基于知識工程的產(chǎn)品自頂向下快速設(shè)計研究

李小明 羅曉渭 郭俊

摘 要：針對機械產(chǎn)品種類繁多、結(jié)構(gòu)復雜、設(shè)計修改頻繁等問題，結(jié)合知識工程和自頂向下的設(shè)計方法和關(guān)鍵技術(shù)，提出了基于知識工程的自頂向下設(shè)計理念與方法，通過創(chuàng)建基于知識的骨架模型的方法，完成了手套箱的快速設(shè)計，提出了一種產(chǎn)品的通用快速設(shè)計方法。

關(guān)鍵詞：知識工程；自頂向下；快速設(shè)計

1 概述

當今市場競爭日漸激烈，先進理念和技術(shù)被廣泛應用于現(xiàn)代工業(yè)中，制造企業(yè)之間的競爭已轉(zhuǎn)變?yōu)榛跁r間和客戶個性化需求的競爭。如何高質(zhì)量、低成本、短交貨期及個性化地生產(chǎn)出產(chǎn)品，已經(jīng)成為制造企業(yè)獲取新的競爭優(yōu)勢的研究方向[1]。如果能夠加快產(chǎn)品系列化和多樣化的開發(fā)周期，將會降低企業(yè)設(shè)計成本，提高企業(yè)的競爭力和應變市場的能力傳統(tǒng)的產(chǎn)品總成設(shè)計方法是先單獨把零件建構(gòu)出來，再一一裝配成產(chǎn)品模型，裝配操作復雜，尺寸修改因難，設(shè)計變更時消耗大量的時間，而且不符合設(shè)計意圖，整個產(chǎn)品開發(fā)項目不易管理難以實施和推動協(xié)同并行設(shè)計[2]。針對機械產(chǎn)品種類繁多、結(jié)構(gòu)復雜、設(shè)計修改頻繁等問題，通過對其產(chǎn)品設(shè)計過程和變型設(shè)計技術(shù)進行研究，運用知識工程、模塊化技術(shù)、數(shù)據(jù)集成技術(shù)等完成產(chǎn)品自頂向下快速設(shè)計，克服產(chǎn)品設(shè)計中缺乏系統(tǒng)化理論、智能化支持和嚴重依賴專家經(jīng)驗等的不足，提高了企業(yè)的整體設(shè)計能力和設(shè)計效率、縮短設(shè)計周期，滿足了用戶對產(chǎn)品的快速設(shè)計需求，增強了企業(yè)的市場適應能力和競爭力。

2 知識工程和自頂向下

2.1 知識工程

知識工程（KBE，Knowledge Based Engineering）技術(shù)是面向現(xiàn)代設(shè)計要求而產(chǎn)生、發(fā)展的新型智能設(shè)計方法和設(shè)計決策自動化的重要工具[3]。其基本思想是在工程設(shè)計中將該領(lǐng)域?qū)＜业闹R和經(jīng)驗加以總結(jié)，形成規(guī)則，存入計算機，建立知識庫，在對工程問題求解中重用已有的知識和經(jīng)驗[4]。

2.2 自頂向下

自頂向下（Top-Down）是一種自上而下、先規(guī)劃產(chǎn)品的整體結(jié)構(gòu)，再逐步細化的設(shè)計過程，設(shè)計流程符合設(shè)計思路，即：總體布置→總體結(jié)構(gòu)；總體結(jié)構(gòu)→部件結(jié)構(gòu)；部件結(jié)構(gòu)→部件零件。自頂向下設(shè)計思想也就是將復雜的大問題分解為相對簡單的小問題，然后找出每個問題的關(guān)鍵、重點所在，然后用精確的思維定性、定量地去描述問題。Top-Down能夠有效解決復雜機械產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計，設(shè)計準確程度比較高，頂層設(shè)計師的設(shè)計意圖能夠在團隊中很好的進行傳遞和共享，利于在設(shè)計團隊中實施和推動并行工程與協(xié)同設(shè)計。

3 產(chǎn)品基于KBE的自頂向下設(shè)計

3.1 設(shè)計理念

運用基于KBE的自頂向下設(shè)計理念與方法，需要設(shè)計人員在考慮產(chǎn)品功能和性能的基礎(chǔ)上，將產(chǎn)品的組成和形狀及各零部件之間的裝配和約束關(guān)系轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品骨架模型中的設(shè)計參數(shù)、變量關(guān)系約束、零部件裝配約束，使知識與骨架模型關(guān)聯(lián)起來，完成產(chǎn)品骨架模型設(shè)計，并在總骨架模型中裝配關(guān)系的約束下，進行零部件的詳細設(shè)計。基于KEB的自頂向下快速設(shè)計思想融合了知識工程及自頂向下的全部優(yōu)點，在個產(chǎn)品的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計階段和局部細化階段融入知識工程的建模理念，是一種更加符合人的常規(guī)思維方式的設(shè)計模式，有利于減少不必要的重復設(shè)計，更大程度上減輕設(shè)計人員的工作強度，以完成高效率、短周期的產(chǎn)品設(shè)計。

圖1為基于KBE的手套箱自頂向下設(shè)計流程分為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化及骨架模型創(chuàng)建、手套箱子部件設(shè)計和重用零部件模型調(diào)用及三維模型生成等三個階段：第一階段是根據(jù)用戶對手套箱功能和性能需求，結(jié)合已有的含了工程知識、幾何知識、構(gòu)形知識等的知識庫，轉(zhuǎn)換為設(shè)計人員所需主要設(shè)計參數(shù)如尺寸參數(shù)、主要性能參數(shù)、質(zhì)量參數(shù)以及各部件基本型式，并建立基于KBE的產(chǎn)品骨架模型。第二階段是設(shè)計人員根據(jù)總骨架模型給出的要求對各部件進行細化的過程。第三階段調(diào)用模型庫中的重用模型并結(jié)合已細化部件，生成手套箱模型，完成快速設(shè)計。圖1為基于KBE的手套箱自頂向下設(shè)計流程。

3.2 建立基于KBE的骨架模型

建立基于KBE的骨架模型即完成手套箱快速設(shè)計的第一階段工作，將產(chǎn)品的總體結(jié)構(gòu)布局、設(shè)計約束、參照基準及其布局等抽象出來，并使用空間的點、線、面及參數(shù)草圖等構(gòu)建出來，在此基礎(chǔ)上引入知識來對其管理和控制變更。基于KBE的骨架模型能反映產(chǎn)品各零部件的空間布局、空間位置形狀、拓撲關(guān)系和裝配約束關(guān)系等要求的主要框架的空間線框架構(gòu)。如圖2手套箱骨架模型，由主箱體各基準面、轉(zhuǎn)移箱基準面、支架基準面、照明基準面、手孔中心線、風機中心線、過慮器中心線、碘吸附器中心線、主箱體進氣口直徑、轉(zhuǎn)移箱端法蘭端面螺栓均布孔徑、支腿端法蘭均布孔徑、手孔環(huán)內(nèi)徑等組成的能為下游細化設(shè)計所參照使用和共享的手套箱骨架模型。手套箱骨架模型表示出主箱體、轉(zhuǎn)移箱、高效過慮系統(tǒng)、除碘系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等下游零部件設(shè)計所需的定位基準、設(shè)計基準和參考特征等。

3.3 實體設(shè)計

手套箱實體設(shè)計即完成手套箱第二和第三個階段的工作，一方面從模型庫中提取已有模型，實現(xiàn)重用，避免零部件重復設(shè)計；另一方面通過對骨架模型在宏觀和微觀上的細化、修改和調(diào)整，完成其他零部件的細化設(shè)計，實現(xiàn)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、設(shè)計意圖的變更和傳遞，完成整個產(chǎn)品的參數(shù)化設(shè)計過程，實現(xiàn)產(chǎn)品的變形設(shè)計，圖3為生成的實體模型。在實體設(shè)計過程中對于相對比較獨立的零部件如手套箱上常用的高效過濾器、碘吸附器、手孔環(huán)等定型化產(chǎn)品進行模塊化處理，存入產(chǎn)品模型庫中，以提高零部件的重用性，進一步提高設(shè)計效率。

基于KBE的手套箱模型在實體設(shè)計過程中只需修改骨架尺寸，所有的關(guān)聯(lián)零部件便會自動再生，進而提高產(chǎn)品的可修改性，在降低設(shè)計人員的工作量的同時保證各零部件設(shè)計的上下一致性。

4 結(jié)束語

因此基于KBE的自頂向下設(shè)計將知識工程、參數(shù)化特征造型融入到自頂向下的設(shè)計中，將自頂向下的設(shè)計思想貫穿于產(chǎn)品設(shè)計的全周期中，用知識來驅(qū)動控制參數(shù)化的骨架模型的變更和信息的傳遞，能較好的實現(xiàn)產(chǎn)品在設(shè)計開發(fā)過程中對于信息和數(shù)據(jù)的傳遞、共享、繼承和變更，有效傳遞設(shè)計意圖，設(shè)計意圖的變更可以自頂向下的進行傳遞直到最底層的零件和圖紙，使產(chǎn)品具有聯(lián)動修改效應，在修改、變更中自動維護產(chǎn)品數(shù)據(jù)的一致性。為設(shè)計人員提供很大便利，有效縮短了設(shè)計周期。很好的滿足了手套箱等成套產(chǎn)品的系列化、多樣化以及快速響應變形設(shè)計。

參考文獻

[1]張強，仲梁維.集成知識工程和實例推理技術(shù)的產(chǎn)品變型設(shè)計研究[J].現(xiàn)代制造工程，2013.

[2]王凱，李柏林，陳黎麗，等.基于知識的自頂向下參數(shù)化設(shè)計與應用[J].制造業(yè)自動化，31（9）.

[3]林國治.基于知識工程的汽車制動系統(tǒng)設(shè)計平臺的研究[D].青島：山東科技大學，2008.

[4]呂紅光.基于知識工程的產(chǎn)品設(shè)計支持技術(shù)研究[D].杭州：浙江工業(yè)大學，2005.

作者簡介：李小明（1984-），山西呂梁人，中國輻射防護研究院，研究實習員，工學碩士，從事煤礦噪聲治理設(shè)備、輻射防護產(chǎn)品及承壓設(shè)備等的開發(fā)設(shè)計。