基于知識(shí)工程的陶瓷窯虛擬設(shè)計(jì)探討

摘要：本文通過(guò)論述陶瓷窯的虛擬設(shè)計(jì)和知識(shí)工程的概念，針對(duì)陶瓷窯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，建立了基于知識(shí)工程的陶瓷窯虛擬設(shè)計(jì)，并給出了設(shè)計(jì)實(shí)例。基于知識(shí)工程的虛擬設(shè)計(jì)可以在陶瓷窯設(shè)計(jì)階段能實(shí)時(shí)地、并行地模擬出產(chǎn)品的未來(lái)設(shè)計(jì)全過(guò)程，預(yù)測(cè)產(chǎn)品性能、產(chǎn)品的可制造性以及設(shè)計(jì)的合理性，整個(gè)設(shè)計(jì)可大幅度降低開(kāi)發(fā)成本、縮短投產(chǎn)周期、設(shè)計(jì)質(zhì)量最優(yōu)，增強(qiáng)企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

關(guān)鍵詞:知識(shí)工程；陶瓷窯；虛擬設(shè)計(jì)

1 引 言

陶瓷窯是陶瓷生產(chǎn)中燒成工序必不可少的設(shè)備。基于知識(shí)工程的陶瓷窯虛擬設(shè)計(jì)，可以根據(jù)生產(chǎn)要求快速設(shè)計(jì)出所需的陶瓷窯，并迅速、直觀(guān)、全面地展現(xiàn)在用戶(hù)面前。因此，本文提出了該設(shè)計(jì)不但可以明顯提高陶瓷窯的設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率，而且可以實(shí)現(xiàn)陶瓷窯設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性和直觀(guān)性。

知識(shí)工程（knowledge Based Engineering，KBE）是促進(jìn)工程設(shè)計(jì)智能化、快速化的重要技術(shù)手段。目前，知識(shí)工程已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械行業(yè)的設(shè)計(jì)中，但是知識(shí)工程主要集中在設(shè)計(jì)某一部分或環(huán)節(jié)，并沒(méi)有從整個(gè)陶瓷窯的設(shè)計(jì)來(lái)考慮，為了使陶瓷窯的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)質(zhì)量和效率的提升，盡可能地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程的智能化與自動(dòng)化。本文提出了基于知識(shí)工程的陶瓷窯虛擬設(shè)計(jì)，其目的是縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)周期、降低成本，使產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到最優(yōu)。

2 陶瓷窯的三維建模

產(chǎn)品建模又稱(chēng)為三維實(shí)體造型，通過(guò)三維建模，設(shè)計(jì)者能夠借助于計(jì)算機(jī)將頭腦中的或已有的產(chǎn)品形體轉(zhuǎn)化為可視、可分析、可修改、可進(jìn)一步模擬加工的實(shí)體模型。

陶瓷窯的零件可以利用拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描和放樣四種特征造型方法來(lái)生成。四種特征造型方法都是基于在二維截面或剖面上繪制封閉輪廓線(xiàn)來(lái)進(jìn)行的，由二維截面生成三維特征時(shí)都有各自的向?qū)Р藛蝸?lái)引導(dǎo)用戶(hù)操作，每個(gè)向?qū)峁┮幌盗胁襟E，引導(dǎo)用戶(hù)完成自定義圖素。

2.1拉伸特征的生成

該方法是沿高度方向坐標(biāo)軸拉伸封閉的二維截面線(xiàn)，可以生成三維拉伸特征。拉伸后的清灰過(guò)橋孔磚如圖1所示。

2.2旋轉(zhuǎn)特征的生成

利用旋轉(zhuǎn)法可以把一個(gè)二維剖面沿著它的豎直軸旋轉(zhuǎn)生成三維造型。旋轉(zhuǎn)后的輥棒蓋如圖2所示。

2.3掃描特征的生成

掃描特征的生成是把自定義二維剖面沿著預(yù)先設(shè)定的路徑掃描移動(dòng)，從而生成三維造型。掃描特征造型除了需生成截面外，還需指定一條方向曲線(xiàn)，方向曲線(xiàn)可以定義為一條直線(xiàn)、一系列直線(xiàn)、一條B樣條曲線(xiàn)或一條弧線(xiàn)。旋轉(zhuǎn)特征圖素的起始端和終止端可以為不一樣的形狀，但掃描設(shè)計(jì)的結(jié)果與旋轉(zhuǎn)特征不同，掃描設(shè)計(jì)的兩端表面完全一樣。掃描后的清灰端蓋如圖3所示。

2.4放樣特征的生成

放樣特征造型的對(duì)象是多重截面，這些截面都須經(jīng)由用戶(hù)編輯或重新設(shè)定尺寸。再把這些截面沿用戶(hù)定義的輪廓定位曲線(xiàn)生成三維造型。放樣后的預(yù)熱帶風(fēng)管如圖4所示。

通過(guò)以上方法，可以對(duì)整個(gè)陶瓷窯中的零件實(shí)行建模，并對(duì)特征屬性以及零件屬性進(jìn)行設(shè)定，為后面的虛擬設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

3 陶瓷窯各帶的虛擬裝配

虛擬裝配是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了更好地進(jìn)行與裝配有關(guān)的設(shè)計(jì)決策，在虛擬環(huán)境下對(duì)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)模型進(jìn)行裝配關(guān)系分析的一項(xiàng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)。虛擬裝配是實(shí)際裝配過(guò)程在計(jì)算機(jī)上的本質(zhì)體現(xiàn)，它根據(jù)零件間的裝配約束關(guān)系，利用裝配過(guò)程的計(jì)算機(jī)模型和仿真技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和裝配，在設(shè)計(jì)階段利用產(chǎn)品虛擬原型分析可裝配性，考察在物理裝配過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題及早地加以修改，以提高裝配效率、減少裝配時(shí)間、降低裝配成本，從而保證產(chǎn)品的可裝配性。陶瓷窯虛擬裝配的步驟如下：

（1）把所設(shè)計(jì)的所有零件都作為一個(gè)塊放在零件庫(kù)中，以便后續(xù)設(shè)計(jì)采用；

（2） 新建一個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)境用來(lái)裝配，把所需要的零件從零件庫(kù)中拖出，同時(shí)也可以直接在裝配窗口設(shè)計(jì)出新的零件，然后把需要裝配的零件裝配成部件；

（3）把所得的部件作為一個(gè)裝配體以一個(gè)新塊加入零件庫(kù)，在進(jìn)行上一級(jí)裝配時(shí)拖入到設(shè)計(jì)環(huán)境進(jìn)行上一級(jí)裝配。如此操作可以完成整個(gè)輥道窯的虛擬裝配。

通過(guò)上述操作所得到的陶瓷窯整個(gè)虛擬模型的各帶如圖5~圖10所示。

4 知識(shí)工程在陶瓷窯虛擬設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

知識(shí)工程在陶瓷窯虛擬設(shè)計(jì)中的應(yīng)用可以分為三部分。首先，通過(guò)三維造型軟件對(duì)陶瓷窯零件進(jìn)行三維建模。其次，通過(guò)分析陶瓷窯的結(jié)構(gòu)，得出陶瓷窯各個(gè)帶結(jié)構(gòu)都比較相近，特別適合進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。最后，通過(guò)對(duì)零件內(nèi)和零件間進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，使得整個(gè)陶瓷窯中參數(shù)相互聯(lián)系。因此，得到一個(gè)陶瓷窯全參數(shù)化模型。通過(guò)調(diào)整主參數(shù)來(lái)驅(qū)動(dòng)整個(gè)陶瓷窯向設(shè)計(jì)的方向改變，然后將知識(shí)工程運(yùn)用于陶瓷窯模型中。知識(shí)工程在陶瓷窯虛擬設(shè)計(jì)中的運(yùn)用，可以真正實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，將人工智能運(yùn)用于三維造型中。

4.1基于特征的三維造型

基于特征的三維造型在陶瓷窯三維建模時(shí)已經(jīng)完成。

4.2尺寸驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)

尺寸驅(qū)動(dòng)又叫參數(shù)化設(shè)計(jì)（Parametric），它是CAD技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中提出的課題。尺寸驅(qū)動(dòng)不僅可使CAD系統(tǒng)具有交互式繪圖功能，還具有自動(dòng)繪圖的功能。尺寸驅(qū)動(dòng)就是建立零件或特征間尺寸約束或者幾何約束，通過(guò)表達(dá)式的運(yùn)用，可以得到一個(gè)全參數(shù)化陶瓷窯模型，通過(guò)輸入幾個(gè)主參數(shù)執(zhí)行表達(dá)式來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)繪圖。

在陶瓷窯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，參數(shù)化設(shè)計(jì)起到非常重要的作用。如：一個(gè)零件的特征間的參數(shù)化設(shè)計(jì)可以使用于陶瓷窯的很多零件中；此外，陶瓷窯整個(gè)裝配體中零件間的特征造型是最關(guān)鍵也是最重要的，它可以使整個(gè)陶瓷窯成為一個(gè)全參數(shù)化模型。以下用UG中部件間表達(dá)式來(lái)說(shuō)明其應(yīng)用。

4.2.1零件間表達(dá)式的格式

燒嘴：立方體特征基座的長(zhǎng)=窯框架：燒嘴支撐的長(zhǎng)+間隙；清灰孔門(mén)的立方體特征尺寸=窯體框架陶灰孔框架的尺寸；可以按照這些格式列出整個(gè)陶瓷輥道窯零件間的關(guān)系。

4.2.2零件間表達(dá)式的建立

零件間表達(dá)式的建立可以分兩個(gè)步驟：

1） 在陶瓷窯中建立控制變量。這些參數(shù)將會(huì)作為陶瓷窯的主參數(shù)，用來(lái)驅(qū)動(dòng)整個(gè)陶瓷窯向設(shè)計(jì)的方向改變。

2） 在零件間建立連接表達(dá)式。在建立連接表達(dá)式時(shí)，條件表達(dá)式也是非常關(guān)鍵的應(yīng)用。通過(guò)使用if/else結(jié)構(gòu)建立條件表達(dá)式，可實(shí)現(xiàn)一定的輔助設(shè)計(jì)。

4.3知識(shí)工程的應(yīng)用

知識(shí)工程在三維造型中的應(yīng)用，真正實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。因?yàn)橹R(shí)工程是以知識(shí)為驅(qū)動(dòng)力，它將人工智能（包括知識(shí)庫(kù)、知識(shí)規(guī)則、邏輯推理）與CAD有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，使應(yīng)用對(duì)象擴(kuò)展到工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域。因此，知識(shí)工程的內(nèi)涵可以定義為AI技術(shù)和CAX(CAD，CAM，CAE)技術(shù)的集成。KBE的框架如圖11所示。

目前，集成KBE技術(shù)的三維造型軟件中，UG是較為出色的，UG提供了知識(shí)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)化解決方案，將KBE系統(tǒng)與CAX軟件系統(tǒng)完全集成。KBE是一個(gè)能夠記錄、重復(fù)使用工程知識(shí)并用來(lái)驅(qū)動(dòng)、建立、選擇和裝配相應(yīng)的幾何模型的系統(tǒng)。UG是通過(guò)知識(shí)熔接導(dǎo)航器來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能。

在陶瓷窯虛擬設(shè)計(jì)中，可以用工程知識(shí)和工程規(guī)則來(lái)驅(qū)動(dòng)陶瓷窯三維模型的構(gòu)建。用戶(hù)只需根據(jù)自己的需要輸入自己的參數(shù)或者變量，系統(tǒng)就會(huì)根據(jù)這些工程規(guī)則來(lái)對(duì)陶瓷窯施加影響并更新陶瓷窯的三維模型，實(shí)現(xiàn)知識(shí)驅(qū)動(dòng)。

通過(guò)利用KF規(guī)則控制清灰過(guò)橋孔磚的選擇，以說(shuō)明在陶瓷輥道窯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在知識(shí)工程中的應(yīng)用，具體步驟為：

（1） 對(duì)陶瓷窯中的零件進(jìn)行三維造型，同時(shí)完成參數(shù)設(shè)計(jì)；

（2） UG軟件功能非常重要。傳統(tǒng)的KBE系統(tǒng)主要依靠編程語(yǔ)言，而模型建立必須采用創(chuàng)成設(shè)計(jì)，即最后生成的工程文件是直接來(lái)自于某個(gè)文本文件。如果在三維模型比較復(fù)雜的情況下，編程將非常困難，而幾何采用則相反，我們采用UG中已存在的幾何對(duì)象，用工程規(guī)則來(lái)驅(qū)動(dòng)這些幾何對(duì)象；

（3） 知識(shí)規(guī)則的建立。 KBE用“規(guī)則”來(lái)表示產(chǎn)品的不同幾何參數(shù)和工程屬性之間的相互關(guān)系。用戶(hù)使用KF語(yǔ)言建立自己的規(guī)則，利用規(guī)則來(lái)添加知識(shí)。UG/KF系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)規(guī)則之間的關(guān)系來(lái)判斷執(zhí)行順序。利用這些規(guī)則來(lái)計(jì)算工程參數(shù)對(duì)產(chǎn)品幾何參數(shù)的影響，從而驅(qū)動(dòng)最終的幾何模型。

5 結(jié)束語(yǔ)

與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，基于知識(shí)工程的陶瓷窯虛擬設(shè)計(jì)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)不消耗物資資源和能源，且在投產(chǎn)前對(duì)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的方案進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化，提高了產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的可行性，整個(gè)設(shè)計(jì)可以大幅度降低陶瓷窯開(kāi)發(fā)的成本，縮短建設(shè)投產(chǎn)周期，從而快速、有效地響應(yīng)市場(chǎng)和用戶(hù)需求的變化，增強(qiáng)企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

參考文獻(xiàn)

[1] 王剛，鄒昱章，余國(guó)華.UG知識(shí)熔接技術(shù)培訓(xùn)教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002，6.

[2] 胡國(guó)林.建陶工業(yè)輥道窯[M].中國(guó)輕工業(yè)出版社，1998，6.

[3] 李春梅，崔鳳奎.KBE技術(shù)在UG中的應(yīng)用[J].CAD/CAM與制造 業(yè)信息化，2003，5.

[4] 周宇峰，孫文磊.基于參數(shù)化特征造型的三維標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)的建立[J]. 新疆大學(xué)學(xué)報(bào).2003，11.

[5] 胡國(guó)林.輥道窯結(jié)構(gòu)優(yōu)化的探討[J].中國(guó)陶瓷工業(yè)，1994，2.

Virtual Design of Ceramic Kiln Based on KBE

TAO Zhen

（Mechanical and Electronics Engineering School， Nanchang Institute of Technology 330099）

Abstract：This paper discussed the concepts of virtual design and knowledge based engineering (KBE)， virtual design of ceramic kiln based on KBE was established through the characteristics of ceramic kiln. Besides， design example was given. This design can simulate the whole process of the design of ceramic kiln in time and parallel. It can predict the performance of design of ceramic kiln， product manufacturing and design reasonable. Besides， the design can gain the shortest， lowest cost and best quality design.

Key words:KBE;ceramic kiln; virtual design

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文