KBE在圆孔拉刀三维设计中的应用研究

胡世军 袁 铭 王瑞哲 张代录 梁东旭

（兰州理工大学，甘肃兰州 730050）

KBE在圆孔拉刀三维设计中的应用研究

胡世军 袁 铭 王瑞哲 张代录 梁东旭

（兰州理工大学，甘肃兰州 730050）

对知识工程（KBE）的关键技术和CATIA V5的知识工程设计方法进行了研究，探索出一种基于KBE的参数化设计方法，将该方法应用于圆孔拉刀的三维设计，提出了基于KBE技术的圆孔拉刀CAD系统结构。结果表明，该方法能实现设计知识的重用和共享，提高设计效率和质量。

知识工程 圆孔拉刀 CATIA 三维设计

圆孔拉刀具有高效率、高精度、高寿命的特点，被广泛用于孔类零件的成批加工。由于其刃形复杂，参数多计算量大，所以设计周期长，成本高。拉刀设计时要求设计人员根据已有知识对参数进行合理选择，现行CAD系统大多停留在计算机辅助绘图的层次，不能很好地利用已有知识。文献［1－2］基于AutoCAD软件开发了拉刀参数化设计计算软件，但仅限于二维建模且设计质量较低。文献［3］在拉刀三维设计中引入智能推理技术，但系统复杂，不便于设计人员使用。本文以CATIA为平台，将KBE技术运用到圆孔拉刀的三维设计中，提出了基于KBE的圆孔拉刀CAD系统及其关键技术，实现设计知识的共享和重用。

1 圆孔拉刀的设计特点

圆孔拉刀是一种多齿复杂刀具，根据拉削方式不同，可分为分层式、分块式和综合轮切式。主要组成部分有切削部（包括粗切齿、过渡齿及精切齿）、校准部和光滑部（包括柄部、颈部、过渡锥部、前导部、后导部及尾部）［4］。主要参数有齿升量 Sz、拉削余量 A0、齿距t、同时工作齿数Zi、几何参数、容屑槽和分屑槽尺寸以及各部分齿数、直径和长度等。综合轮切式圆孔拉刀粗切部和精切部的齿升量、齿组数和齿距都不同，而且齿上开有相互错开的分屑槽。因此其结构很复杂参数又多，如果每设计一把新的刀具都用三维软件重新建模，需要人工输入很多数据，工作量大，极易出错。

拉刀种类繁多结构各异，但其主要组成部分基本相同，设计过程中大部分工作是重复的。故拉刀的设计知识具有相似性和继承性，全新设计只占其中很小部分，而现行CAD系统对知识重复利用程度较低。

2 CATIA知识工程的关键技术

知识工程（KBE）是通过知识驱动和繁衍，对工程问题提供最佳解决方案的计算机集成处理技术，是领域专家知识的继承、集成、创新和管理，是CAX技术与AI技术的集成［5］。KBE 的本质是“知识的重用”，其关键技术包括知识获取、知识表示和知识利用。CATIA V5的知识工程模块包括知识工程顾问、知识工程专家、产品知识模板、产品功能优化等7个工作台。

2.1 知识获取

机械产品设计知识主要包括工业标准、设计规则、经验准则、团队技能等，将KBE技术应用于机械产品的设计就要研究这些知识的特点，将它们中隐含的信息快速准确地转化为正规的显示知识，并且存储下来以便企业重用。CATIA主要通过参数化建模、创成式脚本等形式来实现知识获取。

2.2 知识表示

知识的表示方法有产生式表示法、框架表示法、语义网络表示法、面向对象表示法等。CATIA主要用产生式表示法和面向对象的表示法来表示知识，通过公式（Formulas）、设计表（Design Tables）、规则（Rules）、检查（Checks）、应变（Reactions）、报告（Reports）等形式中的知识工程语言来表示知识［6］。

2.3 知识利用

知识利用也就是知识的推理，即运用已掌握的知识来推理出未知的知识，推理机利用知识库的知识，按照一定的推理策略使问题得以解决。CATIA的推理方法主要有基于知识推理方法（RBR）和基于实例的推理方法（CBR），RBR通过知识工程顾问和知识工程专家来实现，CBR通过产品知识模板来实现。

3 基于KBE的圆孔拉刀三维设计

3.1 基于KBE的圆孔拉刀CAD系统结构

基于KBE的圆孔拉刀CAD系统结构，如图1所示，主要组成模块包括人机界面、基于知识的CAD集成系统、拉刀三维设计平台、拉刀知识库等。知识库是系统的核心，存储着设计数据和要求、产品特征、行业标准、设计实例、专家经验以及设计方法等。特征和尺寸关联库对拉刀的三维建模进行特征驱动和尺寸驱动，规则检验库则用行业设计标准和专家经验等对产品的设计进行实时检验，并提出建议，与设计人员进行对话。设计人员则根据建议对产品进行修改，并将修改后的信息存入知识库，实现知识繁衍。

3.2 圆孔拉刀知识库的建立

（1）参数化建模。首先将圆孔拉刀的设计知识表示出来，如图2所示。然后对拉刀进行特征提取。拉刀的特征包括几何特征、材料特征、工艺特征等。再将拉刀的各特征分为若干个子特征，如将拉刀几何特征分为刀具基体、容屑槽、分屑槽等子特征，以便于用知识工程语言表示。由于综合轮切式拉刀结构复杂，先根据设计手册等资料建立用户参数，并通过公式建立各用户参数之间的关系，再对拉刀进行参数化建模得到拉刀的三维模型，如图3所示。建模过程中，通过公式与系统参数建立联系，实现参数驱动模型。由于拉刀特征参数较多，需通过创建参数集，如图4所示，根据类型对参数进行重组，方便知识库的管理。

（2）表格驱动拉刀模型。根据拉刀最新标准JB/T7962－2010，用与设计有关的数据创建Excel表格，然后通过Association建立表中参数与拉刀特征参数的联系，设计人员通过访问表中不同的系列值实现标准拉刀模型的快速修改和更新。用户可以根据产品要求修改表格中的参数值，实现非标准拉刀的快速设计。

（3）创建规则和检查。把拉刀的设计要求、原理、规范、经验等采用核心工程语言 （C－EKL），比如条件语句“if...then...else”的形式表达，并建立相应的设计规则和检验，使用已定义的特征参数作运算及逻辑判断。通过规则约束拉刀各参数之间的关系，通过检验判断某些条件能否满足要求。对于在一定范围内变化的参数，如齿距t，用规则设置参数范围，解决不能合理选择参数的问题。

（4）创建专家规则库。将拉刀容屑槽、分屑槽、材料等特征按照类别放在一起，将涉及到的专家知识用知识工程语言表示出来，组成不同层次的规则库、规则集和具体的专家规则或检查，如图5所示。生成的报告（Reports）可以检查出违反标准的情况，与行业标准结合确保设计符合已创建的标准，并协助进行必要的修改。拉刀知识得以存储并能够让设计人员共享，用户用宏来记录在知识工程专家中的操作。

（5）创建拉刀知识样板。通过创建拉刀的超级副本、用户特征、文档模板等操作创建拉刀的知识样板，将拉刀的参数、关系、设计准则等包含进去，实现拉刀产品的实例化，如图6所示。选择特定的功能作为拉刀设计的可更换元件，用户只需设定新的参数和几何特征，即可自动转换为一把新的拉刀。利用CATIA目录库功能，可轻松实现对模板的调用，极大地提高了设计效率。

3.3 基于KBE的圆孔拉刀三维设计的关键技术

（1）知识获取。拉刀知识来源于刀具设计手册、行业标准、设计人员经验和同类产品等。

（2）知识表示。由于拉刀知识不仅包括结构数据、行业标准等显性知识，而且还包括专家经验、设计方法等隐性知识，所以不能采用单一的表示方法。本文采用产生式表示法和面向对象表示法的混合知识表示模式，用产生式规则（if－then的形式）来表达表示拉刀设计中的具体公式、方法、条件等，同时把拉刀的各种具体特征用对象类的方式进行知识处理。

（3）知识推理。由于拉刀知识既有明确的显性知识，又有不明确的隐性知识，故本文采用RBR和CBR集成推理模式，由知识工程顾问和知识工程专家生成拉刀规则检验库，由知识工程样板生成拉刀实例库。首先用RBR来减小搜索范围，再用CBR进行实例检索。从实例库检索出与设计目标类似的实例，然后比较分析，再对现有实例进行修改生成目标零件，并将目标零件存入知识库，实现设计知识的更新和繁衍。

3.4 设计实例

已知被拉孔直径D=50+0.025 mm，预加工孔直径D0=49 mm，拉削长度l0=80 mm，工件材料为45钢，拉床型号为L6140A。拉刀分屑槽的截形有U型、V型、圆弧型等，本例选择窄的圆弧型分屑槽。分屑槽在前后刀齿上交错排列，其切削深度要大于齿升量，即h＞Sz。通过在表格里选择不同的系列值或通过规则来选择不同的参数值，使点、线、面等元素根据变动关系自动拓扑更新，即可快速修改参数，得到不同的特征模型。图7和图8为不同参数值下的分屑槽。

拉刀材料常选择 W18Cr4V、W2Mo9Cr4VCo8、W6Mo5Cr4V2Al以及与其具有同等性能的高速工具钢。在知识工程顾问模块里，创建基于材质改变的应变，能够在材质改变时提示设计者，同时创建一个检查，当给拉刀所选材质合理时，系统提出警告，实现对刀具材料的检查。用知识工程样板建立分别建立分层式、分块式、综合轮切式圆孔拉刀的模型，并用CATALOG库文件管理模型。设计时根据需要调用相应类型的拉刀模型，再修改参数驱动模型，即可实现拉刀的快速设计。

4 结语

本文将圆孔拉刀的设计知识和CATIA软件的知识工程模块相结合，开发基于KBE技术的圆孔拉刀CAD系统，实现了拉刀模型的知识驱动。设计经验、同类产品、设计方法等知识可以及时存入知识库并更新，使拉刀知识得以共享和重用，同时还能对设计进行检验并提出修改建议，实现人机对话，减少了设计中的大量重复性工作，提高了拉刀设计效率和质量。

［1］何庆，张振坤.圆孔拉刀参数化设计［J］.林业机械与木工设备，2003，31（11）：26 －28.

［2］Terry W Robert，Karin Reuven.A knowledge based system for the integrated design and manufacture of round broach tools［J］.Journal of Intelligent Manufacturing，1990，12（1）：77 －91.

［3］廖映华.基于Pro/E的圆孔拉刀智能CAD系统研究与开发［J］.制造业自动化，2009，31（8）：176 －183.

［4］四川省机械工业局.复杂刀具设计手册［M］.北京：机械工业出版社，1979.

［5］赵震，彭颖红.基于KBE的工程设计——理论、方法与实践［J］.机械科学与技术，2003（1）：151－153.

［6］陈明星，沈萌红.CATIA环境下基于知识的机械产品参数化造型设计研究［J］.机械，2003，30（6）：17 －18.

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Application research of knowledge-based engineering on round broach

HU Shijun，YUAN Ming，WANG Ruizhe，ZHANG Dailu，LIANG Dongxu
（Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，CHN）

The paper researches the key technology of knowledge－based engineering（KBE）and the design method with KBE based on CATIA V5 and explores a parameterized design method based on KBE.This method is applied to the 3d design of round broach and a CAD system of round broach based on KBE is presented.Examples are given to show the reusing and sharing of the design knowledge，and indicate that this method can improve the design efficiency and quality.

KBE;Round Broach;CATIA;3D Design

TH164

A

胡世军，男，1968年生，副教授，硕士生导师，主要研究方向为成套装备及自动化、数控技术及精密制造装备、复杂型面精密加工技术。

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2012－07－09）

130415