基于KBE的组合机床夹具快速设计系统的研究与开发.pdf

23 2 机械 设 计 与制 造 Ma c h i n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 第 8期 2 0 1 1 年 8月 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 1 0 8 0 2 3 2 0 3 基 于 K B E的组合机床 夹具快速设计 系统的研 究与开发 木 刘德仿 李丽英 周临震 盐城工学院 优集学院， 盐城 2 2 4 0 0 1 南通大学 机械工程学院， 南通 2 2 6 0 1 9 Re s e a r c h a n d d e v e l o p me n t o f r a p i d d e s i g n s y s t e m f o r mo d u l a r ma c h i n e t o o l f i x t u r e b a s e d o n KBE L I U De - f a n g ， L I L i - y i n g 2 , Z HOU L i n - z h e n UG S C o l l e g e ， Ya n c h e n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， Ya n c h e n g 2 2 4 0 0 1 ， C h i n a 2 S c h o o l o f Me c h a n i c s E n g i n e e r i n g ， N a n t o n g U n i v e r s i t y ， N a n t o n g 2 2 6 0 1 9 ， C h i n a 【 摘要】 为提高组合机床夹具的设计质量和效率， 将 K B E技术应用到组合机床夹具的设计流程 中。在对组合机床夹具的结构特点和功能进行分析的基础上 ， 提 出了基于 K B E的组合机床夹具快速设 计系统的设计方案。 利用 N X ／ O p e n二次开发技术以及基于 V S ． N E T集成开发环境开发 出了组合机床夹 具的快速设计系统原型， 该系统通过开放的形式支持设计人员修改设计方案， 实现设计人员与计算机 之间的交互式协同设计。最后 以柴油机缸体加工用夹具为例 ， 验证了基于 K B E的组合机床 夹具快速设 计系统的能够有效地重用设计知识， 保证了夹具产品设计质量， 提高了夹具产品设计的效率。 关键词 K B E； 组合机床夹具； 二次开发； N X ／ Op e n ； VS ． N E T 【 Ab s t r a c t 】T o i m p r o y e t h e d e s i g n q u a l i t y a n d e f fic i e n c y o fm o d u l a r m a c h i n e t o o l fi x t u r e ， K B E t e c h n o l o g y i s a p p l i e d i n t h e d e s i gn p r o c e s s of m o d u l ar m a c h i n e t o o l fi x t u r e ． B a s e d o n t h e a n al y s i s o fs t r u c t u r al f e a t u r e s a n d f u n c t i o n s of mo d u l ar m ach i n e t o o l fi x t u r e ， a d e s i gn p l a nf o r r api d d e s i gn s y s t e m of mo d u l ar m a c h i n e t o o l fix t u r e b a s e d o n K B E W as p r o p o s e d ， i n w h i c h N X ／ O p e n - b a s e d s e c o n d ar y d e v e l o p me n t t e c h n o l o g y and V S ． N E T - b a s e d d e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t w e r e app l i e d t o d e v e l o p t h e m a c h i n e t o o l fi x t u r e r api d d e s i gn s y s t e m． T h e s y s t e m a l l o w s d e s i gn e r s t o r e v i s e d e s i gn t h r o u g h a n o p e n s t y l e and a c h i e v e s i n t e r act i v e c o l l a b o r a t i o n d e s i gn b e t w e e n s d e s i gne r s and c o m p u t e r s ． F i n all y ， a c ase of d i e s e l e n g i n e c y l i n d e r m a n u f act u r i n g fi x t u r e W as e m p l o y e d t o d e mo n s t r at e t h e e f fic i e n c y of k n o w l e d g e r e u s e ， w h i c h h a s g r e atl y i m p r o v e d t h e q u ali t y a n d e f fic i e n c y o f fix t u r e d e s i gn． Ke y wo r d s KBE； M o d u l a r ma c h i n e t o o l fi x t u r e ； S e c o n d a r y d e v e l o p me n t ； NX ／ Op e n ； VS ． NET 中图分类号 T H1 6 ， T P 3 9 1 ．7 文献标识码 A L _ 】 一 1 日 『J舀 组合机床是由大量的通用部件和少量的专用部件组成且工 序集中的高效专用机床。 夹具是根据组合机床的加工工艺和结构 方案及加工件的具体要求而专门设计的， 用于实现加工零件的准 确定位 、 夹压、 刀具的导向、 以及装卸工件时的限位等作用的， 是 整个组合机床设计的重要部分之一l 11 。随着世界范围内的市场竞 争变得 日益激烈， 产品的设计质量与交货周期成为决定企业能否 生存的关键因素， 但目前组合机床夹具设计普遍存在着对有经验 的设计师依赖性大； 设计周期长； 知识可重用性差； 质量不能得到 有效保障等问题， 严重地阻碍了组合机床行业的发展。 K B E K n o w l e d g e B a s e d E n g i n e e r i n g 将人工智能 包括知识 库、 知识规则 、 逻辑推理等 与 C A X系统有机地结合起来 ， 使其 应用对象从几何造型、 分析、 制造延伸扩展到工程设计领域， 其重 点在于知识的重用， 以最陕的速度开发出高知识含量的优质新产 品12 1 。国外很多政府对 K B E给予了的密切关注和大力支持， 多数 发达国家在工业领域广泛引入了K B E技术，并取得了显著的成 就， 减少了重复劳动， 缩短了设计周期， 提高了产品质量。基于目 前组合机床夹具设计过程中所存在的问题与不足， 在此过程中融 入 K B E技术， 在 N X三维 C A D设计软件的基础上开发出专用的 组合机床夹具快速设计系统， 从而使组合机床夹具设计由计算机 辅助设计阶段上升到知识驱动设计阶段。 2 K B E概述 2 ． 1 K B E概念 K B E技术产生于 2 0世纪7 0 年代中期， 在 C A D系统中的应 用由美国人于 1 9 9 8 年最先提出，是 C A X系统发展的新阶段， 是 C A X技术与人工智 A r t i fi c i a l I n t e l l i g e n c e ， A I 技术相结合的产 物， 除了以现在的 C A D技术、 计算机仿真 S i m u l a t i o n 技术、 产品 数据管理 P r o d u c t D a t a Ma n a g e me n t ， P D M 技术为底层技术外， 它 -k 来稿 日 期 2 0 1 0 1 0 1 2 - k 基金项目 江苏省科技攻关项目 B E 2 0 0 7 0 5 4 子课题 第 8期 刘德仿等 基于K B E的组合机床夹具快速设计 系统的研究与开发 2 3 3 还包括知识表示、 建模、 获取、 繁衍、 推理、 集成、 管理等一般技术目 。 基于 K B E技术的开放性， 目前并没有统一的定义。 美国某教授 认 为 知识工程是人工智能的一种技艺， 其运用人工智能的原理和方 法对那些需要专家知识才能解决的应用难题提供求解的手段。恰 当运用专家知识的获取、 表达和推理过程的构成与解释， 是设计基 于知识的系统的重要技术问题； 美国F o r d 汽车公司的J ． A ． P e n o y e r 等人认为 K B E是运用特意积累和存储的知识完成工程任务的计 算机系统， 是利用 A I 、 I T和计算机工具来解决工程问题的方法 ， 它 将设计、 制造和客户相关的知识融合在一起， 实现几何模型的自动 创建。除此之外还有多种不同定义， 在综合分析各种 K B E定义的 基础上通过把 K B E技术引用到快速设计系统开发的过程中， 提出 K B E是个利用领域知识及专家经验进行产品的策划、 开发、 制造 及销售等与产品全生命周期密切相关的过程， 它以知识重用为核 心， 通过将知识融入到C A X与A I 有机集成的系统中， 实现知识与 工具的继承、 集成及产品设计过程的自动化和智能化。 2 ． 2 K B E关键技术及应用 2 ． 2 ． 1知识 的挖掘 知识获取同 是从大量知识源中提取出能够解决问题的有用 知识 ， 并将其存储在知识库中。知识类型分显性知识， 来 自理论、 书本或文献， 是该领域中一些共同的专业知识 ， 该类知识的获取 比较容易； 启发性知识， 即专家解决问题的经验。 知识挖掘不仅将 已有的专家经验、 书本知识经过处理、 抽象转换成知识库中的知 识，通过系统的运行使其中的设计知识不断得到完善与修正， 还 能够从大量的干涉校核与实验测试结果中识别和提取出潜在的 知识 ， 揭示出蕴涵在这些数据背后的内在规律， 为开发设计人员 提供决策支持。 2 ． 2 ．2 知识 的表示 知识表示研究用什么样的方式把解决问题所需要的知识存 储在计算机中， 以方便计算机进行知识处理。知识的表示与知识 的获取、知识推理机制的建立及知识库的实现有着直接的关系， 恰当的知识表示可以使复杂的问题变得简单。 知识表示有多种单 一 的表示方法， 已经不能满足系统开发的需要， 将多种单一表示 方法结合成混合知识表示方法 ， 既克服了单一知识表示的不足， 又发挥了多种表示方式的优点f7 】。 基于组合机床夹具的设计特点， 把几种单一知识表示方法按照本体的原理组成一种基于本体混 合型知识表示方法，把组合机床夹具看作多个个体组成的本体， 方便、 简洁地实现了知识的表示。 2 ． 2 ． 3推理机制的建立 问题的求解过程是一个思维过程， 即推理过程。这就要求系 统必须具有相应的推理机制， 能根据用户提供的已知事实， 通过 运用掌握的知识， 进行有效的推理， 以实现对问题的求解。 推理机 是模仿专家思维方式的核心， 它决定在设计的某个阶段启用哪条 经验规则。结合本体混合型知识表示方法及 O WL 本体描述语 言， 运用实例推理与规则推理所集成的混合推理技术来进行系统 的推理。 同时应用冲突消解策略来消除推理过程中所遇到的推理 冲突问题， 保证推理过程能够顺利、 高效地进行。 2 ． 2 ． 4 知识库 的 实现 组合机床夹具陕 速设计系 统的 水平不仅取决于所获得知识的 表示和运用， 更与知识库中知识的含量与质量有关。设计系统应能 辅助设计 人 员通过对设计知识的逻辑运算产生设计方案， 运用方案 修改规则对设计方案中存在的问题进行调整， 或在已有参考案例能 恰当选择的同时运用案例修改规则对参考案例进行修改， 并能对各 种智能设计过程进行解释等， 以避免设计过程中易出现的错误。 3系统的开发流程 3 ． 1组合机床夹具结构组成及各部分功能 组合机床夹具的各组成部分， 如图 1 所示， 其中定位机构使 加工件对刀具及导向保持正确的相对位置， 另外还要承受加工 件的自身重力和夹压力， 有时还要承受切削力 ； 导向装置用来引 导刀具对加工件进行切削加工； 夹紧机构用来消除工件在加工过 程中因受切削力或 自身重力的作用而产生的移动或振动， 使工件 能继续保持原有的定位； 夹具体把各种装置和元件连接成一个整 体， 和组合机床配合共同完成零件的加工。 支 承 钉 组合机床夹具 定位机构I I 夹具体 l J 导向装置l l 夹紧机构 囊f I ff羹fj ff篓f匿lj蓁jf萋jl萋ff薹fl lj萋 图 l组合机床夹具的结构组成 3 ． 2 N X ／ Op e n技术 联 动 夹 紧 机 构 N X ／ O p e n 是一系列 N X开发工具的总称 ， 是 N X软件为用户 或第三方开发人员提供的最主要的开发工具， 主要有三个模块 N X ／ O p e n A P I 是 N X与外部应用程序之间的接口， 是 N X ／ O p e n提 供的一系列函数和过程的集合； N X ／ O p e n Me n u S c r i p t 是定制菜单 模块 ， 允许用户使用 A S C I I 创建 自己所需要的菜单 ； N X ／ O p e n B l o c k S t y l e r 可以方便地创建与 N X风格完全一致的对话框。 3 ． 3基于 K B E的系统开发流程 图2基于 K B E的组合机床夹具陕 速设计系统的实现路线 通过对组合机床夹具结构和功能的分析， 掌握组合机床夹 具设计知识特点、 设计规则、 设计要求及国内外设计标准， 确定组 合机床夹具的设计流程 、 设计规范， 确定组合机床夹具各零部件 之间的相互关系， 包括装配关系、 几何关系和参数关系 ， 经过收