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濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)
支持機(jī)床系統(tǒng)的面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)
摘要：本文闡述了一個(gè)面向?qū)ο蟮闹悄茌o助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，此系統(tǒng)主要用于幫助基本機(jī)床的設(shè)計(jì)，尤其是加工中心。這個(gè)機(jī)床設(shè)計(jì)系統(tǒng)通過(guò)與有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)著的交談來(lái)被分析，為了展示設(shè)計(jì)過(guò)程，一個(gè)面向?qū)ο蟮哪Ｐ捅唤?。被叫做設(shè)計(jì)對(duì)象的軟件系統(tǒng)是基于為了實(shí)現(xiàn)智能輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)機(jī)床的設(shè)計(jì)而提出的。用于加工中心的輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)的模型在設(shè)計(jì)對(duì)象的基礎(chǔ)上發(fā)展，一些案例研究被實(shí)施用來(lái)驗(yàn)證方法的有效性。
關(guān)鍵詞： 面向?qū)ο? 輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng) 機(jī)床 設(shè)計(jì)程序 設(shè)計(jì)目標(biāo)
1、簡(jiǎn)介
目前，需要各種各樣的機(jī)床來(lái)應(yīng)對(duì)小批量的生產(chǎn)各種各樣的產(chǎn)品。因此，需要建立輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)來(lái)幫助機(jī)床設(shè)計(jì)者有邏輯性的、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)各種類(lèi)型的機(jī)床。機(jī)床設(shè)計(jì)過(guò)程是一個(gè)非常復(fù)雜的決策過(guò)程，這需要有實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)師。所以，開(kāi)發(fā)一個(gè)為機(jī)床設(shè)計(jì)智能輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)是很重要的，它能有效利用有實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)師。
有各種各樣的智能CAD系統(tǒng)和專(zhuān)門(mén)的系統(tǒng)來(lái)執(zhí)行日常的機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，在這些系統(tǒng)中，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)是固定的，設(shè)計(jì)各種零件的標(biāo)準(zhǔn)是眾所周知的。Brown和Chandrasekaran已經(jīng)開(kāi)發(fā)了AIRCYL系統(tǒng)，用來(lái)幫助設(shè)計(jì)各種各樣的汽缸。Mittal已經(jīng)提出了設(shè)計(jì)紙張?zhí)幚硐到y(tǒng)的PRIDE系統(tǒng)。在這種情況下，產(chǎn)品主要是產(chǎn)品的零件，并且其結(jié)構(gòu)配置幾乎不動(dòng)。
本文闡述了機(jī)床設(shè)計(jì)尤其是加工中心，這是復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品的典型例子。機(jī)床有各種各樣的結(jié)構(gòu)配置來(lái)應(yīng)對(duì)廣泛的加工能力。很多關(guān)于機(jī)床設(shè)計(jì)的研究已經(jīng)完成。提出系統(tǒng)方法的目的是基于成型過(guò)程的分析來(lái)開(kāi)發(fā)基本的機(jī)床設(shè)計(jì)系統(tǒng)。已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)來(lái)設(shè)計(jì)基本結(jié)構(gòu)模塊化的機(jī)床。一個(gè)以知識(shí)為本的系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出來(lái)，其目的是從功能需求確定加工中心的類(lèi)型。然而，大部分的系統(tǒng)主要處理設(shè)計(jì)問(wèn)題，在這些問(wèn)題中，設(shè)計(jì)之初，機(jī)床的設(shè)計(jì)參數(shù)是確定的。
目前研究的目的是開(kāi)發(fā)智能輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)來(lái)幫助實(shí)現(xiàn)基本的機(jī)床設(shè)計(jì)，尤其是加工中心的設(shè)計(jì)。這個(gè)機(jī)床設(shè)計(jì)系統(tǒng)通過(guò)與有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)著的交談來(lái)被分析，為了展示設(shè)計(jì)過(guò)程，一個(gè)面向?qū)ο蟮哪Ｐ捅唤?。被叫做設(shè)計(jì)對(duì)象的軟件系統(tǒng)是基于為了實(shí)現(xiàn)智能輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)機(jī)床的設(shè)計(jì)而提出的。用于加工中心的輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)的模型在設(shè)計(jì)對(duì)象的基礎(chǔ)上發(fā)展，一些案例研究被實(shí)施用來(lái)驗(yàn)證方法的有效性。
2、機(jī)床的面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)
2.1 設(shè)計(jì)過(guò)程分析
機(jī)床設(shè)計(jì)問(wèn)題被認(rèn)為是結(jié)構(gòu)問(wèn)題，因?yàn)闆](méi)有關(guān)于機(jī)床結(jié)構(gòu)的信息不能了解機(jī)床參數(shù)。以下的闡述是通過(guò)與有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)者交談，主要談?wù)撟鳛闄C(jī)床設(shè)計(jì)的例子的加工中心的設(shè)計(jì)：
（1）設(shè)計(jì)師首先根據(jù)需求選一個(gè)合適的加工中心的結(jié)構(gòu)；
（2）可以用兩種方法來(lái)選擇合適的結(jié)構(gòu)：專(zhuān)門(mén)的結(jié)構(gòu)和各個(gè)零部件的結(jié)構(gòu)；
（3）當(dāng)選擇了合適的結(jié)構(gòu)后，設(shè)計(jì)參數(shù)也就確定了。根據(jù)需求這些參數(shù)可以系統(tǒng)的、有邏輯的被確定；
加工中心的設(shè)計(jì)過(guò)程包含一系列的階段，每個(gè)階段都包含兩個(gè)步驟：選擇和設(shè)計(jì)。如圖1所示。在圖中。機(jī)械產(chǎn)品是設(shè)計(jì)目標(biāo)。機(jī)械產(chǎn)品包含機(jī)器、裝置、零部件等等，所有這些都需要設(shè)計(jì)。后文中所有的機(jī)械產(chǎn)品都稱(chēng)作產(chǎn)品。每一步的設(shè)計(jì)如下所示：
第一步：選擇一個(gè)合適的產(chǎn)品類(lèi)型
產(chǎn)品的合適的結(jié)構(gòu)根據(jù)產(chǎn)品需求來(lái)選擇。如果選擇特殊的結(jié)構(gòu)，一系列的設(shè)計(jì)參數(shù)是給出的。
第二步：設(shè)計(jì)選定類(lèi)型的產(chǎn)品
產(chǎn)品的類(lèi)型是基于需求選擇的，通過(guò)確定產(chǎn)品的設(shè)計(jì)參數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)產(chǎn)品。
在產(chǎn)品的幾何信息與技術(shù)信息確定之前，步驟一與步驟二反復(fù)進(jìn)行。
圖1:設(shè)計(jì)過(guò)程
2.2設(shè)計(jì)對(duì)象的設(shè)計(jì)過(guò)程模型
被叫做設(shè)計(jì)對(duì)象的軟件模塊在這里被提出，目的是設(shè)計(jì)出個(gè)性化的產(chǎn)品，例如加工中心和加工中心的零部件。個(gè)人設(shè)計(jì)對(duì)象與個(gè)別類(lèi)型的產(chǎn)品一一對(duì)應(yīng)。設(shè)計(jì)對(duì)象相當(dāng)于在面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)對(duì)象。設(shè)計(jì)對(duì)象表現(xiàn)個(gè)別產(chǎn)品設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)參數(shù)的信息和程序。產(chǎn)品包括加工中心及其零部件，例如主軸裝置、自動(dòng)換刀裝置、進(jìn)給裝置。設(shè)計(jì)對(duì)象的任務(wù)是確定設(shè)計(jì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)參數(shù)以及選擇合適的設(shè)計(jì)對(duì)象，以便在接下來(lái)的設(shè)計(jì)中激活產(chǎn)品。
圖2展示了一個(gè)通過(guò)設(shè)計(jì)對(duì)象表達(dá)設(shè)計(jì)過(guò)程模型的例子。這里顯示的分類(lèi)模式是通過(guò)與經(jīng)驗(yàn)豐富的常規(guī)加工中心的設(shè)計(jì)師交談獲得的。在本圖中，橢圓代表設(shè)計(jì)對(duì)象，它們被一系列的普遍而有特殊作用的構(gòu)件連接。加工中心的設(shè)計(jì)對(duì)象首先通過(guò)信息來(lái)來(lái)使設(shè)計(jì)過(guò)程開(kāi)始。設(shè)計(jì)對(duì)象決定了加工中心的參數(shù)和產(chǎn)生它的過(guò)程，這會(huì)在一個(gè)柱狀圖中表現(xiàn)出來(lái)。此后，加工中心的設(shè)計(jì)目標(biāo)就是選擇設(shè)計(jì)對(duì)象來(lái)使生產(chǎn)實(shí)例專(zhuān)門(mén)化。在示意圖圖2中，立式加工中心被選為設(shè)計(jì)對(duì)象來(lái)確定詳細(xì)的設(shè)計(jì)參數(shù)。
因此，選擇一個(gè)合適的設(shè)計(jì)對(duì)象相當(dāng)于選擇一個(gè)特殊類(lèi)型的產(chǎn)品，設(shè)計(jì)選定的類(lèi)型的產(chǎn)品相當(dāng)于生成設(shè)計(jì)對(duì)象的實(shí)例。
在例子中，伴隨著設(shè)計(jì)的進(jìn)行，通過(guò)普通的專(zhuān)業(yè)化鏈接，直到所有的需求參數(shù)被確定，詳細(xì)的信息才會(huì)被確定。圖片中的特殊例子是VMC1型，是一種典型的垂直加工中心。
大部分的加工中心可以通過(guò)普通而專(zhuān)門(mén)的連接激活設(shè)計(jì)對(duì)象來(lái)設(shè)計(jì)，如圖2。然而，在很多情況下，設(shè)計(jì)目標(biāo)不會(huì)滿(mǎn)足所有的要求。例如，立式加工中心和水平加工中心都不能滿(mǎn)足五軸同時(shí)加工的的需求。在這種情況下，設(shè)計(jì)者通常會(huì)把加工中心分為主軸單元、ATC單元、進(jìn)給單元等等，這些零部件的詳細(xì)信息將在下一階段確定。零件的設(shè)計(jì)對(duì)象需要進(jìn)行設(shè)計(jì)。
圖2：應(yīng)用設(shè)計(jì)對(duì)象的設(shè)計(jì)過(guò)程模型 表示設(shè)計(jì)對(duì)象表示設(shè)計(jì)結(jié)果
圖3表示了在設(shè)計(jì)對(duì)象給定的情況下加工中心的設(shè)計(jì)過(guò)程模型。節(jié)點(diǎn)和連接分別顯示設(shè)計(jì)對(duì)象和設(shè)計(jì)對(duì)象之間的關(guān)系。在這里兩種類(lèi)型的鏈接——一般連接和專(zhuān)門(mén)連接與在圖2中表示的相同并且整個(gè)零件的連接表示了整個(gè)產(chǎn)品與各個(gè)部分的關(guān)系。
圖3：機(jī)床各個(gè)設(shè)計(jì)對(duì)象之間的聯(lián)系
基于模型的對(duì)加工中心的設(shè)計(jì)如下圖3所示。首先確定加工中心的設(shè)計(jì)對(duì)象，然后確定設(shè)計(jì)參數(shù)。此后，為了推進(jìn)設(shè)計(jì)過(guò)程，與加工中心有關(guān)的設(shè)計(jì)對(duì)象進(jìn)行設(shè)計(jì)。這里被選擇的設(shè)計(jì)對(duì)象可以是特殊產(chǎn)品的設(shè)計(jì)對(duì)象，也可以是一個(gè)零件。通過(guò)一般—專(zhuān)業(yè)的連接和整體連接來(lái)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)對(duì)象的設(shè)計(jì)過(guò)程是先進(jìn)的。
3、加工中心的設(shè)計(jì)對(duì)象
產(chǎn)品的設(shè)計(jì)對(duì)象的設(shè)計(jì)內(nèi)容如下：
（1） 產(chǎn)品屬性設(shè)計(jì)；
（2） 用來(lái)確定屬性的知識(shí)；
（3） 用來(lái)選擇特殊產(chǎn)品和部件的知識(shí)；
設(shè)計(jì)對(duì)象決定產(chǎn)品的屬性。
圖4的表格用來(lái)表示設(shè)計(jì)對(duì)象的信息。這些信息包含三個(gè)方面——ID部分，屬性部分，方法部分。設(shè)計(jì)對(duì)象的名稱(chēng)和與其他設(shè)計(jì)對(duì)象的關(guān)系在ID系統(tǒng)中是指定的。
屬性部分定義了屬性的情況，基本上分為規(guī)格和設(shè)計(jì)參數(shù)。由規(guī)格決定的功能、設(shè)計(jì)產(chǎn)品的性能需求以及設(shè)計(jì)參數(shù)的確定是基于屬性的。決定設(shè)計(jì)參數(shù)價(jià)值程序和信息附著在上面。
圖4：設(shè)計(jì)對(duì)象表格
一段單個(gè)的信息代表一個(gè)價(jià)值單元。很多屬性有很多方面，例如價(jià)值、類(lèi)型、范圍、默認(rèn)值、額定值等等。
最后一部分給出了當(dāng)收到其他設(shè)計(jì)對(duì)象的信息時(shí)的執(zhí)行方法，設(shè)計(jì)對(duì)象使用如下方法來(lái)控制設(shè)計(jì)步驟：
（1） 決定：這種方法是為了確定設(shè)計(jì)參數(shù)；
（2） 專(zhuān)業(yè)化：這種方法是為了實(shí)例的配置和選擇合適的設(shè)計(jì)對(duì)象；
（3） 分部：這種方法是為了把實(shí)例分成各個(gè)零件以及為零部件選擇合適的設(shè)計(jì)對(duì)象。
圖5顯示了個(gè)人設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)過(guò)程。實(shí)例中的設(shè)計(jì)參數(shù)的值首先在規(guī)格的基礎(chǔ)上確定。
圖5：設(shè)計(jì)對(duì)象的設(shè)計(jì)流程圖
其次，設(shè)計(jì)者檢驗(yàn)通過(guò)設(shè)計(jì)目標(biāo)產(chǎn)生的設(shè)計(jì)實(shí)體是否符合標(biāo)準(zhǔn)。如果有必要，設(shè)計(jì)師可以修改實(shí)例內(nèi)容。
再次，選擇合適的設(shè)計(jì)目標(biāo)來(lái)促進(jìn)設(shè)計(jì)實(shí)例。這里所選擇的設(shè)計(jì)對(duì)象或者是特定產(chǎn)品的設(shè)計(jì)或者是一系列零部件的設(shè)計(jì)。在特殊產(chǎn)品的設(shè)計(jì)部分，可以獲得另類(lèi)的結(jié)構(gòu)配置。最合適的配置選擇方案如下：選擇的次序取決于參照表，他決定很多觀(guān)點(diǎn)的選擇，例如，加工精度、切削性能、可操作性和可靠性。設(shè)計(jì)師根據(jù)等級(jí)的選擇來(lái)選擇最合適的參數(shù)。
第四，設(shè)計(jì)對(duì)象實(shí)例的生成。
最后，把這些信息傳遞給特定實(shí)體或零件。這些信息包括信息的規(guī)格和約束生成實(shí)例。
圖6是執(zhí)行方法和執(zhí)行程序的例子。在本圖中，決定信息是原型，這是一個(gè)垂直加工中心的實(shí)例。實(shí)體被定義為“原型”后選擇合適的方法，這一方法決定立式加工中心的設(shè)計(jì)對(duì)象是否開(kāi)始的結(jié)果。該方法-“測(cè)定”是指需要定義叫做原型的實(shí)體的設(shè)計(jì)參數(shù)，以及確定額定參數(shù)。每一個(gè)程序決定設(shè)計(jì)參數(shù)的價(jià)值，并把實(shí)體的結(jié)果叫做原型。
圖6：執(zhí)行方法和程序
4．面向?qū)ο蟮闹悄茉O(shè)計(jì)輔助系統(tǒng)
加工中心智能設(shè)計(jì)輔助系統(tǒng)的原型已經(jīng)在設(shè)計(jì)對(duì)象的基礎(chǔ)上產(chǎn)生。
圖7是系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)主要由子系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)象、對(duì)象管理器、推理引擎、程序和人機(jī)界面組成。子系統(tǒng)的內(nèi)容及功能如下：
圖7：支撐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
（1） 設(shè)計(jì)對(duì)象基礎(chǔ)。子系統(tǒng)存儲(chǔ)了關(guān)于加工中心和零件的所有設(shè)計(jì)對(duì)象，以及設(shè)計(jì)對(duì)象之間的關(guān)系。
（2） 對(duì)象管理器。設(shè)計(jì)對(duì)象實(shí)例的形成和修改是動(dòng)態(tài)的。因此，對(duì)象管理器管理動(dòng)態(tài)情形和設(shè)計(jì)對(duì)象之間的關(guān)系。
（3） 推理引擎。推理引擎是一種生產(chǎn)系統(tǒng)，它實(shí)施了通過(guò)規(guī)則存儲(chǔ)設(shè)計(jì)對(duì)象。推理引擎通過(guò)決定設(shè)計(jì)參數(shù)的設(shè)計(jì)對(duì)象和選擇合適的設(shè)計(jì)對(duì)象被激活。
（4） 程序庫(kù)。程序庫(kù)是一個(gè)程序的集合，可以被設(shè)計(jì)對(duì)象直接使用。
（5） 人機(jī)界面。這個(gè)子系統(tǒng)為設(shè)計(jì)者提供互動(dòng)的方法來(lái)輸入數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)產(chǎn)品的監(jiān)控方法以及推理過(guò)程。
智能設(shè)計(jì)輔助系統(tǒng)的原型已經(jīng)在K-PROLOG一個(gè)32位的工作站得到實(shí)施。圖8展示了個(gè)人設(shè)計(jì)對(duì)象代表一系列的有相同標(biāo)題的板塊。這些方面是槽、面、價(jià)值以及其他不明確的方面。每一個(gè)板塊表示關(guān)于對(duì)象設(shè)計(jì)的一部分信息。這個(gè)屬性代表的是事實(shí)情況，程序和方法代表規(guī)則板塊。
圖8：設(shè)計(jì)對(duì)象的表示
5．個(gè)例研究
一些案例研究的實(shí)施是為了證實(shí)系統(tǒng)的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的有效性。圖9顯示了一個(gè)加工中心的設(shè)計(jì)流程。設(shè)計(jì)對(duì)象的執(zhí)行過(guò)程的簡(jiǎn)介如下：
（1）新的模型信息被傳輸?shù)郊庸ぶ行牡脑O(shè)計(jì)對(duì)象的。產(chǎn)生的設(shè)計(jì)對(duì)象實(shí)例叫原型。
圖9：加工中心的設(shè)計(jì)過(guò)程
（2）決定信息傳輸?shù)浇凶鲈偷纳蓪?shí)例上，它的設(shè)計(jì)參數(shù)在功能需求的基礎(chǔ)上，通過(guò)設(shè)計(jì)者的規(guī)定來(lái)定義，如表1.
表1：加工中心的功能要求
（3）專(zhuān)業(yè)化的信息傳輸?shù)浇凶鲈偷膶?shí)例上，是為了選擇合適的專(zhuān)業(yè)裝配實(shí)例。立式加工中心的設(shè)計(jì)對(duì)象就是一個(gè)合適的例子。
(4)決定信息傳輸?shù)浇凶鲈偷纳蓪?shí)例上。通過(guò)決定立式加工中心的設(shè)計(jì)參數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)例的詳細(xì)信息。
圖10顯示了在案例研究中加工中心的立體模型設(shè)計(jì)。加工中心的長(zhǎng)度為600毫米，主軸錐度選50號(hào)，主軸轉(zhuǎn)速為20000轉(zhuǎn)/分鐘。這些結(jié)果是從那些有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)師那里得到的。
6.總結(jié)
通過(guò)與有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)者討論來(lái)研究機(jī)床設(shè)計(jì)過(guò)程，然后產(chǎn)生設(shè)計(jì)過(guò)程模型。該模型表示了一系列的設(shè)計(jì)對(duì)象以及他們之間的關(guān)系。軟件模塊被啟動(dòng)，用來(lái)決定設(shè)計(jì)對(duì)象的設(shè)計(jì)參數(shù)。
為描述設(shè)計(jì)對(duì)象的內(nèi)容提出了數(shù)據(jù)模型，這一模型含有描述產(chǎn)品的屬性、用來(lái)決定產(chǎn)品特性的知識(shí)、用來(lái)選擇特定產(chǎn)品和零件的知識(shí)。
面向?qū)ο蟮闹悄茉O(shè)計(jì)支持系統(tǒng)的原型已在設(shè)計(jì)對(duì)象的基礎(chǔ)上建立起來(lái)了。這一系統(tǒng)包含基礎(chǔ)設(shè)計(jì)對(duì)象、對(duì)象管理器、程序引擎、基本程序以及人機(jī)界面。一些案例研究已證實(shí)了開(kāi)發(fā)這種系統(tǒng)的有效性。
圖10：設(shè)計(jì)的加工中心
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