基于設(shè)計(jì)意圖捕捉的叉車參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)研究

陳 帥，姜少飛，洪 滔，魯聰達(dá)

（浙江工業(yè)大學(xué) 特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310032）

基于設(shè)計(jì)意圖捕捉的叉車參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)研究

陳 帥，姜少飛，洪 滔，魯聰達(dá)

（浙江工業(yè)大學(xué) 特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310032）

設(shè)計(jì)意圖捕捉是產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程的關(guān)鍵問題.為實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)意圖捕捉到參數(shù)化圖形驅(qū)動(dòng)的過程，提出并實(shí)現(xiàn)了基于意圖捕捉的叉車參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng).系統(tǒng)由意圖捕捉、最優(yōu)化求解和參數(shù)化驅(qū)動(dòng)三個(gè)模塊組成，通過對(duì)設(shè)計(jì)意圖的分解，構(gòu)建由意圖單元組成的意圖庫，并映射到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)庫，并經(jīng)意圖單元和結(jié)構(gòu)單元結(jié)合形成設(shè)計(jì)意圖模型；基于最優(yōu)化模塊的優(yōu)化求解將設(shè)計(jì)意圖模型轉(zhuǎn)化為參數(shù)化設(shè)計(jì)的主參數(shù)，并通過參數(shù)估計(jì)和柔性控制，得出完整驅(qū)動(dòng)參數(shù)，最終生成叉車三維參數(shù)化模型.最后，以叉車設(shè)計(jì)過程為例驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性.

設(shè)計(jì)意圖捕捉；最優(yōu)化求解；參數(shù)化設(shè)計(jì)；叉車

參數(shù)化設(shè)計(jì)是并行設(shè)計(jì)和概念設(shè)計(jì)的產(chǎn)物［1］，通過建立拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，用一系列參數(shù)對(duì)這一拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行求解.得到修改后的參數(shù)化圖形［2］，實(shí)現(xiàn)了自頂向下（top＿down）的設(shè)計(jì)過程.其優(yōu)勢是大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，提高了開發(fā)效率，已經(jīng)成為CAD中一項(xiàng)必不可少的技術(shù).參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的輸入多為具體幾何參數(shù)，如何使其智能化，建立基于知識(shí)的參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)已經(jīng)成為參數(shù)化設(shè)計(jì)的主要研究問題.目前，針對(duì)參數(shù)化設(shè)計(jì)的研究主要集中在對(duì)約束的求解和主參數(shù)、輔參數(shù)、次參數(shù)的識(shí)別上，參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)存在以下局限：

（1）參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能是根據(jù)零部件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)求解，求解結(jié)果驅(qū)動(dòng)參數(shù)化模型.但是，還缺乏輸入?yún)?shù)的獲取手段.

（2）參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的輸入多為具體幾何參數(shù)，而用戶的需求為尚待形式化的語義，如何將二者聯(lián)系起來尚待深入.

（3）參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的輸入為反映產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和性能的主參數(shù)，對(duì)于和主參數(shù)沒有直接數(shù)學(xué)關(guān)系的參數(shù)，缺乏求解策略.

文獻(xiàn)［3］通過建立約束層次結(jié)構(gòu)（包括工程約束、適配約束和幾何約束），將工程約束轉(zhuǎn)換為幾何約束，實(shí)現(xiàn)了工程函數(shù)對(duì)參數(shù)化幾何圖形變動(dòng)的控制；文獻(xiàn)［4］通過約束序列化，將工程約束引入到參數(shù)化約束中；文獻(xiàn)［5］引入知識(shí)工程，通過建立知識(shí)庫，完成參數(shù)化的尺寸驅(qū)動(dòng)和特征驅(qū)動(dòng).筆者旨在構(gòu)建基于設(shè)計(jì)意圖捕捉的參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，把設(shè)計(jì)意圖和參數(shù)化設(shè)計(jì)集成起來，并應(yīng)用于叉車的設(shè)計(jì)早期階段.

1 基于設(shè)計(jì)意圖捕捉的參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)框架

圖1 基于意圖捕捉的參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 The Structure of parametric design system based on capturing design intent

提出基于意圖捕捉的參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)，如圖1所示.系統(tǒng)由設(shè)計(jì)意圖捕捉模塊，最優(yōu)化求解模塊和參數(shù)化設(shè)計(jì)模塊三個(gè)模塊組成.

1.1 設(shè)計(jì)意圖捕捉模塊

設(shè)計(jì)意圖的一方面意義是需求，即用戶對(duì)產(chǎn)品提供的要求，包括功能、環(huán)保、外表式樣等.故設(shè)計(jì)意圖建模過程是在需求指導(dǎo)下對(duì)設(shè)計(jì)意圖分解的過程.子意圖表示本階段想要獲得的目標(biāo)，下一層子意圖是對(duì)上一層子意圖的描述，最終形成意圖單元.意圖單元是不可再分的設(shè)計(jì)意圖，具有直接描述產(chǎn)品某項(xiàng)功能的特性，如一些功能參數(shù)、性能指標(biāo).意圖單元的形成標(biāo)志著意圖分解過程的完成.

意圖單元組成了意圖庫，用其映射結(jié)構(gòu)庫.結(jié)構(gòu)庫是對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的樹形劃分，每一層子單元集都為完成某項(xiàng)功能的零部件集合，各層次結(jié)構(gòu)可以完成上層文件的某項(xiàng)功能.同時(shí)，各結(jié)構(gòu)單元包含產(chǎn)品結(jié)構(gòu)本身固有的信息，如材料，需用強(qiáng)度，需用剛度等.意圖單元的映射過程是一個(gè)尋找、匹配的過程.每一個(gè)意圖單元在結(jié)構(gòu)庫中尋找和其匹配的結(jié)構(gòu)單元，并與其結(jié)合，最終建立設(shè)計(jì)意圖模型.流程如圖2所示.

圖2 設(shè)計(jì)意圖建模過程Fig.2 Process of design intent modeling

1.2 最優(yōu)化求解模塊

本模塊是連接設(shè)計(jì)意圖模快和參數(shù)化設(shè)計(jì)模塊的橋梁，具有將設(shè)計(jì)意圖參數(shù)化的作用.通過對(duì)設(shè)計(jì)意圖模型最優(yōu)化求解，得到可作為參數(shù)化設(shè)計(jì)模塊輸入的零部件主參數(shù).求解模型建立過程中，意圖單元以約束的形式體現(xiàn)，主參數(shù)組成了設(shè)計(jì)變量空間，結(jié)構(gòu)單元包含結(jié)構(gòu)本身的固有信息.從而包括目標(biāo)函數(shù)、約束函數(shù)和設(shè)計(jì)變量的最優(yōu)化模型建立.

1.3 參數(shù)化設(shè)計(jì)模塊

最優(yōu)化求解模塊得出零部件的主參數(shù)，參數(shù)化設(shè)計(jì)模塊則是根據(jù)主參數(shù)生成零部件的三維模型.主參數(shù)輸入到零部件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，求解出和主參數(shù)存在約束關(guān)系的參數(shù).對(duì)于那些和主參數(shù)無直接約束關(guān)系的輔參數(shù)和次參數(shù)，需對(duì)其進(jìn)行柔性控制和參數(shù)估計(jì)，可得出完整的參數(shù)，進(jìn)而生成產(chǎn)品模型.

2 關(guān)鍵技術(shù)及其解決方案

2.1 意圖庫到結(jié)構(gòu)庫的映射

意圖庫由意圖單元組成.意圖單元映射到結(jié)構(gòu)庫，尋找匹配的結(jié)構(gòu)單元并附著其上為問題的關(guān)鍵.

首先對(duì)意圖單元形式化描述：

I＿meta＝｛I＿id，I＿datatype，I＿conts，I＿domains，I＿metatype｝

其中：

I＿meta：為意圖單元；

I＿id：為意圖單元唯一標(biāo)識(shí)號(hào)；

I＿datatype：為屬性值類型，如整型，實(shí)數(shù)型，布爾型；

I＿conts：為屬性值；

I＿domains：為屬性值值域，根據(jù)值域分為離散型和連續(xù)型；

I＿metatype：為意圖單元類型，可分為幾何，功能，結(jié)構(gòu)特性等.

結(jié)構(gòu)庫中的結(jié)構(gòu)單元形式化描述如下：

S＿unit＝｛S＿id，S＿content，mult（I＿meta），set（variable），is＿decomposed｝

其中：

S＿unit：表示結(jié)構(gòu)單元；

S＿id：表示結(jié)構(gòu)單元唯一標(biāo)識(shí)；

S＿content：表示結(jié)構(gòu)單元固有信息，如材料，固有參數(shù)和優(yōu)化目標(biāo)等；

mult（I＿meta）：表示和此結(jié)構(gòu)單元結(jié)合的意圖單元；

set（variable）：表示此結(jié)構(gòu)單元的變量集，即參數(shù)化設(shè)計(jì)中的主參數(shù)；

is＿decomposed：為此結(jié)構(gòu)單元是否可分，“1”可分，“0”不可分.

意圖單元到結(jié)構(gòu)單元的映射過程如圖3所示.

圖3 意圖單元映射結(jié)構(gòu)單元Fig.3 Mapping process from intent unit to structure unit

圖3中A為二者的關(guān)系矩陣，映射后，意圖單元儲(chǔ)存在相應(yīng)結(jié)構(gòu)單元的mult（I＿meta）中.

根據(jù)形式化描述結(jié)果，構(gòu)建相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，其結(jié)構(gòu)如圖4所示.首先建立意圖庫和結(jié)構(gòu)庫兩個(gè)主表，主鍵分別為其ID.為了表示二者“多對(duì)多”的對(duì)應(yīng)關(guān)系，建立了二者的關(guān)系表.結(jié)構(gòu)單元的固有信息和變量集分別單獨(dú)設(shè)表.

圖4 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of database

2.2 最優(yōu)化求解

最優(yōu)化模型是以意圖單元為約束，以反映零部件基本形狀和性能的主參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，具有特定優(yōu)化目標(biāo)的一種模型，其數(shù)學(xué)模型如下：

式中：F為目標(biāo)函數(shù)集合；G為等式約束集合；H為不等式約束集合；p為參數(shù).

意圖單元映射到結(jié)構(gòu)單元，過程完成后，二者結(jié)合，即完成了設(shè)計(jì)意圖建模.設(shè)計(jì)意圖模型轉(zhuǎn)化為優(yōu)化模型過程中，設(shè)計(jì)變量x為變量集合set（variable）中的元素，而和結(jié)構(gòu)單元結(jié)合的意圖單元mult（I＿meta）在優(yōu)化模型中以約束的形式體現(xiàn).

最優(yōu)化求解由Matlab實(shí)現(xiàn).VB支持ActiveX自動(dòng)化控制端協(xié)議，Matlab支持ActiveX支持自動(dòng)化服務(wù)器端協(xié)議.因此，通過Active X建立VB應(yīng)用程序和MATLAB之間的自動(dòng)化連接，如圖5所示.MATLAB命令的傳輸由ActiveX連接實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)的傳輸通過M文件實(shí)現(xiàn).

圖5 VB與Matlab接口Fig.5 The interface of VB and Matlab

2.3 參數(shù)柔性控制和參數(shù)估計(jì)

參數(shù)的柔性控制模塊是對(duì)零件或特征的尺寸參數(shù)進(jìn)行離散化處理，以滿足同一系列產(chǎn)品設(shè)計(jì)的需要，達(dá)到此系列部分零件的通用性，其核心思想是將零部件參數(shù)進(jìn)行離散化處理.主要研究內(nèi)容包括柔性控制零件、零件中柔性控制參數(shù)以及與之相關(guān)的主參數(shù)的選擇、柔性變化系數(shù)的確定，主要應(yīng)用在和主參數(shù)存在依賴關(guān)系但沒有直接代數(shù)關(guān)系的參數(shù)上.如貨叉危險(xiǎn)截面厚度a和寬度b，a為主參數(shù)，可從最優(yōu)化模塊中獲得，參數(shù)b的選擇可根據(jù)a值確定.a在某區(qū)間范圍內(nèi)b為一值，若a值進(jìn)入另一區(qū)間內(nèi)，則b值級(jí)變，根據(jù)柔性變換系數(shù)生成另一值.

參數(shù)估計(jì)是一項(xiàng)統(tǒng)計(jì)技術(shù)，當(dāng)某個(gè)零部件的一系列參數(shù)中存在若干個(gè)缺失參數(shù)時(shí)，通過參數(shù)估計(jì)模塊得出完整參數(shù).筆者通過在變型設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用的EM算法［6］，來建立參數(shù)估計(jì)系統(tǒng).

3 工程實(shí)例

系統(tǒng)基于VB.NET開發(fā)，數(shù)據(jù)庫服務(wù)端為SQL Server2000，優(yōu)化計(jì)算服務(wù)端為 Matlab，三維模型生成軟件采用Solid Works.

叉車客戶需求主要包括載重需求、起升需求和穩(wěn)定性需求.其中載重需求主要包括載重質(zhì)量和載重體積，起升需求中主體是起升高度和起升速度.根據(jù)客戶需求，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖捕捉和求解，最終完成了起升系統(tǒng)設(shè)計(jì)和車身布置.

（1）在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)樹的引導(dǎo)下完成意圖庫的建立，如圖6所示.左側(cè)為叉車設(shè)計(jì)意圖結(jié)構(gòu)，右側(cè)輸入相應(yīng)的意圖值.

圖6 設(shè)計(jì)意圖結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of design intent

（2）意圖庫映射到結(jié)構(gòu)庫，如圖7所示.從意圖結(jié)構(gòu)樹點(diǎn)選意圖單元，叉車結(jié)構(gòu)樹中和意圖單元相應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元會(huì)變成紅色.點(diǎn)選結(jié)構(gòu)單元，會(huì)彈出結(jié)構(gòu)單元的詳細(xì)信息.如圖8所示，包括優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，設(shè)計(jì)變量和約束函數(shù).

圖7 意圖庫映射結(jié)構(gòu)庫Fig.7 Mapping process from intent base to structure base

圖8 結(jié)構(gòu)單元界面Fig.8 The interface of Structure unit

（3）通過最優(yōu)化模塊求解出主參數(shù)，再經(jīng)過參數(shù)估計(jì)和柔性控制，完成叉車起升系統(tǒng)設(shè)計(jì)和車身整體布置，生成模型如圖9所示.

圖9 叉車模型Fig.9 Forklift model

4 結(jié) 論

（1）通過意圖分解、意圖單元到結(jié)構(gòu)的映射構(gòu)建了設(shè)計(jì)意圖模型，實(shí)現(xiàn)了從設(shè)計(jì)意圖捕捉到參數(shù)化圖形驅(qū)動(dòng)的過程.

（2）通過最優(yōu)化求解實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)意圖模型的求解，把以約束形式體現(xiàn)的設(shè)計(jì)意圖轉(zhuǎn)化為參數(shù)化設(shè)計(jì)中的主參數(shù)，再通過柔性控制可參數(shù)估計(jì)，得出完整驅(qū)動(dòng)參數(shù).

（3）系統(tǒng)應(yīng)用于叉車實(shí)際設(shè)計(jì)過程，大大提高了從概念設(shè)計(jì)到參數(shù)設(shè)計(jì)的效率.

［1］張峰，李兆前，黃傳真.參數(shù)化設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.機(jī)械工程師，2002（1）：13-15.

［2］陳月娟.基于數(shù)據(jù)庫技術(shù)的CAD參數(shù)化設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)方法［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2006（1）：85-86.

［3］劉厚泉，李毅，劉方鑫.參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)中約束的層次結(jié)構(gòu)［J］.計(jì)算機(jī)工程，2005，26（3）：35-36.

［4］堵云竹.復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的多體動(dòng)力學(xué)參數(shù)化建模技術(shù)研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2006.

［5］張范良，陳玉全，瞿元盛，等.基于知識(shí)的模具智能裝配［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2009（4）：155-157.

［6］XU Xin-sheng，F(xiàn)U Lin-yun，F(xiàn)ANG Shui-liang.Research on product variant design with uncertainty information［C］.Piscataway：WCICA，2008.

［7］譚建榮，李濤，戴若夷.支持大批量定制的產(chǎn)品配置設(shè)計(jì)系統(tǒng)的研究［J］.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2003，15（8）：35-38.

［8］張良，何也熙.Matlab與VB.NET混合編程中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式的研究［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2009，30（8）：2008-2010.

Research on forklift parametric design system based on capturing design intent

CHEN Shuai，JIANG Shao-fei，HONG Tao，LU Cong-da
（Key Laboratory for Mechanical ＆Automation of Ministry of Education，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310032，China）

Capturing design intent is a key problem in the process of product design.A forklift parametric design system based on capturing design intent is proposed and established，which provides the method for the transformation from capturing design intent to driving parametric model.The process is composed of three modules，including capturing intent，optimization and parametric driving.The intent database formed by intent units is obtained via decomposing the design intent.The design intent model is produced according to the combination of the units in the intent database and those in the product structure database.This model is further solved by optimization module and the main parameters in parametric design are thus obtained.Then the complete driving parameters are acquired by parameter estimation and flexible control，and the parametric model is therefore obtained.Finally，the example of a forklift design process provided to validate the system and its advantage is also demonstrated.

capturing design intent；optimization；parametric design；forklift

TH122

A

1006-4303（2011）06-0639-05

2010-06-03

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51005211）；浙江省優(yōu)先主題重大項(xiàng)目（2008C01059-1）；浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（Y107622）

陳 帥（1986—），男，內(nèi)蒙古錫盟人，碩士研究生，研究方向?yàn)閰?shù)化設(shè)計(jì)和知識(shí)工程.通信作者：姜少飛副教授，E-mail：jsf75＠zjut.edu.cn.

（

陳石平）