基于產品設計流程的知識共用方案研究

◎北京航天發射技術研究所 趙黎明 陳麗 楊靜 嚴勇

基于產品設計流程的知識共用方案研究

◎北京航天發射技術研究所 趙黎明 陳麗 楊靜 嚴勇

軍品型號研制具有研制周期緊、產品質量可靠性要求高的特點，需要設計人員從產品設計任務書下發到完成產品設計全流程快速響應。而產品設計中90%的設計行為屬于適應性設計和變型設計，這意味著大多數設計工作可以利用以前同類產品的設計知識。產品設計知識既包括必須遵循的設計規范、行業標準、產品設計圖紙和技術資料等顯性知識，也包括設計方案、仿真計算、設計原則、設計技巧等僅存在設計者頭腦中的隱性知識。因此，研究產品設計知識的共用及其實現具有重要的現實意義。

筆者以航天地面設備典型液壓缸產品為例，對產品設計知識的共用方案進行了研究。液壓缸是航天地面設備液壓系統的重要組成部分，必須根據不同的技術要求和實際情況進行設計，具有結構形制相對固定、設計過程反復進行的特點。在液壓缸的設計中引入知識共用技術可以實現液壓缸的快速設計，從而節省大量的設計時間，提高設計質量。

一、設計知識的共用

面向產品設計流程的知識共用包括設計知識庫的建設、設計流程的梳理與固化、設計知識的共用3個方面。

1.設計知識庫建設

設計知識就是已有產品所包含的設計經驗、方法、過程以及幾何結構等產品設計信息的總和。狹義的設計知識指成功的設計結果，如定型的設計圖紙、模型和設計資料等；而廣義的設計知識是指設計開發過程各個階段的知識，包括功能知識、原理方案知識、結構設計知識、設計結果實例等。

液壓缸產品的設計知識主要包括任務信息、產品模型(包括設計模型和設計圖紙)、仿真、計算程序、設計規范標準、設計手冊、設計經驗、密封件選型知識等。這些設計知識的存在形式多種多樣，一部分存在于設計結果中，如三維模型、設計圖形(CAD/CAM)文件、技術文檔等；一部分存在于設計者的頭腦中，如設計方案、設計過程、設計經驗、計算方法、密封件知識等。大部分設計知識可以固化在相應的知識庫中作為后續知識共用的基礎。典型的液壓缸設計知識庫主要包括液壓缸結構庫、液壓缸模型庫、設計圖紙庫、技術文檔庫、零件庫、密封件庫、標準件庫、材料庫、校核算法庫等。

2.設計流程的固化

產品設計信息是伴隨產品設計過程的進行而動態生成的。在實際工作中受設計人員能力、水平、經驗、習慣等影響，使得液壓缸設計流程的差別較大。為了實現基于設計流程的知識共用，需要對液壓缸的設計流程進行分解細化，以形成一個固定的設計流程。典型液壓缸的設計過程可分為用戶需求分析、方案設計、技術設計3個階段，如圖1所示。

3.設計知識的共用方式

產品設計知識存在于產品設計的各個階段，因此可以將設計知識的復用與設計流程結合，從而實現基于設計流程的知識共用。液壓缸設計知識的共用方式主要包括嵌入式、推送式、拉取式3種。其中，設計知識的嵌入式共用流程如下：

用戶需求分析階段將需求分析和計算方法嵌入到液壓缸的設計流程中，設計人員通過知識庫提供的液壓缸規格信息選取液壓缸的類型，輸入需求參數，由系統按照事先設定好的判據和計算方法得出液壓缸設計可行性分析結果及主參數計算值。

模型設計階段將典型液壓缸和零部件結構、各零部件尺寸間的拓撲關系與裝配關系模板化，建立典型液壓缸結構庫和零部件庫。當設計人員進行新液壓缸設計時，可借助已有液壓缸結構庫和零部件庫中的模板，通過參數驅動的方式實現液壓缸的設計，達到復用已有液壓缸產品設計知識的目的。

校核階段可以通過Excel表格建立的公式或計算程序將這些算法固化到設計軟件中。當需要該項計算時，可通過調用已預設在設計軟件中的算法實現對液壓缸的各項計算，得出計算結果并評價，達到對已有各種算法知識的快速利用。

工程圖繪制階段將已有典型液壓缸的工程圖模板化，當設計人員進行新液壓缸工程圖繪制時可以調用已有的模板，利用設計軟件自動實現尺寸公差的更新。將一些知識點固化在模板中，如零件的表面熱處理方式、特殊的技術要求、關鍵尺寸的公差要求、零件加工精度和粗糙度的控制要求等知識，在進行液壓缸工程圖設計時，自動將這些設計經驗與知識生成在新的工程圖中，從而實現對已有設計知識的利用。

技術文檔生成階段制作液壓缸技術文檔模板，并將各模板嵌入到設計軟件中。當設計人員需要編寫液壓缸技術文檔時可以調用已有的模板，系統自動將模板中與新設計液壓缸相關的參數內容進行更新，自動生成新的技術文檔。

設計知識的推送式共用是指當系統識別到用戶正在進行設計任務時，自動將相關知識以推送的形式展示給設計人員；設計知識的拉取式共用則是指設計人員通過檢索或直接選擇相應的知識庫對知識進行調用和查看。

二、總體框架

將液壓缸的各種設計知識與液壓缸的設計流程結合，可形成基于設計流程的液壓缸知識共用的總體框架，如圖2所示。

液壓缸設計知識共用信息化流程由設計知識庫、信息化工具功能模塊2部分組成。其中，設計知識庫由模板庫、算法庫、模型特征材料庫、參數規則庫組成；功能模塊包括液壓缸選型、液壓缸設計、液壓缸校核、工程圖輸出和文檔輸出5個部分。不同知識庫支撐液壓缸設計過程中的不同功能，這些支撐方式主要是靠信息化接口技術提供保證，融合在設計向導和用戶輸入界面模板中。用戶在設計向導及界面模板的指引下，通過信息化接口來使用不同的設計知識，從而規范設計與分析過程，并能充分利用設計知識，提高設計效率，保證設計質量。

三、設計知識共用的實現

1.實現方案

通過信息化手段把液壓缸的設計流程、工程圖模板、技術條件模板、各種設計標準規范和設計經驗等知識固化在設計流程中，形成設計知識共用的信息化工具，實現液壓缸從任務輸入到圖紙文件輸出的全流程快速設計和已有設計知識的復用。固化的設計流程和多種方式的知識共用避免了因經驗及知識不足而導致的設計差錯，有助于提高設計質量。

2.在NX 5.0中的應用

通過NX提供的二次開發技術，在NX 5.0設計環境中建立了專用的液壓缸設計知識共用信息化工具，其主要功能包括：

油缸設計向導是以樹狀結構顯示菜單欄的各個工具，實現專家向導式設計；

設計輸入可通過讀取任務書模板中的參數或手動填寫液壓缸參數，實現對液壓缸三維模型的自動調用和參數化更新設計；

模型設計可實現對已有零部件模型的快速調用和參數化設計；

零件編號可實現按照預定的編號規則快速完成零件編號；

校核檢查可實現按預設的校核算法快速完成零部件強度等的校核；

工程圖管理器可實現按已有工程圖快速完成工程圖更新；

文件輸出可實現按已有技術文件的標準化模板，自動獲取設計信息，完成技術文檔的生成。

通過該工具的開發，將液壓缸設計中的流程、典型液壓缸及零部件結構、零部件編號規則、經驗算法、各種技術文件等知識固化，實現設計過程中對各種設計知識的快速共用，極大地提高了設計效率。

圖2 典型液壓缸設計知識共用流程圖