丁昌文1，惠为东2，李春燕3
(1.马恒达悦达(盐城)拖拉机有限公司，江苏 盐城 224007)(2.盐城工业职业技术学院机电工程学院，江苏 盐城 224005)(3.盐城工学院机械工程学院，江苏 盐城 224051)
摘要：为实现对设计经验类知识的继承、重用、繁衍、丰富，缩短制动器产品研发周期和提高其设计质量，将NX二次开发技术和参数化建模技术应用到制动器智能化设计中。根据开发步骤完成了原型系统的功能界面设计，并以具体案例说明了智能设计原型系统的运行效果。利用该系统可降低工程师的重复劳动率，帮助企业节约产品设计开发的成本。
关键词：知识；制动器；智能化设计；系统
拖拉机是实现农业机械化的重要动力机械。它配合农机既可以广泛用于耕地、耙地和收割作业，也可以用于挖坑、推土和运输作业，还可以用于抽水、脱粒等固定作业[1]。制动器是拖拉机的核心安全部件，其产品的结构形状及尺寸存在一定的模糊性，且制动器新型产品开发存在设计成本高、设计知识的重用率低、对设计人员经验知识以及成熟的设计案例的依赖性强等缺点。
对于制动器的设计来说，需要建立在机车的整车性能参数的基础上，确定下具体制动系统的结构型式，同时考虑前后轮制动器力矩的分配，这个过程中会出现相当繁多的参数，因此新制动器的设计计算过程是相对复杂的，以往简单的专家系统已经不能满足市场的要求。同时，设计方法智能化已经逐渐成为CAD软件的重要发展方向，它也是基于CAX的快速智能化设计系统发展的一个新趋势，其应用可以把产品设计过程中总结出来的复杂流程和CAD系统有机地结合起来，开发出面向行业与设计流程的基于知识的智能CAD系统，是实现智能化设计的关键[2]。
1.1 系统总体功能定义
本文采用基于知识工程(KBE)的设计理念和思想，结合人工智能理论方法、数据库技术、模块化思想，设计出一种集成的设计系统。其总体功能目标定义如下：
1)该系统可以为制动器的设计人员提供较为系统并且完善的原始设计资料和数据，有效地引导设计工作的执行人员逐步进行设计，缩短产品的开发周期，即使是缺乏经验的设计人员也能设计出具有专家水平的产品。
2)在新车型需求的前提下，满足轮式拖拉机的各项性能指标和使用要求，能够根据整车设计技术参数，引导设计者确定制动器主要零部件的设计参数，系统中需要包括集合方案设计、结构选型、材料选择等数据库，在此基础上运用基于知识工程的推理技术，完成制动器的参数化设计、装配设计以及部分零部件的自顶向下参数化关联设计。
3)在具体详细设计阶段，系统应具备基本的部件参数的设计计算以及主要零部件的强度、刚度、使用寿命和结构尺寸的计算。如：制动器制动力矩的确定与校核、制动蹄上单位压力的计算、凸轮扭矩和弯曲应力的验算、制动器踏板上力的确定、自刹约束条件的确定等。
4)在上述基础上，系统应能够生成与三维数字化模型对应的二维工程图、物料清单(BOM)等，设计者能够随时有效地对形成的三维模型库中零件进行修改和重用，在新类型零件需要添加时，系统支持必要的扩展功能以及后续的维护管理。
除此之外，系统还要对所生成的试验性方案进行分析、评价、筛选，最终确定出最优设计方案。
1.2 设计系统模块划分
本文的设计对象为拖拉机制动器，根据系统总体功能定义和整个设计过程的需求分析，结合模块化和层次化的设计理念，将整个设计系统划分为方案设计、主要参数设计、知识库、分析评价以及详细设计等模块。图1所示为制动器设计系统的整个框架图，其中最主要的是方案设计模块、知识库模块、详细设计模块。
图1 制动器智能化设计系统总体结构
系统中的人机交互界面作为桥梁，连接设计人员和领域知识专家，设计者只需根据自身的设计要求，按照系统提供的友好界面提示，输入初始条件和设计参数，在此过程中，用户也可以随时浏览和查询设计步骤，对于不足的部分进行完善和补充。
1)方案设计模块：根据匹配的整机参数，制动器在车身的配置定位、各类制动器的制动效能的不同、性能稳定性、耐磨损性能、生产制造的成本等采用不同的设计方案。
2)主要参数设计模块：如选择了鼓式制动器，就需要具体确定制动鼓制动半径R、制动蹄摩擦片宽度b和包角β、制动凸轮中心至制动鼓中心的距离e、制动蹄回转中心至制动鼓中心的距离a等参数，其参数化表达式编辑对话框如图2所示。
图2 参数化表达式编辑对话框
3)详细设计模块：需要考虑制动器制动力矩的确定并校核、制动蹄上单位压力的计算、凸轮扭矩和弯曲应力的验算、制动器踏板上力的大小，最终生成零部件的三维模型、二维工程图、BOM表，用于实际的生产制造。
4)分析评价模块：对比系统生成的多种设计方案，推理最优结果。
5)知识库模块：存储设计所需的实例、模型以及推理所需的规则、评价知识等。
1.3 系统知识库管理与维护
由于制动器本身技术含量的不断进步与发展，制动器的设计过程需要不断随之做出调整，那么知识库中已有的设计知识不能继续应用到现有的设计需求上，这样的知识就会转化为冗余的知识。故需要对知识库中的知识进行不断的更新，以保持知识库系统的时效性和实用性，如果不做任何的管理和维护，将严重影响知识重用的有效性，导致设计者无法有效地获取到设计所需的知识。
一般来说，知识库的管理和维护包括对知识的分类、组织、存储、增加、删除等操作，本文所涉及到的知识库管理系统的逻辑结构如图3所示，设计人员通过设计界面实现对知识库的管理操作。
图3 制动器设计知识库管理系统结构
2.1 设计实例检索流程
实例检索是CBR(基于案例推理)系统的关键技术，也是其实现设计智能化的核心[3]。实例检索的过程就是设计人员输入设计参数后，系统在实例库中找到与目标相同或相似的一个实例匹配过程，其中实例之间的相似度是衡量所检索到实例准确性的重要评价标准。
实例的检索主要步骤有以下3步：特征识别→实例匹配→最优目标，其具体过程如图4所示。
图4 制动器设计实例检索一般流程
2.2 基于NX的二次开发设计流程
基于NX自带的一系列二次开发工具以及特征扩展功能，用户借助API接口对NX进行个性化需求的自定义开发，以满足用户对例如拖拉机制动器这样的系列化产品的多样化变形设计需求。一个完整的基于NX的二次开发包含流程如图5所示。
图5 NX二次开发流程
2.3 混合推理总体流程
知识推理是指根据一定的策略从已知的事实和知识中推出结论的过程，而推理技术重点研究的是知识推理过程前提和结论之间存在的逻辑关系。产品的智能化设计系统的基础是知识的重用，而知识推理是其中最重要的部分之一，在一定程度上能够实现知识库的维护和扩充。CBR和RBR(基于规则推理)混合推理的方法有利于发挥二者各自的优点并弥补各自的不足，已被应用于疾病诊断[4]和故障诊断[5]等领域。
对于基于知识的拖拉机制动器智能设计系统来说，需要能有效地在庞大的设计知识源中获取设计所需的各类知识，因此将知识推理技术和产品设计方法结合起来，可以做到专家知识的有效利用、传承、创新。结合制动器自身设计的特点，本文采用的是CBR-RBR混合知识推理方法，结合产品设计阶段式分层结构，将在制动器的方案设计和具体参数化设计阶段采用不同的推理机制。
图6 制动器系统混合推理总体流程
3.1 基于NX二次开发技术
开放性和自动化是NX二次开发技术的核心内容，NX软件系统为用户提供了一套完整的二次开发工具集，方便用户捕捉和重用设计过程中的知识，开发面向行业和设计需求的CAD系统。
3.2 基于NX参数化设计技术
对于系列化零部件，设计人员大都是在原有模型的基础上进行变形设计，当中包含大量的重复性设计工作。本系统运用NX中自带的部件族(part families)功能，只需建立某一个零件便可在此基础上变形出该系列的所有规格的零件，根据要求在已经建立好的零件族表格中，选中每行参数，利用excel和NX之间的接口模块自动创建生成零件的三维模型。
3.3 基于NX的模型库的创建技术
基于知识的实例库中机械产品的三维数字化模型的数量以及整个模型库的完善程度是利用CBR技术进行辅助设计的基石[6]。
本文在NX软件的三维环境下建立拖拉机制动器的三维数字化模型，采用相互间的关联方式，将产品的主要驱动参数与模型的尺寸参数关联起来，从而实现新产品设计阶段的参数化，用户根据设计的需求，手动输入产品的初始参数和设计规则，基于知识的智能设计系统根据前者的命令由推理机推理出模型的驱动主参数，利用参数化设计工具选择主参数并建立起驱动参数的表达式，在NX中自动生成符合设计要求的三维模型。
本文以领从蹄式鼓式制动器为例，实现制动器快速设计原型系统，具体实现步骤如下。
步骤1：建立系统开发环境目录。
基于NX的智能设计系统的开发需要开发人员在规定的路径下建立NX的工程目录结构，这里需要注意的是NX系列软件不支持以中文命名的目录。目的是在NX启动时，对应制定的目录读取并加载相应的应用程序或者数据文件。
步骤2：系统环境变量设置。
所谓系统环境变量就是指NX系统在启动过程中所要加载文件的所属文件夹路径名称，这些路径的存在保证了系统在启动时能准确找到加载项文件，从而顺利完成初始化。本系统环境变量设置如图7所示。
图7 系统环境变量设置
步骤3：定制用户菜单。
用户可以根据自己的要求自定义具有特征化的NX菜单工具条，只需在startup工程路径下建立文本文件，根据语法规则编写菜单文件代码，最后以.men为扩展名保存即可。代码如下：
LABEL 拖拉机制动器快速设计原型系统
END_OF_BEFORE
MENU INTELLIGENT
CASCADE_BUTTONBRAKE PROGRAM_DESIGN
LABEL 制动器方案设计
CASCADE_BUTTON BRAKE DETAILED_DESIGN
LABEL 制动器详细设计系统
CASCADE_BUTTON KNOWLEDGE_BASE
LABEL 设计知识库管理系统
END_OF_MENU
重启NX8.5，系统初始界面如图8所示。
图8 系统初始界面
步骤4：制动器智能化设计系统的实现。
点击系统菜单栏“拖拉机制动器快速设计原型系统”在下拉菜单中选择“制动器方案设计”，系统将弹出图9所示的制动器设计向导界面。点击“项目初始化”选项，按照提示勾选项目创建方式，在空白处输入制动器的名称，最后建立新项目文件的保存路径，点击“完成”进入制动器的初始设计阶段。
图9 制动器设计向导界面
在对各个子详细设计系统完成设计后，通过各主参数设计模块得到某型号制动器子部件三维数字化模型，再进行装配设计，最终可以得到整个制动器分总成的三维参数化模型，如图10所示。
图10 领从蹄式制动器分总成三维参数化模型
本文设计开发的基于知识的拖拉机制动器智能化设计系统是建立在人机交互式的基础上，主要依靠系统框架搭建起来的。该系统在Windows系统环境下实现运行，以VC++为开发语言，结合Visual Studio 2010、SQL Server 2008以及NX自身具备的多样化的二次开发工具对NX8.5进行二次开发。该制动器智能化设计系统，改善了设计人员的设计方法，提高了制动器系列化产品的设计效率和质量，最终实现了该类产品设计知识的融合、繁衍、继承与重用。
参考文献：
[1] 李晓庆.拖拉机构造[M].北京:机械工业出版社,2001.
[2] 陈珂,邱亚玲,韩传军,等.基于知识的参数化智能设计技术研究[J].机电产品开发与创新,2007(5):21-22.
[3] 代荣,何玉林,杨显刚，等.摩托车智能设计中知识库系统的研究与实现[J].计算机应用研究,2009,26(1):199-201,214.
[4] PRENTZAS J, HATZILYGEROUDIS I. Categorizing approaches combining rule-based and case-based reasoning [J]. Expert Syst, 2007,24(2): 97-122.
[5] 江志农,王慧,魏中青.基于案例与规则推理的故障诊断专家系统[J].计算机工程，2011，37(1): 238-243.
[6] 肖化友.基于KBE的参数化系统研究及实力开发[D].大连：大连理工大学,2007.
DING Changwen1,HUI Weidong2,LI Chunyan3
(1.Mahindra Yueda(Yancheng) Tractor Co., Ltd., Jiangsu Yancheng, 224007, China) (2.Mechanical and Electrical Engineering College, Yancheng Industrial Vocational and Technical College, Jiangsu Yancheng, 224005, China) (3.School of Mechanical Engineering, Yancheng Institute of Technology, Jiangsu Yancheng, 224051, China)
Abstract：In order to realize inheritance, reuse, reproduction and enrichment of design knowledge, and shorten the brake product development cycle, improve the design quality of brake products, it introduces the second development technology to the brake intelligent design based on NX and parameterized modeling technology. According to the development of steps to complete the function of the prototype system interface design, it illustrates the running effect of the intelligent design prototype system of brake with specific case. This method reduces rework rate for engineers and saves the cost of product design and development.
Key words：knowledge; brake; intelligent design; system
DOI：10.3969/j.issn.2095-509X.2017.02.020
收稿日期：2016-05-26
基金项目：江苏省产学研前瞻性联合研究项目( BY2016065-57)
作者简介：丁昌文(1976—)，男，江苏盐城人，马恒达悦达(盐城)拖拉机有限公司工程师，主要从事拖拉机产品智能化设计应用研究。
中图分类号：TP391
文献标识码：A
文章编号：2095-509X(2017)02-0091-05
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