基于知識工程的陶瓷窯虛擬設(shè)計探討

摘要：本文通過論述陶瓷窯的虛擬設(shè)計和知識工程的概念，針對陶瓷窯結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點(diǎn)，建立了基于知識工程的陶瓷窯虛擬設(shè)計，并給出了設(shè)計實(shí)例。基于知識工程的虛擬設(shè)計可以在陶瓷窯設(shè)計階段能實(shí)時地、并行地模擬出產(chǎn)品的未來設(shè)計全過程，預(yù)測產(chǎn)品性能、產(chǎn)品的可制造性以及設(shè)計的合理性，整個設(shè)計可大幅度降低開發(fā)成本、縮短投產(chǎn)周期、設(shè)計質(zhì)量最優(yōu)，增強(qiáng)企業(yè)的市場競爭力。

關(guān)鍵詞:知識工程；陶瓷窯；虛擬設(shè)計

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。基于知識工程的陶瓷窯虛擬設(shè)計，可以根據(jù)生產(chǎn)要求快速設(shè)計出所需的陶瓷窯，并迅速、直觀、全面地展現(xiàn)在用戶面前。因此，本文提出了該設(shè)計不但可以明顯提高陶瓷窯的設(shè)計質(zhì)量和效率，而且可以實(shí)現(xiàn)陶瓷窯設(shè)計的經(jīng)濟(jì)性和直觀性。

知識工程（knowledge Based Engineering，KBE）是促進(jìn)工程設(shè)計智能化、快速化的重要技術(shù)手段。目前，知識工程已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械行業(yè)的設(shè)計中，但是知識工程主要集中在設(shè)計某一部分或環(huán)節(jié)，并沒有從整個陶瓷窯的設(shè)計來考慮，為了使陶瓷窯的設(shè)計實(shí)現(xiàn)質(zhì)量和效率的提升，盡可能地實(shí)現(xiàn)設(shè)計過程的智能化與自動化。本文提出了基于知識工程的陶瓷窯虛擬設(shè)計，其目的是縮短產(chǎn)品的設(shè)計開發(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)品建模又稱為三維實(shí)體造型，通過三維建模，設(shè)計者能夠借助于計算機(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來進(jìn)行的，由二維截面生成三維特征時都有各自的向?qū)Р藛蝸硪龑?dǎo)用戶操作，每個向?qū)峁┮幌盗胁襟E，引導(dǎo)用戶完成自定義圖素。

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，可以生成三維拉伸特征。拉伸后的清灰過橋孔磚如圖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，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，方向曲線可以定義為一條直線、一系列直線、一條B樣條曲線或一條弧線。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)計的結(jié)果與旋轉(zhuǎn)特征不同，掃描設(shè)計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

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

通過以上方法，可以對整個陶瓷窯中的零件實(shí)行建模，并對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)計過程中，為了更好地進(jìn)行與裝配有關(guān)的設(shè)計決策，在虛擬環(huán)境下對計算機(jī)數(shù)據(jù)模型進(jìn)行裝配關(guān)系分析的一項計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)。虛擬裝配是實(shí)際裝配過程在計算機(jī)上的本質(zhì)體現(xiàn)，它根據(jù)零件間的裝配約束關(guān)系，利用裝配過程的計算機(jī)模型和仿真技術(shù)來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計和裝配，在設(shè)計階段利用產(chǎn)品虛擬原型分析可裝配性，考察在物理裝配過程中可能出現(xiàn)的問題及早地加以修改，以提高裝配效率、減少裝配時間、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)計的所有零件都作為一個塊放在零件庫中，以便后續(xù)設(shè)計采用；

（2） 新建一個設(shè)計環(huán)境用來裝配，把所需要的零件從零件庫中拖出，同時也可以直接在裝配窗口設(shè)計出新的零件，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裝配體以一個新塊加入零件庫，在進(jìn)行上一級裝配時拖入到設(shè)計環(huán)境進(jìn)行上一級裝配。如此操作可以完成整個輥道窯的虛擬裝配。

通過上述操作所得到的陶瓷窯整個虛擬模型的各帶如圖5~圖10所示。

4 知識工程在陶瓷窯虛擬設(shè)計中的應(yīng)用

知識工程在陶瓷窯虛擬設(shè)計中的應(yīng)用可以分為三部分。首先，通過三維造型軟件對陶瓷窯零件進(jìn)行三維建模。其次，通過分析陶瓷窯的結(jié)構(gòu)，得出陶瓷窯各個帶結(jié)構(gòu)都比較相近，特別適合進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計。最后，通過對零件內(nèi)和零件間進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計，使得整個陶瓷窯中參數(shù)相互聯(lián)系。因此，得到一個陶瓷窯全參數(shù)化模型。通過調(diào)整主參數(shù)來驅(qū)動整個陶瓷窯向設(shè)計的方向改變，然后將知識工程運(yùn)用于陶瓷窯模型中。知識工程在陶瓷窯虛擬設(shè)計中的運(yùn)用，可以真正實(shí)現(xiàn)計算機(jī)輔助設(shè)計，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已經(jīng)完成。

4.2尺寸驅(qū)動的實(shí)現(xiàn)

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

在陶瓷窯結(jié)構(gòu)設(shè)計中，參數(shù)化設(shè)計起到非常重要的作用。如：一個零件的特征間的參數(shù)化設(shè)計可以使用于陶瓷窯的很多零件中；此外，陶瓷窯整個裝配體中零件間的特征造型是最關(guān)鍵也是最重要的，它可以使整個陶瓷窯成為一個全參數(shù)化模型。以下用UG中部件間表達(dá)式來說明其應(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=窯框架：燒嘴支撐的長+間隙；清灰孔門的立方體特征尺寸=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步驟：

1） 在陶瓷窯中建立控制變量。這些參數(shù)將會作為陶瓷窯的主參數(shù)，用來驅(qū)動整個陶瓷窯向設(shè)計的方向改變。

2） 在零件間建立連接表達(dá)式。在建立連接表達(dá)式時，條件表達(dá)式也是非常關(guān)鍵的應(yīng)用。通過使用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。

4.3知識工程的應(yīng)用

知識工程在三維造型中的應(yīng)用，真正實(shí)現(xiàn)了計算機(jī)輔助設(shè)計。因為知識工程是以知識為驅(qū)動力，它將人工智能（包括知識庫、知識規(guī)則、邏輯推理）與CAD有機(jī)地結(jié)合起來，使應(yīng)用對象擴(kuò)展到工程設(shè)計領(lǐng)域。因此，知識工程的內(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提供了知識驅(qū)動自動化解決方案，將KBE系統(tǒng)與CAX軟件系統(tǒng)完全集成。KBE是一個能夠記錄、重復(fù)使用工程知識并用來驅(qū)動、建立、選擇和裝配相應(yīng)的幾何模型的系統(tǒng)。UG是通過知識熔接導(dǎo)航器來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能。

在陶瓷窯虛擬設(shè)計中，可以用工程知識和工程規(guī)則來驅(qū)動陶瓷窯三維模型的構(gòu)建。用戶只需根據(jù)自己的需要輸入自己的參數(shù)或者變量，系統(tǒng)就會根據(jù)這些工程規(guī)則來對陶瓷窯施加影響并更新陶瓷窯的三維模型，實(shí)現(xiàn)知識驅(qū)動。

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

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

（2） UG軟件功能非常重要。傳統(tǒng)的KBE系統(tǒng)主要依靠編程語言，而模型建立必須采用創(chuàng)成設(shè)計，即最后生成的工程文件是直接來自于某個文本文件。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中已存在的幾何對象，用工程規(guī)則來驅(qū)動這些幾何對象；

（3） 知識規(guī)則的建立。 KBE用“規(guī)則”來表示產(chǎn)品的不同幾何參數(shù)和工程屬性之間的相互關(guān)系。用戶使用KF語言建立自己的規(guī)則，利用規(guī)則來添加知識。UG/KF系統(tǒng)自動根據(jù)規(guī)則之間的關(guān)系來判斷執(zhí)行順序。利用這些規(guī)則來計算工程參數(shù)對產(chǎn)品幾何參數(shù)的影響，從而驅(qū)動最終的幾何模型。

5 結(jié)束語

與傳統(tǒng)設(shè)計相比，基于知識工程的陶瓷窯虛擬設(shè)計的產(chǎn)品開發(fā)不消耗物資資源和能源，且在投產(chǎn)前對產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的方案進(jìn)行評估和優(yōu)化，提高了產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的可行性，整個設(shè)計可以大幅度降低陶瓷窯開發(fā)的成本，縮短建設(shè)投產(chǎn)周期，從而快速、有效地響應(yīng)市場和用戶需求的變化，增強(qiáng)企業(yè)的市場競爭力。

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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)容請以PDF格式閱讀原文