Integrated Knowledge-Based System for Machine Design
Abstract
An integrated design system (IDS) approach has been developed to integrate various stages of the mechanical design process, including rapid prototyping. The system consist, of design, analysis, calculation, rapid prototyping, and library modules, and it blends artificial intelligence methods, CAD-CAM, and technical computing packages into a single environment. The system has been applied for the design of one-stage gearbox with helical gear. In this case study, all stages of the design process are carried out by using IDS.
1. Introduction
The design process of the mechanical products is tedious and time consuming because of the various stages and complex activities involved. On the other hand, there are strong pressures to reduce overall costs in a competitive market environment . But, the traditional design approach is inadequate in meeting these needs. Today a lot of CAD/CAM/CAE application software, different databases, and web-based services are used for the mechanical design studies, but these technologies are distributed and there is no coordination between them. Therefore, a number of researchers have focused their studies on establishing a cooperative and integrated environment. Su and Wakelam studied an intelligent hybrid system for integration in design and manufacturing. Their approach blends a rule-based system, artificial neural networks, genetic algorithm, hypermedia, and CAD/CAE/CAM packages into a single environment . Zhao et al. described an agent-based approach to systems interoperability in cooperative design systems . Hao et al. developed an agent-based collaborative e-engineering environment for product design engineering. They studied a prototype software system based on the web and a software agent and demonstrated its viability through an industrial case study . Myung and Han introduced the feature representation, a concept of design unit, parametric modeling, and configuration design methods, and they proposed a framework of a design expert system, which describes parametric modeling with design knowledge-based. Ramamurti et al. put forward an integrated system that could be used by the user for the complete design and analysis of a mechanical system. The system consists of two parts, such as initial design and detailed analysis. Zha and Du presented an integrated method and assembly planning. They applied the system as an integration model, and so, CAD/CAM applications in assembly were supported. Chiang et al. proposed a general integrated framework of design knowledge representation and developed a knowledge-based intelligent system to facilitate dynamic design reasoning. Also, they presented a case study of designing a mechanical system to demonstrate the features of the developed system. Chung et al. studied a framework for integrated mechanical design automation, and they developed extended variational design technology using graph theory and numerical solution techniques. Liang and OGrady studied the object-oriented approach. Their study contained both of the fundamentals of object-oriented design in the development of design process models. Zha et al. proposed a knowledge-based approach and developed an expert design system to support top-down design for assembled products. The proposed approach focused on the integration of product design, assemblability analysis and evaluation, and design for assembly with economical analysis . Chen et al. developed an intelligent approach for generating assembly drawings automatically from three-dimensional computer assembly models of mechanical products by simulating the experienced human designers thinking mode with the aid of computer graphics and a knowledge-based expert system . Daabub and Abdallah presented a computer based intelligent system so that the design for assembly can be realized within a concurrent engineering environment. They developed an expert system that supports new techniques for design and for assembly, and the developed system gave users the possibility to assess and reduce the total production cost at an early stage during the design process. Wang et al. described a new framework for collaborative design. This framework adopts an agent-based approach and relocates designers, managers, systems, and the supporting agents in a unified knowledge representation scheme for product design. Wang and Zhang aimed to develop a distributed and interactive system, on which designers and experts can work together to create, integrate, and run simulations for engineering design. Karayel et al. purposed an internet-based intelligent agent system for mechanical design . The reference model and the architecture of the system were developed. The current study can be accepted as a detailed part of this general research. Karayel et al. studied to determine factors affecting safety stress in the machine design by using artificial intelligence technologies. Cao and Fu proposed and employed a design synthetic approach to guide the design process via behavioral reasoning and to obtain an iterative transforming process. They presented the functional representations and design parameters according to the design requirements of a product and established a behavioral matrix model by using the bond graph fundamental elements and then presented a knowledge modeling language for behavioral reasoning. They developed a prototype system for a computer-aided conceptual design and presented an application from the industry consequently. Cao et al. presented an agent-based approach for guiding the mechanical product conceptual design. Firstly, they analyzed the mechanical product design requirements and then gave functional parameters and design variables and proposed a behavioral matrix model using bond graph fundamental elements. After, they established an agent-based framework and s
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基于集成知识的机械设计系统
摘要
集成的设计系统（IDS）的方法已经发展到整合各个阶段的机械设计过程，包括快速原型。系统组成、设计、分析、计算、快速成型、和库模块，并将人工智能的方法，CAD-CAM，和技术计算封装成一个单一的环境。该系统已应用于单级变速箱齿轮的设计。在这种情况下，设计过程中的所有阶段，通过使用IDS进行。
1.介绍
机械产品的设计过程繁琐、耗时，涉及到各种阶段和复杂的活动过程。另一方面，在竞争激烈的市场环境中，要降低整体成本有很大的压力。但是，传统的设计方法是不够满足这些需求的。今天很多的CAD/CAM/CAE软件，不同的数据库，网络服务是用于机械设计研究，但这些技术是分布式的，他们之间没有协调。因此，许多研究人员都集中在建立合作和综合环境的研究。Su 和Wakelam为综合设计制造研究了一套智能混合系统。他们的方法融合了基本规则系统，人工神经网络，遗传算法，超媒体，和CAD / CAE / CAM软件包到一个单一的环境。赵等人描述了一种基于Agent的协同设计系统的互操作性的方法。郝等人开发了一个基于Agent的协同工程环境下产品设计工程。他们研究了一个原型软件系统的基础上的网络和软件代理，并通过一个工业案例研究表明其可行性。Myung和 Han介绍的特征表示，一个设计单位，参数化建模的概念、设计和配置方法，他们提出了一个设计专家系统的框架，它描述了基于知识的参数化建模与设计。Ramamurti等人提出了一个完整的系统设计和分析的机械系统，可以使用的集成系统。该系统由2部分组成，包括初步设计和详细分析。Zha和 Du提出了一个集成的方法和装配规划。他们将系统作为一种集成模式，因此，在装配中的计算机辅助设计/凸轮应用程序的支持。蒋等人提出了一个通用的设计知识表示的集成框架，开发了一个以知识为基础的智能系统，以方便动态设计推理。此外，他们提出了一个机械系统设计的案例研究，演示了开发的系统的功能。涌等。研究了一个集成的机械设计自动化框架，并利用图论和数值求解技术，开发了扩展变分设计技术。Liang和OGrady研究面向对象的方法。他们的研究包含了面向对象设计的基本原理，设计过程模型的开发。 Zha 等人提出了一种以知识为基础的方法和开发的专家设计系统，以支持自顶向下的设计组装的产品。该方法侧重于产品设计的集成，可装配性分析与评价、设计与经济分析组件。Chen等人以计算机图形学和知识为基础的专家系统，利用计算机图形学和知识的专家系统，开发出一种自动生成装配图的智能方法，将机械产品的三维计算机装配模型自动生成装配图。Daabub和 Abdallah 提出了一个基于计算机的智能系统，面向装配的设计可以在并行工程环境下的实现。他们开发了一个专家系统，支持新的技术设计和装配，和开发的系统给用户的可能性，以评估和降低总生产成本，在设计过程中的早期阶段。Wang等人描述了一个新的协同设计框架。该框架采用基于代理的方法，重新设计，管理，系统，和支撑剂在产品设计一个统一的知识表示计划。王和张的目的是开发一个分布式的和交互式的系统，在设计上，设计师和专家可以共同创造，整合和运行模拟工程设计。Karayel等人提出了一种基于Internet的智能代理系统的机械设计。系统的参考模型和体系结构的开发研究目前已被接受，可以作为这项一般性研究的详细部分。Karayel等人应用人工智能技术研究机械设计中影响安全性的因素。Cao和 Fu提出并采用了设计合成的方法，引导设计过程中，通过行为推理，并获得一个迭代的转化过程。根据产品的设计要求，提出了功能性的表示和设计参数，并利用键合图的基本要素建立了行为矩阵模型，然后提出了一种行为推理的知识建模语言。他们开发了一个原型系统的计算机辅助概念设计，并因此在工业上提出了一个应用程序。Cao等人提出了一种基于代理的方法来指导机械产品的概念设计。首先，他们分析了机械产品的设计要求，然后给出了功能参数和设计变量，提出了一种基于键合图的行为矩阵模型。之后，他们建立了一个基于代理的框架，所以针对行为矩阵模型，生产功能方法树和多重解决方案随着剂技术。在机械中心的专用夹具设计中的应用，提出了一个例子的设计合成。Goel等人分析了计算机辅助设计的维度，如认知设计、协同设计、概念设计、创意设计等。然后，他们开发了一个基于知识的CAD系统来说明CAD的特征，该系统被叫做由类自然工具设计（DANE）。他们提出，戴恩是评估CAD尺寸实际利用的重要助手。一个DANE的主要贡献是提供人类与以知识为基础的CAD系统的交互。Chen等人提出了一个完全装配设计的多级模型。他们的模型捕获了抽象的信息，骨架信息，以及详细信息，以便它可以有效地支持装配设计。本次装配设计过程中包含了一个装配树结构的设计步骤。他们讨论了装配设计模型的使用，推广应用的范围和深度。Jia等提出了一种新的多层次的系统表示支持设计方法的建模框架。他们的框架有能力整合的产品设计的计算机辅助设计模型。另外，在多域分析的数据交换和传输都采用框架成为可能。作者举例说明了该框架的案例研究。因此，多体机械系统的建模框架的适用性突出。Li等人讨论了一种集成设计方法，充分考虑了各子系统的相关参数，以优化整体系统主要由光学机械结构CAD、CAE、PDM和综合信息平台。他们的方法是基于模型转换和数据共享，不同的设计和分析步骤，并因此他们进行了并行仿真和设计优化。此外，他们提出了一个机械结构的应用实例。Zheng等人开发了一种提高效率的新的协同设计方法。他们设计并实现了一个原型系统coautocad测试方法和演示各种协同设计活动。Zhongtu等人描述了一个声明的任务执行的建模方法和解决问题的方法，在设计任务的知识原语。在这项研究中，任务分析、知识管理、设计对象管理模块的开发和使用机械计算机辅助设计（MCAD）系统集成。以两级变速箱的设计为例进行了这种方法的设计。铝ashaab等人。开发了一个基于知识的环境（KBE）支持产品设计验证的刷新项目，他们实施了KBE的产品生命周期管理平台。此实现防止重复不必要的和昂贵的物理产品测试，因此它也减少了这些刷新项目的时间和成本。Chandrasegaran等人旨在审查产品设计过程。他们专注于一个时间框架，在过去的20年一般和过去十年更具体地说，为了平衡的广度和深度的审查，放松的时间框架，有必要进一步寻找在过去建立相关性。Rocca提出知识工程（KBE）广义的技术审查在试图填补目前的信息差距。在这项研究中，人工智能的根源知识作了简要的论述，并主要方面的差异和传统知识系统和现代通用CAD系统的相似性突出。最后，他研究了KBE系统的演变和发展趋势，提供了一系列建议和KBE系统未来的期望。Chen等人旨在开发一个以知识为基础的框架的创造性概念设计的多学科系统，通过重用和合成已知的原则解决方案，在不同的学科在一起。该框架包含一个正式的约束为基础的方法，用于表示所需的功能，一个域独立的方法来建模功能知识的已知的原则解决方案。该系统的成功解释的设计案例研究。Li等人一种新型高效协同智能计算机辅助设计框架的理论研究。他们的研究工作，最大限度地减少冗余设计阶段和设计瓶颈，使用设计的历史，而大量的协同设计框架，旨在减少等待时间的协同设计人员之间的更新设计。此外，它产生了一种高效的逆向工程过程，同时解决其他现有的协同设计问题。Wang等人提出了一种基于参数协同设计的新方法，分析了并行工程设计中的诸多不足，开发了一种用于并行工程的参数化协同设计系统。从案例研究的结果验证了系统的可行性，有效性和有效性。Wang等人提出了协同仿真环境的解决方案（CSE）并分析其功能架构和系统架构。他们研究了多层次的工程数据管理（EDM）和仿真流程控制。然后，流量模型的平台和一些悬挂系统CSE的门户网站进行了研究。最后，他们提出了缩短产品模拟周期，提高设计效率。Zhang等人提出了一种复杂机械产品的智能设计系统。智能设计系统采用产品族案例树构建复杂机械产品模型和基于案例的推理技术，重用成功的产品设计知识。采用工程数据库技术构建产品设计系统。在那之后，他们意识到智能起重机设计平台采用Visual Basic.NET编程，所以，看到应用实例表明该方法的可行性。
这项研究是一个全面的项目，有许多子系统的一部分。在这里，该项目的总体框架进行了描述，并集中在子系统的集成。当所有的项目完成后，它可以作为一个智能的互动系统。在这项研究中，子系统，如设计，分析，计算和快速原型设计，并为他们每个人都可以完成其功能。它是研究，用户可以实现在一个平台上的所有过程的一个重要的特权。用户可以单独利用两个子系统，并可以利用整个系统的小用户干预为现在。另一方面，该系统具有一个合适的结构为所有级别的用户，因为在系统中使用的所有设计和原型工具，从实际应用中选择。这种情况也是系统的不同。同时，该系统采用目前的培训材料，因此，这项研究可用于机械设计的培训，小的适应。这也是本研究的另一个显著特点。这项研究提供了一个中介集成不同的工程工具，如计算机辅助设计/软件包，技术计算和分析软件包，数据库和知识库。本研究的主要内容如下：首先，介绍和文献综述。第二节给出了工程设计过程的背景。第三节说明了集成设计系统（IDS）。第四节提出了一种IDS的实现，五节介绍了研究的结论和未来的工作。
- 工程设计背景
工程设计可以被定义为满足某种需求的产品的实现。换句话说，任何一个工程设计项目的第一个目标就是满足人类的需求或欲望。工程可以被描述为一个明智的科学与艺术的融合，在自然资源，包括能源，被转化为有用的产品，结构，或机器，造福人类。它是一个很好的设计，如果它的产品有效地工作和经济上的强加的限制。主要的制约因素是成本，可靠性，安全性，性能水平，法律要求，社会学方面的考虑，污染和能源消耗。此外，工程设计是不是一个过程，只有一个阶段组成。相反，它是一个迭代过程，涉及一系列的决策步骤，其中每个决定建立下一个框架。这是一个连续的努力，体现阶段，如初步设计，中间设计，详细设计，和发展。工程设计过程从产品规范开始，通过需求分析、概念设计、详细设计、设计分析的互动过程，并以满足产品规格的功能性产品结束。每个阶段都有子，各有不同，因此设计师预计不会对所有阶段的专家。然而，一个成功的设计师应该能够有效地与不同的专家，在不同的阶段，或应利用一个集成的系统，相应的设计阶段的专家系统。本研究认为，有详细设计和目的才能开发一个集成的设计系统。
- 集成设计系统（IDS）
IDS是机械设计集成设计系统模型的详细设计模块。IDS的检测流程如图1及其输入屏幕如图2所示。IDS包括子模块等的计算，分析，建模和绘图，快速成型，和数据库如图3。
图1
图2
图3
所有模块都是相互作用的。该系统的计算模块用于工程计算，如机械零件的尺寸和设计安全性应力的计算。利用IDS的设计模块，可以对产品进行三维建模和二维绘图。本模块采用CAD／CAM软件如Solidworks，CATIA。IDS的分析模块可以进行数值分析的机械系统，采用有限元方法如ABAQUS和ANSYS。IDS库模块主要包括材料库、标准表和图、系统的技术知识和企业目录，并支持其他模块。设计过程的最终产品可以用IDS的快速原型模块转化为实际的物理模型。
集成设计系统的知识表示和数据传输。使用软件代理之间的单位进行了自动数据传输。在这项研究中，软件代理程序，可以执行特定的设计任务的用户，并具有一定程度的智能，允许它的任务自主执行的部分，并与它的环境中的一个有用的方式进行交互。每个任务都有软件代理，因此可以将知识转移到一起使用。代理之间的通信和协调，需要一个标准的知识协议。为了这个原因，知识交流计划和知识形式已经准备好了。设计知识被确定为特定的代码。这种知识是按题材分为主要条款和替补条款。此外，代理之间的知识交流活动已被分类，并已准备好某些格式，如从谁给谁，什么是目的，什么是答案。知识协议层，它是由代理的机械设计，包括定义，查询和结果层。这方面的知识，提出了 协议图14。设计知识必须在适当的文件中准备好，这样他们就可以很容易地转换为数字信号，因为知识流是数字形式的。因此，文件的定义地址的知识和它的位置号码已经准备好了。
- 集成化设计系统的实现
在这项研究中，一级齿轮与斜齿轮的设计被选定作为一个设计的案例研究来说明和测试系统的开发。本节的目的是使用开发的系统的完整的变速箱的设计和分析。变速箱是用来发射功率和速度改变，这有一个广泛的应用领域，如材料处理，交通，冶金，化工。同时，变速箱包括主机零件如齿轮、轴、轴承、轴承盖、螺栓、键和代表全面的机械系统。因此，变速箱已被选定为本案为例，图4为变速箱的工程图。
图4
图形用户界面已经准备好给用户进入设计阶段（如图3）。首先，进行齿轮箱每个元素的尺寸计算。然后，这些都是根据所计算出的尺寸。之后，对这些元素进行了分析，并在需要的情况下，再考虑零件尺寸。最后实现了齿轮箱的装配。设计过程的最后阶段是与所有的元素一起制造整个齿轮箱。IDS的使用已经在与变速箱的元素，根据描述，如图4所示。
4.1 齿轮设计
齿轮副的设计开始与齿轮的尺寸计算，所以计算模块已被选定的图形用户界面，然后一个新的窗口打开，如图5所示。
图5
计算模块的尺寸和设计应力模块。当维度模块选择这里，第二个新窗口含有机元素是开放的，如图6所示 。再次，从该窗口中选择齿轮，输入齿轮副的输入数据。
图6
在齿轮机构的计算中，小齿轮被认为是因为它比其它齿轮更受力。相应的齿轮可以选择相应的。该模块的齿轮（米）的计算使用的方程，根据弯曲应力和接触应力如下面所示。
该模块根据弯曲应力：
接触应力：
齿轮的设计分为两个步骤：步骤1是确定模块，步骤2是计算几何尺寸和图纸。齿轮的模块可以很容易地确定齿轮副的输入数据输入和标准模块，点击图标，如图5所示 。IDS通过（1）和（2）计算模块。该系统接受从方程得到的最大值作为模块（米），并选择标准模块
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