智能設計技術在機械研發制造中的應用

芮 雪

（長治職業技術學院，山西 長治 046000）

在科技水平與經濟發展效率不斷提升的背景下，為有效開展各種復雜多樣的工程項目，各行各業對機械制造產品的質量要求越來越嚴格，因此機械研發制造行業在應用智能設計技術時需要保證該技術能夠有效提高產品質量[1]。在日漸激烈的市場競爭中，效率是確保企業能夠占據優勢地位的關鍵因素之一，而智能設計技術的應用能夠有效提高機械制造的生產效率，同時降低人工作業強度。

1 智能設計技術在機械研發制造中的應用

1.1 數控車床智能設計平臺系統

機械研發制造智能設計系統主要由兩部分組成，一部分是以遺傳算法為核心技術的優化方案系統，另一部分是以實例推理技術為核心的智能CAD詳細方案設計系統。機械產品具有結構復雜化、層次多樣化等特性，對其分解后的設計方案可以利用遺傳算法技術進行編碼，同時利用遺傳優化構建出完善的設計方案。對設計方案進行深入分析，利用以實例推理技術為核心的智能CAD系統對具體的零部件結構進行詳細設計[2]。智能CAD系統主要包括推理分析與模型構建兩部分，利用實例推理對過往相關成功案例進行搜索，合理選用成功案例中的系統知識，以此完成新系統結構的設計；利用參數化建模對零部件結構進行模型構建，同時支持模型修改操作，利用數據庫將推理和建模有效關聯。本研究結合數控車床的特點與機械研發制造智能設計系統，構建了數控車床智能設計平臺。

1.2 數控車床結構分析

數控車床的系統設計通常利用模塊化方法。該方法能夠有效提高產品的多變性和實用性，其在實際應用中對機械產品進行科學的層級分解，對各模塊重新組構，以此生成機械產品整體規劃方案，利用遺傳算法對數控車床進行重組的思想同時符合模塊設計基礎思想。數控車床由眾多機械零件共同構成，具有一定的層次性，可以依據這一特點對數控車床進行多層次分解。數控車床包括冷卻系統、數控系統、潤滑系統以及機械系統等[3]。其中，冷卻系統主要包括12 L/min以及50 L/min的冷卻單元；機械系統包括刀架、機床主體、滑臺以及尾座等結構；機床主體包括平床身與多角度斜床身，如30°、45°、60°斜床身等。數控車床結構具體情況如圖1所示。

圖1 數控車床結構圖

將分解后的數控車床數據導入數據庫，每一個實例都代表一項可選擇的方法，數據儲存方法采用方案編碼形式進行，對數據節點進行統籌編碼。數控車床中每一項實例層次的不同會導致其位置不盡相同，方案數據庫依據遺傳算法構建[4]。通過車床零部件數據庫和結構信息數據庫構建數控車床的結構屬性與功能屬性，功能屬性數據庫主要應用在機械產品零部件設計當中，結構屬性數據庫主要應用在零部件參數建模當中。

1.3 數控車床智能設計平臺框架結構

數控車床智能設計平臺在實際應用過程中應當包括系統主界面、程序后臺運行以及數據庫等內容，智能系統框架結構可以分為基礎數據層、功能層以及表示層，數控車床智能設計平臺框架圖如圖2所示。

圖2 數控車床智能設計平臺框架圖

系統顯示界面是使用者與智能系統之間進行交流互動的主要窗口，使用者的具體設計需求、操作過程等都需要通過系統界面進行輸入，同時系統的具體運行結果也會通過界面及時反饋給使用者。系統界面是整體設計系統中十分重要的組成因素，是溝通使用者與設計系統的主要橋梁。

程序后臺運行主要是指系統界面中的對話交流框能夠利用后臺程序進行功能操作。程序利用C++語言進行編程撰寫，通過遺傳算法、實例推理、信息檢索、數據生成以及參數化建模等方法實現運行[5]。后臺運行系統是整個設計系統能夠正常運行的核心環節，是操作指令與數據庫之間有效連接的關鍵因素。

數據庫主要存放數據信息和實例信息，本研究所設計的系統采用SQL數據庫，其中包括系統運行實例數據庫、數控車床零部件性能參數數據庫以及方案實例數據庫等。數據庫的主要功能就是為系統后臺操作運行提供良好的數據信息支持，同時對系統運行操作后的處理結果進行儲存整合，是整個數控車床設計系統中的集成部分[6]。

1.4 數控車床智能設計平臺功能模塊設計

數控車床智能設計平臺主要包括三部分，分別是零部件參數化建模、實例推理設計以及遺傳算法方案生成。其中，將零部件參數化建模與實例推理設計相結合能夠構建智能CAD系統。

遺傳算法模塊主要包括設計要求和遺傳算法參數。將參數輸入設計系統中，使其進行遺傳算法運算。設計要求的主要功能是為了滿足使用者的基礎功能作用而制定的關鍵性指標參數，在實際運行中會參與方案生成環節。遺傳算法的參數包括交叉變異率、觀察間隔時間、最大基因數、群體規模以及終結遺傳算法運行的遺傳代數等[7]。設計要求包括機床實際功率大小、產品加工精確度、具體功能與經濟因素的需求以及占地面積等。在設計要求和遺傳算法參數設定完畢后需要啟動基因算法，從而生成機械產品生產設計方案，將其通過系統界面展現出來。

依據遺傳算法制訂的設計生產方案只是初始的整體系統方案，其中并沒有對具體的零部件結構進行詳細設計。將數控車床中的機械部分進行選取，利用實例推理尋找過去的成功案例，將其中的重點知識與核心體系重新解構，以此為基礎進行新產品制造系統的有效設計。實例推理的運用主要依靠科學合理的搜索算法對數據庫中相關的數據信息進行全面搜索。比如轉塔刀架結構的設計，是利用實例推理進行相關數據資源搜索，在構建數據庫的過程中將結構屬性參數和功能屬性參數進行分離操作[8]。其中，參數輸入界面包括換刀時間、刀位權重、刀位數、中心高度、定位精準度以及二次定位精準度等，權重值可以利用Delphi法以及層次分析方法來明確。功能屬性參數與結構屬性參數相對應，在系統界面修改結構參數時，系統后臺程序就會對修改后相對應的數據源進行調整更新儲存。依據使用者的具體需求輸入設計要求，權重值可以使用默認權重，通過后臺程序將權重參數直接傳送至輸入框。結構參數輸入界面能夠將結構參數有效儲存到系統數據庫中，為系統進行三維建模提供數據基礎。

機械產品制造設計需要CAD技術的大力支持，對機械產品進行參數化設計能夠為系統模型生成以及后續數據修改提供有效保障。在實例推理系統中設置三維模型構建程序，將CAD與數據庫進行有效連接，確保CAD系統能夠有效調動數據庫中的數據資源，以此實現實例推理智能CAD系統[9]。同時，該系統還對UG開發技術下的參數化建模進行研究分析，以此實現UG訪問數據庫。應用模塊包括用戶界面、應用程序以及數據庫模塊，利用UG/Open UIStyler以及UG/Open MenuScript設計對話框與菜單系統；應用程序主要利用VC++語言進行編寫；SQL數據庫中存放實例參數信息。在參數化建模的過程中利用MFC AppWizard生成格式為cpp的系統文件，同時在對話框中添加回調函數，為調用UG軟件提供DLL格式文件[10]。利用ODBC接口構建數據庫訪問操作，利用MFC AppWizard構建工程文件，同時借助其他系統工具實現數據庫的調用管理，確保能夠對數據庫中數據進行檢索查詢與連接溝通等操作。同時，為實現數控車床與數據庫之間的有效連接，對數控車床的主軸結構進行參數化設計，具體步驟如下。

程序編寫與界面設計時進行參數化設計。界面系統中需要包括輸入界面、菜單、導入模板以及數據庫連接等功能，同時增加回調函數，利用choicdata-func函數調動MFC對話框。利用工程向導Unigraphics NX AppWizard V1加載數據庫中格式為lib的文件，隨后運行zhu-zhou-prt.dll文件。構建數據源。數控車床零部件數據和實例信息存放在系統數據庫中，需要通過ODBC接口訪問數據庫，而訪問數據庫需要指定DSN，就是構建一個數據源。在添加數據庫并測試成功后需要及時構建數據源。

2 結論

綜上所述，智能設計技術在應用中能夠極大程度地提高生產設計質量與效率，利用大數據、虛擬現實等技術提高產品設計的精確度與高效性，進而推動機械研發制造行業的創新發展。