基于知识工程的岸桥数字化样机设计系统的研究

上海市(教委）重点学科建设项目：J50503基于知识工程的岸桥数字化样机设计系统的研究仲梁维，朱娟（上海理工大学机械工程学院，上海，200093）夏正行（上海民之智能科技有限公司，上海，200093）摘要：本文提出了一种岸边集装箱起重机的数字化设计方法，这种方法以专家系统和模型库为支撑，构建基于知识工程的岸边集装箱设计系统。本文论述了数据库和计算方法为基础的专家系统，并且讨论了模型库的结构，标准件、外购件的选择方法。由基础设计参数、设计约束、设计规则寻找最适合的型号和尺寸驱动模型。通过计算后的数据到专家系统中寻找型号，再从模型库中获得此型号装配，并自动生成设计说明书和施工图纸等，解决了目前CAD技术在岸边集装箱起重机设计计算过程中错误和数据共享的问题，实现了计算、结构设计、工艺设计、产品数据管理一体化过程。关键词：岸边集装箱起重机；CAD；知识工程；专家系统；数字化样机DigitaldesignofQuaysidecontainercranebasedonKnowledgeengineeringXiaZhengxing,ZhongLiangwei,Zhujuan(DepartmentofMechanics,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China)Abstract:Thispaperproposesadigitaldesignmethodofquaysidecontainercrane,whichbasedonexpertsystemsandmodelbase,buildadesignsystemofquaysidecontainercranebasedonknowledgeengineering.Thispaperdiscussesexpertsystemsbasedondatabaseandcalculation,anddiscussesstructureofmodelbase,standardparts,outsourcingpartsselecting.Searchforthemostsuitabletypeandsizedrivermodelaccordingtothebasicdesignparameter,designrestrictionandregulation.Aftercalculation,lookfortypefromexpertsystems,andthengainthistypefrommodelbaseforassembling,thengeneratesdesignspecificationsandconstructiondrawingsautomatically.ThisdesignmethodsolvesthecalculationerrorsanddatasharingduringproblemduringthequaysidecontainercranedesignwithCADtechnology.andrealizethatcalculation,structuraldesign,processdesign,productdatamanagementintegration.Keywords:Quaysidecontainercrane,CAD,Knowledgeengineering,expertsystem,digitalprototyping0引言随着集装箱运输船舶大型化的蓬勃发展和技术进步，岸边集装箱起重机(简称岸桥)也在不断更新换代。对岸桥设计提出了更高更新的要求：一是要改进岸桥的技术参数，如外伸距、起升速度增大，提高吊具下额定起重量;二是研究高效率的岸桥设计方法，以满足大型船舶的发展带来的岸桥生产率的要求。然而，传统的手工设计方法设计周期长，工作量繁杂，查阅相关设计资料多，而且需要经验丰富的工程师才能胜任。岸桥是一种大型又复杂的港口机械产品,包括整机金属结构、机器房、起升机构,俯仰机构,小车牵引机构,大车运行机构等,对这种大型机械产品的参数化是数字化样机设计的难点，为解决这个问题，需要应用很多技术。知识工程(knowledgebasedengineering,简称KBE)以知识为处理对象,把多种信息关联在一起，主要为专家系统、人工智能提供知识表达、知识获取和知识重用的技术和方法[1]。知识工程(KBE)应用到计算机辅助设计过程中可以有效解决形式的多样性和设计的复杂性,应用知识工程原理对数字化样机设计进行研究,就是利用知识丰富的岸桥设计工程师总结出设计中的经验和规则，采用知识工程的方法表达出来，使之成为设计者操作计算机的对象，从而使设计经验和行业规范转化为软件系统，能保证设计和分析的一致性,协调性,从而实现岸桥的快速和优化设计,缩短设计周期,提高设计质量,而且对于新手也可以很轻易地设计出结构复杂的岸桥，以达到智能化设计的目的。1．岸桥数字化样机设计系统的结构岸桥数字化样机设计系统是以知识库和专家系统为核心，以产品模型库、产品数据库和标准库为支撑，集成计算机辅助设计(CAD）和计算机辅助分析(CAE)技术，为岸桥设计人员提供一个能够不断使用和更新企业已经有的知识、模型、经验、数据等资源的岸桥开发设计平台。根据岸桥总体设计的特点，提出如图1所示的岸桥数字化样机设计系统。系统基于C/S结构，数据库放在服务器中，各个子系统根据关系数据库和角色库，实现了数据的共享和修改的规范性，已达到数据完整性、一致性、冗余度低等特点。为了保证系统的有序进行，系统配有几种不同的角色，根据角色进入各自的客户端，把部件的设计传到专家系统中，其他部件设计者能够查看。总体设计尺寸传送至专家系统，CAE部门上海市(教委）重点学科建设项目：J50503进入角色后可以查看这些结构数据，工艺部门可以进入角色查看设计部门的工程图和相关文档。对各个角色权限管理和注册管理。结合安全控制和容错技术，提高系统的安全性和稳定性，防止非法利用。知识工程是人工智能在处理知识信息方面的发展，它主要研究如何应用计算机来表达知识，进行问题的智能求解。知识工程的研究使人工智能的研究从理论转向了应用，本系统中的参数化驱动平台基于知识的模型和结合特征造型理论，在参数化设计中引入知识工程，来弥补当前参数化设计的不足。它不仅可以随时调整产品形状和尺寸，而且可以随时调整产品的结构和特征，同时实现尺寸驱动、特征驱动和自动装配。本系统的子系统装配检测平台功能是按照工艺路线进行装配和公差分析，分析结果返回知识库。子系统有限元分析及优化平台是调用参数化系统中的数据进行对整机结构和机构分析，优化后重新被参数化系统表达。动力学仿真平台分析岸桥的性能。本系统随时监督设计过程，检验设计是否合格，并提出适当的建议，与设计人员进行人机对话。岸桥参数化设计平台项目管理参数化驱动平台装配检测平台有限元分析优化平台动力学仿真平台现场安装实验平台零件库扩展用户权限系统任务管理系统产品查询系统总体设计方案机构设计系统结构设计系统工艺自动装配干涉检查系统有限元分析平台有限元优化平台动力学分析平台动力学仿真平台吊装方案系统吊装动画平台标准件库扩展产品形式扩展知识推理库、产品模型库、专家系统、标准件库、规则库等图1岸桥数字化样机设计系统结构2．基于KBE的岸桥设计流程岸桥的设计包括总体设计、机构设计和总体性能的检测，总体设计采用的自顶向下(TOP-DOWN)的设计方法，岸桥中的各个机构部件需要从整机知识库中调用数据，对这些机构尺寸进行设计调整来满足整机尺寸的需要，设计时涉及到电动机、减速器、制动器等外购件的选用，这些外购件的型号和性能参数都已经标准化。选用适合装配到各个机构中。所涉及的设计和选用的经验规则建成专家系统，知识库以这个专家系统为基础，再把工程师大量的设计经验和岸桥设计的法则作为推理机。来确定岸桥主要参数和零部件的尺寸，由此提出来如2所示一种基于KBE的岸桥数字化样机设计的流程图。这些主要结构进行有限元分析和运动学和动力学分析，来满足刚度、强度等静动态特性要求。在人机界面中输入岸桥的总体参数：吊具下起重量、整机工作级别、轨面上起升高度、俯仰机构工作级别、俯仰工作速度、轨面下起升高度、前伸距、后伸距等一级参数，根据输入的参数通过推理机计算出符合或者接近条件的岸桥。借用这个岸桥的基础模型进行变形设计，修改和确定这些主要性能参数和主要尺寸，完成总体方案设计。数字化样机设计系统根据总体设计选择，从产品模型库调用整机结构如图3所示，小车结构件和机器房等辅助性结构件，经过尺寸修改后装配成岸桥总机。再进行岸桥五大机构设计，机构设计中由知识工程对标准件库的选择，装配。选用以前设计过并输入设计要求推理机：查询计算出满足要求的零部件的型号和参数，如整机结构的型号、起升机构、小车牵引机构等类型人机交互，确定主要参数，选择主要零部件型号和性能参数创建起升机构、大车机构等五大机构三维模型并装配，确定岸桥整机结构等结构件的装配尺寸和基本尺寸。总体设计方案和整机参数，例如质量、质心、前拉杆长等参数。整机和零部件的性能分析，强度、刚度、疲劳、屈曲等知识库产品数据库标准件库零部件库分析结果满足要求物理样机测试评估输出计算报告、二维施工图、专家系统存为成功产品型号计算辅助分析系统整机结构、各大机构模型否是图2基于KBE的岸桥数字化样机设计流程进过论证的型号，然后驱动机构的尺寸。做好机构装配到机器房中，这样岸桥的整机装配出，利用基于知识的辅助分析系统，调用专家系统中钢结构参数和材料参数等，按照计算标准校核强度、刚度、疲劳、屈曲，合格后输出设计数据和形成计算报告，不合格修改界面属性或者结构特性。系统设计方案确定是一个渐进优化过程,通过上述流程,获得满足性能要求的最优设计方案。由知识工程建好的岸桥重新传入专家系统，供以后设计学习查找。图3可参数化驱动的整机结构模型3．基于知识的岸桥设计平台功能及实现3.1基于知识的参数驱动系统企业必须利用好以前项目的设计经验，使之能够得以继承、续用，各层次各阶段的开发设计者的知识经验能够得以捕获、总结、存储、积累并在以后新产品开发中传递、续用和创新[2],这个对一个企业产品开发很重要，对产品的开发效率的加快,成本的降低,产品质量的提高起至关重要的作用。根据岸桥的结构、机构组成和运行机理，对岸桥的结构体系做较为全面、系统而深入的研究。根据岸桥设计规范，进行各机构和结构规范设计和标准零部件的选取，作为专家系统中的知识库和推理机。专家系统由模型库、标准库等知识库和推理机模块组成。采用基于模型实例+规则的混合推理方式，首先启用基于以前成功项目的推理，推理出成熟的岸桥产品的相似设计方案，机构选择方法一样，再调用基于规则的推理获得新的设计方案。推理结果的正确性及合理性等因素，知识库的结构和建立是专家系统研究的核心内容之一[3]。岸桥设计知识具有层次性、关联性、继承性、耦合性等特点，本文采用基于面向对象的混合表示方法，将产生的规则、框架等表示方法封装在系统程序中，较方便地实现了岸桥设计的知识的表示。基于专家系统岸桥设计虚拟样机设计界面如图4所示。知识表示的描述语言是VisualC++开发环境中实现，利用VisualC++的MFC编程方法创建可视化的Pro/TOOLKIT应用程序来实现岸桥三维模型的二次开发[4]。其层次结构如图5所示，图4岸桥数字化样机设计系统界面知识库整机模型机器房模型库缠绕系统模型库...模型库实例库规则库数据库国家标准企业标准企业规定产品型号知识库标准库机器房知识库缠绕系统知识库起升机构知识库大车机构知识库...产品形式及选择规则整机主要性能参数整机结构参数整机工作级别机器房布置形式机器房结构尺寸缠绕系统布置形式缠绕系统结构尺寸起升机构的形式起升机构标准件型号起升机构计算报告起升机构主要参数大车机构的形式大车机构标准件型号大车机构计算报告大车机构主要参数大车稳定性计算方法图5岸桥数字化样机知识库结构3.2起升机构系统的数字化样机设计系统产生虚拟