基于KBE的門式起重機(jī)主梁智能并行設(shè)計(jì)

馬士良

（徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州221140）

隨著信息化程度的提高，創(chuàng)新設(shè)計(jì)向智能化程度方向發(fā)展，傳統(tǒng)的智能化設(shè)計(jì)方法如[1-2]，如基于推理的參數(shù)化設(shè)計(jì)，KBE技術(shù)的產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)，雖然設(shè)計(jì)智能化程度大大提高，但是程序未模塊化開發(fā)，未考慮產(chǎn)品生命周期信息以及下游生產(chǎn)中工程圖的自動(dòng)生成。因此，有必要結(jié)合產(chǎn)品知識(shí)進(jìn)行產(chǎn)品的并行設(shè)計(jì)。本文針對(duì)門式起重機(jī)主梁產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化、知識(shí)集成度較高的特點(diǎn)，以三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks為平臺(tái)，以Visual Basic為開發(fā)語言，利用KBE技術(shù)，產(chǎn)品參數(shù)與模型、圖紙信息分別進(jìn)行了優(yōu)化，開發(fā)了可以重用的主梁智能模塊體，不僅避免了重復(fù)設(shè)計(jì)，也提高了設(shè)計(jì)的效率及智能化，同時(shí)該產(chǎn)品開發(fā)平臺(tái)可以并行設(shè)計(jì)。

1 基于KBE的門式起重機(jī)系列產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法

KBE技術(shù)是人工智能、CAD系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是知識(shí)工程（Knowledge Engineering，KE）技術(shù)在工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)決策的智能化和設(shè)計(jì)過程的自動(dòng)化。其關(guān)鍵技術(shù)為知識(shí)表示、知識(shí)獲取、甚于事例的推理（CBR）。門式起重機(jī)參數(shù)較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，既有同一系列不同型號(hào)、形狀規(guī)則的標(biāo)準(zhǔn)件，也有接頭、跨中大隔板、主梁頭部、支座、角鋼型號(hào)等形式多樣、分布方式不定的情況，在全三維環(huán)境下，既有設(shè)計(jì)中錯(cuò)綜復(fù)雜的參數(shù)信息，也有全相關(guān)全周期設(shè)計(jì)，尺寸、視圖位置、明細(xì)、工藝（焊接符號(hào)、粗糙度等）等圖紙信息，因此需要建立數(shù)據(jù)庫和知識(shí)庫集成的廣義知識(shí)庫（GKDB），綜合利用KBE技術(shù)，將產(chǎn)品信息規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化，減少零部件數(shù)量，建立面向用戶定制的CAD系統(tǒng)。

2 門式起重機(jī)主梁產(chǎn)品級(jí)參數(shù)化建模

單獨(dú)的零部件參數(shù)化建模容易實(shí)現(xiàn)，然而，對(duì)于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，需要考慮產(chǎn)品的整體結(jié)構(gòu)、參數(shù)、相互約束關(guān)系以及各零件配置變化后對(duì)于整體產(chǎn)品的影響，如果利用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，很難滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)的意圖。目前，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，一般采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法，從產(chǎn)品的整體布局考慮，規(guī)劃好產(chǎn)品的概念草圖，所有的幾何位置關(guān)系以及尺寸約束，都集成在產(chǎn)品的布局草圖里面，圖1為主梁的裝配示意圖。

圖1 主梁隔板裝配

結(jié)合門式起重機(jī)主梁系列化產(chǎn)品的特點(diǎn)，首先分析產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，劃分產(chǎn)品參數(shù)，根據(jù)主梁是否有接頭，建立布局草圖，在裝配設(shè)計(jì)過程中，參考裝配基準(zhǔn)面，一般只需要建立正面和側(cè)面兩個(gè)草圖，草圖能夠反映主梁的形狀、輪廓，包含產(chǎn)品的主要參數(shù)以及配合關(guān)系。草圖建立完成以后，改變草圖某些尺寸參數(shù)，檢查草圖是否會(huì)自動(dòng)更新，防止產(chǎn)品發(fā)生突變、崩潰。

草圖建立以后，進(jìn)行零件的參數(shù)化建模。各零件在設(shè)計(jì)過程中，零件材料、代號(hào)、尺寸、展開長等屬性需要分別添加自定義屬性，變異零件建立特征庫，不同配置同一零件的需要建立配置，系列化零件利用表驅(qū)動(dòng)的方式建立，拉伸特征兩側(cè)對(duì)稱，零件變型較大的進(jìn)行全特征建模。

各零部件建立以后，將零部件的邊線、面與草圖的線段以及裝配基準(zhǔn)面添加配合關(guān)系，其參數(shù)尺寸采用添加方程式的方法與草圖尺寸建立驅(qū)動(dòng)關(guān)系。主梁中隔板的分布，利用陣列命令進(jìn)行陣列，數(shù)量兩個(gè)即可，利用程序驅(qū)動(dòng)陣列參數(shù)，隔板與角鋼中的特征孔可利用程序進(jìn)行特征壓縮。

要保證零件與零件彼此勿進(jìn)行配合，防止零件在后續(xù)裝配驅(qū)動(dòng)中，出現(xiàn)裝配混亂、崩潰的局面。其次，布局草圖和零件建模都必須完全定義，同時(shí)再次修改草圖參數(shù)，進(jìn)行二次檢驗(yàn)。

3 門式起重機(jī)主梁產(chǎn)品模塊化程序開發(fā)

為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的并行設(shè)計(jì)，將主梁程序劃分為三大模塊：結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置、裝配驅(qū)動(dòng)計(jì)算、工程圖調(diào)優(yōu)。根據(jù)主梁的結(jié)構(gòu)，如圖2所示，其中還可分為若干子模塊，例如變異件的變型設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)，通用件的參數(shù)驅(qū)動(dòng)等，隔板分布、參數(shù)確定可以利用人機(jī)交互的方法，裝配體的驅(qū)動(dòng)利用數(shù)據(jù)庫、三維軟件API函數(shù)等知識(shí)驅(qū)動(dòng)，工程圖調(diào)優(yōu)又可以分為提取工程圖重要信息的預(yù)處理模塊，以及尺寸、符號(hào)的位置優(yōu)化、圖紙的比例調(diào)整、明細(xì)表的自動(dòng)更新等模塊，產(chǎn)品知識(shí)和推理機(jī)自始至終貫穿于其中。

圖2 主梁分布界面

3.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置

參數(shù)設(shè)置之前，進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，得到系列范圍內(nèi)的參數(shù)。在參數(shù)設(shè)置界面，將參數(shù)劃分不同的級(jí)別，驅(qū)動(dòng)草圖尺寸的參數(shù)為一級(jí)，變異零件尺寸的為二級(jí)，對(duì)結(jié)構(gòu)、性能影響忽略不計(jì)的為從動(dòng)參數(shù)，該參數(shù)不能設(shè)置，為自動(dòng)計(jì)算的結(jié)果，為灰色，不能修改。界面中如果參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤，提示錯(cuò)誤，文本框字體顏色變紅。界面中零件孔特征的設(shè)置可以用下拉列表框的方式進(jìn)行設(shè)置，零件圖將自動(dòng)更新。界面中鋼結(jié)構(gòu)件的分布及參數(shù)設(shè)置后，隔板示意圖自動(dòng)更新。

3.2 裝配驅(qū)動(dòng)計(jì)算

門式起重機(jī)主梁的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)于形狀特征發(fā)生變化或產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不同的結(jié)構(gòu)件，采用變型設(shè)計(jì)的方法，可調(diào)用異性零件程序或者壓縮、陣列等方式滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要求。對(duì)于系列化產(chǎn)品，采用改變產(chǎn)品配置或者參數(shù)化產(chǎn)品的方法來實(shí)現(xiàn)。由于客戶的需要以及實(shí)際工作的不同，其結(jié)構(gòu)主要根據(jù)接頭、跨中大隔板、主梁頭部、支座、角鋼型號(hào)以及分布方式等幾個(gè)方面來確定。

接頭的個(gè)數(shù)，主要根據(jù)主梁跨度的大小來確定，接頭不能在主梁中間放置，設(shè)跨度為S，接頭個(gè)數(shù)一般按下列標(biāo)準(zhǔn)確定:S≤ 18 m，無接頭；18 m30m，設(shè)2個(gè)接頭。程序可通過壓縮的方式實(shí)現(xiàn)。為了加強(qiáng)主梁的剛性，提高主梁的穩(wěn)定性，在受壓時(shí)防止主梁腹板變形，在主梁中部設(shè)置有大隔板，其分布主要根據(jù)主梁的跨度和梁的高度變化，其間距一般有1.5 m、1.8 m、2.0 m、2.2 m四種形式，角鋼穿過隔板，隔板特征孔也有所不同?？拷髁航宇^、頭部、支座的間距可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。

主梁軌道分為方軌及鋼軌兩種情況。方軌時(shí)腹板處有10×10×L的加強(qiáng)方剛，方軌參數(shù)的計(jì)算根據(jù)方軌高度的提示，判斷方軌參數(shù)是否為標(biāo)準(zhǔn)值，標(biāo)準(zhǔn)方軌按有關(guān)規(guī)格表配置。若為鋼軌時(shí)，主梁圖中不出現(xiàn)軌道，兩相鄰大隔板之間按等分增加兩小隔板。

支座處、接頭處以及頭部處，大隔板與上下蓋板是封閉的，即沒有間隙，其他跨中隔板和下蓋板之間留有10 mm的間隙。主梁端部有彎曲和直的兩種，可通過設(shè)置彎曲高度為無限小實(shí)現(xiàn)變直。主梁支腿支座可實(shí)現(xiàn)一剛一柔和兩個(gè)剛性支座之間的選擇。剛性支座處主梁隔板4-6塊，撓性支座處2-3塊隔板，支座變化時(shí)，兩處的隔板隨之變化。主梁腹板角鋼有一到四排可選，設(shè)腹板角鋼參數(shù)為FJNO，根據(jù)主梁腹板是否有角度，腹板角鋼的分布方式有四種可選。

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)件與通用件，利用系列化表驅(qū)動(dòng)的方式驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品參數(shù)。數(shù)據(jù)庫里面存放不同系列的數(shù)據(jù)，在產(chǎn)品信息模型，在參數(shù)劃分的基礎(chǔ)上，根據(jù)門式起重機(jī)主梁的參數(shù)化設(shè)計(jì)要求，建立參數(shù)數(shù)據(jù)庫，提取參數(shù)信息，驅(qū)動(dòng)草圖尺寸，草圖尺寸利用布局草圖中的方程式驅(qū)動(dòng)零件的尺寸，從而實(shí)現(xiàn)參數(shù)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品的自動(dòng)更新。對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)件以及變異件利用變型設(shè)計(jì)的方法，建立柔性模塊。在柔性模塊內(nèi)部封裝了系列化的可調(diào)節(jié)變量，通過變量的變化驅(qū)動(dòng)生成相應(yīng)的柔性模塊結(jié)構(gòu)[4]?？衫肁PI函數(shù)編寫程序代碼，調(diào)用對(duì)應(yīng)的系列。例如，根據(jù)上下蓋板處有無角鋼可選，角鋼與隔板開口需要嚴(yán)格的按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行配合，更改其配置的方式進(jìn)行，例如：mod_config"MCA20.5.1.1.02-25"，"無孔××J".

3.3 工程圖調(diào)優(yōu)

裝配驅(qū)動(dòng)后，三維生成的工程圖偏差較大，不符合企業(yè)的要求，特別是對(duì)于復(fù)雜的產(chǎn)品，尺寸出現(xiàn)漂移，缺失的尺寸會(huì)變成黃色，視圖大小比例不協(xié)調(diào)，尺寸、位置、序號(hào)雜亂無章，明細(xì)表因?yàn)榱慵脑黾雍腿笔Р荒茏詣?dòng)更新，如果人為進(jìn)行修改，工作量較大，而且容易出錯(cuò)，因此，有必要對(duì)工程圖進(jìn)行二次開發(fā)，使工程圖能夠自動(dòng)調(diào)優(yōu)。

在三維向二維轉(zhuǎn)化的過程中，自動(dòng)生成的工程圖圖幅較差，尺寸標(biāo)注不整潔，線條繁雜（可以省略的線條不能自動(dòng)缺?。?。因此需要對(duì)工程圖進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)優(yōu)。

主梁工程圖調(diào)整過程中，首先需準(zhǔn)確定制符合企業(yè)的設(shè)計(jì)模板。將工具選項(xiàng)中與工作相關(guān)的選項(xiàng)如箭頭、自定義屬性、材質(zhì)屬性、字體等信息進(jìn)行鏈接。然后進(jìn)行裝配圖的簡化，對(duì)尺寸的尺寸、位置和工藝信息焊接符號(hào)、粗糙度等進(jìn)行知識(shí)表示，分別建立輪廓層、尺寸層、位置注釋等。為了并行設(shè)計(jì)，分別建立數(shù)據(jù)讀取模塊、推理機(jī)模塊和工程圖調(diào)整模塊。

首先對(duì)模型自動(dòng)生成的圖紙實(shí)例庫提取所需要的相關(guān)知識(shí)，添加預(yù)處理模塊。將尺寸位置、視圖位置記錄下來，提取零件的數(shù)量，提取圖層信息等，以記事本文件或數(shù)據(jù)庫的形式存儲(chǔ)起來，以便后期調(diào)用。然后利用推理機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算、推理分析，該模塊為調(diào)優(yōu)模塊。自動(dòng)生成的視圖與原視圖大小進(jìn)行比較，按照國標(biāo)，以人機(jī)交互的形式，進(jìn)行比例優(yōu)化。尺寸內(nèi)外位置根據(jù)尺寸層的分布利用程序自動(dòng)計(jì)算。零件名以鏈接的形式，實(shí)現(xiàn)零件名自動(dòng)更新等。

4 結(jié)束語

本文主要根據(jù)門式起重機(jī)主梁鋼結(jié)構(gòu)件的特點(diǎn)，研究了系列化產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫表驅(qū)動(dòng)參數(shù)、提取相關(guān)知識(shí)等智能驅(qū)動(dòng)的方法，將產(chǎn)品與程序進(jìn)行并行設(shè)計(jì)的方式進(jìn)行，以KBE為設(shè)計(jì)思想，開發(fā)了起重機(jī)主梁系統(tǒng)的程序三大模塊。在企業(yè)中已經(jīng)成功應(yīng)用，極大地提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量，可以生成產(chǎn)品一系列模板，知識(shí)集成度強(qiáng)，其重用性高，大大降低了設(shè)計(jì)人員的重復(fù)勞動(dòng)，集中到產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程中，對(duì)其他結(jié)構(gòu)件系列化產(chǎn)品也有著較好的借鑒意義。

[1]陳 雨，毛恩榮，呂黃珍，等．基于推理的大型收獲機(jī)械變速箱參數(shù)化設(shè)計(jì)[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2013，11（02）：278-282.

[2]辛立娜，曹旭陽，許 濱，等．基于KBE技術(shù)的橋式起重機(jī)模塊化設(shè)計(jì)系統(tǒng)[J]．起重運(yùn)輸機(jī)械，2013，12（04）：30-34.

[3]徐保文，姚軼峰，張立雷，等．基于KBE實(shí)施體系的研究[J]．硅谷，2013，31（05）：25-30.

[4]李中凱，程志紅，程 剛.復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品柔性平臺(tái)模塊化再設(shè)計(jì)集成方法[J]．計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2012，18（8）:1810-1818.