基于經驗／知識傳承的部件級快速化設計

盧穩厚，何 軍，李如翔

（北方信息控制研究院集團有限公司，江蘇 南京 211100）

0 引言

機械工程產品的設計是一個復雜的、弱理論支持的過程［1］，很多設計知識和經驗很難用規則表達，因而基于實例推理方法受到廣泛重視和大量應用［2］。但傳統的CBR（Case-Based Reasoning，基于實例推理）系統對庫容量的大小、查詢的精準性等需求很高；企業豐富的經驗／知識往往嚴重依賴于新老員工之間的直接傳授。

隨著現代科技的迅猛發展，模塊化已成為工程產品的主要發展趨勢之一，被視為實現產品多樣化的主要途徑及并行工程、大規模定制等領域設計實踐的基本方法［3］，亦是企業市場化快速響應的必然需要。

本文提出一種機械產品知識集成模型，把企業傳統的經驗／知識和現代模塊化設計小功能模塊（部件）融合，利用部件級三維模型提供幾何及材料等完整的制造信息，由程序儲存經驗／知識等設計規則，由菜單界面提供驅動主要素，通過將三者整合為一個可重用的知識模塊，從而實現企業整體設計水平的累積式提升及產品設計的快速化。

1 知識模型

作為相對獨立的功能模塊，部件一般由零件、標準件、外購件、下層部件等組成，部件設計涉及如結構造型、尺寸、強度、電磁兼容、材料等多門類知識。如果將所有從屬幾何體設計成三維模型或模型庫（如標準件和外購件），聯合三維注釋的方式，則該成熟部件三維模型上各制造信息都可得到表達，即單體的經驗／知識集成。

參照標準件的設計思路，將功能模塊直接和三維主模型對應。設計輸入和輸出之間需要人工智能的部分交由封裝的算法程序完成；根據該部件基本設計參數的頂層輸入，系統自動生成相對應的制造模型，進而實現該類型部件模塊的經驗／知識集成；該產品族衍生的產品在功能、結構及運用的技術等方面擁有一定的相似性［4］。

1.1 經驗／知識的繼承

按照模塊化的設計思路，部件相對于上一層級部件可認為是單個零件，從而將模塊簡化為一個基本部件單元。對于參數化模型部件，通過三維軟件接口API（Application Programming Interface）可讀取任一本層及下層級表達式，這為知識／經驗的介入提供了前提條件。

從功能實現的角度考慮，離開部件研究單個零件沒有任何意義，因此從部件的頂層視角看，各零件參數存在必然的依附性，即各組成零件的幾何參數取決于外在的設計需求及內部之間的關聯，這種參數矩陣的相關性為經驗／知識固化提供了入口和依附空間。

1.2 經驗／知識的實現

在軟件開發環境中，算法將融合企業經驗／知識的映射函數封裝成一個帶有接口的經驗“黑盒”，每一個封裝函數對應一個固定的產品。在建立一個完整的參數化部件模型的基礎上，通過訂制菜單的接口參數輸入，信息集成系統“實例化”映射函數的知識模型，經調用三維軟件的交互接口程序，讀取并重新賦值對應參數表達式，刷新模型，進而實現既滿足于輸入參數又集成企業經驗／知識的完整三維實體。經驗／知識的實現流程如圖1所示。

1.3 經驗／知識的更新與升級

多自由度的映射函數確定后，則經驗／知識固化，確定的輸入對應唯一的輸出。由于事物總是不斷發展變化的，經驗／知識也會在應用中不斷地得到優化、提高，函數的開放性為系統的升級、更新提供了入口條件，通過對應經驗／知識的算法變更，可實現更優規則的替代。

圖1 經驗／知識的實現流程

2 體系實現

系統的搭建以三維模型為基礎，各相關方經配置集成于三維環境中，如圖2所示。用戶界面含定制菜單、輸入窗口及顯示界面，經驗算法最終以封裝好的dll文件格式出現，這里的部件模型指一個全參數功能模塊（部件單元）。

圖2 體系集成

2.1 用戶界面

定制菜單及窗口將基本設計要素定制成“實參”輸入入口，這里的實參是指對整個部件級而言決定其結構的基本設計參數集合，從經驗／知識無法得出或推導。常用的三維軟件如NX的UG／Open MenuScript、UG／Open UIStyler，Creo的Creo／Toolkit等均提供了圖形化用戶界面定制。

2.2 部件模型

三維模型承載全部幾何制造信息，因經驗／知識的固化主要通過表達式的方式實現，基本部件的建模過程需自始至終貫穿參數驅動的思想，這不僅僅包括零件的特征建模還要包括裝配體的搭設約束。區別于常見模型建立參數的大自由度，為實現最小數量的參數改變，特別是參數的改變可能導致裝配／特征數量的增減時，采用參數共用或陣列。為最大化提高模型的適用性，基本模型宜適當地簡化，這需要在最終部件模型的完整性和基礎模型的適用性上進行綜合考量。

2.3 經驗算法

部件級模型參數眾多，種類不一，眾多數據之中，各參數并非完全獨立，往往存在一定依附關系的“弱聯系”，如對應一定的產品輪廓，壁厚基本確定，產品裝配用螺釘的大小和數量也會基本確定。

將部件中所有本級及下層的表達式平行展開，設那些決定部件結構的基本設計參數集合為A＝｛a1，a2，…，ai｝（i＝1，2，…，n），依附參數集合為B＝｛b1，b2，…，bj｝（j＝1，2，…，m），子集 合 CtA（t＝1，2，…），參照一定的映射規則變換，則bj＝fj（Ct），映射函數f由經驗／知識等設計規則不唯一決定，亦正是因其具有的多自由度，從而實現產生設計的多樣性。

3 實例

基于經驗／知識傳承的部件級快速設計依賴于三維場景，因而首先需建立一整套按一定規則執行的全參數／全約束部件模型；在可執行方面，為最少化人工操作、最大化智能化水平，將部件級操作模擬為特征操作；利用用戶參數輸入的“確定”按鈕激發程序的起點，將模型拷貝至當前工作環境中。

以某公司信息控制盒設計為例，完整設計流程如圖3所示，主要包括輸入層、中間層及輸出層。通過接口菜單觸發并讀取當前工作目錄及文件名，自動復制全部控制盒模型至當前工作文件夾并更改主模型名為當前文件名；利用接口對話框將參數寫入信息控制盒的經驗／知識映射函數之中進而將其實參化；將獲得的參數矩陣導入當前工作的從屬零件及裝配體中，經模型更新完成一個全新控制盒的設計。

圖3 信息控制盒完整設計流程

集成了經驗／知識的信息控制盒快速化設計方式經配置融于三維軟件之后，對使用者而言，無須理會輸入層中的控制盒模板及映射函數，當然更不用管理中間層，只需在三維軟件中點擊菜單，在彈出對話框中輸入幾個參數，即可自動生成相對應控制盒的完整模型。

3.1 三維模型的建立

圖4為信息控制盒組成示意圖，主要由標牌1、上蓋板2、導電密封膠條3、電路板4、殼體5、接地板6、減震墊7、軸套8等組成，完整的產品還包括開關、插頭等。鑒于其個體形態、方位布局等需求差異性較大，且對整個部件完整性影響較小，對其進行了簡化。

圖4 信息控制盒組成示意圖

上蓋板2和殼體5的散熱槽、配合孔等需求的差異性會導致其數量的增減，為減少后續算法的復雜性，進行陣列化設定；產品的螺釘及減震墊7、軸套8等隨配合件孔的增減而變更自身的數量，為便于表達式控制，因而務必采用陣列化裝配。

3.2 要素提取與參數輸入

圖4所示的信息控制盒設計參數眾多，追根溯源，多參數之間存在一定的依附性，整體結構基本受電路板4尺寸空間約束，設計亦是圍繞著電路板4依次展開；細節上，標牌1的外形決定了上蓋板2配合凹槽大小，而標牌1參數基本固定，在以模板為前提的設計下，參數更改僅由其內含參數（產品名稱、代號等）決定，因此電路板4的長、寬、高及標牌1的產品名稱、代號為該信息控制盒的核心設計要素及輸入參數。

3.3 經驗／知識程序化設計

由于部件模型參數名已知，采用“零部件名＋參數名”的識別方式，通過軟件算法可實現對模板任意模型的精準辨識和控制。如2.3所述，確定核心設計要素｛a1，a2，a3，a4，a5｝后，程序化設計即是確定其余參數關聯函數fj（Ct）（t≤25－1）；函數亦是企業經驗／知識的數字化表達，從而烙上本企業特有的設計風格。由于完整的設計參數較多，這里僅以較為典型的單尺寸改變的標牌1和特征增減的殼體5為例。

3.3.1 尺寸改變類函數設計

標牌1本單位設計格式如圖5所示，其高度固定為20mm、厚度為0.5mm、字體（宋體）相對位置確定（左右分中，上下固定），生產日期隨實際確定，但其字符串長度（Ld）固定。因此標牌的區別僅在于寬度Lw、產品代號C、產品名稱N的異同，通過模型關聯可獲取C、N字符串的動態長度Lc、Ln，實際設計中Lw取整，字符邊距雙邊余量為2mm，因此Lw關聯函數建立為：

圖5 標牌

3.3.2 特征增減類函數設計

特征的有無可以表示為特征增減的特例，在采用陣列方式的模板設計的前提下，算法經陣列參數的更改達到對特征的控制。殼體5的上部結合螺釘的數量和間距呈動態變化，且非線性比例。以長度方向為例，設螺紋孔數量為NX，孔間距為DX，邊距為MX，壁厚為TX，如圖6所示。

圖6 殼體

為減少中間傳遞環節，將核心設計要素電路板4的長、寬、高轉換為殼體5的內腔長（L）×寬（W）×高（H），則TX＝f（L，W，H）。結合本單位經驗參數：MX初始值為20mm，DX初始值為65mm，以0.5mm步距調整。經驗化函數設計如下：

3.4 體系建立與模型生成

根據上述要素分析及提取，對應該控制盒模塊定制專門菜單及窗口，通過確定的接口界面傳遞參數，基于體系集成算法及三維模型等，最終形成類同單特征設計的部件級產品的快速化設計模塊。圖7為本單位信息控制盒的新部件一鍵式建模過程，只需輸入需要的內腔三尺寸及標牌兩參數，點擊ok鍵即可實時生成最終模型。

圖7 信息控制盒新部件建模過程

4 結語

本研究提出一種將經驗／知識與部件單元融合的快速化設計方式，通過三維模型和算法關聯，將企業的經驗／知識設計成黑盒模式，使用者只需輸入必要的入口參數即可完成部件級產品設計。區別于單零件的參數化設計，該模式既集成了經驗／知識，又從功能模塊的角度實現了部件級參數化設計。利用這種設計方法，使設計者從繁雜的設計細節中解放出來，能直接借助已有產品領域知識的輔助設計，將設計重心集中到產品的增強設計與創新中，進而提高產品的功能與性能［5］，也達到了企業經驗／知識的可靠傳承。