基于知識的拖拉機(jī)變速箱智能化設(shè)計系統(tǒng)研究

李春燕，石小龍，劉德仿，王　斌

(1.鹽城工學(xué)院 機(jī)械優(yōu)集學(xué)院，江蘇 鹽城　224001；2.江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江　212013)

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基于知識的拖拉機(jī)變速箱智能化設(shè)計系統(tǒng)研究

李春燕1，石小龍2，劉德仿1，王斌1

(1.鹽城工學(xué)院 機(jī)械優(yōu)集學(xué)院，江蘇 鹽城224001；2.江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212013)

摘要：為了實(shí)現(xiàn)知識的積累、繼承和重用，縮短設(shè)計周期，降低設(shè)計成本，減少重復(fù)勞動，以變速箱為研究對象，將知識工程技術(shù)運(yùn)用到變速箱設(shè)計流程中。在研究了知識表示、知識推理等變速箱智能設(shè)計基礎(chǔ)上，以NX為平臺開發(fā)了基于KBE技術(shù)的變速箱智能化設(shè)計系統(tǒng)，并且結(jié)合了變速箱實(shí)例驗(yàn)證該系統(tǒng)的可靠性和有效性。

關(guān)鍵詞：變速箱；知識工程；智能化設(shè)計；拖拉機(jī)

0引言

在拖拉機(jī)的傳動系統(tǒng)中,變速箱的零件占了很大一部分,是拖拉機(jī)產(chǎn)品設(shè)計中新工藝采用最多的部分。其與制動器、動力輸出軸傳動、后橋、四輪驅(qū)動(前橋除外)及其它一些部件組成傳動系，主要是將發(fā)動機(jī)輸出的高轉(zhuǎn)速低轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換為動力輸出軸和驅(qū)動橋的低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩[1]。變速箱的設(shè)計對傳動系統(tǒng)的質(zhì)量、壽命和成本起著決定性的作用，設(shè)計方法的優(yōu)劣直接關(guān)系著產(chǎn)品的質(zhì)量、研制周期和成本。目前，我國對于變速箱的設(shè)計主要還停留在手工設(shè)計方面，且存在著大量的重復(fù)勞動，所以開發(fā)出一套智能化設(shè)計系統(tǒng)很有必要。

在總結(jié)了以往變速箱的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、專家經(jīng)驗(yàn)等設(shè)計知識的基礎(chǔ)上，將知識工程運(yùn)用到變速箱的設(shè)計中，實(shí)現(xiàn)了變速箱知識的積累、繼承和重用。同時，利用NX二次開發(fā)工具NX/Open API及相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)變速箱知識庫的建立，結(jié)合實(shí)例推理和規(guī)則推理機(jī)制，開發(fā)出基于知識的變速箱智能化設(shè)計系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品的快速配置。

1變速箱智能化設(shè)計系統(tǒng)

1.1　變速箱智能設(shè)計系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

變速箱智能設(shè)計系統(tǒng)分為3層，分別是界面層、功能層和基礎(chǔ)層。界面層具有友好的人機(jī)交互界面，方便用戶在操作時與系統(tǒng)交流，并且引導(dǎo)用戶完成變速箱系統(tǒng)的設(shè)計過程；功能層包括方案設(shè)計模塊、知識管理模塊等，可有效地將知識模塊和其他模塊融合，由知識來驅(qū)動產(chǎn)品的設(shè)計；基礎(chǔ)層主要是由規(guī)則庫、實(shí)例庫及數(shù)據(jù)庫等組成[2]。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　變速箱智能設(shè)計系統(tǒng)框架

1.2　變速箱智能化設(shè)計系統(tǒng)流程

開發(fā)智能設(shè)計系統(tǒng)的第1步是需求分析。拖拉機(jī)變速箱智能化設(shè)計系統(tǒng)會根據(jù)客戶的選型需求，確定總體的設(shè)計參數(shù)，進(jìn)而將這些需求和設(shè)計參數(shù)傳到智能化設(shè)計系統(tǒng)當(dāng)中。變速箱智能化設(shè)計系統(tǒng)的流程圖如圖2所示。首先，系統(tǒng)在獲取了界面輸入的參數(shù)后，會在實(shí)例庫中進(jìn)行一級檢索，搜索出幾個相似實(shí)例，并通過推理判斷選擇出最佳的實(shí)例；若搜索無結(jié)果，就需要根據(jù)導(dǎo)航一步步完成設(shè)計。在初步方案生成后，再進(jìn)行虛擬裝配、干涉檢驗(yàn)、運(yùn)動仿真及結(jié)構(gòu)力學(xué)分析等，如果滿足需求，系統(tǒng)會自動生成相關(guān)的工程圖、BOM表及相關(guān)的技術(shù)文檔等。最后，由知識評價系統(tǒng)判定新的實(shí)例是否要添加到實(shí)例庫當(dāng)中，以便共享和重用。

圖2　變速箱智能化設(shè)計系統(tǒng)流程圖

2關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

2.1　變速箱設(shè)計系統(tǒng)KBE技術(shù)的研究

2.1.1知識獲取

知識獲取的主要目的是從不同的知識來源中獲取知識來構(gòu)建知識庫，是知識工程領(lǐng)域的瓶頸問題[3]。產(chǎn)品的設(shè)計知識是智能化設(shè)計系統(tǒng)的基礎(chǔ)組成部分，也是最為關(guān)鍵的部分，系統(tǒng)的完善度很大程度上取決于知識的質(zhì)量和數(shù)量。獲取知識的方式主要有3種：①設(shè)計人員從領(lǐng)域?qū)＜夷抢铽@取和變速箱相關(guān)的知識，且以正確的形式存儲到知識庫當(dāng)中。②變速箱領(lǐng)域的專家將自己的知識由知識編輯器存入相關(guān)知識庫當(dāng)中，在這種方法當(dāng)中，知識編輯器提供了一個對話界面，專家按照要求輸入知識。③通過知識學(xué)習(xí)器自動獲取知識[4]。

2.1.2知識表示

知識工程領(lǐng)域?qū)＜医?jīng)過長期的歸納總結(jié)，給出知識表示的含義：用計算機(jī)的符號表達(dá)方式將人類在認(rèn)知客觀世界時產(chǎn)生的知識表示出來[5]。常用的知識表示的方法有面向?qū)ο蟊硎痉?、產(chǎn)生式表示法、框架表示法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)表示法等。每種方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)，適用領(lǐng)域也不一樣。表1為幾類知識表示方法的優(yōu)缺點(diǎn)及范圍的比較。

變速箱智能化設(shè)計系統(tǒng)知識結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，采用單一的表示方法不能準(zhǔn)確、有效地表達(dá)這些知識。特別是結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，它不但有零件的具體結(jié)構(gòu)，而且還有其加工、裝配等問題。在對變速箱的設(shè)計知識進(jìn)行分類及對各知識表示方法進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，采用以面向?qū)ο鬄橹?，過程式、產(chǎn)生式及其他表示方法為輔的混合式知識表示方法，完成變速箱的設(shè)計知識的描述。

表1　常用知識表示方法的比較

2.1.3知識推理

推理的作用是查找相似的實(shí)例，且給出修改意見，實(shí)際是模仿人類進(jìn)行類比推理的模式。對于基于知識的拖拉機(jī)變速箱智能設(shè)計系統(tǒng)來說，盡管設(shè)計的參數(shù)很多，但只需選定幾個對結(jié)構(gòu)影響最大的參數(shù)作為實(shí)例推理判斷的主參數(shù)，通過加權(quán)定量計算出相似系數(shù)的方法即可找到相似實(shí)例。具體推理過程如圖3所示。

在輸入相關(guān)的參數(shù)后，用戶可在界面上查詢到變速箱的整體設(shè)計方案，并在此基礎(chǔ)上修改完成設(shè)計。如果實(shí)例檢索相似度較低時，系統(tǒng)會結(jié)合規(guī)則推理，通過實(shí)例推理和規(guī)則推理結(jié)合的方式分別完成各部件的設(shè)計，最終一步步完成變速箱的裝配?；旌贤评淼姆绞娇梢蕴岣邷?zhǔn)確性和推理的效率，可以更好地實(shí)現(xiàn)變速箱的智能化設(shè)計。

圖3　變速箱智能化設(shè)計推理機(jī)制過程

2.1.4知識庫的構(gòu)建和操作

知識庫又稱為人工智能數(shù)據(jù)庫，是人工智能(AI)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(DB)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合[6]。變速箱智能設(shè)計系統(tǒng)知識庫主要由實(shí)例庫、規(guī)則庫、模型庫、設(shè)計知識庫和數(shù)據(jù)庫組成。實(shí)例庫中存放的以前設(shè)計成功的案例，均是經(jīng)過實(shí)踐證明正確的、可行的，可以作為后期設(shè)計的基礎(chǔ)；而規(guī)則庫中存放的是長期生產(chǎn)實(shí)踐積累下來的經(jīng)驗(yàn)公式和取值規(guī)則等，由多個子規(guī)則庫構(gòu)成。這些知識庫在變速設(shè)計過程中起到約束和指導(dǎo)設(shè)計的作用。在進(jìn)行知識庫的構(gòu)建時，將知識進(jìn)行收集、整理并且歸納成解決問題的策略，使以一定的形式放在特定的數(shù)據(jù)庫或文件夾中讓用戶檢索。

知識庫操作主要是對知識的檢索、修改和檢查等操作。對于變速箱智能化設(shè)計系統(tǒng)，還可以處理各知識庫間的協(xié)同和集成關(guān)系。

2.2　變速箱智能化設(shè)計系統(tǒng)二次開發(fā)工具

本文所研究的基于知識的變速箱智能化設(shè)計系統(tǒng)是建立在人機(jī)交互的基礎(chǔ)上、基于系統(tǒng)框架搭建起來的。變速箱智能化設(shè)計系統(tǒng)是在Windows環(huán)境下運(yùn)行的，以VC++為開發(fā)語言，結(jié)合SQL Server 2008、Visual Studio 2010及NX自帶的多樣化的二次開發(fā)工具對NX9.0進(jìn)行二次開發(fā)。NX/Open是一系列UG開發(fā)工具的總稱，它提供的開發(fā)工具主要包括NX/Open API、NX/Open GRIP、NX/Open UIStyler及NX/Open MenuScript，如表2所示[7]。NX/Open API是比較常見的開發(fā)工具，是NX與外部應(yīng)用之間的接口，是NX/Open提供的函數(shù)和過程的集合。NX/Open MenuScript主要用來定制菜單，用戶可以使用ASCⅡ文件編輯NX系統(tǒng)或創(chuàng)建菜單。

表2　UG/Open開發(fā)模塊

3變速箱智能化設(shè)計系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1　變速箱智能化設(shè)計系統(tǒng)的運(yùn)行操作

拖拉機(jī)變速箱智能化設(shè)計系統(tǒng)是通過系統(tǒng)的人機(jī)交互界面為橋梁，連接設(shè)計人員和領(lǐng)域?qū)＜?；設(shè)計人員根據(jù)設(shè)計要求，按照系統(tǒng)提示，輸入相關(guān)的初始條件和設(shè)計參數(shù)來完成變速箱系列產(chǎn)品的設(shè)計。設(shè)計過程分為兩個部分：整體設(shè)計和子系統(tǒng)設(shè)計。設(shè)計人員可以在兩種模式間自由切換，設(shè)計過程變得自由靈活。變速箱快速設(shè)計原型系統(tǒng)主菜單如圖4所示。

圖4　變速箱快速設(shè)計原型系統(tǒng)主菜單

3.2　變速箱智能化設(shè)計系統(tǒng)實(shí)例

變速箱智能化設(shè)計系統(tǒng)會根據(jù)設(shè)計人員的需求從實(shí)例庫中檢索是否有相似的實(shí)例。如果實(shí)例庫中存在相似的實(shí)例，就直接在此模型基礎(chǔ)上進(jìn)行修改設(shè)計；若檢測不到相似的實(shí)例，設(shè)計人員就需要對每個部件進(jìn)行參數(shù)的定制。當(dāng)每個部件設(shè)計完成之后，系統(tǒng)會按照UG WAVE的總體控制結(jié)構(gòu)完成裝配，得到整個變速箱的參數(shù)化模型，最終實(shí)現(xiàn)了變速箱的變形設(shè)計。

點(diǎn)擊系統(tǒng)菜單欄“變速箱快速設(shè)計原型系統(tǒng)”，在下拉菜單中選擇“變速箱主參數(shù)設(shè)計”界面，系統(tǒng)會彈出圖5所示的主參數(shù)輸入界面；輸入相關(guān)參數(shù)，最后完成變速箱主參數(shù)設(shè)計；最后依次完成變速箱快速設(shè)計原型系統(tǒng)里其它設(shè)計選項(xiàng)，最終完成總體的設(shè)計。

圖5　主參數(shù)輸入界面

4結(jié)論

介紹了變速箱的產(chǎn)品特點(diǎn)和設(shè)計現(xiàn)狀，探討了設(shè)計系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法與過程，在智能化設(shè)計系統(tǒng)開發(fā)的過程中，采用了UG二次開發(fā)技術(shù)、C++編程和參數(shù)化建模技術(shù)。所設(shè)計的智能化設(shè)計系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)變速箱的快速設(shè)計，提高了設(shè)計效率，實(shí)用性強(qiáng)，為其它產(chǎn)品的智能設(shè)計提供了一定的借鑒。

參考文獻(xiàn)：

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Research on Intelligent Design System for Tractor Gearbox Based on Knowledge

Li Chunyan1, Shi Xiaolong2, Liu Defang1, Wang Bin1

(1.Mechanical UGS College of Yancheng Institute of Technology , Yancheng 224001, China ; 2.School of Automobile and Traffic Engineering of Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

Abstract：In order to achieve the accumulation, inheritance and reuse of knowledge, shorten the design cycle, reduce design cost , reduce duplication of effort, with the gearbox for the study, the knowledge engineering technology was applied to the design process of gearbox. After studying the intelligent design technology of knowledge representation and knowledge inference, then a intelligent system for gearbox was designed by integrating the technologies of Knowledge Based Engineering based on the NX platform, and an example of gearbox was used to verify its validity and reliability.

Key words：gearbox; knowledge based engineering; intelligent design; tractor

中圖分類號：S219.032.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)10-0250-04

作者簡介：李春燕(1980-)，女，石家莊人，講師，碩士，(E-mail)hxmoob@163.com。通訊作者：石小龍(1991-)，男，江蘇南通人，碩士研究生，(E-mail)381268703@qq.com。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51405420)；江蘇省產(chǎn)學(xué)研前瞻性創(chuàng)新資金項(xiàng)目(BY2015057-38)

收稿日期：2015-09-19