基于实例推理的磁材压机模块化设计研究

王海军，殷国富，唐明星

WANG Hai-jun1,YIN Guo-fu1,TANG Ming-xing2

（1.四川大学 制造科学与工程学院，成都 610065：2.成都四星液压制造有限公司，成都 610052）

0 引言

随着全球经济的迅速发展，市场竞争日益激烈，传统的制造观念及设计方法已经无法满足客户不断变化的个性化需求，企业为提高自身的竞争力，除了必须增强产品创新功能、降低生产成本、保证产品质量之外，还须缩短产品设计周期，以快速设计并生产出满足用户需求的多品种、小批量定制化产品。

模块化设计作为快速设计与可适应设计的重要设计方法和核心技术，通过功能模块的不同组合实现产品的用户化和定制化设计，被视为实现产品多样化的主要途径及大规模定制化的基本方法[1,2]。

模块化设计始于20世纪初，欧洲一些国家将其用于家具行业，直到20世纪50年代，欧美一些国家正式提出了模块化设计的概念，随后模块化设计便受到了越来越广泛的关注和研究。国外学者[3～5]在模块化设计的概念定义、模块的划分技术以及模块的组合技术上都做了诸多研究；国内学者[1,2,6]针对传统模块化设计的不足与局限性，将参数化设计与变量化分析技术引入模块化设计，提出了广义模块化设计的概念与设计方法，对其基本原理、广义模块划分、模块组合进行了系统论述，并将其应用到大型液压机等产品的设计开发中，拓展了模块化设计的应用领域。

基于实例推理(Case-Based Reasoning,CBR)是一种通过重用或修改以往解决相似问题的方案来解决现有问题的推理模式，已被广泛应用于多个领域，如智能诊断、图像识别，尤其是产品的设计与开发领域。在所有的产品设计活动中，约有75%的产品设计都是基于实例推理的设计[7]。

压机作为制造业重要的基础设备之一，其广泛应用于国民生产的各个领域。由于用途的不同，压机的主机结构形式多样，差异很大，其生产多以小批量、定制化为主，工况较复杂，载荷大，结构需要满足一定的强度与刚度要求。本文以某企业自主设计的300T磁材压机为研究对象，以模块化设计方法为基础，结合基于实例推理的产品设计技术，详细介绍基于实例推理的磁材压机模块化设计流程及其关键技术。

1 基于实例推理的模块化设计

1.1 模块化设计

模块化设计是现代产品设计的一种重要方法，通过对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品进行功能分析，划分并设计出一系列的功能模块，再由不同模块的选择和组合构成不同的产品，以满足市场与用户不同需求[8]。

模块化设计有传统模块化设计与广义模块化设计之分。传统的模块化设计多以固定尺寸系列划分的刚性模块为基础，强调模块的通用化、标准化和系列化，这就使得其在产品模块划分的过程中，可能出现模块系列划分不当的情况，不是模块划分太过细致，就是模块划分太过粗略，直接导致设计的产品要么功能不足，要么功能冗余，与用户的个性化需求相冲突。为解决传统模块化设计的不足与局限性，广义模块化设计[2]将参数化设计与变量分析技术融入模块化设计中，通过对一系列产品进行功能分析并结合在设计、制造、维护中的特点，划分并构造出具有更强适应性的广义模块，通过广义模块的组合实现产品的快速设计，使其既适用于系列分级特性比较明显的产品及其产品族的开发，也适用于工况复杂、大载荷、对结构需要进行强度与刚度设计、系列分级特性不明显的产品设计。

1.2 基于实例推理

基于实例推理（Case-Based Reasoning CBR）是近年来人工智能领域内研究的热点，同时也被广泛应用于产品的设计开发，其设计原理是将以往解决问题的经验（知识或具体实例）按一定的组织方式存储于实例库中，当面临新的问题时，通过检索实例库，寻找与当前问题相同或相似的历史实例，并对其重用或者修改后重用，来解决当前问题。故基于实例推理的设计方法一般包含四个基本过程：实例检索、实例重用、实例修改和实例存储。图1为基于实例推理解决问题的一般流程图。

图1 基于实例推理解决问题的一般流程图

当一个待解决的新问题出现时，首先将其转变为检索信息在实例库中进行检索，然后根据新问题和实例库中已有方案进行相似性评估，检索并获取最相似的解决问题的初步方案，若初步方案能解决新的问题则直接利用，但通常情况下，初步方案与新问题之间会存在一定的差异，则需要对初步方案加以修改直至新问题得到解决为止，并将修改后的方案作为新的实例存入实例库中，扩展实例库内容，以备以后新的检索使用[9]。

1.3 基于实例推理的磁材压机模块化设计流程

对模块化设计与基于实例推理设计进行研究，不难发现两者在设计思路上存在着以下三点共性：1）都是通过利用过去的经验或已有的实例来解决新的问题；2）实例检索时相似度的计算都是二者需要面对与解决的关键技术；3）这两种设计方法都具有自我学习功能，当新的问题解决后，产生的新的方案和经验可以作为新的实例存入实例库中，从而使得实例库不断更新和完善。

但二者也存在不同之处，最大的区别在于检索对象的不同（以机械产品设计为例）：基于实例推理的检索对象主要是某个系列的机械产品，其检索结果为某个产品系列下与用户需求最接近的一个具体型号的产品；而模块化设计是针对具体某一系列产品下功能模块的检索与修改。

将基于实例推理的产品设计技术与模块化设计技术相结合，不仅可以改进模块化设计过程中在产品实例检索方面存在的不足，而且还能提高基于实例推理的产品设计过程中实例修改的能力，二者互相补充，从而使得机械产品的设计方法更高效、更快捷和更人性化，所设计产品能快速响应市场和用户的需求。

图2 基于实例推理的磁材压机模块化设计流程图

相对于基于实例推理的产品设计流程而言，基于实例推理的磁材压机模块化产品设计流程增加了几个环节，如图2所示。

其主要过程包括：1）分析用户需求，对磁材压机实例库进行检索，根据相似度理论从压机实例库中检索出与设计要求最接近的实例；2）将检索出的实例与设计要求相对比，找出与设计要求不符合的模块，在模块库中检索能满足设计要求的模块，选出相似度值最高的模块实例，并对其做适当的修改，若不存在这样的模块实例，则需新设计一个模块；3）将修改或新设计的模块更换到磁材压机整机上，并检查其装配与干涉情况，再对关键模块和主体结构模型进行CAE分析以检验整机的强度与刚度要求，若发现问题则应返回相应模块做进一步修改，满足要求后将相应模块和整机模型作为新的实例存入对应实例库。

2 基于实例推理的磁材压机模块化设计的关键技术

2.1 磁材压机模块划分技术

在模块化设计过程中，模块划分的好坏程度直接影响到产品设计的质量与效率，因此对模块的合理划分至关重要。模块划分时应综合考虑如下四点原则：1）划分的模块应具有独立的功能，完整的结构，且模块的接口应标准化，以便于模块的装配与拆换；2）对于产品升级和更新过程中，变化较大较活跃的部分应划分为独立的模块，以利于提高产品设计效率；3）对于用户个性化需求的功能部分应分类形成模块；4）模块的划分应与企业自身的部件尽量保持一致，以便于企业对其进行规范管理。

对磁材压机进行模块划分之前，先对其做功能分析，得到磁材压机的基型模型，在其模块划分的过程中发现，部分模块如电气控制模块、液压系统模块、机身外壳模块等，其系列分级特征明显，已经形成企业内部的标准，且在新产品设计时不需要考虑其结构变化对强度、刚度的影响，对于这类模块，可以看作为刚性模块，按传统模块划分方式划分模块。而对于立柱、上下梁、移动梁、工作台等模块，其尺寸发生变化时必须对其进行强度和刚度设计验证，故此类模块应采用广义模块划分的方式，以参数化设计与变量化分析技术构建模块原型，然后根据实际要求设计出满足条件的模块实例。因此，磁材压机的模块划分综合应用了传统模块与广义模块两种模块划分方式，如图3所示。

图3 磁材压机模块划分

2.2 磁材压机基于实例推理技术

磁材压机的基于实例推理关键技术主要包括两个方面：1）实例库的创建；2）实例的检索技术，即相似度计算方法[10]。

在创建磁材压机实例库的过程中，应用特征建模与参数化建模技术，通过特征参数的调用，生成不同参数值的实例模型，从而建立起系统的实例库，再结合数据管理技术（PDM）将实例参数与实例模型分开管理，简化实例库的检索机制，提高实例检索效率。根据基于实例推理的压机模块化设计流程，可将实例库分为磁材压机实例库和模块实例库两类。磁材压机实例库存放着以往历史设计的磁材压机整机方案，其为压机产品系列的拓展设计提供相似的整体方案；根据磁材压机的结构和功能特点，以及磁材压机模块划分方法，可知模块实例库中存放有立柱模块、上梁模块、下梁模块、移动梁模块、工作台模块以及其他模块等。磁材压机实例库模型如图4所示。

图4 磁材压机实例库模型

两个实例之间如果存在某些共有特征，则这两个实例相似，相似程度的大小可用相似度Q 表示，其值域为0≤Q≤1，Q=0表示两个实例完全不相似，即相异，Q=1 则表示两实例相同。实例相似度计算与实例相似特征数量和相似特征的相似度大小密切相关，实例检索相似度计算时必须综合考虑这两方面。设实例A、B分别有m、n 个特征，其中A与B相似特征数为l，q(ui)为第i 个相似特征的相似度数值，iβ 为第i 个相似特征相似数值q(ui)的权重系数，则实例相似度计算表达式为：

2.3 有限元分析技术

由于磁材压机工作载荷大，为保证安全生产，必须对其关键模块和主机模型进行有限元分析，以验证其强度与刚度是否满足工况要求。本文以Solidworks为软件平台，利用其强大的三维建模技术，对磁材压机完成了三维建模，并充分运用Solidworks自带的Simulation有限元分析功能对磁材压机主机模型进行有限元分析，使得磁材压机的建模与分析在同一软件环境下就能得以完成，有效减少了产品设计时间，提高了设计效率。

图5所示为某企业根据用户需求设计的300T磁材压机主体结构模型，其中上梁模块用于安装主油缸，下梁模块用于安装工作台,移动梁用于安装油缸液压杆，立柱模块则用于连接上梁、下梁及移动梁模块。

图5 300T磁材压机主体结构模型

通过对其选择分析类型、定义材料属性、施加载荷与约束、划分网格并求解，即可得到磁材压机的有限元分析结果如图6、7所示，其最大应力为105MPa，最大变形为0.69mm，满足许用应力160MPa和许用变形1mm的使用要求。

图6 300T磁材压机应力云图

图7 300T磁材压机变形云图

3 结束语

本文以某企业生产的磁材压机为例，在分析其结构特征的基础上，给出了以传统模块划分与广义模块划分相结合的模块划分方式，同时在其模块化设计过程中融入了基于实例推理技术，弥补了产品设计过程中在产品实例检索方面存在的不足，从而使得机械产品的模块化设计方法更为合理。并给出了基于实例推理的产品模块化设计流程，对其设计过程中的模块划分、实例库创建、相似度计算、有限元分析等关键技术做了进一步研究，为此类产品的快速设计提供了可行的理论依据，具有一定的参考意义。

[1]侯亮,唐任仲,徐燕申.产品模块化设计理论、技术与应用研究进展[J].机械工程学报,2004,40(1)：56-61.

[2]高卫国,徐燕申,陈永亮,章青.广义模块化设计原理及方法[J].机械工程学报,2007,43(6)：48-54.

[3]ULRICH K,TUNG K,Fundamentals of product Modularity[C].ASME Design Engineering Division,1991,39：73-79.

[4]ERIXON G,YXKULL V A,ARNSTROM A .Modularitythe basis for product and factory reengineering[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology,1996,45(1)：1-4.

[5]Tsai Yuo-Tern,Wang Kuo-Shong.The development of modular-based design in considering technology complexity[J].European Journal of Operation Research,1999,119(3)：692-703.

[6]徐燕申,侯亮,张连洪,李森.液压机广义模块化设计原理及其应用[J].机械设计,2001,7(7)：1-3.

[7]王生发,顾新建,郭剑锋,马军.面向实例推理的产品设计本体建模研究及应用[J].机械工程学报,2007,43(3)：112-117.

[8]贾延林.模块化设计[M].北京：机械工业出版社,1993.

[9]郑甲红,郭文举,李健,田振亚.基于CBR的机械系列产品模块化设计[J].机械设计与制造,2009(3)：256-258.

[10]袁伟,殷国富,米良.基于相似度理论的加工中心设计方案实例检索方法[J].组合机床与自动化加工技术,2012(6)：31-34.