基于本体的桥式起重机机构零部件选型研究

1、基于本体的桥式起重机机构零部件选型研究Research on Ontology-based Bridge Crane parts Selection陈洪财 黄文培 丁国富 夏晓龙 阎开印Chen Hong-cai Huang Wen-pei Ding Guo-fu Xia Xiao-long Yan Kai-yin（西南交通大学 机械工程学院 先进设计与制造技术研究所 四川成都 610031）摘 要：针对桥式起重机传统设计方法中零部件选型设计自动化程度较低的问题，建立了一个基于本体方法的桥式起重机零部件智能快速选型系统。该系统采用Protg软件建立桥式起重机零部件领域本体知识库，根据相关原则建

2、立用于匹配推理的规则库以及用于参数化设计的零部件模型库。然后进行匹配推理算法设计、参数化设计等。最后利用VS2008开发工具将各部分统一起来，建立完成桥式起重机零部件智能快速选型原形系统。最后以联轴器自动化选型为例证明该系统用于零部件选型是可行的、有效的。关键词:桥式起重机；本体；推理规则；参数化设计中图分类号：TH215 文献标识码：A0引言目前桥式起重机市场竞争十分激烈，自动化设计在桥式起重机的设计制造中至关重要，并已成为起重机设计的一个发展趋势1。目前在起重机设计知识库的构建中已有很多知识表示方法，例如基于面向对象知识表示的起重机专家系统2 、基于产生式规则和框架的桥式起重机快速智能设计

3、3 以及基于XML的面向对象知识表示的起重机CAD系统4等。在人工智能领域内已发展了多种知识表示方式，这些方式各有利弊。传统的知识表示方法在语义表现等方面存在一定局限，而使用本体论来表示知识可以在语义的表现、挖掘隐含的信息方面有很大的改善，知识表示关系的更丰富。本体论在零件工艺设计5、汽车、机床等领域均获得了良好的应用6。本文将本体方法应用到桥式起重机零部件选型中，首先根据桥式起重机零部件信息建立桥式起重机零部件领域本体知识库并利用推理机对领域本体进行一致性检查，然后存储领域本体，再结合VS 2008开发工具实现桥式起重机零部件选型等相关信息的智能管理及应用。系统集成三维CAD技术针对选型结果

4、进行参数化设计。该设计方法能适应复杂的起重机零部件的自动化选型设计。1系统框架流程设计（1）系统框架设计本文研究的桥式起重机零部件选型系统将本体方法与参数化设计方法紧密结合，实现零部件自动化快速设计，即：用户需求推理匹配设计校核参数化设计结果返回，系统总体框架如图1。桥式起重机零部件自动化选型系统主要包括零部件知识库、推理规则库、零部件模型库三个部分。零部件知识库由Protg软件根据桥式起重机零部件相关信息建立；规则库来源于两个方面，一是本体中所蕴含的公理，二是领域规则；模型库由桥式起重机零部件模型构成。图 SEQ 图 * ARABIC 1桥式起重机零部件智能快速选型系统框架其中，知识库用于预

5、处理用户提交的查询条件及用于零部件的匹配选型，它是快速智能设计的基础；匹配推理是自动快速设计的核心，包括推理设计、匹配算法设计等；规则库用于桥式起重机零部件智能快速选型过程中实例检索；参数化设计是快速设计模型的实现方法，可以利用Solidworks实现基于尺寸的参数化建模。（2）系统流程设计基于本体的桥式起重机零部件智能快速选型流程：1）提交用户需求。用户提交基本参数。 2）匹配推理。查询条件预处理后进入零部件选型推理匹配过程。3）参数化设计。将匹配结果返回并校核通过后，进入参数化设计模块进行零部件参数化建模。4）结果返回。参数化设计完成后返回结果并存储，实现桥式起重机零部件智能快速选型。2知

6、识库、规则库、模型库建立及匹配推理设计2.1知识库的建立桥式起重机零部件知识库中包含项目信息、用户信息、零部件类型、零部件型号、零部件特征、零部件装配、零部件选型要求等相关信息。桥式起重机零部件知识库用Protg软件根据桥式起重机零部件相关信息建立。 Protg软件是目前最为流行的开源本体编辑软件，由斯坦福大学开发7。Protg软件提供了本体概念类、关系、属性和实例的构建，并且屏蔽了具体的本体描述语言，用户只需在概念层次上进行领域本体模型的构建。图 SEQ 图 * ARABIC 2联轴器部分以联轴器为例，利用本体理论构建知识库中联轴器部分知识的具体步骤如下，如图2。联轴器领域本体建立步骤如下：

7、1）界定领域范围，即联轴器。2）选择数据源抽取联轴器相关信息的概念构造概念类，如联轴器类、齿轮型齿式联轴器类等类。3） 确定联轴器相关概念的属性，构造属性类。如许用转速、许用转矩、质量等。4）确定联轴器相关属性类和联轴器概类念间的关系。5）建立联轴器概念的个体，如齿轮型齿式联轴器、CL1型齿轮齿式联轴器等在桥式起重机零部件领域本体建立完成后，对领域本体进行一致性检查，一致性检查通过后存储领域本体。按照存储介质不同可以分为基于主存、基于文件系统和基于关系数据库三类本体存储方法8。基于文件系统的存储方式实现起来比较简单,很多相关工具都支持对文件格式的本体进行存取。本文采用基于文件系统存储，将桥式起

8、重机零部件领域本体以OWL格式存储在文件系统中。2.2规则库的建立整个匹配推理过程中，包括的两个中心环节：规则库的设计和匹配推理设计。知识库建立完成后，我们建立用于匹配推理的规则库，规则库中的规则来源于两个方面：一是本体中所蕴含的公理，二是领域规则。公理主要包括本体中的类关系和属性关系。其中，类关系覆盖了等价类关系、子类关系、互斥类关系。属性关系则包括等价属性关系、子属性关系、逆属性关系。在构建领域规则时，需要遵循一些原则：（1）明确表示条件和动作间的关联，（2）规则必须符合领域中的应用，且规则之间不能存在冲突，（3）满足常用有效的规则表示形式，以便计算机处理。如齿轮型齿式联轴器类是联轴器类的

9、子类、联轴器类是起升机构的子类。电动机类是起升机构的子类等。推理规则（部分）见 REF _Ref376178888 h * MERGEFORMAT 表 1。表 SEQ 表 * ARABIC 1推理规则（部分）规则类型条件结论rule 1A subClassOf B;B subClassOf CA subClassOf Crule 2A EquivalentClass B;B EquivalentClass CA EquivalentClass Crule 3A disjointWith B;B disjointWith CA disjointWith Crule 4A subClassOf B

10、;B subClassOf AA EquivalentClass B例如，假设满足规则类型rule1，联轴器类 subClassOf 起升机构类；起升机构类 subClassOf 桥式起重机类。则有联轴器类 subClassOf 桥式起重机类，即联轴器类是桥式起重机类的子类。假设满足规则类型rule2，电机类EquivalentClass电动机类；电动机类EquivalentClass电机类。则电机类与电动机类是相等类。 2.3匹配推理设计将用于存放匹配结果的匹配数组置空，用来存放已完成匹配的实例的匹配结果。我们要对返回的结果根据相似度的大小进行排序。最后将相似度最高的结果返回。1）预处理用户

11、提交的查询条件。用户需求经过预处理变为一组采用“AND”连接的关键字。实例信息中至少包含一个查询关键字便视其为相匹配的实例，需返回。2）与知识库中实例进行匹配。系统基于规则库规则及桥式起重机零部件知识库推理找到需要选型的零部件类，再找到实例层中对应该零部件类的所有实例。系统自动将经预处理的查询条件与桥式起重机零部件知识库中的实例进行匹配，若与实例的一个或几个属性匹配，则增加用于存储该次匹配结果的数组中的值；若属性不匹配，则数组中的值不变。3）匹配结束。比较各匹配实例匹配数组中变量的值。最后将相似程度值最大的实例返回并进行相关参数校核。2.4模型库的建立根据桥式起重机零部件相关几何信息，采用So

12、lidworks软件逐一建立各零部件的模型，构成模型库。结合系统的管理功能，在系统使用过程中逐渐完善模型库。3参数化设计目前关于桥式起重机的参数化设计有较多的参考文献，目前参数化建模技术可分为三类：基于尺寸驱动的参数化建模、基于约束驱动的参数化建模和基于特征的参数化建模。基于尺寸驱动的参数化建模通过对模型的几何尺寸进行修改，实现对图形的修改。它是目前应用最为广泛的建模方法，也是最基本的方法。本文采用基于Solidworks尺寸驱动的参数化建模方式。参数化设计流程如 REF _Ref378147731 h 图 3。图 SEQ 图 * ARABIC 3基于SolidWorks的参数化设计流程桥式起

13、重机零部件智能快速选型系统利用VS2008开发工具将知识库模块、规则库模块和模型库模块集成。系统中参数化设计模块是基于Solidworks的二次开发函数API，采用C#语言调用Solidworks软件，实现将Solidworks软件嵌入到选型系统中。根据零部件匹配选型结果相关信息进行零部件参数化设计，得到零部件的三维模型并返回结果，参数化设计结束。4实例验证以电动机输出轴用联轴器选型为例来说明零部件自动快速选型过程。联轴器选型包括联轴器类型选择、联轴器具体型号选择等。参考系统流程设计，选型过程如下。（1）确定联轴器结构类型1）提交用户需求。提交用户需求即输入联轴器类型选择基本参数，如 REF

14、_Ref376180251 h 表 2。联轴器选型基本参数从已完成选型的相关零部件读取和用户提交的基本参数中读取。其中原动机的机械特性、联轴器的载荷特性、联轴器的许用转速及两轴的相对偏移和传递精度等参数从已完成选型的相关零部件中获取，安装和维护、经济性、工作环境等参数由用户选择提交。表 SEQ 表 * ARABIC 2联轴器类型选择基本参数参数类型参数值原动机的机械特性平稳联轴器的载荷特性平稳联轴器的许用转速一般外廓尺寸紧凑传递精度一般2）匹配推理将基本参数处理变为一组采用“OR”连接的关键字，系统基于规则推理在知识库中首先找到桥式起重机概念类，基于rule1找到起升机构概念类，然后找到联轴器

15、概念类，最后找到联轴器零部件的实例。将系统预处理后基本参数与起重机知识库中的联轴器实例匹配。主要考虑两轴相对偏移、工作环境、载荷特性等主要因素，再参考经济性等次要因素。3）经过推理匹配输出匹配程度最高的联轴器类型：齿轮型齿式联轴器。（2）确定联轴器规格型号1）提交用户需求。输入联轴器型号选择基本参数，如 REF _Ref376181137 h 表 3。选型基本参数从已完成选型的零件读取和用户提交的基本参数中读取。表 SEQ 表 * ARABIC 3联轴器型号选择基本参数参数类型参数值联轴器类型齿轮型齿式联轴器驱动功率Pe3kw联轴器输入轴转速nd110r/min联轴器输入轴直径d60mm联轴器

16、输出轴直径d40mm其中联轴器类型从前面联轴器类型匹配结果获取，驱动功率（用于联轴器转矩校核）、联轴器输入轴转速、联轴器输入轴直径和联轴器输出轴直径参数从已完成选型的电机等部件中获取。2）匹配推理首先预处理基本参数并基于规则推理在知识库中找到齿轮型联轴器实例。将系统预处理后基本参数与起重机知识库中的齿轮型联轴器实例进行匹配。主要考虑联轴器输入转速、联轴器输入轴直径、联轴器输出轴直径等主要因素，再参考经济性、重量等次要参数。联轴器型号选择匹配结果信息见 REF _Ref377598892 表 4。经过推理匹配并校核联轴器转矩，输出匹配程度最高的齿轮型齿式联轴器，型号CL3。表 SEQ 表 * A

17、RABIC 4联轴器型号匹配结果型号参数CL1CL2CL3CL4联轴器输入转速匹配匹配匹配匹配联轴器输入轴直径不匹配不匹配匹配匹配联轴器输出轴直径匹配匹配匹配不匹配（3）参数化设计匹配结束后，从知识库中读取CL3型联轴器几何尺寸信息，CL3型联轴器几何尺寸信息见 REF _Ref376182354 h 表 5。并将信息传递到参数化设计模块进行联轴器参数化建模。CL3联轴器模型见 REF _Ref376199328 h 图 4。表 SEQ 表 * ARABIC 5 CL3型齿式联轴器几何尺寸参数(单位mm)参数类型参数值A92B170D220C2.5C115C228（4）结果返回在参数化设计完成

18、后，输出联轴器的种类、型号及零件模型图等信息并存储。图 SEQ 图 * ARABIC 4联轴器零件模型及相关信息5结语本系统用Protg软件建立了桥式起重机零部件知识库，根据相关原则建立了用于匹配推理的规则库，建立了用于参数化建模的原始模型库。然后基于VS2008开发工具将知识库模块、规则库模块和参数化设计模块集成起来。最后通过实例证明了该系统有效可行。本文旨在对我国桥式起重机零部件选型的现代设计方法做一些尝试和探索，因此还有不完善的地方，但本文提出的思想对起重机零部件选型相信会有一定的启发和推动作用。参考文献：1陈钦云,张海柱,黎荣,丁国富,贾美薇. 造船门式起重机虚拟样机快速定制及评价J. 机械设计与研究,2012,03:107-110.2于萍,吴业福.面向对象知识表示在起重机专家系统中的应用J.计算机技术与发展,2008,11:204-206+210.3王伟.桥式起重机智能快速设计系统的研究与实现D.济南大学,2012.4张雄.基于知识的桥式起重机CAD系统研究与实现D.大连理工大学,2006.5严键,陈友玲,刘文科. 基于本体映射的零件工艺实例重用方法研究J. 计算机应用研究,2012,01:177-180.6赵建勋,张振明,田锡天,贾晓亮,朱名铨. 本体及其在机械工程中的应用综述J. 计算机集成制造系统,2007,04:727-737.7韦雯倩,