基于知識的拖拉機變速箱智能化設計系統研究

李春燕，石小龍，劉德仿，王　斌

(1.鹽城工學院 機械優集學院，江蘇 鹽城　224001；2.江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮江　212013)

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基于知識的拖拉機變速箱智能化設計系統研究

李春燕1，石小龍2，劉德仿1，王斌1

(1.鹽城工學院 機械優集學院，江蘇 鹽城224001；2.江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮江212013)

摘要：為了實現知識的積累、繼承和重用，縮短設計周期，降低設計成本，減少重復勞動，以變速箱為研究對象，將知識工程技術運用到變速箱設計流程中。在研究了知識表示、知識推理等變速箱智能設計基礎上，以NX為平臺開發了基于KBE技術的變速箱智能化設計系統，并且結合了變速箱實例驗證該系統的可靠性和有效性。

關鍵詞：變速箱；知識工程；智能化設計；拖拉機

0引言

在拖拉機的傳動系統中,變速箱的零件占了很大一部分,是拖拉機產品設計中新工藝采用最多的部分。其與制動器、動力輸出軸傳動、后橋、四輪驅動(前橋除外)及其它一些部件組成傳動系，主要是將發動機輸出的高轉速低轉矩轉換為動力輸出軸和驅動橋的低轉速大轉矩[1]。變速箱的設計對傳動系統的質量、壽命和成本起著決定性的作用，設計方法的優劣直接關系著產品的質量、研制周期和成本。目前，我國對于變速箱的設計主要還停留在手工設計方面，且存在著大量的重復勞動，所以開發出一套智能化設計系統很有必要。

在總結了以往變速箱的設計標準、專家經驗等設計知識的基礎上，將知識工程運用到變速箱的設計中，實現了變速箱知識的積累、繼承和重用。同時，利用NX二次開發工具NX/Open API及相關技術實現變速箱知識庫的建立，結合實例推理和規則推理機制，開發出基于知識的變速箱智能化設計系統，實現復雜產品的快速配置。

1變速箱智能化設計系統

1.1　變速箱智能設計系統體系結構

變速箱智能設計系統分為3層，分別是界面層、功能層和基礎層。界面層具有友好的人機交互界面，方便用戶在操作時與系統交流，并且引導用戶完成變速箱系統的設計過程；功能層包括方案設計模塊、知識管理模塊等，可有效地將知識模塊和其他模塊融合，由知識來驅動產品的設計；基礎層主要是由規則庫、實例庫及數據庫等組成[2]。系統體系結構如圖1所示。

圖1　變速箱智能設計系統框架

1.2　變速箱智能化設計系統流程

開發智能設計系統的第1步是需求分析。拖拉機變速箱智能化設計系統會根據客戶的選型需求，確定總體的設計參數，進而將這些需求和設計參數傳到智能化設計系統當中。變速箱智能化設計系統的流程圖如圖2所示。首先，系統在獲取了界面輸入的參數后，會在實例庫中進行一級檢索，搜索出幾個相似實例，并通過推理判斷選擇出最佳的實例；若搜索無結果，就需要根據導航一步步完成設計。在初步方案生成后，再進行虛擬裝配、干涉檢驗、運動仿真及結構力學分析等，如果滿足需求，系統會自動生成相關的工程圖、BOM表及相關的技術文檔等。最后，由知識評價系統判定新的實例是否要添加到實例庫當中，以便共享和重用。

圖2　變速箱智能化設計系統流程圖

2關鍵技術的實現

2.1　變速箱設計系統KBE技術的研究

2.1.1知識獲取

知識獲取的主要目的是從不同的知識來源中獲取知識來構建知識庫，是知識工程領域的瓶頸問題[3]。產品的設計知識是智能化設計系統的基礎組成部分，也是最為關鍵的部分，系統的完善度很大程度上取決于知識的質量和數量。獲取知識的方式主要有3種：①設計人員從領域專家那里獲取和變速箱相關的知識，且以正確的形式存儲到知識庫當中。②變速箱領域的專家將自己的知識由知識編輯器存入相關知識庫當中，在這種方法當中，知識編輯器提供了一個對話界面，專家按照要求輸入知識。③通過知識學習器自動獲取知識[4]。

2.1.2知識表示

知識工程領域專家經過長期的歸納總結，給出知識表示的含義：用計算機的符號表達方式將人類在認知客觀世界時產生的知識表示出來[5]。常用的知識表示的方法有面向對象表示法、產生式表示法、框架表示法和人工神經網絡表示法等。每種方法都有其優缺點，適用領域也不一樣。表1為幾類知識表示方法的優缺點及范圍的比較。

變速箱智能化設計系統知識結構比較復雜，采用單一的表示方法不能準確、有效地表達這些知識。特別是結構設計方面，它不但有零件的具體結構，而且還有其加工、裝配等問題。在對變速箱的設計知識進行分類及對各知識表示方法進行分析的基礎上，采用以面向對象為主，過程式、產生式及其他表示方法為輔的混合式知識表示方法，完成變速箱的設計知識的描述。

表1　常用知識表示方法的比較

2.1.3知識推理

推理的作用是查找相似的實例，且給出修改意見，實際是模仿人類進行類比推理的模式。對于基于知識的拖拉機變速箱智能設計系統來說，盡管設計的參數很多，但只需選定幾個對結構影響最大的參數作為實例推理判斷的主參數，通過加權定量計算出相似系數的方法即可找到相似實例。具體推理過程如圖3所示。

在輸入相關的參數后，用戶可在界面上查詢到變速箱的整體設計方案，并在此基礎上修改完成設計。如果實例檢索相似度較低時，系統會結合規則推理，通過實例推理和規則推理結合的方式分別完成各部件的設計，最終一步步完成變速箱的裝配。混合推理的方式可以提高準確性和推理的效率，可以更好地實現變速箱的智能化設計。

圖3　變速箱智能化設計推理機制過程

2.1.4知識庫的構建和操作

知識庫又稱為人工智能數據庫，是人工智能(AI)技術和數據庫(DB)技術的有機結合[6]。變速箱智能設計系統知識庫主要由實例庫、規則庫、模型庫、設計知識庫和數據庫組成。實例庫中存放的以前設計成功的案例，均是經過實踐證明正確的、可行的，可以作為后期設計的基礎；而規則庫中存放的是長期生產實踐積累下來的經驗公式和取值規則等，由多個子規則庫構成。這些知識庫在變速設計過程中起到約束和指導設計的作用。在進行知識庫的構建時，將知識進行收集、整理并且歸納成解決問題的策略，使以一定的形式放在特定的數據庫或文件夾中讓用戶檢索。

知識庫操作主要是對知識的檢索、修改和檢查等操作。對于變速箱智能化設計系統，還可以處理各知識庫間的協同和集成關系。

2.2　變速箱智能化設計系統二次開發工具

本文所研究的基于知識的變速箱智能化設計系統是建立在人機交互的基礎上、基于系統框架搭建起來的。變速箱智能化設計系統是在Windows環境下運行的，以VC++為開發語言，結合SQL Server 2008、Visual Studio 2010及NX自帶的多樣化的二次開發工具對NX9.0進行二次開發。NX/Open是一系列UG開發工具的總稱，它提供的開發工具主要包括NX/Open API、NX/Open GRIP、NX/Open UIStyler及NX/Open MenuScript，如表2所示[7]。NX/Open API是比較常見的開發工具，是NX與外部應用之間的接口，是NX/Open提供的函數和過程的集合。NX/Open MenuScript主要用來定制菜單，用戶可以使用ASCⅡ文件編輯NX系統或創建菜單。

表2　UG/Open開發模塊

3變速箱智能化設計系統的應用

3.1　變速箱智能化設計系統的運行操作

拖拉機變速箱智能化設計系統是通過系統的人機交互界面為橋梁，連接設計人員和領域專家；設計人員根據設計要求，按照系統提示，輸入相關的初始條件和設計參數來完成變速箱系列產品的設計。設計過程分為兩個部分：整體設計和子系統設計。設計人員可以在兩種模式間自由切換，設計過程變得自由靈活。變速箱快速設計原型系統主菜單如圖4所示。

圖4　變速箱快速設計原型系統主菜單

3.2　變速箱智能化設計系統實例

變速箱智能化設計系統會根據設計人員的需求從實例庫中檢索是否有相似的實例。如果實例庫中存在相似的實例，就直接在此模型基礎上進行修改設計；若檢測不到相似的實例，設計人員就需要對每個部件進行參數的定制。當每個部件設計完成之后，系統會按照UG WAVE的總體控制結構完成裝配，得到整個變速箱的參數化模型，最終實現了變速箱的變形設計。

點擊系統菜單欄“變速箱快速設計原型系統”，在下拉菜單中選擇“變速箱主參數設計”界面，系統會彈出圖5所示的主參數輸入界面；輸入相關參數，最后完成變速箱主參數設計；最后依次完成變速箱快速設計原型系統里其它設計選項，最終完成總體的設計。

圖5　主參數輸入界面

4結論

介紹了變速箱的產品特點和設計現狀，探討了設計系統的實現方法與過程，在智能化設計系統開發的過程中，采用了UG二次開發技術、C++編程和參數化建模技術。所設計的智能化設計系統可以實現變速箱的快速設計，提高了設計效率，實用性強，為其它產品的智能設計提供了一定的借鑒。

參考文獻：

[1]高輝松，朱思洪，賀亮，等.拖拉機動力換擋變速箱和無級變速箱發展現狀與趨勢[J].機械傳動，2012,36(8)：119-123.

[2]王馳，郭剛，童福安，等.基于知識的轉向器參數化設計系統知識庫的構建[J].機械工程與自動化，2008(3)：1-3.

[3]谷建光，張為華，解紅雨.實例與經驗相結合的產品設計知識獲取技術[J].計算機集成制造系統，2008,14(3)：417-424.

[4]鐘秀琴，符紅光.基于本體的幾何學知識獲取及知識表示[J].計算機學報，2010,33(1)：167-174.

[5]彭穎紅，胡潔.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.

[6]D T Pham, N S Goulash. Knowledge-Based Configuration Design[C]//Industrial Informatics,2003 Proceedings.INDIN:IEEE International Conference, 2003:248-254.

[7]汪銳.NX Open API編程技術[M].北京:電子工業出版社,2012.

Research on Intelligent Design System for Tractor Gearbox Based on Knowledge

Li Chunyan1, Shi Xiaolong2, Liu Defang1, Wang Bin1

(1.Mechanical UGS College of Yancheng Institute of Technology , Yancheng 224001, China ; 2.School of Automobile and Traffic Engineering of Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

Abstract：In order to achieve the accumulation, inheritance and reuse of knowledge, shorten the design cycle, reduce design cost , reduce duplication of effort, with the gearbox for the study, the knowledge engineering technology was applied to the design process of gearbox. After studying the intelligent design technology of knowledge representation and knowledge inference, then a intelligent system for gearbox was designed by integrating the technologies of Knowledge Based Engineering based on the NX platform, and an example of gearbox was used to verify its validity and reliability.

Key words：gearbox; knowledge based engineering; intelligent design; tractor

中圖分類號：S219.032.1

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)10-0250-04

作者簡介：李春燕(1980-)，女，石家莊人，講師，碩士，(E-mail)hxmoob@163.com。通訊作者：石小龍(1991-)，男，江蘇南通人，碩士研究生，(E-mail)381268703@qq.com。

基金項目：國家自然科學基金項目(51405420)；江蘇省產學研前瞻性創新資金項目(BY2015057-38)

收稿日期：2015-09-19