基于UG的減速器KBE系統的研究與設計

劉德仿，陳建軍，陶 杰，江 強

LIU De-fang1,CHEN Jian-jun2,TAO Jie2,JIANG Qiang2

（1. 鹽城工學院 優集學院，鹽城 224002；2. 江蘇大學 汽車與交通工程學院，鎮江 212013）

0 引言

減速器是一種原動機與工作機之間獨立的封閉式傳動裝置，用來降低轉速及相應地增大轉矩，是一種應用極為廣泛的重要機械部件。

減速器的結構雖然比較簡單，但其設計計算長期以來按傳統設計方法進行，過程相當繁復。設計者需要通過查閱大量資料文獻，參照同類產品，結合自己的經驗，通過估算、模擬或試驗完成產品的設計[1]。而且目前，用于設計的CAD/CAPP/PDM 軟件系統，都是一些工具型軟件，沒有KBE知識庫，也不可能事先開發出針對減速器設計的KBE系統[2]。本文基于UG NX二次開發平臺，根據減速器的設計流程，在其設計特點的基礎上對減速器KBE系統進行了研究。

1 減速器KBE系統的總體設計

圖1 減速器KBE系統模塊結構

減速器KBE系統是主要以UG軟件的CAD建模及裝配模塊、二次開發模塊以及減速器實例數據庫為基礎，以特征參數化產品建模技術為核心的集成系統。系統的設計按照模塊化思想進行，不同的功能由不同的模塊來完成，模塊之間相互聯系，使整個系統結構清晰，功能完善。模塊劃分自上而下，逐級進行，如圖1所示。

1.1 減速器設計知識挖掘

對減速器結構和功能進行分析，在設計前需要獲得：減速器設計范例、國內外標準；減速器的設計流程、設計準則及變型設計要求；減速器結構及結構與參數變型的類型；減速器各零部件之間的相互關系，包括裝配關系、幾何關系和參數關系等。根據以上數據，可以整理、歸納、抽象出設計過程所要用到的工程知識，并由此建立知識庫。

1.2 定義工程規則

利用所挖掘的設計知識來定義減速器設計過程的工程規則，然后根據用戶的需要建立由這些工程規則和設計知識所組成的設計過程導引，從而實現從減速器工程參數到三維模型幾何參數的轉化，并驅動相關的設計過程。

1.3 建立系統原型庫

運用系統建模技術，根據工程知識和工程規則所確定的幾何參數，建立蘊含減速器設計知識的原型模型，當用戶修改相應的工程參數、更新工程知識和調整工程規則時，系統能激活相應的設計知識，使原型模型自動更新，實現減速器的自動設計。

1.4 軟件開發

按照軟件工程的要求進行軟件開發，在采用軟件生命周期方法學的基礎上，結合面向對象的方法和工具進行系統的定義、分析、設計、編碼和調試，每一階段都形成完備的技術文檔，并使用快速原形化方法來確定系統的功能模塊，使系統開發既有一定的先進性，又較符合實際工程的要求。

1.5 系統流程

系統研究開發以減速器設計理論、知識工程和數據庫技術為基礎，采用結構化分析、設計和面向對象的方法，進行軟件系統的分析設計，以確保系統的開發質量、可靠性與實用性：

1）在統一數據庫下，利用UG/Open API二次開發工具與C語言，建立產品選型設計、三維參數化建模等信息的共享環境；

2）利用UG開發環境實現減速器的三維特征參數化建模并納入統一的數據庫管理，以解決設計過程中的“自動化孤島”問題，實現系統集成，最終形成基于UG的專用減速器自動裝配模塊；

圖2 系統流程圖

3）基于UG裝配建模環境，結合UG/Open API二次開發實現了減速器的虛擬裝配。

系統運行流程如圖2所示。

2 減速器KBE系統的關鍵技術

知識工程的關鍵技術包括： 知識獲取、知識表示、知識推理和知識管理[3]。KBE系統具有“自我生成”的知識繁衍機制，允許用戶利用KBE提供的工具添加自己的獨特知識，從而對系統進行擴展。在減速器KBE系統中，知識獲取通過對各部件的設計范例、國內外標準、設計過程中得到的結論知識等來實現。所獲取的知識，納入到統一數據庫管理。

2.1 知識表示

目前在實施KBE的過程中，用得最多的知識表示方法有一階謂詞邏輯表示法、語言網絡、產生式表示法、面向對象、框架知識表示等[3,4]。知識庫是智能KBE系統的核心，是系統智能的源泉，主要由設計規則庫、產品實例庫和工程數據庫等構成[5]。單一的知識表示方法很難滿足表達以上知識的要求，減速器KBE系統針對不同部件的特點、知識側重，將幾種知識表示方法綜合起來應用，采用知識的集成表示法，以達到更加準確合理的處理知識的目的。例如單級減速器KBE系統傳動方案的表示，可利用框架知識表示法來描述：

2.2 知識推理

知識推理可以分為：基于規則的推理RBR(Rule-Based Reasoning)、基于模型的推理MBR(Model-Based Reasoning)和基于事例的推理CBR(Case-Based Reasoning)，其中RBR是目前應用最廣泛的推理技術[6]。基于規則的推理按驅動方式可分為正向推理、反向推理、混合推理、雙向推理。正向推理和反向推理都具有其局限性，為充分發揮兩者的優點，在減速器KBE系統采用混合推理技術：設計過程中采用正向推理，校核時采用反向推理。

2.2.1 正向推理

正向推理的過程是：首先由用戶提供與求解問題有關的初始條件及設計任務知識，然后開始正向使用規則，在知識庫中搜索能夠與其匹配的規則，該規則即為可用規則，按照某種沖突消解策略，得出所使用規則的結論；通過檢驗推理結果，如果不符合設計要求，則需重新進行新規則的匹配，如此重復上述過程，直到得出結論或者知識庫中沒有可用的規則為止，而推出的結論又可以作為中間結果加入到實例數據庫中作為下段推理的已知條件。例如減速器輸入軸軸徑的初步設計計算的推理過程，在軸的結構和材料（45#）已經選取的前提下，可以啟用設計規則（第三強度理論），由此推理出軸徑的計算公式。其推理流程如圖3所示。

圖3 傳動軸設計正向推理過程

2.2.2 反向推理

反向推理是以某個假設的目標作為出發點的一種推理，首先提出一個假設目標，再從知識庫中尋找支持該假設的證據（規則集），如果所需要的規則（“與”關系中的全部子目標，或者“或”關系中的某一個子目標）能夠通過用戶提供的知識庫找到，則該假設成立，推理成功，并把得到的規則結論加入到實例數據庫中。而如若無法找到支持該假設的規則，則說明假設不成立，需要另做新的假設而進行再次的反向推理，或者推理失敗，結束推理。在減速器輸入軸的彎曲剛度校核時，假設軸的彎曲剛度滿足要求，再通過在數據庫中尋找能滿足該目標的規則集，以此反向推理，進而可以驗證所選取的軸徑。

3 實例

本文以單級斜齒輪減速器設計為例，實現減速器KBE系統。在建立系統模型前先對減速器做詳細的參數化模型設計，對斜齒輪減速器進行特征分解后，通過兩條技術路線實現產品建模：一方面利用UG的復合建模技術實現各零部件的建模；另一方面利用UG二次開發模塊實現具有參數化特征的齒輪傳動部件的產品建模。主要零件參數化模型如圖4、圖5所示。

圖4 輸入軸

圖5 斜齒輪

完成減速器三維建模后，利用UG NX4的UG/OPEN MenuScript編輯以.men為擴展名的菜單腳本文件，在UG NX4中加入專用菜單的方式來實現菜單用戶化。采用UG/Open API、UG/ Open UIStyler和UG/Open GRIP并結合VC++ 6.0進行開發：UG/Open UIStyler用于生成可視化的交互對話框，UG/Open GRIP用于編寫讀寫參數文件的*.grx文件，而UG/Open API與VC++ 6.0則用于編寫完成對話框相應功能的*.dll文件。

然后，配置環境變量進入UG軟件，點擊菜單欄上“圓柱斜齒輪減速器快速成型系統”進入系統。根據用戶要求，逐步添加減速器零件，系統自動計算完成減速器的裝配與設計。減速器KBE系統中輸入軸部件和齒輪部件的實現，如圖6、圖7 所示。所有零件裝配完成后，可以得到單級斜齒輪減速器的模型，如圖8所示。

圖6 輸入軸部件

圖7 齒輪部件

圖8 單級斜齒輪減速器

4 結論

本文以知識性和參數化的核心技術為基礎開發出基于UG平臺的減速器KBE智能系統，能激活相應的設計知識，使原型模型自動更新，實現減速器的自動設計。系統具有如下優點：1）從減速器設計的全局來考慮問題，而不是僅僅提供某一傳動副的計算；2）自動化程度高，用戶只需輸入減速比、輸入功率和轉速，即可得到全部的幾何參數、精度值、應力校核結果、部件模型和裝配模型；3）具有高度的柔性，在自動計算的過程中，用戶可以隨時干預設計進程，更改設計選項和參數，從而使用戶的意圖體現在設計結果中；4）在了解工程師的設計思維和設計習慣的基礎上，將專家多年的減速器設計經驗體現在程序的設計中。

[1] 江征風,劉麗華,丁毓峰.基于UG/KF技術的減速器設計知識重用系統[J].機械制造,2008,46(530)：19-22.

[2] 郭衛光,郭鋼,等.汽車轉向器KBE系統的研究與實現[J].機械研究與應用,2008,21(1)：111-113.

[3] 陳軍,石曉祥,趙震,等.KBE關鍵技術及其在現代模具智能設計中的應用[J].鍛壓技術,2003(4)：47-49.

[4] 趙波.基于KBE的機械產品設計[J].機械設計,2004,21(7)：7-8,54.

[5] 李儉波,方宗德,等.基于UG平臺的車門設計KBE系統關鍵技術研究[J].機械設計與制造,2007(10)：73-75.

[6] 彭穎紅,胡浩.KBE技術及其在產品設計中的應用[M].上海：上海交通大學出版社,2007：202.