基于KBE技术的桥式起重机模块化设计系统

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传统的桥式起重机设计是基于经验的多反复性设计过程 ，对设计知识和经验缺乏有效 的整理，会使产 品的设计周期加长 ，成本提高随着经济发展和社会进步，客户对产品的需求向小批量、多品种方向发展。为了应对越来越激烈的市澈争，桥式起重机的设计迫切需要运用新的设计理念来缩短产 品开发设计周期 ，降低产晶成本 ，优化产 性能，提岛 、J 范能力。为 此，将 知识 工 程、汁箅 机辅 助 设计(CAD)和拈化设 汁引入桥式起 机设计11，通过建 立基 于 KBE (Konwl(jd Based Enginem--ing)技术的产品拈化设汁系统，将桥式起重机的相关知识和没计人员在 K其H 作 f1积 累的经验运用到桥式起重机的拈化 设汁巾， 结合三维建模技术实现桥式起重机的设计，闰家科技支撑计划 通用型桥式起重机轻量化设计技术及应用”课题资助 (201 1 BAF1 l B02)- 30- 《起重运输机械》 2013(4)1 系统开发思路及其关键技术研究1.1 系统开发思路该系统设计的流程图如图 1所示。系统集成平台为 Visual Studio.NET，它是-个集成开发环境，集成了 VB、VC等语言。SolidWorks是-款比较优秀的三维机械特征造型软件，选择 SolidWorks2010作为 CAD设计平台。该系统在 Visual Studi-O.NET平台上通过 VB语言调用 SolidWorks的 API函数来实现对SolidWorks的二次开发。该系统采用Excel软件作为外部数据库。它能够与 SolidWorks实现无缝连接，且二次开发简便。数据主要包括桥式起重机界面主参数、桥式起重机各拈选择参数、自动装配参数、各零部件结构驱动参数和自动生成或调整二维工程图的字符串参数等。

系统集成平台(Visual Studio NET)知识管理系统--] ] 广LI基于知识的l l知识库IlI拈化设计1 .二]匕 --1- I设计知识库 l 霹I拈组合l l塞 壁，............. ..- I装配零部件 I l 修改模型 l l调整工程图 I I工程图自动生成----r-- ◇ 圃 图 1 系统设计流程图N系统开发的思路是 ：首先，根据设计知识和专家经验对桥式起重机进行拈划分，整理设计方法，建立桥式起重机设计知识库系统，输出计算文件。其次，利用三维设计软件 SolidWorks建立产品各级拈的三维模型和二维工程图库，并提取驱动各个拈的尺寸参数，形成变量驱动文件，存放在外部数据库 Excel中。最后，通过用户界面上主参数的确定，选择不同子拈进行动态装配，利用计算文件和变量驱动文件修改三维模型得到目标模型，并对相应的工程图进行调整并动态生《起重运输机械》 2013 (4)成二维图纸。

1.2 拈化技术在桥式起重机中的应用拈是具有特定功能的基本单元，它具有标准化、系列化、互换性等特点 J。拈化设计主要包括拈划分和拈组合。拈划分是指按照- 定的原则将复杂的产品或部件划分成具有简单功能且相互独立的拈。经过拈划分后的产品如图2所示。拈组合是拈划分的逆运算，通过选择不同的拈组合得到更多功能相同但结构不同的产品，将图 2倒置即可得到产品的拈组合图图2 产品拈划分图该系统按照功能分析原则将桥式起重机划分为 5个-级拈，分别是控制、起升机构、运行机构和主梁拈，如图3所示。

由 由 圆i巨电动机 l缓冲器I- 吊钩减速器 l车轮组I- 横梁制动器l- J端梁 I- .滑轮组卷简组l- I驱动机构 -安全拈图3 桥式起重机整机拈化分二级卷筒组拈属于-级拈起升机构，然后再将其进-步划分为联轴器、卷筒、轴承座和钢丝绳压板 4个三级拈，如图4所示。

图5中，将三级拈 中的卷筒拈划分为卷简体、右半轴和法兰板 3个 四级拈。单层缠绕卷筒体有单层缠绕单联卷筒体和单层缠绕双联卷简体 2种；右半轴有 A型右半轴和 B型右半轴之- 31 - -卷简组联轴器I I卷简 I l轴承座I l压钢丝绳拈法兰板卷简体右半轴A刭轴承座B型轴承座图4 卷筒组部件拈划分分；法兰板由所选的联轴器类型决定，有球铰联轴器法兰板、球面滚子联轴器法兰板和鼓形齿联轴器法兰板 3种类型。

1.3 KBE技术在桥式起重机中的应用KBE即基于知识的工程，其本质是在1-程设计中重用已有的知识和经验。KBE是对领域专家知识的继承、集成、创新和管理，利用人工智能和 CAD技术结合，建立表示和处理知识的产品模型，并通过知识驱图 5 卷筒部件拈划分动和繁衍，对工程问题提供最佳解决方案的计算机集成处理技术。

1)知识获取通过知识工程师和领域专家交流设计经验，以及从产品设计国家标准、行业标 准、企业标准、设计规范等书籍中将知识提取归纳出来的过程，就完成了桥式起重机知识的获龋以桥式起重机起升机构为例说明知识获取 的过程如表 1所示表1 起升机构拈知识获取表桥式起重机拈 知识对象 知识内容 知 识 来 源钢丝绳最大T作静拉力的汁算 起重机设计手册钢丝绳 钢丝绳选用计算 GB/T 3811-20o8 起重机没计规范钢丝绳选用 GB/T 8918-2006 重曼用途钢丝绳 、々家经验 知以卷筒组构造简罔 领域专家经验与知识总结卷筒组 卷筒组子拈划分与结构形式 领域专家经验与知识总结、零部件样本起 卷筒转速确定 起重机设计手册升模 电动机静功率计算 GB/.r 381 l-2008 起重机设汁规范块 电动机 电动机型号选择 电动机样本 ，专家经验及知识电动机发热与过载校核 GB/T 381 l-2008 起重机设计规范减速器传动比计算 机械设计 本知识减速器减速器型号选择 减速器样本、 家经验与知j制动器制动力矩计算 机械设计荩础知识制动器制动器型号选择 制动器样本、专家经验与知识2)知识表示将通过知识获取途径归纳出的桥式起重机的设计知识用计算机能够识别的语言编写成程序代- 32 - 码，即可完成知识表示。知以表示有很多力法，如谓词逻辑表示法、产生式规则表示法 、面向对象表示法等。在该系统中，主要采用了产生式规《起重运输机械》 2013 (4)--鹏lI--l----则表示法。产生式规则表示法的基本格式为：IFCondition THEN Action。如果 Condition满足前提条件，那么就执行 Action操作。

3)知识推理根据桥式起重机系统界面的输人参数运行程序，调用后台数据库，输出计算结果，重建三维模型，生成或调整工程图的过程就是桥式起重机拈化设计系统的知识推理机制。在该系统中，主要采用了基于规则的推理。根据推理前提条件不同，该系统将基于规则的推理分为数据驱动规则推理、目标驱动规则推理和混合驱动规则推理。混合驱动推理为数据驱动和目标驱动规则推理的组合。

① 数据驱动规则推理的-般形式为：已知变量 a，b，C和函数厂，gIf a>b ThenCfbq(C)End If② 目标驱动规则推理的-般形式为：已知变量 m，L， 和函数厂( )，q( )If str枚举类型 1 ThenLf(x)ElseIf str枚举类型2 ThenLq(X)End If数据驱动规则推理实例以卷筒组合应力校核为例说明。

已知条件：卷筒组合应力值和卷筒材料的许用应力W hile or >ortt2盯 ( F。×1 ooo)/(tP(1-t/Dd)) 16 000F Dd(L-LG)/(PI(Dd -D ))f 16 000F。D Dd/(PI(Dd -D ))盯：Sqrt((盯 盯 ) 3f：)End while目标驱动规则实例以卷筒体长度计算为例说明。已知条件：卷筒体类型分为单层缠绕单联卷筒体和单层缠绕双联卷简体 2种类型。

If drumwindtype”单层缠绕单联卷筒体”ThenLmin(ZZAZs)P2LYElseIf drumwindtype”双层缠绕单联卷简体”Then《起重运输机械》 2013(4)Lmin2(ZZAZs)P2LYLcEnd If1.4 CAD技术在桥式起重机中的应用本文采用的 CAD设计平台是全参数化的三维机械特征造型软件 SolidWorks。通过 SolidWorks的特征建模功能建立桥式起重机的各个底层零部件，对零部件进行装配形成桥式起重机的各级拈，同时利用 SolidWorks工程图功能建立零部件的工程图。图6为卷筒部分子拈的三维模型图，其中图6a为单层缠绕单联卷简体，图6b为单层缠绕双联卷简体 ，图 6c为 A型右半轴，图 6d为 B型右半轴。通过 VB语言调用 SolidWorks的 API函数实现对 S01idWorks的二次开发，通过动态装配各零部件形成桥式起重机的各级拈，从而实现不同拈的自动装配，以及产品的横系列拈化设计。修改模型的各个尺寸实现产品的纵系列拈设计。

(b)2 实例图6 卷筒子拈三维图从卷筒子拈选择框 中选择卷筒体形式、法兰板类型和右半轴的形式，卷筒子拈示意图中会出现相应的零部件示意图，填写卷筒拈设计所需参数值，点击生成拈 ，后台程序将计算出各子拈的尺寸并进行校核，输出计算文件到外部数据库 Excel中，调用三维软件 SolidWorks实现动态装配和尺寸参数的修改，完成卷筒拈的生成。卷筒体形式有2种，法兰板类型有 3种，右半轴形式有 2种，可以组合出 12种基本卷筒类型，实现卷筒部件的横系列拈化。然后再对 l2种基本模型进行尺寸修改，实现卷筒部件的纵系列模块化。图7列举了其中2种卷筒形式，图 7a为 A型右半轴球铰联轴器双联卷筒，图 7b为 B型右半- 33 - 轴球面滚子联轴器单联卷筒。点击生成工程图将对卷筒子拈的工程图进行调整并 自动生成卷筒拈的工程图。

图7 卷筒拈i维图3 结论本文以卷筒拈为例，建立了基于 KBE技术的的拈化设计系统，并对建立系统所需的知识工程技术、计算机辅助设计技术和拈化技术进行了较为详细的讨论。实践证明，应用此系统可显著提高设计效率，缩短设计周期，并以较少的资源实现产品的多样性设计。同时，通过开发该系统，为基于知识的工程产品拈化设计提供了理论基赐实践经验 。