KBE在圆孔拉刀三维设计中的应用研究

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Application research of knowledge-based engineering on round broachHU Shijun，YUAN Ming，WANG Ruizhe，ZHANG Dailu，LIANG Dongxu(Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，CHN)Abstract：The paper researches the key technology of knowledge-based engineering(KBE)and the design methodwith KBE based on CATIA V5 and explores a parameterized design method based on KBE.This methodis applied to the 3 d design of round broach and a CAD system of round broach based on KBE is presen-ted.Examples are given to show the reusing and sharing of the design knowledge，and indicate that thismethod can improve the design eficiency and quality。

Keywords：KBE；Round Broach；CATIA；3 D Design圆孑L拉刀具有高效率、高精度、高寿命的特点，被广泛用于孔类零件的成批加工。由于其刃形复杂，参数多计算量大，所以设计周期长，成本高。拉刀设计时要求设计人员根据已有知识对参数进行合理选择，现行 CAD系统大多停留在计算机辅助绘图的层次，不能很好地利用已有知识。文献[1-2]基于 AutoCAD软件开发了拉刀参数化设计计算软件，但仅限于二维建模且设计质量较低。文献[3]在拉刀三维设计中引入智能推理技术，但系统复杂，不便于设计人员使用。本文以 CATIA为平台，将 KBE技术运用到圆孔拉刀的三维设计中，提出了基于 KBE的圆孑L拉刀 CAD系统及其关键技术，实现设计知识的共享和重用。

1 圆孔拉刀的设计特点圆孔拉刀是-种多齿复杂刀具，根据拉削方式不同，可分为分层式、分块式和综合轮切式。主要组成部分有切削部(包括粗切齿、过渡齿及精切齿)、校准部和光滑部(包括柄部、颈部、过渡锥部、前导部、后导部及尾部)E4]。主要参数有齿升量 S 、拉削余量4。、齿距t、同时丁作齿数 Z 、几何参数、容屑槽和分屑槽尺寸以及各部分齿数、直径和长度等。综合轮切式圆孔拉刀· 56 ·粗切部和精切部的齿升量、齿组数和齿距都不同，而且齿上开有相互错开的分屑槽。因此其结构很复杂参数又多，如果每设计-把新的刀具都用三维软件重新建模，需要人工输入很多数据，工作量大，极易出错。

拉刀种类繁多结构各异，但其主要组成部分基本相同，设计过程中大部分工作是重复的。故拉刀的设计知识具有相似性和继承性，全新设计只占其中很小部分，而现行 CAD系统对知识重复利用程度较低。

2 CATIA知识工程的关键技术知识工程(KBE)是通过知识驱动和繁衍，对工程问题提供最佳解决方案的计算机集成处理技术，是领域专家知识的继承、集成、创新和管理，是 CAX技术与AI技术的集成 。KBE的本质是知识的重用”，其关键技术包括知识获娶知识表示和知识利用。CAT-IA V5的知识工程拈包括知识工程顾问、知识 T 程专家、产品知识模板、产品功能优化等 7个工作台。

2.1 知识获取机械产品设计知识主要包括工业标准、设计规则、经验准则、团队技能等，将 KBE技术应用于机械产品的设计就要研究这些知识的特点，将它们中隐含的信耋息快速准确地转化为正规的显示知识，并且存储下来以便企业重用。CATIA主要通过参数化建模、创成式脚本等形式来实现知识获龋2.2 知识表示知识的表示方法有产生式表示法、框架表示法、语义网络表示法、面向对象表示法等。CATIA主要用产生式表示法和面向对象的表示法来表示知识，通过公式(Formulas)、设计表(Design Tables)、规则(Rules)、检查(Checks)、应变(Reactions)、报告(Repots)等形式中的知识工程语言来表示知识 。

2.3 知识利用知识利用也就是知识的推理，即运用已掌握的知识来推理出未知的知识，推理机利用知识库的知识，按照-定的推理策略使问题得以解决。CATIA的推理方法主要有基于知识推理方法(RBR)和基于实例的推理方法(CBR)，RBR通过知识工程顾问和知识工程专家来实现，CBR通过产品知识模板来实现。

3 基于 KBE的圆孔拉刀三维设计3.1 基于 KBE的圆孔拉刀 CAD系统结构基于 KBE的圆孔拉刀 CAD系统结构，如图 1所示，主要组成拈包括人机界面、基于知识的CAD集成系统、拉刀三维设计平台、拉刀知识库等。知识库是系统的核心，存储着设计数据和要求、产品特征、行业标准、设计实例、专家经验以及设计方法等。特征和尺寸关联库对拉刀的三维建镍行特征驱动和尺寸驱动，规则检验库则用行业设计标准和专家经验等对产品的设计进行实时检验，并提出建议，与设计人员进行对话。设计人员则根据建议对产品进行修改，并将修改后的信息存入知识库，实现知识繁衍。

拉刀知识库特征关联库尺寸关联库规则检验库人机界面工 集成系统三维CAD平台图1基于KBE的圆孔拉刀CAD系统结构3.2 圆孔拉刀知识库的建立(1)参数化建模。首先将圆孔拉刀的设计知识表示出来，如图2所示。然后对拉刀进行特征提龋拉I I、 q 卅刀的特征包括几何特征、材料特征、工艺特征等。再将拉刀的各特征分为若干个子特征，如将拉刀几何特征分为刀具基体、容屑槽、分屑槽等子特征，以便于用知识工程语言表示。由于综合轮切式拉刀结构复杂，先根据设计手册等资料建立用户参数，并通过公式建立各用户参数之间的关系，再对拉刀进行参数化建模得到拉刀的三维模型，如图3所示〃模过程中，通过公式与系统参数建立联系，实现参数驱动模型。由于拉刀特征参数较多，需通过创建参数集，如图4所示，根据类型对参数进行重组，方便知识库的管理。

图2 圆孔拉刀的设计知识图3 拉 刀三维模型(2)表格驱动拉刀模型。根据拉刀最新标准 JB/T7962-2010，用与设计有关的数据创建 Excel表格，然后通过 Association建立表中参数与拉刀特征参数的联系，设计人员通过访问表中不同的系列值实现标准拉刀模型的快速修改和更新。用户可以根据产品要求修改表格中的参数值，实现非标准拉刀的快速设计。

(3)创建规则和检查。把拉刀的设计要求、原理、规范、经验等采用核心工程语言 (C-EKL)，比如条件语句if then else”的形式表达，并建立相应的设计规则和检验，使用已定义的特征参数作运算及逻辑判断。通过规则约束拉刀各参数之间的关系，通过检验判断某些条件能否满足要求。对于在-定范围内变化的参数，如齿距t，用规则设置参数范围，解决不能合理选择参数的问题。

(4)创建专家规则库～拉刀容屑槽、分屑槽、材料等特征按照类别放在-起，将涉及到的专家知识用知识工程语言表示出来 ，组成不同层次的规则库、规则集和具体的专家规则或检查，如图5所示。生成的报告(Repons)可以检查出违反标准的情况，与行业标准· 57 ·----落地式铣镗床主轴密封结构改进设计王建利 姜成伟(中捷机床有限公司，辽宁 沈阳 110142)摘 要：介绍了常见的镗床主轴密封结构及其原理，细致分析了-种落地式铣镗床主轴密封结构，找出了其不足之处。并论述 了改进设计方法。

关键词：主轴 密封 气帘 迷宫 甩油环中图分类号：TG502 文献标识码：Amproved design of CNC floor-type-boring-miling machine main shaft seaWANG Jianli，JIANG Chengwei(China Czechoslovakia Machine Tool Co.，Ltd.，Shenyang 1 10142，CHN)Abstract：This Paper introduces the usual structure and principle of boring machine main shaft sea1.It also analy-zes a kind of CNC floor-type boring-milling machine main shaft seal in detail，finds out the deficiency，and provides the improvement measures。

Keywords：Main Shaft；Seal；Air Curtain；Labyrinth；Oil Slinger主轴密封的目的是为了阻止冷却液、切屑、粉尘等污物进入主轴组件内部，同时阻止主轴轴承润滑脂或润滑油外漏。落地式铣镗床属于卧式镗床，其方滑枕及主轴呈水平布置，相对于立式机床而言，这种结构更容易进入杂质，因而对于主轴密封的要求也更高。本文对某型落地式铣镗床主轴密封结构进行了细致分析，找出了其不足之处并加以改进，从而使其性能得以提高。

1 镗床主轴密封结构及其原理介绍常见的镗床主轴密封结构可总结为以下 4类：油沟密封、迷宫密封、甩油环密封、气体密封。这4种密封形式都属于非接触式旋转密封。由于单-的密封形式作用有限，实践中倡几种密封形式组合使用。

油沟密封结构是主轴与轴承压盖间仅保留狭小缝隙，在轴承压盖上开有几道沟槽，利用小问隙的节流效应产生密封作用。这种密封结构简单，但密封效果相对较差 川。

迷宫密封结构由几组袖隙凹凸组合组成。利用流体在经过狭窄而曲折的迷宫时所产生的节流效应来达到密封的目的。根据迷宫凹凸的方向，可以把迷宫分为轴向迷宫和径向迷宫。理论上讲，迷宫间隙越孝长度越长，密封效果越好。但间隙越小，零件加工成本越高，而且在温度升高时容易胀死。关于迷宫间隙的具体取值，很多轴承样本都给出了参考数值，设计者可以结合实际情况来确定。市场上现在也有-些现成的迷宫密封产品可供选用，但价格较贵。

甩油环密封是在主轴上加工 2-3道锯齿形环槽，利用主轴旋转时产生的离心力将流体甩出进行密封。

锯齿形状可以是等边的，也可以是不等边的。当采用不等边锯齿时，锯齿的方向应逆着流体流动方向 J。

气体密封是通过压缩空气在主轴和配合零件之间的缝隙内产生-道向外的气帘，利用风阻实现密封。

主轴前端采用气体密封时，主轴后端也应采用相似结构的气体密封，以保证滑枕内部压力平衡，避免出现大流速空气对流现象。压缩空气应进行净化和干燥 j。

2 主轴密封结构的改进设计图 1、图2为某型落地式铣镗床主轴密封的原始设计方案。从前至后依次采用了气体密封、迷宫密封、计研究[J].机械，2003，30(6)：17-18。

第-作者：胡世军，男，1968年生，副教授，硕士生导师，主要研究方向为成套装备及 自动化、数控技术及精密制造装备、复杂型面精密加工技术。

等 uIJ耳幂朋(编辑 李 静)(收稿 日期：2012-07-09)文章编号：l3o41如果您想发表对本l文的看法。请将襄章绵号填入读者意见谴查表中的相应位置。