義模塊化設計的概念與設計方法，對其基本原理、廣義模塊劃分、模塊組合進行了系統(tǒng)論述，并將其應用到大型液壓機等產(chǎn)品的設計開發(fā)中，拓展了模塊化設計的應用領域。

基于實例推理(Case-Based Reasoning,CBR)是一種通過重用或修改以往解決相似問題的方案來解決現(xiàn)有問題的推理模式，已被廣泛應用于多個領域，如智能診斷、圖像識別，尤其是產(chǎn)品的設計與開發(fā)領域。在所有的產(chǎn)品設計活動中，約有75%的產(chǎn)品設計都是基于實例推理的設計[7]。

壓機作為制造業(yè)重要的基礎設備之一，其廣泛應用于國民生產(chǎn)的各個領域。由于用途的不同，壓機的主機結構形式多樣，差異很大，其生產(chǎn)多以小批量、定制化為主，工況較復雜，載荷大，結構需要滿足一定的強度與剛度要求。本文以某企業(yè)自主設計的300T磁材壓機為研究對象，以模塊化設計方法為基礎，結合基于實例推理的產(chǎn)品設計技術，詳細介紹基于實例推理的磁材壓機模塊化設計流程及其關鍵技術。

1 基于實例推理的模塊化設計

1.1 模塊化設計

模塊化設計是現(xiàn)代產(chǎn)品設計的一種重要方法，通過對一定范圍內(nèi)的不同功能或相同功能不同性能、不同規(guī)格的產(chǎn)品進行功能分析，劃分并設計出一系列的功能模塊，再由不同模塊的選擇和組合構成不同的產(chǎn)品，以滿足市場與用戶不同需求[8]。

模塊化設計有傳統(tǒng)模塊化設計與廣義模塊化設計之分。傳統(tǒng)的模塊化設計多以固定尺寸系列劃分的剛性模塊為基礎，強調(diào)模塊的通用化、標準化和系列化，這就使得其在產(chǎn)品模塊劃分的過程中，可能出現(xiàn)模塊系列劃分不當?shù)那闆r，不是模塊劃分太過細致，就是模塊劃分太過粗略，直接導致設計的產(chǎn)品要么功能不足，要么功能冗余，與用戶的個性化需求相沖突。為解決傳統(tǒng)模塊化設計的不足與局限性，廣義模塊化設計[2]將參數(shù)化設計與變量分析技術融入模塊化設計中，通過對一系列產(chǎn)品進行功能分析并結合在設計、制造、維護中的特點，劃分并構造出具有更強適應性的廣義模塊，通過廣義模塊的組合實現(xiàn)產(chǎn)品的快速設計，使其既適用于系列分級特性比較明顯的產(chǎn)品及其產(chǎn)品族的開發(fā)，也適用于工況復雜、大載荷、對結構需要進行強度與剛度設計、系列分級特性不明顯的產(chǎn)品設計。

1.2 基于實例推理

基于實例推理（Case-Based Reasoning CBR）是近年來人工智能領域內(nèi)研究的熱點，同時也被廣泛應用于產(chǎn)品的設計開發(fā)，其設計原理是將以往解決問題的經(jīng)驗（知識或具體實例）按一定的組織方式存儲于實例庫中，當面臨新的問題時，通過檢索實例庫，尋找與當前問題相同或相似的歷史實例，并對其重用或者修改后重用，來解決當前問題。故基于實例推理的設計方法一般包含四個基本過程：實例檢索、實例重用、實例修改和實例存儲。圖1為基于實例推理解決問題的一般流程圖。

圖1 基于實例推理解決問題的一般流程圖

當一個待解決的新問題出現(xiàn)時，首先將其轉變?yōu)闄z索信息在實例庫中進行檢索，然后根據(jù)新問題和實例庫中已有方案進行相似性評估，檢索并獲取最相似的解決問題的初步方案，若初步方案能解決新的問題則直接利用，但通常情況下，初步方案與新問題之間會存在一定的差異，則需要對初步方案加以修改直至新問題得到解決為止，并將修改后的方案作為新的實例存入實例庫中，擴展實例庫內(nèi)容，以備以后新的檢索使用[9]。

1.3 基于實例推理的磁材壓機模塊化設計流程

對模塊化設計與基于實例推理設計進行研究，不難發(fā)現(xiàn)兩者在設計思路上存在著以下三點共性：1）都是通過利用過去的經(jīng)驗或已有的實例來解決新的問題；2）實例檢索時相似度的計算都是二者需要面對與解決的關鍵技術；3）這兩種設計方法都具有自我學習功能，當新的問題解決后，產(chǎn)生的新的方案和經(jīng)驗可以作為新的實例存入實例庫中，從而使得實例庫不斷更新和完善。

但二者也存在不同之處，最大的區(qū)別在于檢索對象的不同（以機械產(chǎn)品設計為例）：基于實例推理的檢索對象主要是某個系列的機械產(chǎn)品，其檢索結果為某個產(chǎn)品系列下與用戶需求最接近的一個具體型號的產(chǎn)品；而模塊化設計是針對具體某一系列產(chǎn)品下功能模塊的檢索與修改。

將基于實例推理的產(chǎn)品設計技術與模塊化設計技術相結合，不僅可以改進模塊化設計過程中在產(chǎn)品實例檢索方面存在的不足，而且還能提高基于實例推理的產(chǎn)品設計過程中實例修改的能力，二者互相補充，從而使得機械產(chǎn)品的設計方法更高效、更快捷和更人性化，所設計產(chǎn)品能快速響應市場和用戶的需求。

圖2 基于實例推理的磁材壓機模塊化設計流程圖

相對于基于實例推理的產(chǎn)品設計流程而言，基于實例推理的磁材壓機模塊化產(chǎn)品設計流程增加了幾個環(huán)節(jié)，如圖2所示。

其主要過程包括：1）分析用戶需求，對磁材壓機實例庫進行檢索，根據(jù)相似度理論從壓機實例庫中檢索出與設計要求最接近的實例；2）將檢索出的實例與設計要求相對比，找出與設計要求不符合的模塊，在模塊庫中檢索能滿足設計要求的模塊，選出相似度值最高的模塊實例，并對其做適當?shù)男薷?，若不存在這樣的模塊實例，則需新設計一個模塊；3）將修改或新設計的模塊更換到磁材壓機整機上，并檢查其裝配與干涉情況，再對關鍵模塊和主體結構模型進行CAE分析以檢驗整機的強度與剛度要求，若發(fā)現(xiàn)問題則應返回相應模塊做進一步修改，滿足要求后將相應模塊和整機模型作為新的實例存入對應實例庫。

2 基于實例推理的磁材壓機模塊化設計的關鍵技術

2.1 磁材壓機模塊劃分技術

在模塊化設計過程中，模塊劃分的好壞程度直接影響到產(chǎn)品設計的質(zhì)量與效率，因此對模塊的合理劃分至關重要。模塊劃分時應綜合考慮如下四點原則：1）劃分的模塊應具有獨立的功能，完整的結構，且模塊的接口應標準化，以便于模塊的裝配與拆換；2）對于產(chǎn)品升級和更新過程中，變化較大較活躍的部分應劃分為獨立的模塊，以利于提高產(chǎn)品設計效率；3）對于用戶個性化需求的功能部分應分類形成模塊；4）模塊的劃分應與企業(yè)自身的部件盡量保持一致，以便于企業(yè)對其進行規(guī)范管理。

對磁材壓機進行模塊劃分之前，先對其做功能分析，得到磁材壓機的基型模型，在其模塊劃分的過程中發(fā)現(xiàn)，部分模塊如電氣控制模塊、液壓系統(tǒng)模塊、機身外殼模塊等，其系列分級特征明顯，已經(jīng)形成企業(yè)內(nèi)部的標準，且在新產(chǎn)品設計時不需要考慮其結構變化對強度、剛度的影響，對于這類模塊，可以看作為剛性模塊，按傳統(tǒng)模塊劃分方式劃分模塊。而對于立柱、上下梁、移動梁、工作臺等模塊，其尺寸發(fā)生變化時必須對其進行強度和剛度設計驗證，故此類模塊應采用廣義模塊劃分的方式，以參數(shù)化設計與變量化分析技術構建模塊原型，然后根據(jù)實際要求設計出滿足條件的模塊實例。因此，磁材壓機的模塊劃分綜合應用了傳統(tǒng)模塊與廣義模塊兩種模塊劃分方式，如圖3所示。

圖3 磁材壓機模塊劃分

2.2 磁材壓機基于實例推理技術

磁材壓機的基于實例推理關鍵技術主要包括兩個方面：1）實例庫的創(chuàng)建；2）實例的檢索技術，即相似度計算方法[10]。

在創(chuàng)建磁材壓機實例庫的過程中，應用特征建模與參數(shù)化建模技術，通過特征參數(shù)的調(diào)用，生成不同參數(shù)值的實例模型，從而建立起系統(tǒng)的實例庫，再結合數(shù)據(jù)管理技術（PDM）將實例參數(shù)與實例模型分開管理，簡化實例庫的檢索機制，提高實例檢索效率。根據(jù)基于實例推理的壓機模塊化設計流程，可將實例庫分為磁材壓機實例庫和模塊實例庫兩類。磁材壓機實例庫存放著以往歷史設計的磁材壓機整機方案，其為壓機產(chǎn)品系列的拓展設計提供相似的整體方案；根據(jù)磁材壓機的結構和功能特點，以及磁材壓機模塊劃分方法，可知模塊實例庫中存放有立柱模塊、上梁模塊、下梁模塊、移動梁模塊、工作臺模塊以及其他模塊等。磁材壓機實例庫模型如圖4所示。

圖4 磁材壓機實例庫模型

兩個實例之間如果存在某些共有特征，則這兩個實例相似，相似程度的大小可用相似度Q 表示，其值域為0≤Q≤1，Q=0表示兩個實例完全不相似，即相異，Q=1 則表示兩實例相同。實例相似度計算與實例相似特征數(shù)量和相似特征的相似度大小密切相關，實例檢索相似度計算時必須綜合考慮這兩方面。設實例A、B分別有m、n 個特征，其中A與B相似特征數(shù)為l，q(ui)為第i 個相似特征的相似度數(shù)值，iβ 為第i 個相似特征相似數(shù)值q(ui)的權重系數(shù)，則實例相似度計算表達式為：

2.3 有限元分析技術

由于磁材壓機工作載荷大，為保證安全生產(chǎn)，必須對其關鍵模塊和主機模型進行有限元分析，以驗證其強度與剛度是否滿足工況要求。本文以Solidworks為軟件平臺，利用其強大的三維建模技術，對磁材壓機完成了三維建模，并充分運用Solidworks自帶的Simulation有限元分析功能對磁材壓機主機模型進行有限元分析，使得磁材壓機的建模與分析在同一軟件環(huán)境下就能得以完成，有效減少了產(chǎn)品設計時間，提高了設計效率。

圖5所示為某企業(yè)根據(jù)用戶需求設計的300T磁材壓機主體結構模型，其中上梁模塊用于安裝主油缸，下梁模塊用于安裝工作臺,移動梁用于安裝油缸液壓桿，立柱模塊則用于連接上梁、下梁及移動梁模塊。

圖5 300T磁材壓機主體結構模型

通過對其選擇分析類型、定義材料屬性、施加載荷與約束、劃分網(wǎng)格并求解，即可得到磁材壓機的有限元分析結果如圖6、7所示，其最大應力為105MPa，最大變形為0.69mm，滿足許用應力160MPa和許用變形1mm的使用要求。

圖6 300T磁材壓機應力云圖

圖7 300T磁材壓機變形云圖

3 結束語

本文以某企業(yè)生產(chǎn)的磁材壓機為例，在分析其結構特征的基礎上，給出了以傳統(tǒng)模塊劃分與廣義模塊劃分相結合的模塊劃分方式，同時在其模塊化設計過程中融入了基于實例推理技術，彌補了產(chǎn)品設計過程中在產(chǎn)品實例檢索方面存在的不足，從而使得機械產(chǎn)品的模塊化設計方法更為合理。并給出了基于實例推理的產(chǎn)品模塊化設計流程，對其設計過程中的模塊劃分、實例庫創(chuàng)建、相似度計算、有限元分析等關鍵技術做了進一步研究，為此類產(chǎn)品的快速設計提供了可行的理論依據(jù)，具有一定的參考意義。

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