殷 莉，孔 嘯，袁俊凇，李 銘

YIN Li,KONG Xiao,YUAN Jun-song,LI Ming

（上海交通大學(xué) 模具CAD國(guó)家工程研究中心，上海 200030）

0 引言

如今越來(lái)越多的汽車(chē)零部件供應(yīng)商開(kāi)始向產(chǎn)品研發(fā)的方向發(fā)展，究其原因主要有以下幾點(diǎn)：1）主機(jī)廠對(duì)其供應(yīng)商的要求越來(lái)越高，供應(yīng)商必須具備同步開(kāi)發(fā)能力，實(shí)現(xiàn)模塊化供貨，這就迫使一些生產(chǎn)企業(yè)加強(qiáng)產(chǎn)品研發(fā)能力；2）供應(yīng)商在某些零件制造方面有著豐富的專業(yè)經(jīng)驗(yàn)，從而為這些零件的研發(fā)提供更好的支持；3）對(duì)于供應(yīng)商本身，從生產(chǎn)型向研發(fā)生產(chǎn)型的轉(zhuǎn)變不僅可以增加產(chǎn)品的附加值，還可以通過(guò)產(chǎn)品的技術(shù)升級(jí)來(lái)增強(qiáng)自己的競(jìng)爭(zhēng)力。

目前很多企業(yè)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)主要靠經(jīng)驗(yàn)，再加上為了提高產(chǎn)品進(jìn)度，對(duì)設(shè)計(jì)知識(shí)的積累和分析方面的工作做得不夠完善。以出風(fēng)口部件為例，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程周期較長(zhǎng)，產(chǎn)品質(zhì)量對(duì)設(shè)計(jì)者的依賴性較大，而且設(shè)計(jì)知識(shí)的共享性和重用率較低。

本文首先介紹了知識(shí)工程（Knowledge-based engineering,KBE）在NX中的應(yīng)用，即知識(shí)熔接技術(shù)（Knowledge Fusion,KF），然后將其運(yùn)用到汽車(chē)出風(fēng)口設(shè)計(jì)流程中，對(duì)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程進(jìn)行優(yōu)化，最后以出風(fēng)口撥輪的設(shè)計(jì)為例，詳細(xì)說(shuō)明了利用NX/K工具實(shí)現(xiàn)基于知識(shí)的優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟，使得設(shè)計(jì)過(guò)程更加快速和標(biāo)準(zhǔn)化。

1 知識(shí)工程與知識(shí)熔接

1.1 知識(shí)工程

迄今為止，對(duì)于KBE尚無(wú)一種公認(rèn)的定義，上海交通大學(xué)對(duì)于KBE的定義是：通過(guò)知識(shí)驅(qū)動(dòng)和繁衍，對(duì)工程問(wèn)題提供最佳解決方案的計(jì)算機(jī)集成處理技術(shù)，是領(lǐng)域?qū)＜抑R(shí)的繼承、集成、創(chuàng)新和管理，是CAX技術(shù)與AI技術(shù)的集成[1]。所有的定義對(duì)KBE系統(tǒng)都有一個(gè)共識(shí)，即：能夠解決某個(gè)特定的設(shè)計(jì)問(wèn)題（短期），并能獲得與之相關(guān)領(lǐng)域的知識(shí)用來(lái)解決之后的設(shè)計(jì)問(wèn)題（長(zhǎng)期）。

雖然大多數(shù)對(duì)于KBE的研究都還處于理論階段，但已經(jīng)有部分國(guó)外的大公司在KBE的應(yīng)用上取得了很好的效果，特別是汽車(chē)和飛機(jī)制造行業(yè)，比如意大利AVIO航空公司，在機(jī)翼的CAD/CAE設(shè)計(jì)中應(yīng)用KBE技術(shù)后，設(shè)計(jì)時(shí)間減少了93%[2]。

1.2 知識(shí)熔接

NX中的知識(shí)熔接技術(shù)是KBE技術(shù)的一項(xiàng)應(yīng)用，它提供了一種面向?qū)ο蟮慕忉屝哉Z(yǔ)言，用戶可以方便的用KF語(yǔ)言在產(chǎn)品模型中以規(guī)則的形式增加工程知識(shí)，設(shè)計(jì)人員甚至不需要察覺(jué)知識(shí)熔接技術(shù)（KF）的存在卻在設(shè)計(jì)中得到方便[3]。然后，利用NX的用戶自定義特征（User DefinedFeature,UDF）建立特征庫(kù)，在設(shè)計(jì)中通過(guò)提取特征參數(shù)，建立模板零件，可方便地更改設(shè)計(jì)。

2 出風(fēng)口設(shè)計(jì)流程優(yōu)化

2.1 傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程

汽車(chē)空調(diào)出風(fēng)口主要包括風(fēng)框撥叉、水平葉片、水平葉片連動(dòng)桿、豎直葉片、豎直葉片連動(dòng)桿、撥輪、撥輪連桿等零部件。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程（如圖1所示）是以一次設(shè)計(jì)為單位，設(shè)計(jì)人員在接到新產(chǎn)品的A面數(shù)據(jù)后，首先是根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)則和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)對(duì)某些關(guān)鍵功能部件如撥輪、連桿等要進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，然后用三維CAD軟件如NX,CATIA等對(duì)不同部件分別進(jìn)行建模，最后裝配形成初步的產(chǎn)品模型。在制造樣件和產(chǎn)品試驗(yàn)階段還會(huì)分別對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改甚至重新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)流程的缺點(diǎn)是：1）每次開(kāi)發(fā)新的產(chǎn)品都必須從頭開(kāi)始，設(shè)計(jì)人員需要做很多重復(fù)性的工作；2）傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程對(duì)于設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)依賴性很大，不利于企業(yè)發(fā)展；3）沒(méi)有一個(gè)成體系的設(shè)計(jì)流程，設(shè)計(jì)質(zhì)量不穩(wěn)定；4）每次設(shè)計(jì)的成果與經(jīng)驗(yàn)沒(méi)有進(jìn)行有效的吸收與再次利用。因此，有必要對(duì)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程做一改進(jìn)。

圖1 傳統(tǒng)出風(fēng)口設(shè)計(jì)流程

2.2 基于知識(shí)的設(shè)計(jì)流程

圖2是經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的基于KBE的知識(shí)熔接設(shè)計(jì)框架。虛線部分是指知識(shí)的獲取過(guò)程，實(shí)線部分是指實(shí)際的產(chǎn)品設(shè)計(jì)也就是知識(shí)的重用過(guò)程?？梢钥闯?，傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)僅只在一次設(shè)計(jì)中構(gòu)成回路，而運(yùn)用KBE技術(shù)后的產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程可以產(chǎn)生多個(gè)不斷循環(huán)的回路，每一次的設(shè)計(jì)規(guī)則和經(jīng)驗(yàn)、新的部件結(jié)構(gòu)以及試驗(yàn)結(jié)果都可以儲(chǔ)存到設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)中，然后又可以將這些知識(shí)運(yùn)用到下一次的新產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，使得知識(shí)的獲取和重用得以實(shí)現(xiàn)。知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)既可以是以代碼的形式表示和儲(chǔ)存的，也可以是用文檔格式記錄的，歸納起來(lái)可以將知識(shí)分為四種類型：1）規(guī)則庫(kù)：即將產(chǎn)品或各個(gè)部件的約束條件以及在選擇設(shè)計(jì)方案的原理記錄下來(lái)；2）經(jīng)驗(yàn)庫(kù)：將以前的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)后產(chǎn)生的問(wèn)題記錄下來(lái)，以指導(dǎo)之后的設(shè)計(jì)；3）特征庫(kù)：選擇能夠描述出風(fēng)口或其零部件的實(shí)體作為知識(shí)單元，這種實(shí)體既可以是結(jié)構(gòu)上也可以是功能上的；4）事例庫(kù)：將做過(guò)的例子和各種解釋進(jìn)行說(shuō)明[4]。

圖2 基于KBE的知識(shí)熔接設(shè)計(jì)框架

設(shè)計(jì)人員拿到相關(guān)數(shù)據(jù)后，首先在知識(shí)庫(kù)中搜索以前相關(guān)的事例以及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)等，然后從特征庫(kù)中選取合適的特征，經(jīng)過(guò)參數(shù)化的幾何創(chuàng)建就可以很快的將產(chǎn)品設(shè)計(jì)出來(lái)，初步設(shè)計(jì)后，再將細(xì)節(jié)進(jìn)行進(jìn)一步的修改，就可以完成設(shè)計(jì)了。

3 撥輪的設(shè)計(jì)實(shí)例

設(shè)計(jì)人員拿到出風(fēng)口的A面數(shù)據(jù)時(shí)，只有產(chǎn)品的外觀總體數(shù)據(jù)，比如外殼的形狀與大小，葉片的數(shù)量和撥輪的外觀大小等都是已經(jīng)大致確定的。需要設(shè)計(jì)的是功能方面的一些結(jié)構(gòu)件。

撥輪是出風(fēng)口中重要的功能結(jié)構(gòu)部件，撥輪的質(zhì)量直接關(guān)系到出風(fēng)口的質(zhì)量水平，而撥輪的質(zhì)量又與撥輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊密相關(guān)。因此，本文提出一種對(duì)撥輪設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化的方法，即用KF工具進(jìn)行撥輪的建模，然后將一些重要設(shè)計(jì)參數(shù)放入用戶自定義特征庫(kù)中，今后對(duì)于類似的設(shè)計(jì)可以直接提取以前的設(shè)計(jì)模型加以修改，這樣既繼承了以前的知識(shí)成果，又可以創(chuàng)造出新的知識(shí)再儲(chǔ)存在知識(shí)庫(kù)中，而且便于規(guī)范撥輪的設(shè)計(jì)，使其更加標(biāo)準(zhǔn)化。

3.1 撥輪NX/KF建模

圖3是一種撥輪的NX/KF建模，撥輪所有的特征參數(shù)都可以更改，槽的位置是由參考點(diǎn)的位置決定，但是保留了槽的設(shè)計(jì)規(guī)則。通過(guò)調(diào)整幾個(gè)參考點(diǎn)的位置可隨時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)方案，而通過(guò)建立相對(duì)坐標(biāo)系，使撥輪可以方便地添加到不同的出風(fēng)口殼體上。

圖3 撥輪NX/KF建模

3.2 建立撥輪的UDF庫(kù)

首先要新建一個(gè)UDF目錄，在NX/udf中，找到dbc_udf_ascii.def文件，將以下庫(kù)定義文件的代碼加入其中，庫(kù)名稱為UDF，文件夾位置"F： NX_KFUDF"。如果要建多個(gè)UDF目錄，就添加多個(gè)庫(kù)定義代碼，只需更改庫(kù)名稱和文件夾所在位置。

然后就可以將撥輪的設(shè)計(jì)方案輸出到自己定義的UDF庫(kù)中。通過(guò)NX菜單中的Tool-User Defined Feature-Wizard路徑添加特征模型，將一些需要設(shè)置的參數(shù)變量設(shè)為可更改的表達(dá)式。本文用NX/KF建模設(shè)計(jì)了四種不同的撥輪（如圖4所示），還可以添加更多的設(shè)計(jì)方案或設(shè)計(jì)規(guī)則。

圖4 撥輪的UDF庫(kù)

在設(shè)計(jì)出風(fēng)口的撥輪結(jié)構(gòu)時(shí)，通過(guò)NX菜單中的Tool-User Defined Feature-Insert路徑來(lái)調(diào)用這些特征模型，調(diào)用的時(shí)候相關(guān)表達(dá)式會(huì)自動(dòng)生成用戶可視的對(duì)話框（如圖5所示），通過(guò)對(duì)話框可以隨時(shí)調(diào)整模型的特征參數(shù)。

圖5 參數(shù)修改對(duì)話框

在KF導(dǎo)航欄里，導(dǎo)入的UDF會(huì)作為一個(gè)新的udf類，可以對(duì)這個(gè)類進(jìn)行編輯，從而更改撥輪在殼體上的位置。以前的子規(guī)則也還是在這個(gè)類下面，通過(guò)修改這些子規(guī)則可以很方便的修改導(dǎo)入撥輪的結(jié)構(gòu)形狀，唯一保留不變的是撥輪的設(shè)計(jì)規(guī)則。

這種設(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)有：1）可以增加產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識(shí)的重用率，從而減少設(shè)計(jì)時(shí)間；2）計(jì)算機(jī)可以設(shè)定的參數(shù)范圍內(nèi)自動(dòng)選擇最優(yōu)的解決方案；3）減少員工流動(dòng)率給企業(yè)帶來(lái)的影響。由于知識(shí)以規(guī)則的方式儲(chǔ)存在產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型中，對(duì)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)的依賴性會(huì)降低；4）減少了設(shè)計(jì)人員重復(fù)、繁瑣的建模工作，可使他們將更多的精力放在產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新上?？傊?，從長(zhǎng)期角度來(lái)看，將產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程與KBE系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)能帶給企業(yè)更多的無(wú)形資產(chǎn)和潛在商業(yè)價(jià)值，對(duì)于經(jīng)驗(yàn)不足的設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，也可以使他們盡快掌握設(shè)計(jì)知識(shí)，提高設(shè)計(jì)效率。

圖6是一種撥輪結(jié)構(gòu)的調(diào)用實(shí)例，通過(guò)修改參數(shù)和子規(guī)則中參考點(diǎn)的位置可以很方便的更改設(shè)計(jì)模型，從而將撥輪應(yīng)用在不同的殼體上。

圖6 應(yīng)用實(shí)例

4 結(jié)論

本文以出風(fēng)口的撥輪為例，在NX/KF環(huán)境下建立了撥輪自定義特征庫(kù)，使得相同設(shè)計(jì)規(guī)則的撥輪的建模更加快速便捷，實(shí)現(xiàn)了基于知識(shí)的設(shè)計(jì)過(guò)程。出風(fēng)口上其他部件也可以參照撥輪的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)出風(fēng)口整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的自動(dòng)化、智能化，從而得到更加穩(wěn)定、一致的產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量。

[1] 趙震,彭穎紅.基于KBE的工程設(shè)計(jì)——理論、方法與實(shí)踐[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2003,22(1)：151-153.

[2] Corallo A,Laubacher R,Margherita A.Enhancing product development through knowledge-based engineering (KBE)[J].Journal of Manufacturing Technology Management,2009,20(8)：1070-1083.

[3] Unigraphics Solutions Inc.王剛,鄒昱章,余國(guó)華,譯.UG知識(shí)熔接技術(shù)培訓(xùn)教程[M].北京：清華大學(xué)出版社,2002.

[4] Ammar-Khodja S,Perry N,Bernard A.Processing Knowledge to Support Knowledge-based Engineering Systems Specification[J].Concurrent Engineering,2008,16：89-101.