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濰坊學院本科畢業(yè)設計 支持機床系統(tǒng)的面向對象設計 摘要：本文闡述了一個面向對象的智能輔助設計系統(tǒng)，此系統(tǒng)主要用于幫助基本機床的設計，尤其是加工中心。這個機床設計系統(tǒng)通過與有經驗的設計著的交談來被分析，為了展示設計過程，一個面向對象的模型被建立。被叫做設計對象的軟件系統(tǒng)是基于為了實現(xiàn)智能輔助設計系統(tǒng)對機床的設計而提出的。用于加工中心的輔助設計系統(tǒng)的模型在設計對象的基礎上發(fā)展，一些案例研究被實施用來驗證方法的有效性。 關鍵詞： 面向對象 輔助設計系統(tǒng) 機床 設計程序 設計目標 1、簡介 目前，需要各種各樣的機床來應對小批量的生產各種各樣的產品。因此，需要建立輔助設計系統(tǒng)來幫助機床設計者有邏輯性的、系統(tǒng)的設計各種類型的機床。機床設計過程是一個非常復雜的決策過程，這需要有實際經驗的設計師。所以，開發(fā)一個為機床設計智能輔助設計系統(tǒng)是很重要的，它能有效利用有實際經驗的設計師。 有各種各樣的智能CAD系統(tǒng)和專門的系統(tǒng)來執(zhí)行日常的機械產品的設計，在這些系統(tǒng)中，產品的結構是固定的，設計各種零件的標準是眾所周知的。Brown和Chandrasekaran已經開發(fā)了AIRCYL系統(tǒng)，用來幫助設計各種各樣的汽缸。Mittal已經提出了設計紙張?zhí)幚硐到y(tǒng)的PRIDE系統(tǒng)。在這種情況下，產品主要是產品的零件，并且其結構配置幾乎不動。 本文闡述了機床設計尤其是加工中心，這是復雜機械產品的典型例子。機床有各種各樣的結構配置來應對廣泛的加工能力。很多關于機床設計的研究已經完成。提出系統(tǒng)方法的目的是基于成型過程的分析來開發(fā)基本的機床設計系統(tǒng)。已經開發(fā)了一些結構設計系統(tǒng)來設計基本結構模塊化的機床。一個以知識為本的系統(tǒng)已經開發(fā)出來，其目的是從功能需求確定加工中心的類型。然而，大部分的系統(tǒng)主要處理設計問題，在這些問題中，設計之初，機床的設計參數(shù)是確定的。 目前研究的目的是開發(fā)智能輔助設計系統(tǒng)來幫助實現(xiàn)基本的機床設計，尤其是加工中心的設計。這個機床設計系統(tǒng)通過與有經驗的設計著的交談來被分析，為了展示設計過程，一個面向對象的模型被建立。被叫做設計對象的軟件系統(tǒng)是基于為了實現(xiàn)智能輔助設計系統(tǒng)對機床的設計而提出的。用于加工中心的輔助設計系統(tǒng)的模型在設計對象的基礎上發(fā)展，一些案例研究被實施用來驗證方法的有效性。 2、機床的面向對象的設計 2.1 設計過程分析 機床設計問題被認為是結構問題，因為沒有關于機床結構的信息不能了解機床參數(shù)。以下的闡述是通過與有經驗的設計者交談，主要談論作為機床設計的例子的加工中心的設計： （1）設計師首先根據(jù)需求選一個合適的加工中心的結構； （2）可以用兩種方法來選擇合適的結構：專門的結構和各個零部件的結構； （3）當選擇了合適的結構后，設計參數(shù)也就確定了。根據(jù)需求這些參數(shù)可以系統(tǒng)的、有邏輯的被確定； 加工中心的設計過程包含一系列的階段，每個階段都包含兩個步驟：選擇和設計。如圖1所示。在圖中。機械產品是設計目標。機械產品包含機器、裝置、零部件等等，所有這些都需要設計。后文中所有的機械產品都稱作產品。每一步的設計如下所示： 第一步：選擇一個合適的產品類型 產品的合適的結構根據(jù)產品需求來選擇。如果選擇特殊的結構，一系列的設計參數(shù)是給出的。 第二步：設計選定類型的產品 產品的類型是基于需求選擇的，通過確定產品的設計參數(shù)來設計產品。 在產品的幾何信息與技術信息確定之前，步驟一與步驟二反復進行。 圖1:設計過程 2.2設計對象的設計過程模型 被叫做設計對象的軟件模塊在這里被提出，目的是設計出個性化的產品，例如加工中心和加工中心的零部件。個人設計對象與個別類型的產品一一對應。設計對象相當于在面向對象的設計中的設計對象。設計對象表現(xiàn)個別產品設計的設計參數(shù)的信息和程序。產品包括加工中心及其零部件，例如主軸裝置、自動換刀裝置、進給裝置。設計對象的任務是確定設計產品的設計參數(shù)以及選擇合適的設計對象，以便在接下來的設計中激活產品。 圖2展示了一個通過設計對象表達設計過程模型的例子。這里顯示的分類模式是通過與經驗豐富的常規(guī)加工中心的設計師交談獲得的。在本圖中，橢圓代表設計對象，它們被一系列的普遍而有特殊作用的構件連接。加工中心的設計對象首先通過信息來來使設計過程開始。設計對象決定了加工中心的參數(shù)和產生它的過程，這會在一個柱狀圖中表現(xiàn)出來。此后，加工中心的設計目標就是選擇設計對象來使生產實例專門化。在示意圖圖2中，立式加工中心被選為設計對象來確定詳細的設計參數(shù)。 因此，選擇一個合適的設計對象相當于選擇一個特殊類型的產品，設計選定的類型的產品相當于生成設計對象的實例。 在例子中，伴隨著設計的進行，通過普通的專業(yè)化鏈接，直到所有的需求參數(shù)被確定，詳細的信息才會被確定。圖片中的特殊例子是VMC1型，是一種典型的垂直加工中心。 大部分的加工中心可以通過普通而專門的連接激活設計對象來設計，如圖2。然而，在很多情況下，設計目標不會滿足所有的要求。例如，立式加工中心和水平加工中心都不能滿足五軸同時加工的的需求。在這種情況下，設計者通常會把加工中心分為主軸單元、ATC單元、進給單元等等，這些零部件的詳細信息將在下一階段確定。零件的設計對象需要進行設計。 圖2：應用設計對象的設計過程模型 表示設計對象表示設計結果 圖3表示了在設計對象給定的情況下加工中心的設計過程模型。節(jié)點和連接分別顯示設計對象和設計對象之間的關系。在這里兩種類型的鏈接——一般連接和專門連接與在圖2中表示的相同并且整個零件的連接表示了整個產品與各個部分的關系。 圖3：機床各個設計對象之間的聯(lián)系 基于模型的對加工中心的設計如下圖3所示。首先確定加工中心的設計對象，然后確定設計參數(shù)。此后，為了推進設計過程，與加工中心有關的設計對象進行設計。這里被選擇的設計對象可以是特殊產品的設計對象，也可以是一個零件。通過一般—專業(yè)的連接和整體連接來設計設計對象的設計過程是先進的。 3、加工中心的設計對象 產品的設計對象的設計內容如下： （1） 產品屬性設計； （2） 用來確定屬性的知識； （3） 用來選擇特殊產品和部件的知識； 設計對象決定產品的屬性。 圖4的表格用來表示設計對象的信息。這些信息包含三個方面——ID部分，屬性部分，方法部分。設計對象的名稱和與其他設計對象的關系在ID系統(tǒng)中是指定的。 屬性部分定義了屬性的情況，基本上分為規(guī)格和設計參數(shù)。由規(guī)格決定的功能、設計產品的性能需求以及設計參數(shù)的確定是基于屬性的。決定設計參數(shù)價值程序和信息附著在上面。 圖4：設計對象表格 一段單個的信息代表一個價值單元。很多屬性有很多方面，例如價值、類型、范圍、默認值、額定值等等。 最后一部分給出了當收到其他設計對象的信息時的執(zhí)行方法，設計對象使用如下方法來控制設計步驟： （1） 決定：這種方法是為了確定設計參數(shù)； （2） 專業(yè)化：這種方法是為了實例的配置和選擇合適的設計對象； （3） 分部：這種方法是為了把實例分成各個零件以及為零部件選擇合適的設計對象。 圖5顯示了個人設計的設計過程。實例中的設計參數(shù)的值首先在規(guī)格的基礎上確定。 圖5：設計對象的設計流程圖 其次，設計者檢驗通過設計目標產生的設計實體是否符合標準。如果有必要，設計師可以修改實例內容。 再次，選擇合適的設計目標來促進設計實例。這里所選擇的設計對象或者是特定產品的設計或者是一系列零部件的設計。在特殊產品的設計部分，可以獲得另類的結構配置。最合適的配置選擇方案如下：選擇的次序取決于參照表，他決定很多觀點的選擇，例如，加工精度、切削性能、可操作性和可靠性。設計師根據(jù)等級的選擇來選擇最合適的參數(shù)。 第四，設計對象實例的生成。 最后，把這些信息傳遞給特定實體或零件。這些信息包括信息的規(guī)格和約束生成實例。 圖6是執(zhí)行方法和執(zhí)行程序的例子。在本圖中，決定信息是原型，這是一個垂直加工中心的實例。實體被定義為“原型”后選擇合適的方法，這一方法決定立式加工中心的設計對象是否開始的結果。該方法-“測定”是指需要定義叫做原型的實體的設計參數(shù)，以及確定額定參數(shù)。每一個程序決定設計參數(shù)的價值，并把實體的結果叫做原型。 圖6：執(zhí)行方法和程序 4．面向對象的智能設計輔助系統(tǒng) 加工中心智能設計輔助系統(tǒng)的原型已經在設計對象的基礎上產生。 圖7是系統(tǒng)的基本結構，本系統(tǒng)主要由子系統(tǒng)設計對象、對象管理器、推理引擎、程序和人機界面組成。子系統(tǒng)的內容及功能如下： 圖7：支撐系統(tǒng)結構設計 （1） 設計對象基礎。子系統(tǒng)存儲了關于加工中心和零件的所有設計對象，以及設計對象之間的關系。 （2） 對象管理器。設計對象實例的形成和修改是動態(tài)的。因此，對象管理器管理動態(tài)情形和設計對象之間的關系。 （3） 推理引擎。推理引擎是一種生產系統(tǒng)，它實施了通過規(guī)則存儲設計對象。推理引擎通過決定設計參數(shù)的設計對象和選擇合適的設計對象被激活。 （4） 程序庫。程序庫是一個程序的集合，可以被設計對象直接使用。 （5） 人機界面。這個子系統(tǒng)為設計者提供互動的方法來輸入數(shù)據(jù)、設計產品的監(jiān)控方法以及推理過程。 智能設計輔助系統(tǒng)的原型已經在K-PROLOG一個32位的工作站得到實施。圖8展示了個人設計對象代表一系列的有相同標題的板塊。這些方面是槽、面、價值以及其他不明確的方面。每一個板塊表示關于對象設計的一部分信息。這個屬性代表的是事實情況，程序和方法代表規(guī)則板塊。 圖8：設計對象的表示 5．個例研究 一些案例研究的實施是為了證實系統(tǒng)的系統(tǒng)開發(fā)的有效性。圖9顯示了一個加工中心的設計流程。設計對象的執(zhí)行過程的簡介如下： （1）新的模型信息被傳輸?shù)郊庸ぶ行牡脑O計對象的。產生的設計對象實例叫原型。 圖9：加工中心的設計過程 （2）決定信息傳輸?shù)浇凶鲈偷纳蓪嵗?，它的設計參數(shù)在功能需求的基礎上，通過設計者的規(guī)定來定義，如表1. 表1：加工中心的功能要求 （3）專業(yè)化的信息傳輸?shù)浇凶鲈偷膶嵗希菫榱诉x擇合適的專業(yè)裝配實例。立式加工中心的設計對象就是一個合適的例子。 (4)決定信息傳輸?shù)浇凶鲈偷纳蓪嵗?。通過決定立式加工中心的設計參數(shù)來設計實例的詳細信息。 圖10顯示了在案例研究中加工中心的立體模型設計。加工中心的長度為600毫米，主軸錐度選50號，主軸轉速為20000轉/分鐘。這些結果是從那些有經驗的設計師那里得到的。 6.總結 通過與有經驗的設計者討論來研究機床設計過程，然后產生設計過程模型。該模型表示了一系列的設計對象以及他們之間的關系。軟件模塊被啟動，用來決定設計對象的設計參數(shù)。 為描述設計對象的內容提出了數(shù)據(jù)模型，這一模型含有描述產品的屬性、用來決定產品特性的知識、用來選擇特定產品和零件的知識。 面向對象的智能設計支持系統(tǒng)的原型已在設計對象的基礎上建立起來了。這一系統(tǒng)包含基礎設計對象、對象管理器、程序引擎、基本程序以及人機界面。一些案例研究已證實了開發(fā)這種系統(tǒng)的有效性。 圖10：設計的加工中心 參考文獻 Brown, D. 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