基于KBE的施工升降機導(dǎo)軌架快速設(shè)計系統(tǒng)開發(fā)

朱春陽，王紫媛，李昌冉

(長安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點實驗室，陜西西安710064)

在施工升降機運行過程中，導(dǎo)軌架用來支撐和引導(dǎo)吊籠沿著導(dǎo)軌升降。由于導(dǎo)軌架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計參數(shù)較多，計算量大，而當前施工升降機的設(shè)計仍采用傳統(tǒng)的CAD技術(shù)，運用基本的計算理論及個人經(jīng)驗進行幾何設(shè)計，缺乏設(shè)計規(guī)范與知識的支持，所以設(shè)計周期長，成本高。本文將KBE技術(shù)運用到施工升降機導(dǎo)軌架三維設(shè)計中，開發(fā)施工升降機導(dǎo)軌架快速設(shè)計系統(tǒng)，實現(xiàn)知識驅(qū)動設(shè)計，快速應(yīng)對市場需求，降低研發(fā)成本，為施工升降機的創(chuàng)新設(shè)計邁出積極的一步，進而為工程機械設(shè)計研發(fā)提供實現(xiàn)智能化思路。

1 施工升降機導(dǎo)軌架的設(shè)計

1.1 設(shè)計特點

導(dǎo)軌架由多個標準節(jié)通過螺栓聯(lián)結(jié)而成，用來支撐和引導(dǎo)吊籠沿著導(dǎo)軌升降，完成施工任務(wù)，在施工升降機工作過程中，起著至關(guān)重要的作用。

研究導(dǎo)軌架結(jié)構(gòu)，主要對標準節(jié)結(jié)構(gòu)進行分析[1]。標準節(jié)由主弦管、斜腹桿、齒條、角鋼框架、螺栓、螺母和銷等組成，其端面尺寸有180 mm×180 mm、500 mm×500mm、650 mm×200mm、650 mm×650 mm、700 mm×700 mm、900 mm×650 mm等類型，同時，不同的類型的施工升降機，具有不同規(guī)格的標準節(jié)。因此，其結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，參數(shù)又多，如果每設(shè)計一種導(dǎo)軌架都用三維軟件重新建模，需要人工輸入的數(shù)據(jù)很多，工作量大，很容易出錯。而各種標準節(jié)主要組成部分基本相同，設(shè)計過程中的大部分工作都是重復(fù)的。

1.2 現(xiàn)行設(shè)計存在的問題

1)在傳統(tǒng)的導(dǎo)軌架設(shè)計計算時，許多參數(shù)的取值都在一定的范圍內(nèi)，設(shè)計人員只需參考國家標準并根據(jù)經(jīng)驗進行合理選擇即可，但在后期分析計算和計算機繪圖時，需要重復(fù)工作，這無疑導(dǎo)致設(shè)計效率低下，造成人力物力的的損耗。

2)當前施工升降機的設(shè)計仍然采用傳統(tǒng)的CAD技術(shù)，停留在二維、三維軟件的初級使用階段，運用一些基本的計算理論進行幾何上的設(shè)計。而安全系統(tǒng)評價、新型方案設(shè)計等創(chuàng)新性設(shè)計，很大程度上還是依賴于設(shè)計者的自身經(jīng)驗和知識，缺乏設(shè)計規(guī)范與知識的支持，造成設(shè)計質(zhì)量和效率很難再上一個新的臺階。

2 基于KBE設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)

知識工程(KBE)技術(shù)是一種面向工程開發(fā)全過程的設(shè)計方法[2]。企業(yè)發(fā)展實現(xiàn)信息化進程，KBE技術(shù)是不可或缺的前進動力，其可以在設(shè)計、制造生產(chǎn)和維護階段得到應(yīng)用，從而提升企業(yè)競爭力。

2.1 KBE系統(tǒng)中知識的獲取

知識獲取的步驟一般是先認識問題的特征，通過總結(jié)、了解、尋找問題求解的相關(guān)概念，進行知識梳理，最終建立起知識庫系統(tǒng)進行測試。知識的獲取方法有手工、自動和半自動知識獲取三種方式[3]。其中，半自動知識獲取是一種人為輸入知識數(shù)據(jù)和計算機從知識庫中獲取知識的相結(jié)合的過程，NX軟件推出的知識熔接模塊能夠很好地和數(shù)據(jù)庫結(jié)合，實現(xiàn)半自動獲取知識過程。施工升降機導(dǎo)軌架的設(shè)計知識大都是從設(shè)計計算書、標準準則、安全規(guī)范書以及試驗數(shù)據(jù)書搜集并通過人工方法輸入到計算機數(shù)據(jù)庫中，同時結(jié)合知識熔接技術(shù)把施工升降機相關(guān)的設(shè)計規(guī)則、原理以及技術(shù)專家交流中的經(jīng)驗知識表述出來，存儲在知識庫中，融入到施工升降機零件設(shè)計中，因此本文采用半自動知識獲取方法。

2.2 KBE系統(tǒng)中知識的表示

知識表示利用計算機能夠識別的語言表達出來，將客觀世界的知識轉(zhuǎn)換為合適的數(shù)據(jù)形式。知識表示是知識繼承的載體，是知識獲取和知識推理的首要條件[4]。知識的表示方法多種，本文針對知識熔接技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)相結(jié)合的工程技術(shù)要求，利用基于規(guī)則的表示法和面向?qū)ο蟊硎痉ㄏ嘟Y(jié)合的方法來描述施工升降機相關(guān)知識?；谝?guī)則的表示法自然靈活、通用性強，允許利用領(lǐng)域知識直接演繹推理，有利于描述一個事件的存在而導(dǎo)致另一個事件的發(fā)生并且符合人類的思維模式。但是對于復(fù)雜多變的知識概念難以描述。規(guī)則表示法分為確定性規(guī)則和不確定性規(guī)則兩種表述形式。施工升降機導(dǎo)軌架的規(guī)則知識大都是直線形確定性事件設(shè)計，所以本文在施工升降機導(dǎo)軌架設(shè)計過程中主要采用確定性規(guī)則的表示形式。

面向?qū)ο蟮谋硎痉ň哂辛己玫睦^承性、系統(tǒng)易維護、表達能力強等優(yōu)點，可以將靜態(tài)描述特性和動態(tài)描述特性的知識同時表達出來和知識的繼承的能力，方便知識的存儲和修改。對于機械設(shè)計而言可以將每個特征看成一個對象，將其中相關(guān)的屬性規(guī)則抽取為可被計算機描述的知識語言。對于一個零件可以歸為一個類用Class進行表述，將共同特征的屬性知識描述類對象之前供類中每一個對象抽取使用。

2.3 KBE系統(tǒng)中的知識推理

知識推理是實現(xiàn)知識驅(qū)動設(shè)計的動力核心，針對設(shè)計的規(guī)則和原理知識被描述為機器語言，根據(jù)已知條件利用推理機制推出相對應(yīng)的結(jié)果。按照推理方法，知識推理可分為基于規(guī)則的推理(RBR)、基于模型的推理(MBR)和基于實例的推理(CBR)[5]。因為施工升降機相關(guān)的設(shè)計知識規(guī)則和理論已經(jīng)成熟，趨于穩(wěn)定狀態(tài)且比較完善，所以本文采用了基于規(guī)則的推理表示方法來描述施工升降機導(dǎo)軌架三維設(shè)計規(guī)則與事實。基于規(guī)則的推理是采用if-then形式的推理機制，比較適用于知識體系完整的知識庫系統(tǒng)，將知識和理論抽取為具有前后因果關(guān)系的規(guī)則模式。

2.4 KBE系統(tǒng)集成技術(shù)

本文的KBE系統(tǒng)集成技術(shù)包括知識集成和系統(tǒng)集成。KBE系統(tǒng)與之前的傳統(tǒng)專家系統(tǒng)相比在產(chǎn)品設(shè)計時更加偏重于知識集成，可以實現(xiàn)在產(chǎn)品設(shè)計過程中，充分調(diào)動和利用各種知識資源；系統(tǒng)集成方式將KBE系統(tǒng)集成到CAD系統(tǒng)，增加KBE系統(tǒng)的功能，使其變得更加完善。NX系統(tǒng)為KBE系統(tǒng)提供了一個可視化環(huán)境，能夠利用面向?qū)ο笳Z言對設(shè)計的三維模型進行建立和修改，利用數(shù)據(jù)庫和電子表格來存儲知識信息，以及編輯Dfa文件實現(xiàn)知識的傳遞和規(guī)則庫的建立。本文為了方便實現(xiàn)知識的集成，采用統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫，不需要知識數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，將知識管理系統(tǒng)集成到NX系統(tǒng)中，實現(xiàn)知識庫中數(shù)據(jù)的添加、刪除和更新以及KF模塊知識的獲取。

3 施工升降機導(dǎo)軌架知識庫建立

知識庫由數(shù)據(jù)庫、規(guī)則庫和實例庫組合而成，具有信息數(shù)據(jù)處理和利用的功能。對于施工升降機導(dǎo)軌架快速設(shè)計系統(tǒng)，知識庫是最核心的一部分，是實現(xiàn)知識為動力的基礎(chǔ)。施工升降機零件的知識庫結(jié)構(gòu)圖如圖1。

圖1 施工升降機導(dǎo)軌架設(shè)計知識庫構(gòu)成圖

3.1 工程數(shù)據(jù)庫的建立

工程數(shù)據(jù)庫主要用于存儲施工升降機導(dǎo)軌架零件工程數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫主要由導(dǎo)軌架的物理性能、常規(guī)力學(xué)性能以及幾何參數(shù)等組成。物理性能主要包括施工升降機導(dǎo)軌架材料、適用范圍、彈性模量、泊松比、剪切模量、質(zhì)量、熱處理方式、應(yīng)用實例等。常規(guī)力學(xué)性能主要包括屈服強度、重力、強度極限、硬度、工作狀態(tài)、受力情況等。幾何參數(shù)主要包括長度、寬度、高度、面積、體積等幾何信息。將這些信息存儲在Access數(shù)據(jù)庫中，用ODBC數(shù)據(jù)庫的形式表達，即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)快速傳遞和共享。

3.2 規(guī)則庫的建立

規(guī)則庫是知識庫的重要部分，用于存放施工升降機導(dǎo)軌架設(shè)計的工程規(guī)則[6]。對于設(shè)計過程的知識和設(shè)計的約束都采用嵌入式源程序法方式表達規(guī)則知識。采用基于規(guī)則的表達方式將施工升降機零件的相關(guān)設(shè)計準則和設(shè)計方案用KF語言描述出來嵌入到Dfa文件中。對于施工升降機導(dǎo)軌架的標準節(jié)的選取部分規(guī)則如下：

規(guī)則1：if (適用范圍和技術(shù)要求)=(單籠升降機，懸臂高度不超出4.5m)

then(標準節(jié)規(guī)格)=(650×200×1508圓管)

規(guī)則2：if (適用范圍和技術(shù)要求)=(懸臂高度不超出7.5m)

then(標準節(jié)規(guī)格)=(650×650×1508圓管)

......

3.3 實例庫的建立

建立實例庫，需要將已有幾何參數(shù)、力學(xué)性能等完善的知識融入到施工升降機導(dǎo)軌架零件中生成實例模型。這些模型主要由Dfa文件的實例化建立，少數(shù)復(fù)雜模型可直接建立零件模型。在NX/KF中Dfa文件的獲取方法有兩種，一種是利用NX/KF語言直接編輯而成，比如施工升降機標準節(jié)的一些零件如主弦管、斜腹桿、螺栓等零件的建立。另一種方法是幾何采用機制，利用已建好的導(dǎo)軌架零件模型使用知識融合模塊中的Adoption來反求零件模型的知識，然后將零件模型轉(zhuǎn)化為KF類，用戶可以在KF導(dǎo)航器中添加數(shù)學(xué)公式、產(chǎn)生式規(guī)則、外部數(shù)據(jù)庫等，進一步修改使其符合KF語法規(guī)則，然后保存為新的Dfa文件。

4 導(dǎo)軌架快速設(shè)計系統(tǒng)

4.1 導(dǎo)軌架快速設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于KBE的施工升降機導(dǎo)軌架快速設(shè)計系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2，主要分為四層，分別是設(shè)計知識資源層，設(shè)計系統(tǒng)層，集成平臺層和用戶界面層。設(shè)計知識資源層主要是施工升降機導(dǎo)軌架的知識庫，包括實例庫、數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫。設(shè)計系統(tǒng)層是施工升降機導(dǎo)軌架系統(tǒng)的開發(fā)工具，是設(shè)計實例模型的核心、知識驅(qū)動的動力載體和系統(tǒng)實現(xiàn)運行的中流支柱。集成平臺層實現(xiàn)以NX軟件為平臺，將其他的系統(tǒng)集成到NX平臺中，方便系統(tǒng)操作。用戶界面層將用戶分為知識領(lǐng)域?qū)＜?、設(shè)計人員和系統(tǒng)管理人員，知識領(lǐng)域?qū)＜邑撠?zé)將設(shè)計過程中的知識進行知識表示，不斷擴充知識庫；設(shè)計人員通過交互界面使用系統(tǒng)，輔助整個設(shè)計任務(wù)的完成；系統(tǒng)管理員負責(zé)整個系統(tǒng)的正常運營。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

4.2 系統(tǒng)用戶界面的開發(fā)

(1)用戶菜單界面

在NX軟件平臺，利用Menu Script工具編輯滿足用戶的菜單樣式。設(shè)計人員用記事本創(chuàng)建和編輯擴展名為*.men的文件，即可得到相應(yīng)的菜單形式。

圖3 模塊下拉菜單

本文利用Menu Script工具對施工升降機導(dǎo)軌架系統(tǒng)進行菜單界面設(shè)計，在stratup文件中創(chuàng)建caidanlan.men，結(jié)合施工升降機導(dǎo)軌架實例設(shè)計菜單腳本程序，得到施工升降機導(dǎo)軌架系統(tǒng)菜單界面如圖3。

(2)用戶操作界面

NX的UI Styler應(yīng)用模塊提供給用戶可視化建立NX風(fēng)格對話框的功能。用戶可根據(jù)需求選擇合適的控件，在屬性編輯器中設(shè)置對話框名稱和提示信息實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，同時調(diào)整控件位置，實現(xiàn)合理布局。本文對于施工升降機導(dǎo)軌架零件的設(shè)計界面采用UI Styler中提供的UI樣式編輯器定制系統(tǒng)操作界面對話框。所創(chuàng)建系統(tǒng)界面對話框見下節(jié)實例。

4.3 系統(tǒng)應(yīng)用實例

以SC型施工升降機導(dǎo)軌架的組成部件標準節(jié)的設(shè)計為例，說明該系統(tǒng)的實現(xiàn)過程。運行施工升降機導(dǎo)軌架設(shè)計系統(tǒng)，點擊菜單欄導(dǎo)軌架零件設(shè)計中的標準節(jié)，即可加載標準節(jié)設(shè)計操作界面如圖4，運行結(jié)果如圖5。選擇需要建立的標準節(jié)類型，生成三維實體模型。

圖4 標準節(jié)設(shè)計對話框

圖5 標準節(jié)設(shè)計實例

標準節(jié)相關(guān)知識分為三類，第一類是幾何參數(shù)，包括標準節(jié)規(guī)格、主弦管規(guī)格、角鋼規(guī)格、斜腹桿規(guī)格、齒條規(guī)格、聯(lián)結(jié)螺栓、聯(lián)結(jié)螺母以及墊圈規(guī)格等，選擇所需這些零件的規(guī)格建立標準節(jié)模型。第二類是物理性能，選取設(shè)計所需材料，讀取知識庫中相對應(yīng)材料的密度、質(zhì)量、熱處理方式，為力學(xué)計算打下基礎(chǔ)。第三類力學(xué)性能，針對上述兩類知識的選取，計算得到相關(guān)的力學(xué)知識，節(jié)約計算時間。

5 結(jié)論

本文針對施工升降機導(dǎo)軌架知識的特點，充分獲取現(xiàn)有的設(shè)計知識建立知識庫，結(jié)合知識工程技術(shù)，開發(fā)基于KBE的施工升降機導(dǎo)軌架快速設(shè)計系統(tǒng)。通過標準節(jié)實例驗證，本文設(shè)計開發(fā)的系統(tǒng)，實現(xiàn)了在設(shè)計過程中獲取知識，動態(tài)擴充知識庫等功能，極大地方便了設(shè)計人員建立三維模型和積累知識，縮短了施工升降機導(dǎo)軌架的開發(fā)周期，提高了設(shè)計效率。