王靜宜

一、引言

CAD/CAM技術(shù)發(fā)展至今，已經(jīng)經(jīng)歷了二維繪圖、線框模型、自由曲面造型、三維實體造型和特征造型等重要的發(fā)展階段，期間又有參數(shù)化，變量化等輔助技術(shù)的出現(xiàn)。這些技術(shù)的發(fā)展奠定了KBE的基礎(chǔ)。KBE是一門新興的邊緣學(xué)科，它以研究信息處理為主，并提供開發(fā)智能系統(tǒng)的技術(shù)，是人工智能、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、數(shù)理邏輯、認(rèn)知科學(xué)和心理學(xué)等學(xué)科交叉發(fā)展的結(jié)果。

本文探索使用基于KBE原理的內(nèi)部管路設(shè)計系統(tǒng)輔助液壓殼體產(chǎn)品設(shè)計，將產(chǎn)品知識融于設(shè)計的過程。NX軟件二次開發(fā)技術(shù)能夠讓開發(fā)人員把產(chǎn)品設(shè)計以及工藝資源等知識和資源，用知識工程原理具體地表現(xiàn)在系統(tǒng)的操作過程中，讓設(shè)計人員擺脫繁瑣的特征建模過程，更專注于產(chǎn)品技術(shù)的創(chuàng)新。

二、系統(tǒng)流程和架構(gòu)

利用KBE的思想指導(dǎo)產(chǎn)品的智能設(shè)計實際上就是開發(fā)出具有一定智能的產(chǎn)品輔助設(shè)計系統(tǒng)。內(nèi)部管路設(shè)計系統(tǒng)是一個直接面向開發(fā)設(shè)計人員的應(yīng)用系統(tǒng)，它與一般的參數(shù)化設(shè)計軟件不同的是，使用軟件的設(shè)計過程體現(xiàn)了液壓殼體開發(fā)和設(shè)計思想。系統(tǒng)以液壓殼體裝配作為設(shè)計操作對象，自上而下進行液壓殼體裝配以及殼體零件的設(shè)計。內(nèi)部管路設(shè)計系統(tǒng)的數(shù)據(jù)支撐是企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化、結(jié)構(gòu)化的原理圖庫、元件庫、工藝資源庫和殼體材料性能數(shù)據(jù)庫（圖1）。系統(tǒng)將液壓殼體的設(shè)計流程分為原理圖設(shè)計階段、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計階段、產(chǎn)品模型檢測階段和產(chǎn)品模型仿真四個部分。原理圖的設(shè)計階段包括產(chǎn)品主要性能參數(shù)的確定、液壓殼體裝配中元件的選擇（如各種閥類元件）、液壓殼體裝配中元件理論連接關(guān)系的確立及連接中壓力和流量的設(shè)定。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計階段包括：原理圖數(shù)據(jù)自動導(dǎo)入、元件布局、殼體內(nèi)部管路設(shè)計/編輯（根據(jù)工藝資源、零件種類、設(shè)計要求開發(fā)的油路設(shè)計功能）和殼體零件生成。產(chǎn)品模型檢測階段包括元件間隙檢查、油路間隙檢查、拆裝空間檢查和殼體壁厚檢查。產(chǎn)品模型仿真部分包括流道模型輸出和Aemsim仿真模型輸出。

三、殼體設(shè)計

1.數(shù)據(jù)資源

元件原理圖庫、元件庫、工藝資源信息庫和殼體材料性能數(shù)據(jù)庫是企業(yè)內(nèi)部殼體設(shè)計通用知識和信息的總結(jié)。元件原理圖庫是殼體設(shè)計原理圖階段需要調(diào)用的數(shù)據(jù)源。在元件原理圖庫中定義元件的功能描述和性能參數(shù)等信息，同時定義典型的油路信息如高壓油、定壓油、低壓油的油壓和流量，油路連接在原理圖中的表現(xiàn)形式（如線條的粗細和顏色）。元件庫定義了元件的三維模型、元件的拆裝工具、元件可連接端面的名稱及在三維模型上的具體位置。工藝資源信息庫定義了工廠現(xiàn)有的工藝加工設(shè)備和加工條件等信息。殼體材料性能數(shù)據(jù)庫定義了殼體材料性能數(shù)據(jù)參數(shù)。

2.原理圖

使用NX軟件的Schematic模塊繪制液壓殼體裝配的功能原理圖。設(shè)計人員根據(jù)設(shè)計要求從原理圖庫中調(diào)用元件，建立元件間的連接關(guān)系。使用Schematic模塊的信息輸出功能輸出原理圖信息，包括殼體及元件性能參數(shù)信息、元件信息和元件連接信息。

3.殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計

（l）元件空間布置。將原理圖的輸出數(shù)據(jù)作為內(nèi)部管路設(shè)計系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)，系統(tǒng)根據(jù)輸入的元件信息自動將三維元件加載到NX軟件的三維工作區(qū)，用戶根據(jù)設(shè)計要求設(shè)定殼體零件的外部包絡(luò)作為空間布置邊界，使用系統(tǒng)提供的元件位置定義和元件拖動功能對元件進行空間布置。系統(tǒng)限定元件只能在用戶定義的布置邊界范圍內(nèi)對元件進行定位和拖動。

（2）內(nèi)部管路設(shè)計。系統(tǒng)讀取原理圖輸出的連接信息，在三維工作區(qū)使用空間直線建立理論連接，用于提示設(shè)計人員基于該理論連接建立三維管路。根據(jù)企業(yè)對殼體零件的加工條件，系統(tǒng)提供直孔油路設(shè)計、偏心圓油路設(shè)計、電火花油路設(shè)計和錐堵油路設(shè)計功能。系統(tǒng)的這些油路設(shè)計功能基于KBE模型設(shè)計思想，生成內(nèi)部管路模型。用戶定義油路參數(shù)，系統(tǒng)從工藝資源信息庫中提取油路的工藝加工信息，將工藝加工信息作為參數(shù)合理性判據(jù)，如果油路輸入?yún)?shù)不合理，系統(tǒng)能夠禁止油路生成；參數(shù)校核通過后會進行連通性校核，將原理圖輸出的連接信息作為連通性校核判據(jù)，只有按照原理圖連接信息，使用三維管道將指定元件的指定位置連通，才能通過連通性校核（圖2）。

油路設(shè)計完成后，系統(tǒng)自動識別液壓元件和油路，將它們視作工具體，對用戶定義的殼體外形包絡(luò)做自動化切割，生成殼體零件模型。

4.產(chǎn)品模型檢查

殼體零件生成后，系統(tǒng)根據(jù)用戶預(yù)設(shè)的殼體材料，在殼體材料性能數(shù)據(jù)庫中選取合適的檢查參數(shù)對模型進行檢查。系統(tǒng)測量殼體元件孔之間的最小間隙，與材料性能數(shù)據(jù)庫中的數(shù)值做比對，對元件間隙不滿足材料性能要求的位置做出提示，設(shè)計人員根據(jù)軟件提示調(diào)整元件間隙，可以通過元件間隙檢查。使用內(nèi)部管路設(shè)計系統(tǒng)生成的殼體，每條油路都附帶油壓信息，不同的油壓在殼體材料數(shù)據(jù)庫中有不同的油路間隙參數(shù)，殼體實體油路間隙與材料數(shù)據(jù)庫中的間隙參數(shù)對比，輸出小于油路數(shù)據(jù)庫中油路間隙參數(shù)的油路，設(shè)計人員重新編輯這些油路的方向，可以通過油路間隙檢查。殼體壁厚檢查的原理與元件間隙檢查和油路間隙檢查的原理類似，系統(tǒng)通過檢查輸出不滿足材料性能的元件，以及油路，設(shè)計人員對元件和油路的位置做編輯，調(diào)整，最終通過檢查。元件庫中的每個元件都定義了拆裝工具體，系統(tǒng)模擬每個元件的拆裝條件（如扳手揮動角度等），不滿足拆裝條件的元件做出提示，設(shè)計人員調(diào)整元件的空間位置可以通過拆裝空間檢查。

產(chǎn)品模型檢查過程中，需要不斷調(diào)整元件和油路的位置，系統(tǒng)能夠?qū)んw模型自動實時更新。設(shè)計人員通過“模型檢查一調(diào)整一模型檢查”這樣的迭代更新方式最終設(shè)計出符合設(shè)計要求的殼體零件。

5.仿真模型輸出

殼體三維模型設(shè)計完成后，設(shè)計人員需要通過多種仿真檢驗設(shè)計模型。流道模型是指定連通，殼體元件裝配完成后，油路所占的空間，這個模型可以用于流場仿真。設(shè)計人員確定連通后，系統(tǒng)調(diào)用NX特征建模工具，自動填充油液空間，剔除無關(guān)模型，輸出流道模型（圖3）。

AMESim軟件是法國IMAGINE公司推出的專門用于液壓機械系統(tǒng)建模、仿真及動力學(xué)分析的軟件。對于液壓殼體裝配，常規(guī)的建模方法是在清楚地了解系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，利用AMESim自身豐富的元件應(yīng)用庫逐個進行各個部件的建模，最終對照原理圖將各個部件組合成完整的系統(tǒng)。但是液壓殼體裝配結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各個部件間的連接關(guān)系錯綜交錯，常規(guī)的系統(tǒng)建模方法費時費力，且仿真模型的正確性以及與原理圖的一致性均難以保證。使用內(nèi)部管路設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計的液壓殼體裝配中，已經(jīng)包含了元件信息和元件連接關(guān)系信息，系統(tǒng)調(diào)用AMESim API可以將液壓殼體裝配直接轉(zhuǎn)化為AMESim仿真模型（圖4）。

四、結(jié)語

使用KBE思想指導(dǎo)液壓殼體裝配的設(shè)計，將液壓殼體裝配的設(shè)計流程和設(shè)計知識軟件化，使設(shè)計開發(fā)的自動化程度大大提高，將設(shè)計人員從繁瑣的程序化的設(shè)計工作中解脫出來，專注于創(chuàng)新性設(shè)計，能有效節(jié)約設(shè)計成本，同時使企業(yè)的設(shè)計知識積累標(biāo)準(zhǔn)化，有助于設(shè)計質(zhì)量的提高。

基于KBE思想開發(fā)的內(nèi)部管路設(shè)計系統(tǒng)，集成企業(yè)的知識和資源，與液壓殼體裝配類型的產(chǎn)品設(shè)計過程契合程度高。使用成熟的NX二次開發(fā)工具開發(fā)完成，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，后期的工作集中在系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理和系統(tǒng)功能擴展等方面。