基于KBE的门式起重机主梁智能并行设计

马士良

（徐州工业职业技术学院，江苏 徐州221140）

随着信息化程度的提高，创新设计向智能化程度方向发展，传统的智能化设计方法如[1-2]，如基于推理的参数化设计，KBE技术的产品模块化设计，虽然设计智能化程度大大提高，但是程序未模块化开发，未考虑产品生命周期信息以及下游生产中工程图的自动生成。因此，有必要结合产品知识进行产品的并行设计。本文针对门式起重机主梁产品标准化、系列化、模块化、知识集成度较高的特点，以三维设计软件SolidWorks为平台，以Visual Basic为开发语言，利用KBE技术，产品参数与模型、图纸信息分别进行了优化，开发了可以重用的主梁智能模块体，不仅避免了重复设计，也提高了设计的效率及智能化，同时该产品开发平台可以并行设计。

1 基于KBE的门式起重机系列产品设计方法

KBE技术是人工智能、CAD系统、计算机软件技术相结合的产物，是知识工程（Knowledge Engineering，KE）技术在工程设计领域的应用技术，目标是实现设计决策的智能化和设计过程的自动化。其关键技术为知识表示、知识获取、甚于事例的推理（CBR）。门式起重机参数较多，结构复杂，既有同一系列不同型号、形状规则的标准件，也有接头、跨中大隔板、主梁头部、支座、角钢型号等形式多样、分布方式不定的情况，在全三维环境下，既有设计中错综复杂的参数信息，也有全相关全周期设计，尺寸、视图位置、明细、工艺（焊接符号、粗糙度等）等图纸信息，因此需要建立数据库和知识库集成的广义知识库（GKDB），综合利用KBE技术，将产品信息规范化和标准化，减少零部件数量，建立面向用户定制的CAD系统。

2 门式起重机主梁产品级参数化建模

单独的零部件参数化建模容易实现，然而，对于产品的设计，需要考虑产品的整体结构、参数、相互约束关系以及各零件配置变化后对于整体产品的影响，如果利用传统的设计方法，很难满足产品设计的意图。目前，在产品设计过程中，一般采用自顶向下的设计方法，从产品的整体布局考虑，规划好产品的概念草图，所有的几何位置关系以及尺寸约束，都集成在产品的布局草图里面，图1为主梁的装配示意图。

图1 主梁隔板装配

结合门式起重机主梁系列化产品的特点，首先分析产品结构，划分产品参数，根据主梁是否有接头，建立布局草图，在装配设计过程中，参考装配基准面，一般只需要建立正面和侧面两个草图，草图能够反映主梁的形状、轮廓，包含产品的主要参数以及配合关系。草图建立完成以后，改变草图某些尺寸参数，检查草图是否会自动更新，防止产品发生突变、崩溃。

草图建立以后，进行零件的参数化建模。各零件在设计过程中，零件材料、代号、尺寸、展开长等属性需要分别添加自定义属性，变异零件建立特征库，不同配置同一零件的需要建立配置，系列化零件利用表驱动的方式建立，拉伸特征两侧对称，零件变型较大的进行全特征建模。

各零部件建立以后，将零部件的边线、面与草图的线段以及装配基准面添加配合关系，其参数尺寸采用添加方程式的方法与草图尺寸建立驱动关系。主梁中隔板的分布，利用阵列命令进行阵列，数量两个即可，利用程序驱动阵列参数，隔板与角钢中的特征孔可利用程序进行特征压缩。

要保证零件与零件彼此勿进行配合，防止零件在后续装配驱动中，出现装配混乱、崩溃的局面。其次，布局草图和零件建模都必须完全定义，同时再次修改草图参数，进行二次检验。

3 门式起重机主梁产品模块化程序开发

为了实现产品的并行设计，将主梁程序划分为三大模块：结构参数设置、装配驱动计算、工程图调优。根据主梁的结构，如图2所示，其中还可分为若干子模块，例如变异件的变型设计驱动，通用件的参数驱动等，隔板分布、参数确定可以利用人机交互的方法，装配体的驱动利用数据库、三维软件API函数等知识驱动，工程图调优又可以分为提取工程图重要信息的预处理模块，以及尺寸、符号的位置优化、图纸的比例调整、明细表的自动更新等模块，产品知识和推理机自始至终贯穿于其中。

图2 主梁分布界面

3.1 结构参数设置

参数设置之前，进行设计计算，得到系列范围内的参数。在参数设置界面，将参数划分不同的级别，驱动草图尺寸的参数为一级，变异零件尺寸的为二级，对结构、性能影响忽略不计的为从动参数，该参数不能设置，为自动计算的结果，为灰色，不能修改。界面中如果参数设置错误，提示错误，文本框字体颜色变红。界面中零件孔特征的设置可以用下拉列表框的方式进行设置，零件图将自动更新。界面中钢结构件的分布及参数设置后，隔板示意图自动更新。

3.2 装配驱动计算

门式起重机主梁的结构复杂，对于形状特征发生变化或产品结构不同的结构件，采用变型设计的方法，可调用异性零件程序或者压缩、阵列等方式满足产品设计的要求。对于系列化产品，采用改变产品配置或者参数化产品的方法来实现。由于客户的需要以及实际工作的不同，其结构主要根据接头、跨中大隔板、主梁头部、支座、角钢型号以及分布方式等几个方面来确定。

接头的个数，主要根据主梁跨度的大小来确定，接头不能在主梁中间放置，设跨度为S，接头个数一般按下列标准确定:S≤ 18 m，无接头；18 m30m，设2个接头。程序可通过压缩的方式实现。为了加强主梁的刚性，提高主梁的稳定性，在受压时防止主梁腹板变形，在主梁中部设置有大隔板，其分布主要根据主梁的跨度和梁的高度变化，其间距一般有1.5 m、1.8 m、2.0 m、2.2 m四种形式，角钢穿过隔板，隔板特征孔也有所不同。靠近主梁接头、头部、支座的间距可以根据需要进行调整。

主梁轨道分为方轨及钢轨两种情况。方轨时腹板处有10×10×L的加强方刚，方轨参数的计算根据方轨高度的提示，判断方轨参数是否为标准值，标准方轨按有关规格表配置。若为钢轨时，主梁图中不出现轨道，两相邻大隔板之间按等分增加两小隔板。

支座处、接头处以及头部处，大隔板与上下盖板是封闭的，即没有间隙，其他跨中隔板和下盖板之间留有10 mm的间隙。主梁端部有弯曲和直的两种，可通过设置弯曲高度为无限小实现变直。主梁支腿支座可实现一刚一柔和两个刚性支座之间的选择。刚性支座处主梁隔板4-6块，挠性支座处2-3块隔板，支座变化时，两处的隔板随之变化。主梁腹板角钢有一到四排可选，设腹板角钢参数为FJNO，根据主梁腹板是否有角度，腹板角钢的分布方式有四种可选。

对于标准件与通用件，利用系列化表驱动的方式驱动产品参数。数据库里面存放不同系列的数据，在产品信息模型，在参数划分的基础上，根据门式起重机主梁的参数化设计要求，建立参数数据库，提取参数信息，驱动草图尺寸，草图尺寸利用布局草图中的方程式驱动零件的尺寸，从而实现参数驱动产品的自动更新。对于非标准件以及变异件利用变型设计的方法，建立柔性模块。在柔性模块内部封装了系列化的可调节变量，通过变量的变化驱动生成相应的柔性模块结构[4]。可利用API函数编写程序代码，调用对应的系列。例如，根据上下盖板处有无角钢可选，角钢与隔板开口需要严格的按照标准进行配合，更改其配置的方式进行，例如：mod_config"MCA20.5.1.1.02-25"，"无孔××J".

3.3 工程图调优

装配驱动后，三维生成的工程图偏差较大，不符合企业的要求，特别是对于复杂的产品，尺寸出现漂移，缺失的尺寸会变成黄色，视图大小比例不协调，尺寸、位置、序号杂乱无章，明细表因为零件的增加和缺失不能自动更新，如果人为进行修改，工作量较大，而且容易出错，因此，有必要对工程图进行二次开发，使工程图能够自动调优。

在三维向二维转化的过程中，自动生成的工程图图幅较差，尺寸标注不整洁，线条繁杂（可以省略的线条不能自动缺省）。因此需要对工程图进行进一步调优。

主梁工程图调整过程中，首先需准确定制符合企业的设计模板。将工具选项中与工作相关的选项如箭头、自定义属性、材质属性、字体等信息进行链接。然后进行装配图的简化，对尺寸的尺寸、位置和工艺信息焊接符号、粗糙度等进行知识表示，分别建立轮廓层、尺寸层、位置注释等。为了并行设计，分别建立数据读取模块、推理机模块和工程图调整模块。

首先对模型自动生成的图纸实例库提取所需要的相关知识，添加预处理模块。将尺寸位置、视图位置记录下来，提取零件的数量，提取图层信息等，以记事本文件或数据库的形式存储起来，以便后期调用。然后利用推理机进行设计计算、推理分析，该模块为调优模块。自动生成的视图与原视图大小进行比较，按照国标，以人机交互的形式，进行比例优化。尺寸内外位置根据尺寸层的分布利用程序自动计算。零件名以链接的形式，实现零件名自动更新等。

4 结束语

本文主要根据门式起重机主梁钢结构件的特点，研究了系列化产品变型设计、数据库表驱动参数、提取相关知识等智能驱动的方法，将产品与程序进行并行设计的方式进行，以KBE为设计思想，开发了起重机主梁系统的程序三大模块。在企业中已经成功应用，极大地提高了产品设计的效率和质量，可以生成产品一系列模板，知识集成度强，其重用性高，大大降低了设计人员的重复劳动，集中到产品的创新设计过程中，对其他结构件系列化产品也有着较好的借鉴意义。

[1]陈 雨，毛恩荣，吕黄珍，等．基于推理的大型收获机械变速箱参数化设计[J]．农业机械学报，2013，11（02）：278-282.

[2]辛立娜，曹旭阳，许 滨，等．基于KBE技术的桥式起重机模块化设计系统[J]．起重运输机械，2013，12（04）：30-34.

[3]徐保文，姚轶峰，张立雷，等．基于KBE实施体系的研究[J]．硅谷，2013，31（05）：25-30.

[4]李中凯，程志红，程 刚.复杂机电产品柔性平台模块化再设计集成方法[J]．计算机集成制造系统，2012，18（8）:1810-1818.