熊丹丹，楊海成，萬(wàn) 能

（西北工業(yè)大學(xué) 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072）

0 引言

KBE以知識(shí)驅(qū)動(dòng)工程設(shè)計(jì)為基本思想，將人工智能(包括知識(shí)庫(kù)、知識(shí)規(guī)則、邏輯推理等)與CAX設(shè)計(jì)系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，使其應(yīng)用對(duì)象從幾何造型、分析以及制造等延伸擴(kuò)展到工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域。目前基于KBE的設(shè)計(jì)可以在三維環(huán)境下完成，但通常其設(shè)計(jì)結(jié)果不能直接利用全數(shù)字化產(chǎn)品模型，需要手工維護(hù)大量3D到2D轉(zhuǎn)換等不增值環(huán)節(jié)。目前很多新項(xiàng)目（如Boeing 787、MRJ和C919等）都采用基于模型定義（Model Based Definition,MBD）技術(shù)。以全三維的MBD模型為數(shù)據(jù)源，傳遞給下游的工藝、質(zhì)量等，是克服二維工藝規(guī)劃結(jié)果與上游的全三維數(shù)字化設(shè)計(jì)和下游的先進(jìn)制造工藝及裝備不相適應(yīng)的現(xiàn)狀的有力工具[1]。

日本豐田汽車(chē)在2004年開(kāi)始研發(fā)數(shù)字化環(huán)境支持下的發(fā)動(dòng)機(jī)組件無(wú)圖紙制造項(xiàng)目[2]。Verisurf軟件公司的Metrology Software就是基于MBD的制造過(guò)程檢驗(yàn)軟件[3]。波音公司的787項(xiàng)目構(gòu)建的GCE（全球協(xié)同環(huán)境）平臺(tái)全面應(yīng)用了MBD技術(shù)，其顯著的特點(diǎn)是三維數(shù)據(jù)集中定義了所有的產(chǎn)品信息，完全取代了二維工程圖紙的作用，使得 MBD 技術(shù)體系無(wú)論從產(chǎn)品定義到數(shù)據(jù)組織管理控制上都有質(zhì)的飛躍。

雖然MBD具備數(shù)據(jù)集成和共享的天然特性，但在應(yīng)用過(guò)程中還存在一些亟待解決的問(wèn)題。目前MBD研究面臨問(wèn)題有[4]：

1）MBD數(shù)據(jù)容量問(wèn)題。 基于MBD的制造過(guò)程輸出和管理非常多的零件模型和裝配模型數(shù)據(jù)。

2）數(shù)據(jù)格式。MBD模型文件涉及設(shè)計(jì)制造的諸多環(huán)節(jié)，CAD平臺(tái)支持有限。

3）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。從設(shè)計(jì)到客戶(hù)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換要求IT建設(shè)和相應(yīng)工具。

4）數(shù)據(jù)展示。MBD數(shù)據(jù)廣泛應(yīng)用的技術(shù)之一是其表現(xiàn)方式的設(shè)計(jì)。

航天產(chǎn)品由于批量小，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)變化跟隨型號(hào)變更快，所以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造過(guò)程數(shù)據(jù)的快速準(zhǔn)確傳遞就顯得特別重要。

如果基于KBE的設(shè)計(jì)和基于模型定義兩者能相互結(jié)合，基于KBE的設(shè)計(jì)就有了數(shù)據(jù)源，其知識(shí)驅(qū)動(dòng)過(guò)程對(duì)數(shù)據(jù)信息的需求就有了保證。整個(gè)設(shè)計(jì)結(jié)果借助基于模型定義有了更好的呈現(xiàn)方式和向下游流轉(zhuǎn)的載體。目前，現(xiàn)有CAD平臺(tái)普遍支持在三維幾何模型上添加尺寸、公差和標(biāo)注等信息[5,6]，使得基于模型定義技術(shù)借助KBE平臺(tái)在三維環(huán)境下易于呈現(xiàn)、表示和應(yīng)用。

1 關(guān)鍵技術(shù)

MBD技術(shù)體系是以MBD數(shù)據(jù)集為核心的應(yīng)用體系，借助標(biāo)準(zhǔn)管理系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)工藝管理系統(tǒng)、CAD系統(tǒng)、工藝設(shè)計(jì)和分析以及產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等系統(tǒng)，通過(guò)MBD數(shù)據(jù)集集成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造信息，并建立了一套基于MBD數(shù)據(jù)集的工藝設(shè)計(jì)分析方法和數(shù)據(jù)管理辦法，使工程制造能夠在脫離圖紙的環(huán)境下，按照設(shè)計(jì)系統(tǒng)給出的內(nèi)容組織框架實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)和檢驗(yàn)的監(jiān)督控制。結(jié)合MBD技術(shù)體系的構(gòu)架，基于MBD技術(shù)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)平臺(tái)在已有KBE產(chǎn)品設(shè)計(jì)平臺(tái)基礎(chǔ)上，全三維數(shù)字化KBE產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造過(guò)程研究涉及如下關(guān)鍵技術(shù)。

圖 1 全三維產(chǎn)品KBE設(shè)計(jì)平臺(tái)流程

1.1 MBD建模技術(shù)

建立適合產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造過(guò)程的MBD模型。KBE知識(shí)驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程，強(qiáng)調(diào)對(duì)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)過(guò)程的知識(shí)積累和推理，然后將推理結(jié)果顯示或輸出為三維模型表示和二維工藝表達(dá)。缺少與設(shè)計(jì)初始模型的交互和融合。此外，用于設(shè)計(jì)的元模型都已為各類(lèi)KBE設(shè)計(jì)平臺(tái)以標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)、智能組件庫(kù)等形式參與設(shè)計(jì)過(guò)程。面對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程，必須在組件層次的基礎(chǔ)上擴(kuò)展元模型，建立符合產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)的MBD模型，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品信息與知識(shí)模型之間的信息轉(zhuǎn)換。

1.2 支持MBD模型的產(chǎn)品設(shè)計(jì)平臺(tái)

MBD模型作為設(shè)計(jì)和制造的唯一一致數(shù)據(jù)源，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)平臺(tái)中具有核心的基礎(chǔ)地位。同理，支持MBD模型的KBE產(chǎn)品設(shè)計(jì)平臺(tái)是平臺(tái)智能演化的基礎(chǔ)。產(chǎn)品設(shè)計(jì)平臺(tái)不僅兼容MBD模型，而且，需要具備不同應(yīng)用階段層次輕量級(jí)模型的MBD數(shù)據(jù)集量級(jí)轉(zhuǎn)化技術(shù)，以為設(shè)計(jì)過(guò)程和設(shè)計(jì)結(jié)果提供數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制和可視化處理機(jī)制。

該平臺(tái)還需要支持MBD數(shù)據(jù)同步。產(chǎn)品設(shè)計(jì)的不同階段對(duì)應(yīng)不同的MBD模型，設(shè)計(jì)平臺(tái)通過(guò)三維模型變更反映設(shè)計(jì)意圖，這種三維模型從設(shè)計(jì)源的變化或引起相應(yīng)工藝過(guò)程和工裝的連鎖反應(yīng)。建立設(shè)計(jì)MBD模型、工裝MBD模型和檢驗(yàn)MBD模型的同步聯(lián)動(dòng)機(jī)制，是實(shí)時(shí)精確的產(chǎn)品設(shè)計(jì)平臺(tái)的首要任務(wù)。

1.3 支持MBD技術(shù)的KBE驅(qū)動(dòng)技術(shù)

MBD技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程的應(yīng)用，改變了產(chǎn)品設(shè)計(jì)平臺(tái)依靠外部數(shù)據(jù)被對(duì)推理的過(guò)程，使得平臺(tái)可以捕捉產(chǎn)品設(shè)計(jì)不同階段的數(shù)據(jù)信息，自驅(qū)動(dòng)的參與產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程?，F(xiàn)有KBE知識(shí)推理過(guò)程是將知識(shí)單元掛接在具體構(gòu)件層次，以構(gòu)件的選擇、計(jì)算、推理完成基于知識(shí)的設(shè)計(jì)和推理[11]。這需要改變知識(shí)單元與應(yīng)用模型的高耦合特性，將知識(shí)推理過(guò)程面向產(chǎn)品的智能設(shè)計(jì)，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造的角度實(shí)現(xiàn)知識(shí)庫(kù)應(yīng)用。

基于KBE設(shè)計(jì)和MBD技術(shù)相結(jié)合的思想，全三維數(shù)字化產(chǎn)品KBE設(shè)計(jì)制造過(guò)程平臺(tái)，將MBD技術(shù)與知識(shí)驅(qū)動(dòng)技術(shù)相結(jié)合，按照CAD行業(yè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在Intranet/Internet環(huán)境下實(shí)現(xiàn)MBD技術(shù)下的知識(shí)驅(qū)動(dòng)工程應(yīng)用方法，建立產(chǎn)品/工裝設(shè)計(jì)與制造使用過(guò)程的知識(shí)驅(qū)動(dòng)的MBD模型演化過(guò)程，作為產(chǎn)品工裝設(shè)計(jì)過(guò)程和結(jié)果的輸出模型，充分實(shí)現(xiàn)了知識(shí)數(shù)字化應(yīng)用與企業(yè)業(yè)務(wù)和工程實(shí)際的融合，改變了傳統(tǒng)知識(shí)服務(wù)平臺(tái)“知識(shí)推理與工程化應(yīng)用相對(duì)脫離”的局面。

2 全三維數(shù)字化KBE產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造研究

2.1 全三維KBE設(shè)計(jì)平臺(tái)框架

全三維數(shù)字化產(chǎn)品KBE設(shè)計(jì)平臺(tái)，將MBD技術(shù)與知識(shí)驅(qū)動(dòng)技術(shù)相結(jié)合，按照CAD行業(yè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在Intranet/Internet環(huán)境下實(shí)現(xiàn)MBD技術(shù)下的知識(shí)驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程應(yīng)用方法，通過(guò)建立基于MBD的三維數(shù)字化產(chǎn)品信息模型，以MBD數(shù)據(jù)集和MBD模型間交互為核心處理流程，以產(chǎn)品設(shè)計(jì)使用過(guò)程的知識(shí)建模、集成和重用過(guò)程為手段，實(shí)現(xiàn)在三維數(shù)字化產(chǎn)品定義基礎(chǔ)上的三維數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)應(yīng)用。

系統(tǒng)以產(chǎn)品MBD模型（即計(jì)算模型，MBD模型通過(guò)MBD數(shù)據(jù)處理器完成計(jì)算過(guò)程）和知識(shí)庫(kù)交互并參與知識(shí)重用過(guò)程。以MBD模型實(shí)現(xiàn)知識(shí)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)單元與應(yīng)用對(duì)象對(duì)接，基于知識(shí)驅(qū)動(dòng)的知識(shí)推理機(jī)制建立面向產(chǎn)品制造過(guò)程的知識(shí)層次結(jié)構(gòu)知識(shí)推理，在對(duì)設(shè)計(jì)知識(shí)的推理過(guò)程不斷反饋基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)知識(shí)推理結(jié)果轉(zhuǎn)化到產(chǎn)品MBD模型上，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)知識(shí)的閉環(huán)管理以及知識(shí)推理和產(chǎn)品信息的無(wú)縫對(duì)接。

MBD方法下的工藝設(shè)計(jì)軟件與傳統(tǒng)突出工藝過(guò)程的工藝設(shè)計(jì)軟件相比，集成化、智能化的特點(diǎn)更加突出。在KBE產(chǎn)品設(shè)計(jì)平臺(tái)基礎(chǔ)上，結(jié)合航天企業(yè)數(shù)字化應(yīng)用現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)如圖2所示的全三維數(shù)字化KBE設(shè)計(jì)軟件總體框架。

圖2 全三維數(shù)字化KBE設(shè)計(jì)軟件總體框架

2.2 MBD建模過(guò)程

從CAD系統(tǒng)支撐技術(shù)的角度來(lái)看，特征造型技術(shù)與參數(shù)化、變量化技術(shù)有機(jī)結(jié)合，是目前CAD系統(tǒng)建模普遍采用的技術(shù)。產(chǎn)品信息模型除了包含實(shí)體造型中已有的幾何和拓?fù)湫畔?，還應(yīng)含有設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、設(shè)計(jì)意圖、技術(shù)要求等其它相關(guān)信息。傳統(tǒng)的特征只能表述零件的局部信息，無(wú)法使產(chǎn)品的功能設(shè)計(jì)、工程領(lǐng)域知識(shí)等信息與幾何模型關(guān)聯(lián)起來(lái)。將傳統(tǒng)的特征概念進(jìn)行擴(kuò)展，從語(yǔ)義層面上使產(chǎn)品信息模型成為產(chǎn)品信息工程智能化服務(wù)的功能性對(duì)象?；跀U(kuò)展特征的MBD建模過(guò)程如圖3所示。

圖3 基于擴(kuò)展特征的MBD建模過(guò)程

2.3 MBD方法下的知識(shí)驅(qū)動(dòng)技術(shù)

以MBD模型為基礎(chǔ)的知識(shí)驅(qū)動(dòng)技術(shù)主要包括知識(shí)驅(qū)動(dòng)過(guò)程初始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備，知識(shí)驅(qū)動(dòng)單元的設(shè)計(jì)，知識(shí)驅(qū)動(dòng)結(jié)果的存儲(chǔ)和反饋等。依據(jù)上述研究要點(diǎn)，設(shè)計(jì)如圖4所示的MBD模型下的知識(shí)驅(qū)動(dòng)流程框架。

圖4 知識(shí)驅(qū)動(dòng)流程

2.4 MBD方法下的產(chǎn)品設(shè)計(jì)模式

基于MBD的產(chǎn)品設(shè)計(jì)模式如圖5所示。在這種產(chǎn)品設(shè)計(jì)模式中，通過(guò)CAD系統(tǒng)及相關(guān)標(biāo)注工具完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)對(duì)象的MBD數(shù)據(jù)集設(shè)計(jì)，并納入PDM系統(tǒng)進(jìn)行管理。產(chǎn)品設(shè)計(jì)平臺(tái)以該MBD模型為設(shè)計(jì)對(duì)象，綜合知識(shí)工程等通過(guò)CAE/CAM實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品分析和設(shè)計(jì)全過(guò)程，并將設(shè)計(jì)結(jié)果通過(guò)相關(guān)模型轉(zhuǎn)換器也存儲(chǔ)到MBD對(duì)象中?；贛BD的產(chǎn)品數(shù)據(jù)和工藝、制造數(shù)據(jù)最終傳遞到生產(chǎn)和檢驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)終端。

MBD模型不是單純的三維模型，具有強(qiáng)大的表現(xiàn)力，在MBD工藝設(shè)計(jì)模式的應(yīng)用環(huán)境中，產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員以三維模型為核心集成完整的產(chǎn)品數(shù)字化定義信息， MBD模型包含三維實(shí)體模型、標(biāo)注（包括產(chǎn)品尺寸、工差、工藝處理等）、工程注釋等信息。工藝設(shè)計(jì)等后續(xù)環(huán)節(jié)添加制造、檢驗(yàn)等部門(mén)的信息，構(gòu)成更完整的MBD數(shù)據(jù)集，并且數(shù)字化的產(chǎn)品信息表達(dá)提高了數(shù)據(jù)表達(dá)和傳遞的準(zhǔn)確性。在工藝設(shè)計(jì)中這種模式要求設(shè)計(jì)過(guò)程兼容MBD數(shù)據(jù)模型，即對(duì)產(chǎn)品信息的獲取來(lái)自MBD模型，建立的工藝設(shè)計(jì)信息也能添加到MBD數(shù)據(jù)集中。此外，結(jié)合工藝信息的復(fù)雜性特點(diǎn)，需要建立可視化MBD數(shù)據(jù)集的工具。

3 結(jié)論

MBD技術(shù)給KBE推理的設(shè)計(jì)制造過(guò)程提供了唯一性和一致性的數(shù)據(jù)，提高設(shè)計(jì)推理過(guò)程的效率、保證設(shè)計(jì)質(zhì)量。全三維數(shù)字化的KBE設(shè)計(jì)制造集成模式使得設(shè)計(jì)制造過(guò)程在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)表現(xiàn)層實(shí)現(xiàn)智能化的應(yīng)用，是未來(lái)設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展方向，必將對(duì)航天制造業(yè)有著深遠(yuǎn)的影響。

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[2] Dassault-Systemes, Toyota Motorsport Uses Automotive Industry PLM Solution from Dassault Systemes for 2004 F1 Season, http://www.3ds.com/news-events/press-room/release/ 203/1/, 2004.

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