智能設(shè)計(jì)技術(shù)在機(jī)械研發(fā)制造中的應(yīng)用

芮 雪

（長(zhǎng)治職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 長(zhǎng)治 046000）

在科技水平與經(jīng)濟(jì)發(fā)展效率不斷提升的背景下，為有效開(kāi)展各種復(fù)雜多樣的工程項(xiàng)目，各行各業(yè)對(duì)機(jī)械制造產(chǎn)品的質(zhì)量要求越來(lái)越嚴(yán)格，因此機(jī)械研發(fā)制造行業(yè)在應(yīng)用智能設(shè)計(jì)技術(shù)時(shí)需要保證該技術(shù)能夠有效提高產(chǎn)品質(zhì)量[1]。在日漸激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，效率是確保企業(yè)能夠占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位的關(guān)鍵因素之一，而智能設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用能夠有效提高機(jī)械制造的生產(chǎn)效率，同時(shí)降低人工作業(yè)強(qiáng)度。

1 智能設(shè)計(jì)技術(shù)在機(jī)械研發(fā)制造中的應(yīng)用

1.1 數(shù)控車床智能設(shè)計(jì)平臺(tái)系統(tǒng)

機(jī)械研發(fā)制造智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要由兩部分組成，一部分是以遺傳算法為核心技術(shù)的優(yōu)化方案系統(tǒng)，另一部分是以實(shí)例推理技術(shù)為核心的智能CAD詳細(xì)方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)。機(jī)械產(chǎn)品具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜化、層次多樣化等特性，對(duì)其分解后的設(shè)計(jì)方案可以利用遺傳算法技術(shù)進(jìn)行編碼，同時(shí)利用遺傳優(yōu)化構(gòu)建出完善的設(shè)計(jì)方案。對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行深入分析，利用以實(shí)例推理技術(shù)為核心的智能CAD系統(tǒng)對(duì)具體的零部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)[2]。智能CAD系統(tǒng)主要包括推理分析與模型構(gòu)建兩部分，利用實(shí)例推理對(duì)過(guò)往相關(guān)成功案例進(jìn)行搜索，合理選用成功案例中的系統(tǒng)知識(shí)，以此完成新系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)；利用參數(shù)化建模對(duì)零部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型構(gòu)建，同時(shí)支持模型修改操作，利用數(shù)據(jù)庫(kù)將推理和建模有效關(guān)聯(lián)。本研究結(jié)合數(shù)控車床的特點(diǎn)與機(jī)械研發(fā)制造智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)，構(gòu)建了數(shù)控車床智能設(shè)計(jì)平臺(tái)。

1.2 數(shù)控車床結(jié)構(gòu)分析

數(shù)控車床的系統(tǒng)設(shè)計(jì)通常利用模塊化方法。該方法能夠有效提高產(chǎn)品的多變性和實(shí)用性，其在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行科學(xué)的層級(jí)分解，對(duì)各模塊重新組構(gòu)，以此生成機(jī)械產(chǎn)品整體規(guī)劃方案，利用遺傳算法對(duì)數(shù)控車床進(jìn)行重組的思想同時(shí)符合模塊設(shè)計(jì)基礎(chǔ)思想。數(shù)控車床由眾多機(jī)械零件共同構(gòu)成，具有一定的層次性，可以依據(jù)這一特點(diǎn)對(duì)數(shù)控車床進(jìn)行多層次分解。數(shù)控車床包括冷卻系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)以及機(jī)械系統(tǒng)等[3]。其中，冷卻系統(tǒng)主要包括12 L/min以及50 L/min的冷卻單元；機(jī)械系統(tǒng)包括刀架、機(jī)床主體、滑臺(tái)以及尾座等結(jié)構(gòu)；機(jī)床主體包括平床身與多角度斜床身，如30°、45°、60°斜床身等。數(shù)控車床結(jié)構(gòu)具體情況如圖1所示。

圖1 數(shù)控車床結(jié)構(gòu)圖

將分解后的數(shù)控車床數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)，每一個(gè)實(shí)例都代表一項(xiàng)可選擇的方法，數(shù)據(jù)儲(chǔ)存方法采用方案編碼形式進(jìn)行，對(duì)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)籌編碼。數(shù)控車床中每一項(xiàng)實(shí)例層次的不同會(huì)導(dǎo)致其位置不盡相同，方案數(shù)據(jù)庫(kù)依據(jù)遺傳算法構(gòu)建[4]。通過(guò)車床零部件數(shù)據(jù)庫(kù)和結(jié)構(gòu)信息數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建數(shù)控車床的結(jié)構(gòu)屬性與功能屬性，功能屬性數(shù)據(jù)庫(kù)主要應(yīng)用在機(jī)械產(chǎn)品零部件設(shè)計(jì)當(dāng)中，結(jié)構(gòu)屬性數(shù)據(jù)庫(kù)主要應(yīng)用在零部件參數(shù)建模當(dāng)中。

1.3 數(shù)控車床智能設(shè)計(jì)平臺(tái)框架結(jié)構(gòu)

數(shù)控車床智能設(shè)計(jì)平臺(tái)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)當(dāng)包括系統(tǒng)主界面、程序后臺(tái)運(yùn)行以及數(shù)據(jù)庫(kù)等內(nèi)容，智能系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)可以分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層、功能層以及表示層，數(shù)控車床智能設(shè)計(jì)平臺(tái)框架圖如圖2所示。

圖2 數(shù)控車床智能設(shè)計(jì)平臺(tái)框架圖

系統(tǒng)顯示界面是使用者與智能系統(tǒng)之間進(jìn)行交流互動(dòng)的主要窗口，使用者的具體設(shè)計(jì)需求、操作過(guò)程等都需要通過(guò)系統(tǒng)界面進(jìn)行輸入，同時(shí)系統(tǒng)的具體運(yùn)行結(jié)果也會(huì)通過(guò)界面及時(shí)反饋給使用者。系統(tǒng)界面是整體設(shè)計(jì)系統(tǒng)中十分重要的組成因素，是溝通使用者與設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主要橋梁。

程序后臺(tái)運(yùn)行主要是指系統(tǒng)界面中的對(duì)話交流框能夠利用后臺(tái)程序進(jìn)行功能操作。程序利用C++語(yǔ)言進(jìn)行編程撰寫(xiě)，通過(guò)遺傳算法、實(shí)例推理、信息檢索、數(shù)據(jù)生成以及參數(shù)化建模等方法實(shí)現(xiàn)運(yùn)行[5]。后臺(tái)運(yùn)行系統(tǒng)是整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行的核心環(huán)節(jié)，是操作指令與數(shù)據(jù)庫(kù)之間有效連接的關(guān)鍵因素。

數(shù)據(jù)庫(kù)主要存放數(shù)據(jù)信息和實(shí)例信息，本研究所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用SQL數(shù)據(jù)庫(kù)，其中包括系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)例數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)控車床零部件性能參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)以及方案實(shí)例數(shù)據(jù)庫(kù)等。數(shù)據(jù)庫(kù)的主要功能就是為系統(tǒng)后臺(tái)操作運(yùn)行提供良好的數(shù)據(jù)信息支持，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行操作后的處理結(jié)果進(jìn)行儲(chǔ)存整合，是整個(gè)數(shù)控車床設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的集成部分[6]。

1.4 數(shù)控車床智能設(shè)計(jì)平臺(tái)功能模塊設(shè)計(jì)

數(shù)控車床智能設(shè)計(jì)平臺(tái)主要包括三部分，分別是零部件參數(shù)化建模、實(shí)例推理設(shè)計(jì)以及遺傳算法方案生成。其中，將零部件參數(shù)化建模與實(shí)例推理設(shè)計(jì)相結(jié)合能夠構(gòu)建智能CAD系統(tǒng)。

遺傳算法模塊主要包括設(shè)計(jì)要求和遺傳算法參數(shù)。將參數(shù)輸入設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，使其進(jìn)行遺傳算法運(yùn)算。設(shè)計(jì)要求的主要功能是為了滿足使用者的基礎(chǔ)功能作用而制定的關(guān)鍵性指標(biāo)參數(shù)，在實(shí)際運(yùn)行中會(huì)參與方案生成環(huán)節(jié)。遺傳算法的參數(shù)包括交叉變異率、觀察間隔時(shí)間、最大基因數(shù)、群體規(guī)模以及終結(jié)遺傳算法運(yùn)行的遺傳代數(shù)等[7]。設(shè)計(jì)要求包括機(jī)床實(shí)際功率大小、產(chǎn)品加工精確度、具體功能與經(jīng)濟(jì)因素的需求以及占地面積等。在設(shè)計(jì)要求和遺傳算法參數(shù)設(shè)定完畢后需要啟動(dòng)基因算法，從而生成機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)設(shè)計(jì)方案，將其通過(guò)系統(tǒng)界面展現(xiàn)出來(lái)。

依據(jù)遺傳算法制訂的設(shè)計(jì)生產(chǎn)方案只是初始的整體系統(tǒng)方案，其中并沒(méi)有對(duì)具體的零部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。將數(shù)控車床中的機(jī)械部分進(jìn)行選取，利用實(shí)例推理尋找過(guò)去的成功案例，將其中的重點(diǎn)知識(shí)與核心體系重新解構(gòu)，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行新產(chǎn)品制造系統(tǒng)的有效設(shè)計(jì)。實(shí)例推理的運(yùn)用主要依靠科學(xué)合理的搜索算法對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中相關(guān)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行全面搜索。比如轉(zhuǎn)塔刀架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，是利用實(shí)例推理進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)資源搜索，在構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)的過(guò)程中將結(jié)構(gòu)屬性參數(shù)和功能屬性參數(shù)進(jìn)行分離操作[8]。其中，參數(shù)輸入界面包括換刀時(shí)間、刀位權(quán)重、刀位數(shù)、中心高度、定位精準(zhǔn)度以及二次定位精準(zhǔn)度等，權(quán)重值可以利用Delphi法以及層次分析方法來(lái)明確。功能屬性參數(shù)與結(jié)構(gòu)屬性參數(shù)相對(duì)應(yīng)，在系統(tǒng)界面修改結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)，系統(tǒng)后臺(tái)程序就會(huì)對(duì)修改后相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)源進(jìn)行調(diào)整更新儲(chǔ)存。依據(jù)使用者的具體需求輸入設(shè)計(jì)要求，權(quán)重值可以使用默認(rèn)權(quán)重，通過(guò)后臺(tái)程序?qū)?quán)重參數(shù)直接傳送至輸入框。結(jié)構(gòu)參數(shù)輸入界面能夠?qū)⒔Y(jié)構(gòu)參數(shù)有效儲(chǔ)存到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中，為系統(tǒng)進(jìn)行三維建模提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

機(jī)械產(chǎn)品制造設(shè)計(jì)需要CAD技術(shù)的大力支持，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)能夠?yàn)橄到y(tǒng)模型生成以及后續(xù)數(shù)據(jù)修改提供有效保障。在實(shí)例推理系統(tǒng)中設(shè)置三維模型構(gòu)建程序，將CAD與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行有效連接，確保CAD系統(tǒng)能夠有效調(diào)動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)資源，以此實(shí)現(xiàn)實(shí)例推理智能CAD系統(tǒng)[9]。同時(shí)，該系統(tǒng)還對(duì)UG開(kāi)發(fā)技術(shù)下的參數(shù)化建模進(jìn)行研究分析，以此實(shí)現(xiàn)UG訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)。應(yīng)用模塊包括用戶界面、應(yīng)用程序以及數(shù)據(jù)庫(kù)模塊，利用UG/Open UIStyler以及UG/Open MenuScript設(shè)計(jì)對(duì)話框與菜單系統(tǒng)；應(yīng)用程序主要利用VC++語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)；SQL數(shù)據(jù)庫(kù)中存放實(shí)例參數(shù)信息。在參數(shù)化建模的過(guò)程中利用MFC AppWizard生成格式為cpp的系統(tǒng)文件，同時(shí)在對(duì)話框中添加回調(diào)函數(shù)，為調(diào)用UG軟件提供DLL格式文件[10]。利用ODBC接口構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)操作，利用MFC AppWizard構(gòu)建工程文件，同時(shí)借助其他系統(tǒng)工具實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的調(diào)用管理，確保能夠?qū)?shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索查詢與連接溝通等操作。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)數(shù)控車床與數(shù)據(jù)庫(kù)之間的有效連接，對(duì)數(shù)控車床的主軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，具體步驟如下。

程序編寫(xiě)與界面設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。界面系統(tǒng)中需要包括輸入界面、菜單、導(dǎo)入模板以及數(shù)據(jù)庫(kù)連接等功能，同時(shí)增加回調(diào)函數(shù)，利用choicdata-func函數(shù)調(diào)動(dòng)MFC對(duì)話框。利用工程向?qū)nigraphics NX AppWizard V1加載數(shù)據(jù)庫(kù)中格式為lib的文件，隨后運(yùn)行zhu-zhou-prt.dll文件。構(gòu)建數(shù)據(jù)源。數(shù)控車床零部件數(shù)據(jù)和實(shí)例信息存放在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中，需要通過(guò)ODBC接口訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，而訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)需要指定DSN，就是構(gòu)建一個(gè)數(shù)據(jù)源。在添加數(shù)據(jù)庫(kù)并測(cè)試成功后需要及時(shí)構(gòu)建數(shù)據(jù)源。

2 結(jié)論

綜上所述，智能設(shè)計(jì)技術(shù)在應(yīng)用中能夠極大程度地提高生產(chǎn)設(shè)計(jì)質(zhì)量與效率，利用大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的精確度與高效性，進(jìn)而推動(dòng)機(jī)械研發(fā)制造行業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展。