KBE技术在成形刀具设计制造中的应用

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0 引言

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成形刀具设计是一种以零件加工为目标的思维决策过程。该过程需要大量的领域知识和很强的求解问题技巧，专家的经验知识在其中将起关键性作用。成形刀具设计是经验知识的应用过程。其不仅是参考经验知识辅助设计的过程，更是在现有经验知识基础上进行创新的过程。将KBE技术引入成形刀具设计领域适应了这一发展趋势。 6 Y3 w; w) Z8 J3 ^& A$ v" |

1 KBE技术

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1. KBE的定义与内涵
   基于知识的工程KBE(knowledge based engineering)，是面向现代设计要求而产生发展的新型智能设计方法和设计决策自动化的重要工具，已成为促进工程设计智能化的重要途径。
   比较通用的定义是： KBE是通过知识驱动和繁衍，对工程问题提供最佳解决方案的计算机集成处理技术，是领域专家知识的集成、继承、创新和管理，是CAX技术与AI技术的集成。其特点在于： KBE是一个知识的处理过程，包含了知识的继承、繁衍、集成和管理，不仅是处理知识，更关注Know how等隐性知识的显形化；是处理多领域知识和多种描述形式的知识；是一个面向整个设计过程的开放的体系结构；是多领域、多学科的知识范畴。
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   图1 KBE系统的组织结构

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2. KBE系统的组织结构
   KBE系统组织结构如图1所示。用户在进行产品设计开发时，通过图形化用户界面与系统进行通讯。通过集成平台，将CAD/CAM/CAE与AI集成结合起来，实现设计、分析与智能技术的结合。

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2 成形刀具设计制造中的KBE技术

成形刀具包括成形车刀、成形铣刀和成形齿轮刀具等。复杂型面成形法加工中成形刀具的精度直接决定了加工零件的精度，其设计过程如图2所示。 ; f. G8 m$ S) o6 V9 N: W* i7 i$ W9 y/ g& M

图2 设计过程

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复杂型面的成形刀具的设计是一项复杂烦琐的工作，尤其是廓形设计，需要反复修正才能克服近似设计所造成的廓形精度误差。考虑到制造刀具和加工零件过程中机床、工件和刀具等各种因素的影响，要保证零件的廓形精度，成形刀具廓形的设计是非常关键的，是集知识、经验决策于一体的过程。知识工程基于特定领域内的大量知识并通过符号模型推理可实现相应领域复杂问题的专家级水平的解决。将KBE技术引入到成形刀具的设计领域将会极大地提高刀具的设计水平。 ; O h2 @8 Z" F+ V! F0 U1 ~+ \

KBE刀具设计系统主要是KBE技术在刀具设计制造领域的实施，它以AutoCAD、Windows操作系统作为协作平台，其功能主要取决于其集成技术和各项单元技术，KBE关键技术包括知识建模、知识表示和推理、知识获取和繁衍、知识管理和集成。

设计知识库系统是一种用户/服务器机制，是通过客户和知识库系统的数据交换机制来实现知识的获取。知识库是开放的，用户可以扩充，即设计制品知识库中知识都是按照一定的规则和标准来定义和描述，并采用面向对象的设计表示，任何用户都可以利用知识库中提供的知识，同时也可以按照标准将自己的特有的知识定义，形成自己的知识子库。以下以某大型企业60kW机组的菌形叶根成形铣刀为例，说明一个基于AutoCAD平台开发的智能成形铣刀设计KBE系统。

1. KBE刀具推理设计子系统
   推理系统是人类进行问题求解的主要思维方法，智能系统的推理主要是通过推理机制完成的。推理机制的基本任务就是在一定的控制策略指导下搜索知识库中可以利用的知识，与数据库相匹配。搜索和匹配是推理机制的两大基本任务。推理机制应满足的基本要求是：高效率搜索和匹配机制；可控制性；可观测性；启发性。
2. KBE刀具设计知识库 ) _- W, q5 C! t5 h* z: _
   主要包括设计过程中的各种工艺知识，几何参数的选取、数学模型的建立以及在加工前的准备工作、设计的实例等。一般采取面向对象的方式建立，集成各种知识表示模式。
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3. KBE刀具智能绘图子系统 : D, s8 U7 p' p+ @) h
   智能绘图就是根据现有的1幅图形，改变其尺寸数值，自动生成形状相同而大小不同的另1幅新图。新图的生成可通过修改原图形数据库中的数据来实现。
4. KBE刀具基本图形库
   主要包括一些绘图所用的基本的信息，如一些点、线和面的子程序以及一些常用的各种刀具的基本的二维、三维几何图形。
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   图3 刀具设计加工的KBE系统总体框架

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5. KBE刀具加工子系统 . u2 Y% E( H( X, A& T
   刀具的加工阶段包括加工、检测和修正3个阶段。加工完的刀具廓形经过投影仪检测后再修改设计，对廓形进行最后的修正。刀具设计的KBE系统总体框架如图3所示。

3 结束语

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KBE设计系统是一个新兴的智能设计系统，其系统开发在我国尚处于起步阶段，更多关键技术的研究还需要深入。随着KBE技术在工程设计中的不断应用，将对我国工程领域中设计方法的改变，设计制造质量和效率的提高起到推动作用。