KBE在圓孔拉刀三維設(shè)計中的應(yīng)用研究

胡世軍 袁 銘 王瑞哲 張代錄 梁東旭

（蘭州理工大學(xué)，甘肅蘭州 730050）

KBE在圓孔拉刀三維設(shè)計中的應(yīng)用研究

胡世軍 袁 銘 王瑞哲 張代錄 梁東旭

（蘭州理工大學(xué)，甘肅蘭州 730050）

對知識工程（KBE）的關(guān)鍵技術(shù)和CATIA V5的知識工程設(shè)計方法進(jìn)行了研究，探索出一種基于KBE的參數(shù)化設(shè)計方法，將該方法應(yīng)用于圓孔拉刀的三維設(shè)計，提出了基于KBE技術(shù)的圓孔拉刀CAD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，該方法能實現(xiàn)設(shè)計知識的重用和共享，提高設(shè)計效率和質(zhì)量。

知識工程 圓孔拉刀 CATIA 三維設(shè)計

圓孔拉刀具有高效率、高精度、高壽命的特點(diǎn)，被廣泛用于孔類零件的成批加工。由于其刃形復(fù)雜，參數(shù)多計算量大，所以設(shè)計周期長，成本高。拉刀設(shè)計時要求設(shè)計人員根據(jù)已有知識對參數(shù)進(jìn)行合理選擇，現(xiàn)行CAD系統(tǒng)大多停留在計算機(jī)輔助繪圖的層次，不能很好地利用已有知識。文獻(xiàn)［1－2］基于AutoCAD軟件開發(fā)了拉刀參數(shù)化設(shè)計計算軟件，但僅限于二維建模且設(shè)計質(zhì)量較低。文獻(xiàn)［3］在拉刀三維設(shè)計中引入智能推理技術(shù)，但系統(tǒng)復(fù)雜，不便于設(shè)計人員使用。本文以CATIA為平臺，將KBE技術(shù)運(yùn)用到圓孔拉刀的三維設(shè)計中，提出了基于KBE的圓孔拉刀CAD系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)設(shè)計知識的共享和重用。

1 圓孔拉刀的設(shè)計特點(diǎn)

圓孔拉刀是一種多齒復(fù)雜刀具，根據(jù)拉削方式不同，可分為分層式、分塊式和綜合輪切式。主要組成部分有切削部（包括粗切齒、過渡齒及精切齒）、校準(zhǔn)部和光滑部（包括柄部、頸部、過渡錐部、前導(dǎo)部、后導(dǎo)部及尾部）［4］。主要參數(shù)有齒升量 Sz、拉削余量 A0、齒距t、同時工作齒數(shù)Zi、幾何參數(shù)、容屑槽和分屑槽尺寸以及各部分齒數(shù)、直徑和長度等。綜合輪切式圓孔拉刀粗切部和精切部的齒升量、齒組數(shù)和齒距都不同，而且齒上開有相互錯開的分屑槽。因此其結(jié)構(gòu)很復(fù)雜參數(shù)又多，如果每設(shè)計一把新的刀具都用三維軟件重新建模，需要人工輸入很多數(shù)據(jù)，工作量大，極易出錯。

拉刀種類繁多結(jié)構(gòu)各異，但其主要組成部分基本相同，設(shè)計過程中大部分工作是重復(fù)的。故拉刀的設(shè)計知識具有相似性和繼承性，全新設(shè)計只占其中很小部分，而現(xiàn)行CAD系統(tǒng)對知識重復(fù)利用程度較低。

2 CATIA知識工程的關(guān)鍵技術(shù)

知識工程（KBE）是通過知識驅(qū)動和繁衍，對工程問題提供最佳解決方案的計算機(jī)集成處理技術(shù)，是領(lǐng)域?qū)＜抑R的繼承、集成、創(chuàng)新和管理，是CAX技術(shù)與AI技術(shù)的集成［5］。KBE 的本質(zhì)是“知識的重用”，其關(guān)鍵技術(shù)包括知識獲取、知識表示和知識利用。CATIA V5的知識工程模塊包括知識工程顧問、知識工程專家、產(chǎn)品知識模板、產(chǎn)品功能優(yōu)化等7個工作臺。

2.1 知識獲取

機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計知識主要包括工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計規(guī)則、經(jīng)驗準(zhǔn)則、團(tuán)隊技能等，將KBE技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計就要研究這些知識的特點(diǎn)，將它們中隱含的信息快速準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)化為正規(guī)的顯示知識，并且存儲下來以便企業(yè)重用。CATIA主要通過參數(shù)化建模、創(chuàng)成式腳本等形式來實現(xiàn)知識獲取。

2.2 知識表示

知識的表示方法有產(chǎn)生式表示法、框架表示法、語義網(wǎng)絡(luò)表示法、面向?qū)ο蟊硎痉ǖ取ATIA主要用產(chǎn)生式表示法和面向?qū)ο蟮谋硎痉▉肀硎局R，通過公式（Formulas）、設(shè)計表（Design Tables）、規(guī)則（Rules）、檢查（Checks）、應(yīng)變（Reactions）、報告（Reports）等形式中的知識工程語言來表示知識［6］。

2.3 知識利用

知識利用也就是知識的推理，即運(yùn)用已掌握的知識來推理出未知的知識，推理機(jī)利用知識庫的知識，按照一定的推理策略使問題得以解決。CATIA的推理方法主要有基于知識推理方法（RBR）和基于實例的推理方法（CBR），RBR通過知識工程顧問和知識工程專家來實現(xiàn)，CBR通過產(chǎn)品知識模板來實現(xiàn)。

3 基于KBE的圓孔拉刀三維設(shè)計

3.1 基于KBE的圓孔拉刀CAD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于KBE的圓孔拉刀CAD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示，主要組成模塊包括人機(jī)界面、基于知識的CAD集成系統(tǒng)、拉刀三維設(shè)計平臺、拉刀知識庫等。知識庫是系統(tǒng)的核心，存儲著設(shè)計數(shù)據(jù)和要求、產(chǎn)品特征、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計實例、專家經(jīng)驗以及設(shè)計方法等。特征和尺寸關(guān)聯(lián)庫對拉刀的三維建模進(jìn)行特征驅(qū)動和尺寸驅(qū)動，規(guī)則檢驗庫則用行業(yè)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和專家經(jīng)驗等對產(chǎn)品的設(shè)計進(jìn)行實時檢驗，并提出建議，與設(shè)計人員進(jìn)行對話。設(shè)計人員則根據(jù)建議對產(chǎn)品進(jìn)行修改，并將修改后的信息存入知識庫，實現(xiàn)知識繁衍。

3.2 圓孔拉刀知識庫的建立

（1）參數(shù)化建模。首先將圓孔拉刀的設(shè)計知識表示出來，如圖2所示。然后對拉刀進(jìn)行特征提取。拉刀的特征包括幾何特征、材料特征、工藝特征等。再將拉刀的各特征分為若干個子特征，如將拉刀幾何特征分為刀具基體、容屑槽、分屑槽等子特征，以便于用知識工程語言表示。由于綜合輪切式拉刀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，先根據(jù)設(shè)計手冊等資料建立用戶參數(shù)，并通過公式建立各用戶參數(shù)之間的關(guān)系，再對拉刀進(jìn)行參數(shù)化建模得到拉刀的三維模型，如圖3所示。建模過程中，通過公式與系統(tǒng)參數(shù)建立聯(lián)系，實現(xiàn)參數(shù)驅(qū)動模型。由于拉刀特征參數(shù)較多，需通過創(chuàng)建參數(shù)集，如圖4所示，根據(jù)類型對參數(shù)進(jìn)行重組，方便知識庫的管理。

（2）表格驅(qū)動拉刀模型。根據(jù)拉刀最新標(biāo)準(zhǔn)JB/T7962－2010，用與設(shè)計有關(guān)的數(shù)據(jù)創(chuàng)建Excel表格，然后通過Association建立表中參數(shù)與拉刀特征參數(shù)的聯(lián)系，設(shè)計人員通過訪問表中不同的系列值實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)拉刀模型的快速修改和更新。用戶可以根據(jù)產(chǎn)品要求修改表格中的參數(shù)值，實現(xiàn)非標(biāo)準(zhǔn)拉刀的快速設(shè)計。

（3）創(chuàng)建規(guī)則和檢查。把拉刀的設(shè)計要求、原理、規(guī)范、經(jīng)驗等采用核心工程語言 （C－EKL），比如條件語句“if...then...else”的形式表達(dá)，并建立相應(yīng)的設(shè)計規(guī)則和檢驗，使用已定義的特征參數(shù)作運(yùn)算及邏輯判斷。通過規(guī)則約束拉刀各參數(shù)之間的關(guān)系，通過檢驗判斷某些條件能否滿足要求。對于在一定范圍內(nèi)變化的參數(shù)，如齒距t，用規(guī)則設(shè)置參數(shù)范圍，解決不能合理選擇參數(shù)的問題。

（4）創(chuàng)建專家規(guī)則庫。將拉刀容屑槽、分屑槽、材料等特征按照類別放在一起，將涉及到的專家知識用知識工程語言表示出來，組成不同層次的規(guī)則庫、規(guī)則集和具體的專家規(guī)則或檢查，如圖5所示。生成的報告（Reports）可以檢查出違反標(biāo)準(zhǔn)的情況，與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合確保設(shè)計符合已創(chuàng)建的標(biāo)準(zhǔn)，并協(xié)助進(jìn)行必要的修改。拉刀知識得以存儲并能夠讓設(shè)計人員共享，用戶用宏來記錄在知識工程專家中的操作。

（5）創(chuàng)建拉刀知識樣板。通過創(chuàng)建拉刀的超級副本、用戶特征、文檔模板等操作創(chuàng)建拉刀的知識樣板，將拉刀的參數(shù)、關(guān)系、設(shè)計準(zhǔn)則等包含進(jìn)去，實現(xiàn)拉刀產(chǎn)品的實例化，如圖6所示。選擇特定的功能作為拉刀設(shè)計的可更換元件，用戶只需設(shè)定新的參數(shù)和幾何特征，即可自動轉(zhuǎn)換為一把新的拉刀。利用CATIA目錄庫功能，可輕松實現(xiàn)對模板的調(diào)用，極大地提高了設(shè)計效率。

3.3 基于KBE的圓孔拉刀三維設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)

（1）知識獲取。拉刀知識來源于刀具設(shè)計手冊、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計人員經(jīng)驗和同類產(chǎn)品等。

（2）知識表示。由于拉刀知識不僅包括結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等顯性知識，而且還包括專家經(jīng)驗、設(shè)計方法等隱性知識，所以不能采用單一的表示方法。本文采用產(chǎn)生式表示法和面向?qū)ο蟊硎痉ǖ幕旌现R表示模式，用產(chǎn)生式規(guī)則（if－then的形式）來表達(dá)表示拉刀設(shè)計中的具體公式、方法、條件等，同時把拉刀的各種具體特征用對象類的方式進(jìn)行知識處理。

（3）知識推理。由于拉刀知識既有明確的顯性知識，又有不明確的隱性知識，故本文采用RBR和CBR集成推理模式，由知識工程顧問和知識工程專家生成拉刀規(guī)則檢驗庫，由知識工程樣板生成拉刀實例庫。首先用RBR來減小搜索范圍，再用CBR進(jìn)行實例檢索。從實例庫檢索出與設(shè)計目標(biāo)類似的實例，然后比較分析，再對現(xiàn)有實例進(jìn)行修改生成目標(biāo)零件，并將目標(biāo)零件存入知識庫，實現(xiàn)設(shè)計知識的更新和繁衍。

3.4 設(shè)計實例

已知被拉孔直徑D=50+0.025 mm，預(yù)加工孔直徑D0=49 mm，拉削長度l0=80 mm，工件材料為45鋼，拉床型號為L6140A。拉刀分屑槽的截形有U型、V型、圓弧型等，本例選擇窄的圓弧型分屑槽。分屑槽在前后刀齒上交錯排列，其切削深度要大于齒升量，即h＞Sz。通過在表格里選擇不同的系列值或通過規(guī)則來選擇不同的參數(shù)值，使點(diǎn)、線、面等元素根據(jù)變動關(guān)系自動拓?fù)涓拢纯煽焖傩薷膮?shù)，得到不同的特征模型。圖7和圖8為不同參數(shù)值下的分屑槽。

拉刀材料常選擇 W18Cr4V、W2Mo9Cr4VCo8、W6Mo5Cr4V2Al以及與其具有同等性能的高速工具鋼。在知識工程顧問模塊里，創(chuàng)建基于材質(zhì)改變的應(yīng)變，能夠在材質(zhì)改變時提示設(shè)計者，同時創(chuàng)建一個檢查，當(dāng)給拉刀所選材質(zhì)合理時，系統(tǒng)提出警告，實現(xiàn)對刀具材料的檢查。用知識工程樣板建立分別建立分層式、分塊式、綜合輪切式圓孔拉刀的模型，并用CATALOG庫文件管理模型。設(shè)計時根據(jù)需要調(diào)用相應(yīng)類型的拉刀模型，再修改參數(shù)驅(qū)動模型，即可實現(xiàn)拉刀的快速設(shè)計。

4 結(jié)語

本文將圓孔拉刀的設(shè)計知識和CATIA軟件的知識工程模塊相結(jié)合，開發(fā)基于KBE技術(shù)的圓孔拉刀CAD系統(tǒng)，實現(xiàn)了拉刀模型的知識驅(qū)動。設(shè)計經(jīng)驗、同類產(chǎn)品、設(shè)計方法等知識可以及時存入知識庫并更新，使拉刀知識得以共享和重用，同時還能對設(shè)計進(jìn)行檢驗并提出修改建議，實現(xiàn)人機(jī)對話，減少了設(shè)計中的大量重復(fù)性工作，提高了拉刀設(shè)計效率和質(zhì)量。

［1］何慶，張振坤.圓孔拉刀參數(shù)化設(shè)計［J］.林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2003，31（11）：26 －28.

［2］Terry W Robert，Karin Reuven.A knowledge based system for the integrated design and manufacture of round broach tools［J］.Journal of Intelligent Manufacturing，1990，12（1）：77 －91.

［3］廖映華.基于Pro/E的圓孔拉刀智能CAD系統(tǒng)研究與開發(fā)［J］.制造業(yè)自動化，2009，31（8）：176 －183.

［4］四川省機(jī)械工業(yè)局.復(fù)雜刀具設(shè)計手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1979.

［5］趙震，彭穎紅.基于KBE的工程設(shè)計——理論、方法與實踐［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2003（1）：151－153.

［6］陳明星，沈萌紅.CATIA環(huán)境下基于知識的機(jī)械產(chǎn)品參數(shù)化造型設(shè)計研究［J］.機(jī)械，2003，30（6）：17 －18.

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Application research of knowledge-based engineering on round broach

HU Shijun，YUAN Ming，WANG Ruizhe，ZHANG Dailu，LIANG Dongxu
（Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，CHN）

The paper researches the key technology of knowledge－based engineering（KBE）and the design method with KBE based on CATIA V5 and explores a parameterized design method based on KBE.This method is applied to the 3d design of round broach and a CAD system of round broach based on KBE is presented.Examples are given to show the reusing and sharing of the design knowledge，and indicate that this method can improve the design efficiency and quality.

KBE;Round Broach;CATIA;3D Design

TH164

A

胡世軍，男，1968年生，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為成套裝備及自動化、數(shù)控技術(shù)及精密制造裝備、復(fù)雜型面精密加工技術(shù)。

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2012－07－09）

130415