基于本體的橋式起重機機構零部件選型研究

陳洪財，黃文培，丁國富，夏曉龍，閻開印

CHEN Hong-cai，HUANG Wen-pei，DING Guo-fu，XIA Xiao-long，YAN Kai-yin

（西南交通大學 機械工程學院 先進設計與制造技術研究所，成都 610031）

0 引言

目前橋式起重機市場競爭十分激烈，自動化設計在橋式起重機的設計制造中至關重要，并已成為起重機設計的一個發(fā)展趨勢[1]。目前在起重機設計知識庫的構建中已有很多知識表示方法，例如基于面向?qū)ο笾R表示的起重機專家系統(tǒng)[2]、基于產(chǎn)生式規(guī)則和框架的橋式起重機快速智能設計[3]以及基于XML的面向?qū)ο笾R表示的起重機CAD系統(tǒng)[4]等。在人工智能領域內(nèi)已發(fā)展了多種知識表示方式，這些方式各有利弊。傳統(tǒng)的知識表示方法在語義表現(xiàn)等方面存在一定局限，而使用本體論來表示知識可以在語義的表現(xiàn)、挖掘隱含的信息方面有很大的改善，知識表示關系的更豐富。本體論在零件工藝設計[5]、汽車和機床等領域均獲得了良好的應用[6]。

本文將本體方法應用到橋式起重機零部件選型中，首先根據(jù)橋式起重機零部件信息建立橋式起重機零部件領域本體知識庫并利用推理機對領域本體進行一致性檢查，然后存儲領域本體，再結(jié)合VS 2008開發(fā)工具實現(xiàn)橋式起重機零部件選型等相關信息的智能管理及應用。系統(tǒng)集成三維CAD技術針對選型結(jié)果進行參數(shù)化設計。該設計方法能適應復雜的起重機零部件的自動化選型設計。

1 系統(tǒng)框架流程設計

1.1 系統(tǒng)框架設計

本文研究的橋式起重機零部件選型系統(tǒng)將本體方法與參數(shù)化設計方法緊密結(jié)合，實現(xiàn)零部件自動化快速設計，即：用戶需求—推理匹配設計—校核—參數(shù)化設計—結(jié)果返回，系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

橋式起重機零部件自動化選型系統(tǒng)主要包括零部件知識庫、推理規(guī)則庫、零部件模型庫三個部分。零部件知識庫由Protégé軟件根據(jù)橋式起重機零部件相關信息建立；規(guī)則庫來源于兩個方面：一是本體中所蘊含的公理，二是領域規(guī)則；模型庫由橋式起重機零部件模型構成。

圖1 橋式起重機零部件智能快速選型系統(tǒng)框架

其中，知識庫用于預處理用戶提交的查詢條件及用于零部件的匹配選型，它是快速智能設計的基礎；匹配推理是自動快速設計的核心，包括推理設計、匹配算法設計等；規(guī)則庫用于橋式起重機零部件智能快速選型過程中實例檢索；參數(shù)化設計是快速設計模型的實現(xiàn)方法，可以利用SolidWorks實現(xiàn)基于尺寸的參數(shù)化建模。

1.2 系統(tǒng)流程設計

基于本體的橋式起重機零部件智能快速選型流程：

1）提交用戶需求。用戶提交基本參數(shù)。

2）匹配推理。查詢條件預處理后進入零部件選型推理匹配過程。

3）參數(shù)化設計。將匹配結(jié)果返回并校核通過后，進入?yún)?shù)化設計模塊進行零部件參數(shù)化建模。

4）結(jié)果返回。參數(shù)化設計完成后返回結(jié)果并存儲，實現(xiàn)橋式起重機零部件智能快速選型。

2 知識庫、規(guī)則庫、模型庫建立及匹配推理設計

2.1 知識庫的建立

橋式起重機零部件知識庫中包含項目信息、用戶信息、零部件類型、零部件型號、零部件特征、零部件裝配、零部件選型要求等相關信息。

橋式起重機零部件知識庫用Protégé軟件根據(jù)橋式起重機零部件相關信息建立。Protégé軟件是目前最為流行的開源本體編輯軟件，由斯坦福大學開發(fā)[7]。Protégé軟件提供了本體概念類、關系、屬性和實例的構建，并且屏蔽了具體的本體描述語言，用戶只需在概念層次上進行領域本體模型的構建。

圖2 聯(lián)軸器部分

以聯(lián)軸器為例，利用本體理論構建知識庫中聯(lián)軸器部分知識的具體步驟如下，如圖2所示。聯(lián)軸器領域本體建立步驟如下：

1）界定領域范圍，即聯(lián)軸器。

2）選擇數(shù)據(jù)源抽取聯(lián)軸器相關信息的概念構造概念類，如聯(lián)軸器類、齒輪型齒式聯(lián)軸器類等類。

3）確定聯(lián)軸器相關概念的屬性，構造屬性類。如許用轉(zhuǎn)速、許用轉(zhuǎn)矩、質(zhì)量等。

4）確定聯(lián)軸器相關屬性類和聯(lián)軸器概類念間的關系。

5）建立聯(lián)軸器概念的個體，如齒輪型齒式聯(lián)軸器、CL1型齒輪齒式聯(lián)軸器等。

在橋式起重機零部件領域本體建立完成后，對領域本體進行一致性檢查，一致性檢查通過后存儲領域本體。按照存儲介質(zhì)不同可以分為基于主存、基于文件系統(tǒng)和基于關系數(shù)據(jù)庫三類本體存儲方法[8]。基于文件系統(tǒng)的存儲方式實現(xiàn)起來比較簡單,很多相關工具都支持對文件格式的本體進行存取。本文采用基于文件系統(tǒng)存儲，將橋式起重機零部件領域本體以OWL格式存儲在文件系統(tǒng)中。

2.2 規(guī)則庫的建立

整個匹配推理過程中，包括的兩個中心環(huán)節(jié)：規(guī)則庫的設計和匹配推理設計。知識庫建立完成后，我們建立用于匹配推理的規(guī)則庫，規(guī)則庫中的規(guī)則來源于兩個方面：一是本體中所蘊含的公理，二是領域規(guī)則。

公理主要包括本體中的類關系和屬性關系。其中，類關系覆蓋了等價類關系、子類關系、互斥類關系。屬性關系則包括等價屬性關系、子屬性關系、逆屬性關系。在構建領域規(guī)則時，需要遵循一些原則：1）明確表示條件和動作間的關聯(lián)；2）規(guī)則必須符合領域中的應用，且規(guī)則之間不能存在沖突；3）滿足常用有效的規(guī)則表示形式，以便計算機處理。如齒輪型齒式聯(lián)軸器類是聯(lián)軸器類的子類、聯(lián)軸器類是起升機構的子類。電動機類是起升機構的子類等。推理規(guī)則（部分）如表1所示。

表1 推理規(guī)則（部分）

例如，假設滿足規(guī)則類型rule1，聯(lián)軸器類subClassOf 起升機構類；起升機構類 subClassOf橋式起重機類。則有聯(lián)軸器類 subClassOf 橋式起重機類，即聯(lián)軸器類是橋式起重機類的子類。假設滿足規(guī)則類型rule2，電機類EquivalentClass電動機類；電動機類EquivalentClass電機類。則電機類與電動機類是相等類。

2.3 匹配推理設計

將用于存放匹配結(jié)果的匹配數(shù)組置空，用來存放已完成匹配的實例的匹配結(jié)果。我們要對返回的結(jié)果根據(jù)相似度的大小進行排序。最后將相似度最高的結(jié)果返回。

1）預處理用戶提交的查詢條件。用戶需求經(jīng)過預處理變?yōu)橐唤M采用“AND”連接的關鍵字。實例信息中至少包含一個查詢關鍵字便視其為相匹配的實例，需返回。

2）與知識庫中實例進行匹配。系統(tǒng)基于規(guī)則庫規(guī)則及橋式起重機零部件知識庫推理找到需要選型的零部件類，再找到實例層中對應該零部件類的所有實例。系統(tǒng)自動將經(jīng)預處理的查詢條件與橋式起重機零部件知識庫中的實例進行匹配，若與實例的一個或幾個屬性匹配，則增加用于存儲該次匹配結(jié)果的數(shù)組中的值；若屬性不匹配，則數(shù)組中的值不變。

3）匹配結(jié)束。比較各匹配實例匹配數(shù)組中變量的值。最后將相似程度值最大的實例返回并進行相關參數(shù)校核。

2.4 模型庫的建立

根據(jù)橋式起重機零部件相關幾何信息，采用SolidWorks軟件逐一建立各零部件的模型，構成模型庫。結(jié)合系統(tǒng)的管理功能，在系統(tǒng)使用過程中逐漸完善模型庫。

3 參數(shù)化設計

目前關于橋式起重機的參數(shù)化設計有較多的參考文獻，目前參數(shù)化建模技術可分為三類：基于尺寸驅(qū)動的參數(shù)化建模、基于約束驅(qū)動的參數(shù)化建模和基于特征的參數(shù)化建模。基于尺寸驅(qū)動的參數(shù)化建模通過對模型的幾何尺寸進行修改，實現(xiàn)對圖形的修改。它是目前應用最為廣泛的建模方法，也是最基本的方法。本文采用基于SolidWorks尺寸驅(qū)動的參數(shù)化建模方式。參數(shù)化設計流程如圖3所示。

圖3 基于SolidWorks的參數(shù)化設計流程

橋式起重機零部件智能快速選型系統(tǒng)利用VS2008開發(fā)工具將知識庫模塊、規(guī)則庫模塊和模型庫模塊集成。系統(tǒng)中參數(shù)化設計模塊是基于SolidWorks的二次開發(fā)函數(shù)API，采用C#語言調(diào)用SolidWorks軟件，實現(xiàn)將Solidworks軟件嵌入到選型系統(tǒng)中。根據(jù)零部件匹配選型結(jié)果相關信息進行零部件參數(shù)化設計，得到零部件的三維模型并返回結(jié)果，參數(shù)化設計結(jié)束。

4 實例驗證

以電動機輸出軸用聯(lián)軸器選型為例來說明零部件自動快速選型過程。聯(lián)軸器選型包括聯(lián)軸器類型選擇、聯(lián)軸器具體型號選擇等。參考系統(tǒng)流程設計，選型過程如下。

1）確定聯(lián)軸器結(jié)構類型

（1）提交用戶需求

提交用戶需求即輸入聯(lián)軸器類型選擇基本參數(shù)，如表2所示。聯(lián)軸器選型基本參數(shù)從已完成選型的相關零部件讀取和用戶提交的基本參數(shù)中讀取。其中原動機的機械特性、聯(lián)軸器的載荷特性、聯(lián)軸器的許用轉(zhuǎn)速及兩軸的相對偏移和傳遞精度等參數(shù)從已完成選型的相關零部件中獲取，安裝和維護、經(jīng)濟性、工作環(huán)境等參數(shù)由用戶選擇提交。

表2 聯(lián)軸器類型選擇基本參數(shù)

（2）匹配推理

將基本參數(shù)處理變?yōu)橐唤M采用“OR”連接的關鍵字，系統(tǒng)基于規(guī)則推理在知識庫中首先找到橋式起重機概念類，基于rule1找到起升機構概念類，然后找到聯(lián)軸器概念類，最后找到聯(lián)軸器零部件的實例。將系統(tǒng)預處理后基本參數(shù)與起重機知識庫中的聯(lián)軸器實例匹配。主要考慮兩軸相對偏移、工作環(huán)境、載荷特性等主要因素，再參考經(jīng)濟性等次要因素。

（3）經(jīng)過推理匹配輸出匹配程度最高的聯(lián)軸器類型：齒輪型齒式聯(lián)軸器。

2）確定聯(lián)軸器規(guī)格型號

（1）提交用戶需求

輸入聯(lián)軸器型號選擇基本參數(shù)，如表3所示。選型基本參數(shù)從已完成選型的零件讀取和用戶提交的基本參數(shù)中讀取。

表3 聯(lián)軸器型號選擇基本參數(shù)

其中聯(lián)軸器類型從前面聯(lián)軸器類型匹配結(jié)果獲取，驅(qū)動功率（用于聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩校核）、聯(lián)軸器輸入軸轉(zhuǎn)速、聯(lián)軸器輸入軸直徑和聯(lián)軸器輸出軸直徑參數(shù)從已完成選型的電機等部件中獲取。

（2）匹配推理

首先預處理基本參數(shù)并基于規(guī)則推理在知識庫中找到齒輪型聯(lián)軸器實例。將系統(tǒng)預處理后基本參數(shù)與起重機知識庫中的齒輪型聯(lián)軸器實例進行匹配。主要考慮聯(lián)軸器輸入轉(zhuǎn)速、聯(lián)軸器輸入軸直徑、聯(lián)軸器輸出軸直徑等主要因素，再參考經(jīng)濟性、重量等次要參數(shù)。聯(lián)軸器型號選擇匹配結(jié)果信息見表4。經(jīng)過推理匹配并校核聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩，輸出匹配程度最高的齒輪型齒式聯(lián)軸器，型號CL3。

表4 聯(lián)軸器型號匹配結(jié)果

3）參數(shù)化設計

匹配結(jié)束后，從知識庫中讀取CL3型聯(lián)軸器幾何尺寸信息，CL3型聯(lián)軸器幾何尺寸信息見表 5。并將信息傳遞到參數(shù)化設計模塊進行聯(lián)軸器參數(shù)化建模。CL3聯(lián)軸器模型如圖4所示。

表5 CL3型齒式聯(lián)軸器幾何尺寸參數(shù)(單位mm)

圖4 聯(lián)軸器零件模型及相關信息

4）結(jié)果返回

在參數(shù)化設計完成后，輸出聯(lián)軸器的種類、型號及零件模型圖等信息并存儲。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)用Protégé軟件建立了橋式起重機零部件知識庫，根據(jù)相關原則建立了用于匹配推理的規(guī)則庫，建立了用于參數(shù)化建模的原始模型庫。然后基于VS2008開發(fā)工具將知識庫模塊、規(guī)則庫模塊和參數(shù)化設計模塊集成起來。最后通過實例證明了該系統(tǒng)有效可行。

本文旨在對我國橋式起重機零部件選型的現(xiàn)代設計方法做一些嘗試和探索，因此還有不完善的地方，但本文提出的思想對起重機零部件選型會有一定的啟發(fā)和推動作用。

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