基于UG的减速器KBE系统的研究与设计

刘德仿，陈建军，陶 杰，江 强

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

（1. 盐城工学院 优集学院，盐城 224002；2. 江苏大学 汽车与交通工程学院，镇江 212013）

0 引言

减速器是一种原动机与工作机之间独立的封闭式传动装置，用来降低转速及相应地增大转矩，是一种应用极为广泛的重要机械部件。

减速器的结构虽然比较简单，但其设计计算长期以来按传统设计方法进行，过程相当繁复。设计者需要通过查阅大量资料文献，参照同类产品，结合自己的经验，通过估算、模拟或试验完成产品的设计[1]。而且目前，用于设计的CAD/CAPP/PDM 软件系统，都是一些工具型软件，没有KBE知识库，也不可能事先开发出针对减速器设计的KBE系统[2]。本文基于UG NX二次开发平台，根据减速器的设计流程，在其设计特点的基础上对减速器KBE系统进行了研究。

1 减速器KBE系统的总体设计

图1 减速器KBE系统模块结构

减速器KBE系统是主要以UG软件的CAD建模及装配模块、二次开发模块以及减速器实例数据库为基础，以特征参数化产品建模技术为核心的集成系统。系统的设计按照模块化思想进行，不同的功能由不同的模块来完成，模块之间相互联系，使整个系统结构清晰，功能完善。模块划分自上而下，逐级进行，如图1所示。

1.1 减速器设计知识挖掘

对减速器结构和功能进行分析，在设计前需要获得：减速器设计范例、国内外标准；减速器的设计流程、设计准则及变型设计要求；减速器结构及结构与参数变型的类型；减速器各零部件之间的相互关系，包括装配关系、几何关系和参数关系等。根据以上数据，可以整理、归纳、抽象出设计过程所要用到的工程知识，并由此建立知识库。

1.2 定义工程规则

利用所挖掘的设计知识来定义减速器设计过程的工程规则，然后根据用户的需要建立由这些工程规则和设计知识所组成的设计过程导引，从而实现从减速器工程参数到三维模型几何参数的转化，并驱动相关的设计过程。

1.3 建立系统原型库

运用系统建模技术，根据工程知识和工程规则所确定的几何参数，建立蕴含减速器设计知识的原型模型，当用户修改相应的工程参数、更新工程知识和调整工程规则时，系统能激活相应的设计知识，使原型模型自动更新，实现减速器的自动设计。

1.4 软件开发

按照软件工程的要求进行软件开发，在采用软件生命周期方法学的基础上，结合面向对象的方法和工具进行系统的定义、分析、设计、编码和调试，每一阶段都形成完备的技术文档，并使用快速原形化方法来确定系统的功能模块，使系统开发既有一定的先进性，又较符合实际工程的要求。

1.5 系统流程

系统研究开发以减速器设计理论、知识工程和数据库技术为基础，采用结构化分析、设计和面向对象的方法，进行软件系统的分析设计，以确保系统的开发质量、可靠性与实用性：

1）在统一数据库下，利用UG/Open API二次开发工具与C语言，建立产品选型设计、三维参数化建模等信息的共享环境；

2）利用UG开发环境实现减速器的三维特征参数化建模并纳入统一的数据库管理，以解决设计过程中的“自动化孤岛”问题，实现系统集成，最终形成基于UG的专用减速器自动装配模块；

图2 系统流程图

3）基于UG装配建模环境，结合UG/Open API二次开发实现了减速器的虚拟装配。

系统运行流程如图2所示。

2 减速器KBE系统的关键技术

知识工程的关键技术包括： 知识获取、知识表示、知识推理和知识管理[3]。KBE系统具有“自我生成”的知识繁衍机制，允许用户利用KBE提供的工具添加自己的独特知识，从而对系统进行扩展。在减速器KBE系统中，知识获取通过对各部件的设计范例、国内外标准、设计过程中得到的结论知识等来实现。所获取的知识，纳入到统一数据库管理。

2.1 知识表示

目前在实施KBE的过程中，用得最多的知识表示方法有一阶谓词逻辑表示法、语言网络、产生式表示法、面向对象、框架知识表示等[3,4]。知识库是智能KBE系统的核心，是系统智能的源泉，主要由设计规则库、产品实例库和工程数据库等构成[5]。单一的知识表示方法很难满足表达以上知识的要求，减速器KBE系统针对不同部件的特点、知识侧重，将几种知识表示方法综合起来应用，采用知识的集成表示法，以达到更加准确合理的处理知识的目的。例如单级减速器KBE系统传动方案的表示，可利用框架知识表示法来描述：

2.2 知识推理

知识推理可以分为：基于规则的推理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是目前应用最广泛的推理技术[6]。基于规则的推理按驱动方式可分为正向推理、反向推理、混合推理、双向推理。正向推理和反向推理都具有其局限性，为充分发挥两者的优点，在减速器KBE系统采用混合推理技术：设计过程中采用正向推理，校核时采用反向推理。

2.2.1 正向推理

正向推理的过程是：首先由用户提供与求解问题有关的初始条件及设计任务知识，然后开始正向使用规则，在知识库中搜索能够与其匹配的规则，该规则即为可用规则，按照某种冲突消解策略，得出所使用规则的结论；通过检验推理结果，如果不符合设计要求，则需重新进行新规则的匹配，如此重复上述过程，直到得出结论或者知识库中没有可用的规则为止，而推出的结论又可以作为中间结果加入到实例数据库中作为下段推理的已知条件。例如减速器输入轴轴径的初步设计计算的推理过程，在轴的结构和材料（45#）已经选取的前提下，可以启用设计规则（第三强度理论），由此推理出轴径的计算公式。其推理流程如图3所示。

图3 传动轴设计正向推理过程

2.2.2 反向推理

反向推理是以某个假设的目标作为出发点的一种推理，首先提出一个假设目标，再从知识库中寻找支持该假设的证据（规则集），如果所需要的规则（“与”关系中的全部子目标，或者“或”关系中的某一个子目标）能够通过用户提供的知识库找到，则该假设成立，推理成功，并把得到的规则结论加入到实例数据库中。而如若无法找到支持该假设的规则，则说明假设不成立，需要另做新的假设而进行再次的反向推理，或者推理失败，结束推理。在减速器输入轴的弯曲刚度校核时，假设轴的弯曲刚度满足要求，再通过在数据库中寻找能满足该目标的规则集，以此反向推理，进而可以验证所选取的轴径。

3 实例

本文以单级斜齿轮减速器设计为例，实现减速器KBE系统。在建立系统模型前先对减速器做详细的参数化模型设计，对斜齿轮减速器进行特征分解后，通过两条技术路线实现产品建模：一方面利用UG的复合建模技术实现各零部件的建模；另一方面利用UG二次开发模块实现具有参数化特征的齿轮传动部件的产品建模。主要零件参数化模型如图4、图5所示。

图4 输入轴

图5 斜齿轮

完成减速器三维建模后，利用UG NX4的UG/OPEN MenuScript编辑以.men为扩展名的菜单脚本文件，在UG NX4中加入专用菜单的方式来实现菜单用户化。采用UG/Open API、UG/ Open UIStyler和UG/Open GRIP并结合VC++ 6.0进行开发：UG/Open UIStyler用于生成可视化的交互对话框，UG/Open GRIP用于编写读写参数文件的*.grx文件，而UG/Open API与VC++ 6.0则用于编写完成对话框相应功能的*.dll文件。

然后，配置环境变量进入UG软件，点击菜单栏上“圆柱斜齿轮减速器快速成型系统”进入系统。根据用户要求，逐步添加减速器零件，系统自动计算完成减速器的装配与设计。减速器KBE系统中输入轴部件和齿轮部件的实现，如图6、图7 所示。所有零件装配完成后，可以得到单级斜齿轮减速器的模型，如图8所示。

图6 输入轴部件

图7 齿轮部件

图8 单级斜齿轮减速器

4 结论

本文以知识性和参数化的核心技术为基础开发出基于UG平台的减速器KBE智能系统，能激活相应的设计知识，使原型模型自动更新，实现减速器的自动设计。系统具有如下优点：1）从减速器设计的全局来考虑问题，而不是仅仅提供某一传动副的计算；2）自动化程度高，用户只需输入减速比、输入功率和转速，即可得到全部的几何参数、精度值、应力校核结果、部件模型和装配模型；3）具有高度的柔性，在自动计算的过程中，用户可以随时干预设计进程，更改设计选项和参数，从而使用户的意图体现在设计结果中；4）在了解工程师的设计思维和设计习惯的基础上，将专家多年的减速器设计经验体现在程序的设计中。

[1] 江征风,刘丽华,丁毓峰.基于UG/KF技术的减速器设计知识重用系统[J].机械制造,2008,46(530)：19-22.

[2] 郭卫光,郭钢,等.汽车转向器KBE系统的研究与实现[J].机械研究与应用,2008,21(1)：111-113.

[3] 陈军,石晓祥,赵震,等.KBE关键技术及其在现代模具智能设计中的应用[J].锻压技术,2003(4)：47-49.

[4] 赵波.基于KBE的机械产品设计[J].机械设计,2004,21(7)：7-8,54.

[5] 李俭波,方宗德,等.基于UG平台的车门设计KBE系统关键技术研究[J].机械设计与制造,2007(10)：73-75.

[6] 彭颖红,胡浩.KBE技术及其在产品设计中的应用[M].上海：上海交通大学出版社,2007：202.