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基于知识工程的数控刻楦机设计系统刘岩1，童水光2，徐立1(1 浙江大学化工机械研究所，浙江杭州3 l 0 0 2 7；2 浙江大学热工与动力系统研究所，浙江杭州3 1 0 0 2 7)摘要：诠释了知识工程(K B E)概念，并对K B E 系统的推进过程进行了探讨采用模糊推理策略完成了知识库的创建，以U n i g r a p h i c 8 为平台基于知识熔接(K F)技术开发了基于K B E 的刻楦机结构设计系统综合运用知识工程技术、虚拟设计技术等，研究了其计算机辅助概念设计(C A c D)流程及各应用子系统的功能结构刻楦机刀具设计系统解决方案实例中，模糊推理与知识熔接相结合，方便的模糊修改以及K F 系统的模型自动生成实现了快速设计该系统从一定程度上实现了刻楦机的智能设计，积累了设计经验和知识，缩短了产品生命周期关键词：刻楦机；知识工程；虚拟设计；模糊推理；知识熔接中图分类号：I 玛9 1文献标志码：A文章编号：1 6 7 1 7 7 7 5(2 0 0 8)0 4 0 2 8 8 0 5S h o el a s tN Cm a c h i n ed e s i g ns y s t e mb a s e do nK B EL，uy a 儿1，7 D，v G5 讫“i g M 口尹，x u 厶1(1 I n 8 t i t u t eo fC h e m i c a lM a c h i n e r y，z h e j i 锄gu n i v e 伟i t y，H a n 铲h o u，z h e j i 柚g3 1 0 0 2 7，C h i n a；2 I n s t i t u t e0 fn e m a lE 幛n e e r i n ga n dD y n 踟i cs y s t e m，z h e j i a n gU n i v e r s i f y，H 锄础o u，Z h e j i 硼g3 1 0 0”，C h i n a)A b s t r a c t：T h ec o n c e p to ft h ek n o w l e d g e b a s e de n 西n e e r i n g(K B E)w a sa n n o t a t e d T h ea d v a n c e m e n to ft h eK B Es y s t e mw a sd i s c u s s e d T h es h o el a s ts t r u c t u r ed e s i g ns y s t e mb a s e do nK B Ew a sd e v e l o p e db yu s i n gk n o w l e d g ef u s i o n(K F)o ns o f t w a r eU n i g r a p h i c s 7 r h ek n o w l e d g eb a s ew a sb u i hw i t ht h ef u z z yi n f e r e n c es t r a t e g y T h ep m c e s s e so fc o m p u t e ra i d e dc o n c e p t u a ld e s i g na n df u n c t i o n a ls t r u c t u r e so fi t ss u b _ a p-p l i c a t i o ns y s t e m sw e r es t u d i e db yt h et e c h n o l o g ys u c ha sK B E，v i r t u a ld e s i g n，a n de t c W i t ht h et 0 0 1d e s i g ns y s t e mo fs h o el a s ta se x a m p l e，t h em o d e lw a sg e n e m t e da u t o m a t i c a l l yi nK Fs y s t e m 1 1 1 1 er a p i dd e-s i g nw a sa c h i e v e db yc o n v e n i e n tf u z z ym o d i f i c a t i o na n db yc o m b i n i n gI u z z yi n f 奄r e n c ea n dK Ft o g e t h e r T h es y s t e mp m v i d e sap r a c t i c a la p p m a c ht os h o n e np m d u c t1 i f ee y c l ea n dp r e s e r v ed e s i g ne x p e r i e n c ea n dk n o w l e d g e K e yw o r d s：s h o e1 a s t；k n o w l e d g e _ b a s e de n 舀n e e r i n g(K B E)；v i n u a ld e s i g l l；f u z z yi n f e r e n c e；k n o w l e d g ef u s i o n(K F)当前的C A x 系统大多无法融入领域设计原理和知识、同类设计以及专家经验等，无法实现知识型资源的重用，设计者仍需进行大量的重复性设计工作，延长了设计时间这种产品生命周期的离散性迫使寻求无缝技术解决方案知识工程(K B E)提供了一种新的战略方法，K B E 系统通过面向对象的计算机语言描述在I c A D 软件中得到发展应用，通过工程知识驱动产品设计过程来弥足C A x 系统工程中K B E 系统在不同的没计团队之间形成标准化设计规则，利用软件工具和技术捕获、重用企业的智能资收稿日期：2 0 0 7 0 9 2 5基金项目：浙江省重大科技攻关项目(0 2 1 l O l 5 6 8)作者简介：刘岩(1 9 8 2 一)，男，河北沧州人，博士研究生(k i n g z j u e d u c n)，主要从事C A D c A E c A M 等研究童水光(1 9 6 0 一)，男，浙江衢州人，教授，博士生导师(c e t o n g s g z j u e d u c n)，主要从事c A D c A E c A M 等研究 1 2 8 9】产以及产品专业技术，提高了产品T(t i m e)，Q(q u a 一1 i t y)，c(c o s t)，s(s e n r i c e)，E(e n v i m n m e n t)等指标制造业公司引进K B E 系统势在必行【l。4 文中通过对知识工程的研究，用知识驱动的深层设计理念建立刻楦机总体设计K B E 系统，缩短了刻楦机设计开发的生命周期K B E 的概念及内涵K B E 是A I(a r t i f i c i a li n t e U 蟾e n c e，包括知识库、知识规则、逻辑推理等)与c A x 系统的有机结合体，是多技术交叉、渗透与集成建立的新型开放式技术，迄今为止尚未建立完备的体系，定义也尚无公认文中综合分析众多学者和公司的观点【5】，对其进行了诠释：K B E 是利用A I 技术，寻求并记录用来策划设计和完成产品、项目的知识，通过规划、提取、抽象、描述、建模分析以及信息重用将领域知识和设计经验基于逻辑条件规则融于设计系统，实现知识与工具的继承、集成，达到快速最优化设计一个有效K B E 系统由产品设计专业知识、开发设计规则的过程设计专业知识、K B E 系统的程序设计能力、结构解决专业知识、系统集成专业知识等必要组成K B E 系统推进过程如图1 所示，通过对现存设计及规则的研究，捕捉设计意图，构架K B E 自动设计过程，构建数学模型，创建应用程序，利用C A x 和P D M 系统集成K B E 应用捕捉设计意图构建C A D 数学模型发布设计零部件图lK B E 系统推进过程F i g 1D e v e l 叩m e n to fK B Es y s t e m2 基于K B E 的刻楦机结构设计系统刻楦机总体设计大体分为机械结构设计和数控系统设计，涉及c A D C A M C A E、结构与强度、机械设计、材料、自动控制等多学科领域利用K B E 技术在总体设计阶段分析刻楦机(广义上的铣床)领域知识及设计经验，预测系统的运动杼陛，对于减小开发风险、缩短刻楦机开发的产品生命周期具有十分重要的意义文中综合运用K B E 技术、虚拟制造技术、C A x 技术等先进制造技术，构建了基于K B E 的刻楦机结构设计系统(不含数控系统)，如图2所示丽阐应用模块 机床本体虚q 1拟设计系统分幽，(C A D)人机对话模块布式幽义U刻楦机系统异人构 知“oe O a e 机_ 用计、vN yo _、y界、1户算邕蚓识口辅助设计面机复分析系统硬丽闻库(C A E)件d I性能评估零部件库l1l系统o图2 基于K B E 的结构设计系统F i g 2S t m c t u r ed e s i g ns y s t e mb a s e d 衄K B E2 1 基于K B E 的刻楦机C A C D 设计流程C A C D(c o m p u t e ra i d e dc o n c e p t u a ld e s i g n)计算机辅助概念设计是通过计算机辅助设计人员实现从产品开发需求到求得功能原理理解的映射设计流程分解为“方案的策划、分析、评估、整调”4 项子活动“策划”：在设计初期，对市场、用户进行调研确定设计需求，根据机理初定整机及主要零部件的功能、运动方式，编写设计任务书，进行总体设计计算通过设计团队的创新研发以及借鉴他人经验初步确定结构形状，基于u G 操作平台，利用K B E 在u G 中的集成知识熔接技术推理机，进行几何模块的参数化虚拟设计(包括建模、装配、优化等工作)设计中重用知识库中的各种知识和规则驱动、选择和装配相应的模型，同时生成的规则也可以动态扩充知识库部装之后确定整机必要尺寸并进行整机装配，基于K B E 产生的装配体不同于简单的几何装配体，而是一个智能的，可以根据设计参数的需求要智能产生新装配体“分析”：运动仿真，进行干涉检查，利用基于知识的c A E 系统，对总体设计进行性能、强度、刚度、振动模态等特性的分析“评估”：根据企业的技术水平和加工条件，参考材料、加工工艺、手段，对整机的经济性进行结果评估，与上游提出的要求进行比较“整调”：基于K B E 系统的设计是一种渐进的过程，通过不断的知识推理，对评估为“不可行”的方案进行调整修改，并重新分析和评价，直至“可行”，并验证得到最优化设计方案机床本体概念设计流程如图3 所示【2 9。】主要设计参数性能确定旦皇卜一丽冲纛选择性解决方毫户-1 号藁夏磊主要零件参数化建模，并部装，确定整机基本尺寸整机装配剽崮擎裂I 掣剥Q 蜜E 呕一I 压磊荔诵f(技术经济分析结果)l否入是最终解决方案，总体布置卜_ 1 详细结构设计图3 基于K B E 的概念设计流程F i g 3C o n c e p td e s i g np m c e s sb a s e d 蚰K B E2 2 知识库及模糊推理知识库的构建是基于K B E 智能优化设计研究的重要核心内容【6，。7J 本系统知识库采用模糊推理策略，工程设计中的模糊推理匹配是一种简化的模糊推理机制，同时又有着自身的特点设A 为待求设计问题，曰为知识库中模型数据口记为A 中约束属性值，6 记为曰中属性值约束模糊推理模型采用的是意A 川=A 雪，“”表示求笛卡尔积，袁A 川代表A 对曰的模糊关系矩阵模糊取式F M P(f u z z ym o d u sp o n e n s)和模糊拒取式F M T(f u z z ym o d u st o l l e n s)是模糊近似推理的两条规则F M P：“若茁是D，则y 是6”表示为秀=互。袁 川；F M T：“若y 是6，则戈是口”表示为A=袁A 川。西，其中“。”为模糊矩阵的合成运算对于同时存在几条规则的情况，即句型为“若茗是口l，则y 是6 I；若戈是口2，则，是6 2；若戈是口i，则y 是6 i”的语句中，如果口；，6 i 中有模糊概念，则此句型称为多重模糊条件语句，并记为“若A。(菇)贝0 雪。(，)，若A：(髫)则秀：()，)，若A；(戈)则鱼(y)”其模糊关系有如下模型：R=(A l B 1)U(A 2 曰2)u u(A i B 1)文中采用加权贴近度法衡量两个模糊概念的相似度记A 与口属性集相应权重集记为P=p x _=l，2，n ，则加权贴近度为n6(A，B i)=l 驴(4，B；)=l建立A 到曰的模糊映射为蠢=m a x 6(A，B i)1，2，m 知识库的构架如图4 所示划刚邕型匹到已竺图4 知识库构成F i g 4S t 九l c t u r eo fk n o w l e d g eb a s e3 应用子系统的功能结构3 1 鞋楦本体虚拟设计系统机械产品设计是一个知识驱动的创造性过程通过设计知识驱动产品几何模型是实现基于K B E的参数化虚拟设计的关键，对模型的要求要有基于知识的公用建模标准和方法，以便设计制造各阶段数据的继承、重用、共享和无缝链接及设计的可移植性刻楦机本体虚拟设计系统构成如图5 所示I 堡兰至查J】一总体性能参数确定兰曼堡生翌望壁州苎王竺竺生堡堡盐l虚拟设计产品【孽画画画图5 刻楦机本体虚拟设计系统构成F i 昏5S t r u c t u 陀o fs h o el a s tv i r c u a ld e s i g l l s$y s t e mK F 是将K B E 技术与u G 系统集成且深层次嵌入于系统的高级技术，使工程规则与u G 系统的对象模型胶合K F 技术的获取有创成方式和几何采纳方式，创成方式是使用K F 语言编程生成d f a 文件，建立产品模型，过程相对比较复杂几何采纳方式是采纳u G 系统中建好的几何对象并用工程规则驱动通过创建实例使用这些规则，在虚拟设计的各阶段将知识融入其中，例如整体布置、零部件特征设计中相当部分规范为公式或规则按照不同的层次关系，将参数化关联尺寸细化为全局级、部件级及零件高善岳 1 2 9 1】级关联整体设计过程分为总体设计和详细设计，分别采用自上而下和自下而上的设计策略，实现“零件一部件一总装一虚拟样机”的设计过程，运用面向对象技术将过程和概念封装3 2 鞋楦C A D C A M 系统鞋楦C A D C A M 系统是集鞋楦计算机辅助设计、辅助加工及动态模拟N C 加工过程于一体的集成综合系统整个系统主要围绕着鞋楦数据进行分析和处理，包括数据的输入输出、数据间的通讯、数据的存贮及显示、数据的各种变换修改等等其最终目的就是要在测量点数据的基础上设计出一定型号的适于数控加工的鞋楦数据，并在此基础上进行数控加工的刀具轨迹运算(图6 所示)，利用生成的N C 代码，进行虚拟加工仿真(图7 所示)，实现对加工中的刀具移动、切削等过程的监控和对加工代码正确性的验证这种方法大大缩短了生产的准备时间图6 无干涉刀位轨迹图7 鞋楦虚拟切削仿真F i g 6I n t e r f e r e n c e-f b eF i g 7S i 舢l“n gm a c h i n i n gt o o lp a t hp I o c e s s3 3 辅助分析设计系统设计过程是一个多因素耦合制约的复杂过程，依赖于设计人员的经验知识，借助辅助分析系统，对结构强度、加工工艺、动态特性、运动等进行相应的分析、仿真，从而实现快速优化设计将参数化虚拟设计的几何模型导入辅助分析设计系统，建立有限元分析模型，进行结构静力学和动力学分析、结构灵敏度分析、刀具系统固有特性和动态响应分析结果动态辅助了产品的设计过程4 设计应用实例刀具系统是鞋楦机重要组成部分，兼顾一些标准件的选择以及经验设计(譬如倾斜角度)等，其设计往往是反复的，要根据后续的运动仿真，振动分析等改变设计方案在K F 构造的设计平台下利用模糊推理集成A P I 程序对参数进行分析，决策，在人工参与修正下快速选择设计，借助平台U n i g r a p h i c s，利用K F 自动完成三维实体参数化建模，通过接口在F E A 系统中对刀具系统进行c A E 分析(强度、振动、转子等)，根据结果不断修正，直至满足要求确定最终结构设计尺寸其交互界面如图8 所示依靠K F的文本修改、输入修改以及分析数据修改等方便完成模糊修改，C A D 装配模型及F E A 分析能够保持完整性模糊推理嵌入C A D 系统，弥补了K F 一般限于规则框架推理的不足，系统利用知识库选择设计方案，快速完成刀具系统设计，一定程度上实现了智能设计图8 刀具设计系统交互界面F i g 8U s e ri n t e r f 如eo ft o o ld e s i g ns y s t e m5 结论K B E 实现了工程设计与C A x 系统的无缝连接，是C A x 技术与先进制造业技术发展中缩短产品生命周期的核心，使过程中繁琐的部分自动化，加快了过程设计时间，充分利用节省的时间去创新，寻找更多的选择文中提出了基于K B E 的刻楦机总体设计系统的结构、概念设计流程以及各子系统功能与解决方案，在设计开发中大大缩短了刻楦机的设计周期，并对知识的积累和沉淀起到了积极的作用在此基础上可进一步针对更多的关键技术展开深入的研究参考文献(R e f e r e n c e s)1 孙学军，何玉林，杜静面向知识工程的摩托车产品信息建模研究 J 计算机集成制造系统，2 0 0 5，1 l(1 1)：1 5 3 l 1 5 3 5 S U NX u e-j u n，H EY u-l i n，D uJ i n g R e s e a r c ho np r o d u c ti n f o 肋a t i o nm o d e l i n go fm o t o r c y c l eo r i e n t e dt oK B E J c o，印眦r 历把卯觎f 肘口n M 触嘶昭S 如把m，2 0 0 5，l l(1 1)：1 5 3 1 一1 5 3 5(i nC h i n e s e)2 倪益华，杨将新，顾新建，等基于知识的c A x 集成的系统框架研究 J 计算机集成制造系统，2 0 0 3，9(3)：1 7 5 一1 7 8 【2 9 2】3 4 5 N IY i h u a，Y A N GJ i a n g x i n，G UX i n-j i 肌，e ta 1 R e 一8 e a r c ho nC A Xi m e F a t e ds y s t e mf 西n e w o r kb a 8 e do nk n o w l e d g e J c D m p 船r，腴删e d 讹n 咖删增跏一衍m，2 0 0 3，9(3)：1 7 5 一1 7 8(i nC h i n e s e)Y J i a n c h u，Z h o uJ i，Y uJ u n A p p r o a c h 帆i n t e l l i g e n to p t i m i z a t i d e s i 印b a s e do nc o m p o u n dk n o w l e d g e J 吼讯删如岍脚。厂d 施凡洳ZE 讲船e 咖，2 0 0 3，1 3(3)：3 0 0 一3 0 4 C r a i gBC h 印m a n，M a r t y np i n f b l d T h ea p p l i c a t i o no fak n o w l e d g eb 鹬e de n 西n e e r i n g 印p r o a c ht ot h er 印i dd e s i g n 粕da J l a l y s i so f 粕a u t o m o t i v es t m c t u r e J A 山t u，l c 8 di n 魄i，1 8 e ，l g 够t)o r e，2 0 0 1，3 2：9 0 3 9 1 2 P e n o y e rJA，B u m e nG，F a w c e r rDJ，e ta 1 K n o w l e d g eb 鹊e do np m d u c tl i f ec i r c l es y s t e m s：p r i n c i p l e so fi n t e-g r a t i o no fK B E 明dC 3 P J c b 唧啪r A 池dD 咖，2 0 0 0 3 2：3 1 l 一3 2 0 6 李强，何仁，商高高动力传动系统优化匹配专家系统的知识库构建 J 江苏大学学报：自然科学版，2 0 0 5，2 6(1)：2 8 3 1 UQ i a n g，H ER e n，S H A N GG a 0 一g a o B u i l d i n gk n o w-l e d g eb 鹊e df o ra u t o m o b i l ep o w e r t m i ne x p e r ts y s t e m J 如啪f0，胁，炉u 讹巧妇：讹以&如脚尉如i D 凡，2 0 0 5，2 6(1)：2 8 3 1(i nC h i n e s e)7 黄纬基于工程对象的专家系统开发技术 J 江苏大学学报：自然科学版，2 0 0 7，2 8(6)：5 2 0 5 2 3 H U A N GW e i E x p e r t s y s t e md e v e l o p m e n tt e c h n o l o g yb a s e d e n 西n e e r i n go b j e c t J 如“m 口z 旷 口，渺Mu砌椰渺：讹f“碰S c 诒胱黝如n，2 0 0 7，2 8(6)：5 2 0 一5 2 3(i nC h i n e s e)(责任编辑祝贞学)，l l，l-，(上接第2 7 9 页)(2)对不同阈值剔除后模型预测精度进行了比较，发现当权重系数e=1 5 时，其预测精度最好阈值的设定是异常样品剔除的关键，阈值的过大或过小会造成对样品的剔除不够或剔除过多，这样就会导致模型的稳定性和预测能力下降所以在近红外光谱异常样品剔除中，阈值的选择将会成为一个重要的研究课题 1 2 3 图5不同阈值下总酸、挥发酸模型预测效果F i g 5P r e d i c t i o no f t o t a la c i d，v o l a t i l ea c i di nd i 脆r e n tt h r e s h o l d s 4 3结论(1)利用P c A 结合马氏距离法能够有效的剔除 5 样品集中存在的异常样品，提高了校正模型的预测能力参考文献(R e f e r e n c e s)W e t z e lDLB A n a l y s t i c a ln e a ri n f r a r e ds p e c 劬s c o p y J 砒e f o p 榭腑讥凡D d 据袱，1 9 9 8，3 9：1 4 1 1 9 4 陈斌用近红外光谱分析液态食品的品质 D 镇江：江苏大学食品与生物工程学院，2 0 0 1 E d w o r dJ G r a p h i c a lm o d e U i n g 蚰dt l l em a I l a l a n o b i sd i s t a n c e J 如“m 以矿却沈d&D 如洒，2 0 0 5，3 2(9)：9 5 9 9 6 7 L i uY a n d e，Y i n gY i b i n，J i a l l gH a i y 龃R 印i dd e t e m i n a-t i o no fm 砒u r i t yi na p p l eu s i n go u d i e rd e t e c t i o na n dc a l i b r a t i m o d e lo p t i m i z a t i o n J 7 n 瑚0 c t 幻m 旷t kA s A 一船，2 0 0 6，4 9(1)：9 l 一9 5 崔广基于近红外光谱分析的纺织吕中羊毛含量检测技术研究 D 镇江：江苏大学食品与生物工程学院，2 0 0 7(责任编辑祝贞学)