基于知識模板的工裝設(shè)計知識重用方法研究

張媛　李佩佩　牟金娟

摘 要：為實(shí)現(xiàn)工裝設(shè)計知識的重用，本文采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)FBS模型來構(gòu)建知識模板，并基于知識模板進(jìn)行工裝快速設(shè)計。有軌架車知識模板的構(gòu)建實(shí)例表明，該方法不僅實(shí)現(xiàn)了設(shè)計知識的重用，而且提高了工裝設(shè)計的效率。

關(guān)鍵詞：設(shè)計知識重用 FBS模型 知識模板

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）08（a）-0104-02

工裝設(shè)計在產(chǎn)品的研制過程中占據(jù)著重要的地位，其設(shè)計速度的快慢、質(zhì)量的好壞直接影響到整個產(chǎn)品的交貨期和質(zhì)量。但傳統(tǒng)的工裝設(shè)計模式已不能滿足當(dāng)今企業(yè)對市場快速響應(yīng)和精益生產(chǎn)的需求[1]。目前，國內(nèi)外的眾多學(xué)者將基于知識、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、基于遺傳算法以及基于實(shí)例推理等理論、方法廣泛應(yīng)用于工裝的設(shè)計中，雖然可支持多重集成，在一定程度上提高了工裝設(shè)計的效率，但仍存在不足之處，如描述復(fù)雜、存儲量大以及工作量大等問題，不易于知識的查詢和檢索。本文針對工裝設(shè)計中存在的實(shí)際問題，提出了一種基于知識模板的工裝設(shè)計知識重用方法，通過利用FBS模型構(gòu)建設(shè)計知識模板可以提高工裝設(shè)計的效率以及進(jìn)行設(shè)計知識的重用，進(jìn)而可大幅度減少設(shè)計人員的工作量，縮短產(chǎn)品研制周期。

1 與FBS有關(guān)的概念

Gero和Qian最早提出了功能—行為—結(jié)構(gòu)（Function-Behavior-Structure，F(xiàn)BS）的設(shè)計過程模型。對其進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并用數(shù)學(xué)模型描述其結(jié)構(gòu)，還研究了各映射空間之間的關(guān)系。FBS模型得到了眾多研究者的認(rèn)可，廣泛應(yīng)用于各設(shè)計領(lǐng)域中，是許多設(shè)計學(xué)領(lǐng)域取得研究成果的基石。

本文是基于FBS模型建立可重用工裝產(chǎn)品設(shè)計知識模板，利用FBS模型中功能、行為及結(jié)構(gòu)之間的映射關(guān)系，使知識模板在工裝產(chǎn)品設(shè)計過程中得到重用。因此，有必要對FBS模型中功能、行為以及結(jié)構(gòu)的基本概念作進(jìn)一步了解。

功能（Function）是描述一個產(chǎn)品能否滿足客戶需求的特定能力，目的是將產(chǎn)品改變到客戶滿意的狀態(tài)。

行為（Behavior）是根據(jù)產(chǎn)品的功能尋找能實(shí)現(xiàn)該功能的工作原理，是產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)方案的基本運(yùn)動原理。

結(jié)構(gòu)（Structure）作為產(chǎn)品最終的表現(xiàn)形式，其不僅包括產(chǎn)品本身的外部結(jié)構(gòu)，還應(yīng)包括產(chǎn)品整個設(shè)計方案的結(jié)構(gòu)，是產(chǎn)品各零部件之間關(guān)系的一種抽象[2]。

2 基于FBS模型的工裝知識模板的構(gòu)建

2.1 面向?qū)ο蟮闹R模板FBS模型

用面向?qū)ο蠹夹g(shù)表達(dá)FBS模型中的功能、行為和結(jié)構(gòu)，可以清楚地表達(dá)模型各元素之間的相互依賴關(guān)系及實(shí)現(xiàn)關(guān)系。FBS模型中功能和結(jié)構(gòu)要通過行為才能聯(lián)系起來，而結(jié)構(gòu)又是功能和行為的載體。FBS模型的設(shè)計路線并不是唯一的，即一個功能可以與多個行為相對應(yīng)，同樣，一個行為的獲取也不止一種結(jié)構(gòu)。在設(shè)計方案求解時，首先滿足功能需求，再由功能轉(zhuǎn)化為行為，對功能和結(jié)構(gòu)進(jìn)行匹配時，在滿足功能要求的多個物理結(jié)構(gòu)中，利用約束條件選出最合理的結(jié)構(gòu)解，其本質(zhì)就是工裝產(chǎn)品的設(shè)計信息在不同層次之間的映射及轉(zhuǎn)換。

工裝產(chǎn)品的映射結(jié)構(gòu)由FBS模型映射得到，其設(shè)計過程并不是各零部件的簡單堆積，各零部件之間還存在著各種設(shè)計信息及約束關(guān)系，需要找到一個合適的載體來表達(dá)，而知識模板則可作為這個載體，將這些設(shè)計信息進(jìn)行集成，基于FBS模型實(shí)現(xiàn)變形工裝產(chǎn)品的設(shè)計。

2.2 基于FBS模型的工裝知識模板的形成

所謂知識模板就是產(chǎn)品的功能、行為、結(jié)構(gòu)等信息的載體，是多角度描述系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)的工具，是由相似對象的所有共同特征抽象而形成的，集成多種設(shè)計知識，供產(chǎn)品設(shè)計時進(jìn)行知識的重用。

基于FBS模型的工裝知識模板的形成主要包括四個階段，如工裝產(chǎn)品的功能分解、行為描述、由功能到結(jié)構(gòu)的映射以及約束規(guī)則描述等。在對工裝產(chǎn)品的功能進(jìn)行分解時，首先要尋找能實(shí)現(xiàn)總功能的結(jié)構(gòu)，在沒有相對應(yīng)的結(jié)構(gòu)時，則要將總功能分解為若干子功能，直至所有的子功能都能滿足相應(yīng)的結(jié)構(gòu)為止。事實(shí)上，總功能表達(dá)的都是一個總體的設(shè)計目標(biāo)，一般都由組件級結(jié)構(gòu)組合到一起來實(shí)現(xiàn)，只有將總功能進(jìn)行分解，才有與其相對應(yīng)的原理解。對功能進(jìn)行分解時，要先將功能分解轉(zhuǎn)化為行為描述的分解，根據(jù)工裝產(chǎn)品的功能尋找能實(shí)現(xiàn)該功能的工作原理，最終再映射到相應(yīng)的結(jié)構(gòu)。

工裝知識模板的形成過程中還包括各種設(shè)計知識的提取，既有靜態(tài)知識，也有動態(tài)知識。靜態(tài)知識主要是指對設(shè)計目標(biāo)的屬性、性能指標(biāo)等的描述，而動態(tài)知識則是一些約束規(guī)則的集合。

3 基于知識模板的有軌架車快速設(shè)計

3.1 基于FBS模型的有軌架車知識模板的構(gòu)建

有軌架車是一種常用的裝配工裝。在其設(shè)計過程中，將客戶的需求通過功能、行為以及結(jié)構(gòu)之間的映射轉(zhuǎn)化為有軌架車的主要結(jié)構(gòu)單元，而知識模板則將各結(jié)構(gòu)單元之間的關(guān)系進(jìn)行集成、表達(dá)。有軌架車各主要部件之間的FBS映射關(guān)系描述如表1所示。

有軌架車知識模板的形成過程中除了各部件之間FBS映射關(guān)系描述外，還包括靜態(tài)知識及動態(tài)知識的提取，如其特征屬性：中心高度（弧形托架中心到地面的垂直高度），軌道間距（左右輪軸之間的距離），托架間距（前后托架間的距離），托架半徑（弧形托架的內(nèi)半徑），托架寬度（弧形托架的寬度）等；約束條件：托架形狀、最大橫移動程以及最大升降動程等。

3.2 基于實(shí)例推理的有軌架車知識模板檢索

實(shí)例推理（Case-BasedReasoning，CBR）是一種相似類比推理技術(shù)，在有軌架車的設(shè)計過程中，通過實(shí)例推理技術(shù)在工裝實(shí)例庫中檢索相似實(shí)例，通過修改得到滿足客戶需求的實(shí)例。

某客戶需求：中心高度1555 mm，軌道間距850 mm，托架間距900 mm，托架半徑445 mm，托架寬度150 mm，托架形狀為水平，最大橫移動程60 mm，最大升降動程70 mm。（有軌架車各特征屬性的權(quán)重分別為：中心高度0.5，軌道間距0.25，托架間距0.125，托架半徑0.12，托架寬度0.005）在工裝實(shí)例庫中檢索與客戶需求相似的實(shí)例，根據(jù)有軌架車實(shí)例參數(shù)表（表2）中的特征屬性及約束條件，利用相似度求解方法得到滿足要求的實(shí)例如表3所示。

由表3可知，滿足客戶需求的最佳實(shí)例為實(shí)例6。以該實(shí)例作為知識模板對客戶需求的工裝產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計，可實(shí)現(xiàn)設(shè)計知識的重用，提高設(shè)計效率。

4 結(jié)語

本文利用FBS模型中功能、行為以及結(jié)構(gòu)之間的映射關(guān)系構(gòu)建知識模板，以知識模板作為原型對客戶需求的工裝產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計，并以大型工裝有軌架車為例，構(gòu)建其知識模板，通過實(shí)例推理技術(shù)檢索出符合客戶需求的最佳實(shí)例，不僅實(shí)現(xiàn)了設(shè)計知識的重用，而且大大提高了設(shè)計的效率。但知識模板的利用需要完善的知識庫支持，因此，如何通過有效的方法更好地總結(jié)前人的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，完善知識庫，還有待進(jìn)一步的深入研究。

參考文獻(xiàn)

[1] 魯玉峰，周華鋒.基于UG/CAD工裝設(shè)計參數(shù)化與模塊化方法的研究[J].中國制造業(yè)信息化，2009，38（17）：18-21.

[2] 張占信，陳泳，黃健.基于FBS的夾具設(shè)計知識建模方法研究[J].機(jī)車車輛工藝，2012（1）：4-6.