基于知識的機械產(chǎn)品快速創(chuàng)新設計

李春亮

（吉林城市職業(yè)技術學院，吉林 長春 130114）

傳統(tǒng)的機械產(chǎn)品設計，對設計師的技術、經(jīng)驗有著較強的依賴性，并且存在設計周期長、創(chuàng)新力度弱等問題，不能滿足工業(yè)生產(chǎn)對新型多功能機械產(chǎn)品的使用需求。隨著AI 技術的成熟，基于知識的快速創(chuàng)新設計技術也得到了推廣使用，在此基礎上嘗試構建機械產(chǎn)品快速創(chuàng)新設計系統(tǒng)，把專家經(jīng)驗、人工智能、大數(shù)據(jù)檢索、云計算分析等技術融合起來，實現(xiàn)從產(chǎn)品需求分析到產(chǎn)品零件查找，再到自動組裝、智能優(yōu)化的一站式處理，顯著縮短了機械產(chǎn)品創(chuàng)新設計周期，加速了機械產(chǎn)品更新迭代速率，對促進工業(yè)自動化、信息化發(fā)展也有積極幫助。

1 機械產(chǎn)品快速創(chuàng)新設計的知識庫

1.1 知識庫的組成架構

知識庫由3 部分組成：

（1）數(shù)據(jù)庫。用于存儲海量零件的基本信息，除了將零件按照類別存儲外，還會對每一類零件進行單獨的編碼。這樣在后期輸入關鍵詞進行檢索時，方便快速匹配與檢索條件相符的零件。

（2）圖庫。分為實體庫、殼體庫兩部分，前者提供各類零件的三維模型圖，可支持零件的仿真組裝；后者包含了零部件的各項參數(shù)，如動/靜定參數(shù)、運動參數(shù)等。

（3）輔助系統(tǒng)。該部分可用于產(chǎn)品功能需求分析，產(chǎn)品設計方案評價等。知識庫管理結構和運行流程如圖1 所示。

圖1 知識庫的組成架構和運行流程

1.2 知識存儲流程

考慮到知識庫內(nèi)零件數(shù)量的海量化、信息的多樣性，為了提高零件檢索效率，因此在知識存儲過程中選擇了“圖形分離”模式。在知識庫中只存放零件基本參數(shù)，而零件的二維平面圖形、三維立體模型則在圖庫中單獨存放。知識存儲流程為：首先提取零件表面信息，并通過計算機識別，在圖形軟件中得到一個與實體零件相符合的概念模型，同時聲場概念設計方案。然后基于概念模型，尋找與之匹配的殼體零件，并將檢索到的零件存儲到殼體庫中。同時，從概念模型中形成分類編碼，所得數(shù)據(jù)生產(chǎn)表格。數(shù)據(jù)表中的零件參數(shù)信息以及殼體庫、實體庫中的零件模型信息，共同構成了知識庫。整個流程如圖2 所示。

圖2 知識存儲的流程圖

1.3 知識庫與數(shù)據(jù)庫的連接

對于知識庫中存儲的零件信息，無法直接用于機械產(chǎn)品的組裝。還必須借助于ODBC（開放數(shù)據(jù)庫連接），將知識庫與數(shù)據(jù)庫連接起來，完成數(shù)據(jù)的導出/導入，ODBC的結構如圖3 所示。實現(xiàn)庫連接后，計算機利用共享信息，完成機械產(chǎn)品方案的快速設計。

圖3 ODBC的結構圖

2 基于知識的機械產(chǎn)品快速創(chuàng)新設計系統(tǒng)

2.1 明確知識獲取流程

要想實現(xiàn)目標產(chǎn)品的快速創(chuàng)新設計，必須要明確整個設計流程，并保證該設計系統(tǒng)在邏輯流程上前后銜接。概括來看，快速創(chuàng)新設計系統(tǒng)的運行流程主要分為5 個步驟：

（1）了解機械產(chǎn)品的設計需求，包括形狀、尺寸、功能等。

（2）基于設計需求，首先進行概念性設計，初步得出機械產(chǎn)品相關的模型結構，并將各項參數(shù)、結構資料等存儲到概念模式庫內(nèi)。

（3）尋找符合機械產(chǎn)品設計與組裝的殼體及零件。在搜集到適配的殼體、零件后，還要進行試裝配，以驗證殼體與零件的兼容性。

（4）對裝配效果進行評價。根據(jù)評價結果找出機械產(chǎn)品的瑕疵并進行優(yōu)化。將設計優(yōu)化后的機械產(chǎn)品相關參數(shù)存儲于實體庫內(nèi)。

（5）形成最終的設計方案，并根據(jù)該方案生產(chǎn)機械產(chǎn)品，最終方案存儲于方案庫內(nèi)。整個流程如圖4 所示。

圖4 基于知識的機械產(chǎn)品快速創(chuàng)新設計流程

2.2 產(chǎn)品零部件匹配方式的優(yōu)化

在機械產(chǎn)品的快速創(chuàng)新設計中，零部件的匹配是核心環(huán)節(jié)，也是決定最終設計產(chǎn)品能否正常運行、各項功能能否順利實現(xiàn)的關鍵。基于遺傳算法的匹配度計算，其結果居于0 和1 之間。零件匹配度越接近1，則匹配度越高，將零件組裝成產(chǎn)品后，系統(tǒng)兼容性越好；反之，則表明匹配度差，需要重新選擇零件。在評價零件匹配度時，著重選取4 項關鍵指標，分別是結構形狀、力學性能、誤差和經(jīng)濟性。基于快速創(chuàng)新設計系統(tǒng)的零部件匹配，通過設定的選取指標，自動從零件庫中檢索。以匹配度0.8為劃分界限，對檢索結果進行篩選，保證篩選出的零部件能夠符合機械產(chǎn)品的設計和組裝需要。

2.3 快速生產(chǎn)產(chǎn)品方案

為了使檢索出來的殼體零件實現(xiàn)直接裝配，設計了快速生成產(chǎn)品模塊。對于殼體零件庫中存儲的各類零件信息，根據(jù)概念設計方案，對這些零件進行標號。然后按照標號順序自動對零件進行組裝，得到初步的產(chǎn)品。該產(chǎn)品通常在精度等方面存在不足，因此還需要進行優(yōu)化。設計者根據(jù)產(chǎn)品中零件運動參數(shù)、表面定位類型等，對零件之間的組合方式進行調(diào)整，從而使產(chǎn)品整體精度進一步提升，各處運動更加協(xié)調(diào)。

2.4 零件信息查詢與修改

在機械產(chǎn)品快速設計中，設計者點擊零部件進入詳情頁，可獲取零件的相關信息，并根據(jù)設計需求對這些信息進行修改。可供查詢的內(nèi)容包括：

（1）產(chǎn)品基本信息。包括零件總數(shù)，以及傳動件、執(zhí)行件、基礎件的具體數(shù)量等。點擊“產(chǎn)品信息”列表中的某一參數(shù)，還可跳轉至下一級頁面，詳細顯示“表面序號”、“定位面序號”等參數(shù)。

（2）零件基本信息。包括零件類型、受力情況、定位面數(shù)、靜/動定面數(shù)等。同樣的，選定“零件信息”列表的某一參數(shù)后，可跳轉至下一級頁面，詳細顯示“表面序號”、“定位類型”等參數(shù)。

（3）輔助信息。包括輔助線、輔助面等，為零件表面參數(shù)修改提供輔助。除了支持查詢功能外，還提供修改功能。設計者可根據(jù)需要對表面位置、大小、功能，傳動比等基本參數(shù)進行修改，進一步完善機械產(chǎn)品。

2.5 系統(tǒng)設計方案評價

在完成零件裝配、得到機械產(chǎn)品后，還要對該設計方案進行評價，一方面是判斷機械產(chǎn)品的性能和功能是否達到設計預期，另一方面也能為下一步改進設計方案、提高機械產(chǎn)品制作質(zhì)量提供幫助。目前常用的設計評價方法有基于神經(jīng)網(wǎng)絡法、模糊評價法、專家系統(tǒng)法等多種。其中，將神經(jīng)網(wǎng)絡與約束評價相結合，能夠從定性和定量兩個方面，對產(chǎn)品設計方案作出客觀評價。其流程如圖5 所示。

圖5 基于神經(jīng)網(wǎng)絡的約束評價流程

結束語

現(xiàn)代機械產(chǎn)品設計需要在速度、精度、質(zhì)量等方面統(tǒng)籌兼顧，才能滿足用戶對于機械產(chǎn)品設計、裝配和使用的要求。基于知識的機械產(chǎn)品快速創(chuàng)新設計系統(tǒng)，通過構建知識庫、數(shù)據(jù)庫，并將兩者有機結合起來，一方面能夠基于設計方案，從知識庫中快速檢索與該方案匹配的殼體零件，另一方面又能夠根據(jù)專家經(jīng)驗和數(shù)據(jù)調(diào)用，實現(xiàn)對零件的快速組裝，顯著縮短了從設計到裝配的周期。除此之外，該系統(tǒng)還提供了零部件調(diào)整和方案評價的功能，通過調(diào)整優(yōu)化使系統(tǒng)的綜合性能得以改良。參考評價結果，有助于改進快速創(chuàng)新設計流程，為持續(xù)提升機械產(chǎn)品設計質(zhì)量也有積極幫助。