基于知識工程的機械標準件設計與研究

周 浩，朱文華，陳 鵬

(上海大學 CIMS與機器人中心，上海 200072)

0 引言

現代機械標準件設計與制造是傳統標準件設計和制造與計算機等相關先進技術和理論相結合的產物，是先進制造技術的體現，涉及到CAD等一系列關鍵技術[1,2]。

早期的CAD技術用于標準件的設計，只是注重如何創建幾何繪圖等基本的設計功能。零件之中尺寸連接缺乏相關性，零件局部的修改可能意味著整個零件的重新設計，從而導致標準庫零件開發效率低，庫零件使用不便等缺陷。

隨著計算機技術的發展，參數功能的使用已經成為CAD系統的重要趨勢。在參數化CAD中，以幾何約束來表達產品模型的尺寸特征，使之成為任意調整的變量。修改這些變量，并修改由這些變量與之相關聯的一些公式計算出來并發生變動的其它相關尺寸，就可得到不同大小尺寸、但形狀類似的零件模型。這種由幾何尺寸的約束關系作為驅動力的參數化設計可以降低系統資源消耗和提高模型生成以及修改效率。擁有參數化設計功能的CAD系統大大方便了那些結構或功能上相似，只需做局部修改的產品開發。

但是，這種參數化設計也存在零件的特征無法修訂、自變量之間無法建立函數關系、不能對自變量進行約束等缺陷。

單單使用參數化設計的CAD系統總存在這樣那樣的問題。引入知識工程能夠捕捉過往的設計知識，讓參數化設計上升到知識的再利用。

1 知識工程在CAD軟件中的運用

知識工程這個術語最早是由美國斯坦福大學計算科學系教授費根鮑姆于1977年在第五屆國際人工智能聯合大會上提出。其最基本的含義就是人工智能在知識信息處理方面的發展，利用網絡平臺和計算機系統，完成知識的采集、整理、加工、制作、存儲和發送。知識工程解題的過程，首先運用已掌握的知識進行啟發式的解題，在解題中不斷修正舊知識，獲取新知識，從而不斷豐富和深化已有的知識，并在更高的層次上再次運用被豐富和深化知識求解問題，如此循環往復，不斷疊加，螺旋式上升，直到把問題解決為止[3]。

知識工程有著及其廣闊的運用領域。1998年，美國學者首先提出了知識工程在機械CAD系統中的應用，在產品設計過程中把涉及產品的所有信息集合起來，組成產品的知識庫，使設計者從設計初期大量的重復性工作中解脫出來，使機械CAD系統能利用網絡平臺或計算機延伸以創造性思維為核心的人類專家的設計能力，盡可能地實現了設計過程的自動化[4,5]。

知識工程主要是采用以下兩種方法來解決了當前參數化設計的不足。一方面，建立產品的特征庫和產品的特征關聯，在知識工程的設計過程中實現了特征尺寸的修訂，通過建立尺寸關聯庫，使得產品的特征和尺寸的關聯信息更為明晰。另一方面，根據現有的設計標準，引入校驗，不僅對某些變量進行約束，同時在變量與變量之間建立函數約束關系，組成一個設計校驗庫。當產品違反設計標準，立刻提示相應的出錯警示，以便設計人員及時修改，從而有效地增強了參數化設計的可靠性，以期獲得最佳的產品[6]。

知識工程應用于工程領域和科研領域都取得一些卓有成效的成果。在國外美國美洲虎（Jaguar）集團運用知識工程系統于賽車領域，美國福特公司認為知識工程是21世紀用于信息處理的關鍵技術之一[7]，新加坡南洋理工大學Zhang等基于知識工程思想建立了智能仿真系統[8]，美國華盛頓大學Calkins教授認為知識工程與CAD技術緊密結合將有助于標準件設計，軟件開發，有助于明確產品設計、分析和制造的工程準則[9]。

國內，哈爾濱工業大學林琳[10]等基于知識工程的思想進行了產品的概念設計。湖南大學賀斌[11]等基于知識工程進行了汽車覆蓋件模具模塊化設計技術研究。武漢理工大學熊志勇[12]等基于知識工程對產品創新關鍵設計技術進行研究。武漢大學曹生榮[13]等基于知識工程進行了水庫調度系統的研究。

2 基于知識工程參數化CAD設計框架

2.1 設計框架

基于知識工程參數化產品設計系統的框架如圖1 所示，它把知識工程與參數化設計有機地結合起來。設計師運用用戶應用程序界面模塊的輸入設計要求（參數化設計、裝配設計、結構分析和優化設計）、產品工程參數等。知識庫模塊是系統的核心, 存儲著大量的標準件數據、實例、工程數據、領域專家的經驗、知識和使用這些知識的規則[14]。它通過管理系統調整產品的形狀、尺寸、結構和特征，實現尺寸驅動和特征驅動。判斷設計方案，檢驗設計方案是否符合要求。同時通過NX/KF模塊可以不斷修正設計模塊和豐富知識庫模塊。

2.2 Knowledge Fusion模塊

圖1 基于NX/KF 的產品設計框架

NX 是CAD/CAE/CAM一體化的高端軟件，它可應用于產品從概念設計到實際產品的開發全過程。其知識工程已經成為NX軟件系統的核心技術之一，它使得工程專業人員能夠高效的獲得最優的設計方案，從而創造出更大的利潤。基于知識工程思想NX開發出了NX/Knowledge Fusion模塊。

Knowledge Fusion模塊具有下列優點：

1）物件導向程式語言，易學易懂；

2）提供模型物理量函數，如重心、慣性矩等；

3）使用者定義對話框(UI Styler)建構容易；

4）可讀入外部資料作為建模依據；

5）控制參數拉桿可動態建模；

6）可進行模型最佳化設計。

Knowledge Fusion被緊密集成到了NX數字產品開發系統中，與傳統的KBE技術相比，Knowledge Fusion的技術優勢十分明顯。Knowledge Fusion允許創建強大的應用軟件，它綜合了各種設計理論和知識處理技術，在已有的知識、標準和經驗的基礎上，通過知識的表達、中用和挖掘，對產品設計提供最優的設計方案。

3 運用零件族法和Knowledge Fusion模塊進行標準件設計

3.1 零件族法設計承重梁

零件族法首先必須建立一個零件模板，然后對零件的尺寸參數化并建立參數化表達式，參數變量添加到電子表格參數表內。當用戶使用標準件時，只需調入零件模板并在對話框中輸入自定義的尺寸和外形變量，相應的零件模型就生產了。零件族法是基于參數化思想的CAD技術的典型運用。基于零件族的承重梁設計框架如圖2所示。

圖2 基于零件族的承重梁設計框架

用戶界面在UG/NX任務欄中的重用庫如圖3所示。

圖3 零件族法設計的承重梁用戶界面

3.2 Knowledge Fusion模塊設計承重梁

Knowledge Fusion采用面向對象的編程方式, 以NX/Open API作為二次開發的工具。利用Knowledge Fusion模塊設計標準件要遵循以下三個原則；1）為標準件設立一個中心；2）盡可能的減少特征數；3）建立各個標準零件之間的尺寸關聯。基于Knowledge Fusion模塊設計的承重梁設計框架如圖4所示。

圖4 基于Knowledge Fusion的承重梁設計框架

完成用戶界面設計后需要進行添加一個操作菜單，如圖5所示。

3.3 比較

零件族法是建立標準件最常用的方法，其突出的優點是便于操作，創建后的標準件可作為子裝配零件進行整體裝配。缺點是人工輸入數據到電子表格效率低下，同時容易造成錯誤。其次，零件族法固定了幾何特征。細微的錯誤都有可能帶來重新建模的風險。再次，使用零件族法約束的模型并非完全約束。如果輸入的參數與設計值有較大偏差，有可能造成模型結構變形。甚至出現約束信息丟失，模型懸空這樣的嚴重錯誤。

運用零件族法進行標準件設計，是采用幾何尺寸的約束關系作為驅動力，而運用 Knowledge Fusion所建立的標準件，知識是驅動力，構型和工程規則則驅動幾何。與零件族法相比，Knowledge Fusion方法方便、高效，同時又能減少出錯率，不僅可以隨時調整標準件的尺寸和外形，而且可以隨時調整產品的結構和特征，即實現了尺寸驅動，又實現了特征驅動。同時Knowledge Fusion所建立的標準件必須經過知識庫的檢驗，是否符合設計要求。Knowledge Fusion模塊這種基于知識工程的參數化CAD設計從設計方法、設計手段和設計可靠性確保獲得高品質的標準件。

4 結束語

Knowledge Fusion方法所建立的標準件，不同于常用的其它一些設計方法，具有使用簡單、無需編譯、 出錯率低等特點。基于Knowledge Fusion所建立的標準件庫文件將有助于設計人員繁瑣的重復建模中解放出來，提升產品的開發質量和效率，最大程度上縮短產品的開發周期，從而提升企業的市場反應能力，最終提升企業的競爭力。隨著CAD技術日趨完善，相信在不久的將來，基于知識工程機械產品參數化構型設計在標準件開發中將會得到更為廣泛而成熟地應用。

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