李小明 羅曉渭 郭俊

摘 要：針對(duì)機(jī)械產(chǎn)品種類繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)計(jì)修改頻繁等問(wèn)題，結(jié)合知識(shí)工程和自頂向下的設(shè)計(jì)方法和關(guān)鍵技術(shù)，提出了基于知識(shí)工程的自頂向下設(shè)計(jì)理念與方法，通過(guò)創(chuàng)建基于知識(shí)的骨架模型的方法，完成了手套箱的快速設(shè)計(jì)，提出了一種產(chǎn)品的通用快速設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：知識(shí)工程；自頂向下；快速設(shè)計(jì)

1 概述

當(dāng)今市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日漸激烈，先進(jìn)理念和技術(shù)被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)中，制造企業(yè)之間的競(jìng)爭(zhēng)已轉(zhuǎn)變?yōu)榛跁r(shí)間和客戶個(gè)性化需求的競(jìng)爭(zhēng)。如何高質(zhì)量、低成本、短交貨期及個(gè)性化地生產(chǎn)出產(chǎn)品，已經(jīng)成為制造企業(yè)獲取新的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的研究方向[1]。如果能夠加快產(chǎn)品系列化和多樣化的開(kāi)發(fā)周期，將會(huì)降低企業(yè)設(shè)計(jì)成本，提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力和應(yīng)變市場(chǎng)的能力傳統(tǒng)的產(chǎn)品總成設(shè)計(jì)方法是先單獨(dú)把零件建構(gòu)出來(lái)，再一一裝配成產(chǎn)品模型，裝配操作復(fù)雜，尺寸修改因難，設(shè)計(jì)變更時(shí)消耗大量的時(shí)間，而且不符合設(shè)計(jì)意圖，整個(gè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)項(xiàng)目不易管理難以實(shí)施和推動(dòng)協(xié)同并行設(shè)計(jì)[2]。針對(duì)機(jī)械產(chǎn)品種類繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)計(jì)修改頻繁等問(wèn)題，通過(guò)對(duì)其產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程和變型設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行研究，運(yùn)用知識(shí)工程、模塊化技術(shù)、數(shù)據(jù)集成技術(shù)等完成產(chǎn)品自頂向下快速設(shè)計(jì)，克服產(chǎn)品設(shè)計(jì)中缺乏系統(tǒng)化理論、智能化支持和嚴(yán)重依賴專家經(jīng)驗(yàn)等的不足，提高了企業(yè)的整體設(shè)計(jì)能力和設(shè)計(jì)效率、縮短設(shè)計(jì)周期，滿足了用戶對(duì)產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)需求，增強(qiáng)了企業(yè)的市場(chǎng)適應(yīng)能力和競(jìng)爭(zhēng)力。

2 知識(shí)工程和自頂向下

2.1 知識(shí)工程

知識(shí)工程（KBE，Knowledge Based Engineering）技術(shù)是面向現(xiàn)代設(shè)計(jì)要求而產(chǎn)生、發(fā)展的新型智能設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)決策自動(dòng)化的重要工具[3]。其基本思想是在工程設(shè)計(jì)中將該領(lǐng)域?qū)＜业闹R(shí)和經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié)，形成規(guī)則，存入計(jì)算機(jī)，建立知識(shí)庫(kù)，在對(duì)工程問(wèn)題求解中重用已有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)[4]。

2.2 自頂向下

自頂向下（Top-Down）是一種自上而下、先規(guī)劃產(chǎn)品的整體結(jié)構(gòu)，再逐步細(xì)化的設(shè)計(jì)過(guò)程，設(shè)計(jì)流程符合設(shè)計(jì)思路，即：總體布置→總體結(jié)構(gòu)；總體結(jié)構(gòu)→部件結(jié)構(gòu)；部件結(jié)構(gòu)→部件零件。自頂向下設(shè)計(jì)思想也就是將復(fù)雜的大問(wèn)題分解為相對(duì)簡(jiǎn)單的小問(wèn)題，然后找出每個(gè)問(wèn)題的關(guān)鍵、重點(diǎn)所在，然后用精確的思維定性、定量地去描述問(wèn)題。Top-Down能夠有效解決復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)準(zhǔn)確程度比較高，頂層設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)意圖能夠在團(tuán)隊(duì)中很好的進(jìn)行傳遞和共享，利于在設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)中實(shí)施和推動(dòng)并行工程與協(xié)同設(shè)計(jì)。

3 產(chǎn)品基于KBE的自頂向下設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)理念

運(yùn)用基于KBE的自頂向下設(shè)計(jì)理念與方法，需要設(shè)計(jì)人員在考慮產(chǎn)品功能和性能的基礎(chǔ)上，將產(chǎn)品的組成和形狀及各零部件之間的裝配和約束關(guān)系轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品骨架模型中的設(shè)計(jì)參數(shù)、變量關(guān)系約束、零部件裝配約束，使知識(shí)與骨架模型關(guān)聯(lián)起來(lái)，完成產(chǎn)品骨架模型設(shè)計(jì)，并在總骨架模型中裝配關(guān)系的約束下，進(jìn)行零部件的詳細(xì)設(shè)計(jì)?；贙EB的自頂向下快速設(shè)計(jì)思想融合了知識(shí)工程及自頂向下的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，在個(gè)產(chǎn)品的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段和局部細(xì)化階段融入知識(shí)工程的建模理念，是一種更加符合人的常規(guī)思維方式的設(shè)計(jì)模式，有利于減少不必要的重復(fù)設(shè)計(jì)，更大程度上減輕設(shè)計(jì)人員的工作強(qiáng)度，以完成高效率、短周期的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

圖1為基于KBE的手套箱自頂向下設(shè)計(jì)流程分為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化及骨架模型創(chuàng)建、手套箱子部件設(shè)計(jì)和重用零部件模型調(diào)用及三維模型生成等三個(gè)階段：第一階段是根據(jù)用戶對(duì)手套箱功能和性能需求，結(jié)合已有的含了工程知識(shí)、幾何知識(shí)、構(gòu)形知識(shí)等的知識(shí)庫(kù)，轉(zhuǎn)換為設(shè)計(jì)人員所需主要設(shè)計(jì)參數(shù)如尺寸參數(shù)、主要性能參數(shù)、質(zhì)量參數(shù)以及各部件基本型式，并建立基于KBE的產(chǎn)品骨架模型。第二階段是設(shè)計(jì)人員根據(jù)總骨架模型給出的要求對(duì)各部件進(jìn)行細(xì)化的過(guò)程。第三階段調(diào)用模型庫(kù)中的重用模型并結(jié)合已細(xì)化部件，生成手套箱模型，完成快速設(shè)計(jì)。圖1為基于KBE的手套箱自頂向下設(shè)計(jì)流程。

3.2 建立基于KBE的骨架模型

建立基于KBE的骨架模型即完成手套箱快速設(shè)計(jì)的第一階段工作，將產(chǎn)品的總體結(jié)構(gòu)布局、設(shè)計(jì)約束、參照基準(zhǔn)及其布局等抽象出來(lái)，并使用空間的點(diǎn)、線、面及參數(shù)草圖等構(gòu)建出來(lái)，在此基礎(chǔ)上引入知識(shí)來(lái)對(duì)其管理和控制變更?；贙BE的骨架模型能反映產(chǎn)品各零部件的空間布局、空間位置形狀、拓?fù)潢P(guān)系和裝配約束關(guān)系等要求的主要框架的空間線框架構(gòu)。如圖2手套箱骨架模型，由主箱體各基準(zhǔn)面、轉(zhuǎn)移箱基準(zhǔn)面、支架基準(zhǔn)面、照明基準(zhǔn)面、手孔中心線、風(fēng)機(jī)中心線、過(guò)慮器中心線、碘吸附器中心線、主箱體進(jìn)氣口直徑、轉(zhuǎn)移箱端法蘭端面螺栓均布孔徑、支腿端法蘭均布孔徑、手孔環(huán)內(nèi)徑等組成的能為下游細(xì)化設(shè)計(jì)所參照使用和共享的手套箱骨架模型。手套箱骨架模型表示出主箱體、轉(zhuǎn)移箱、高效過(guò)慮系統(tǒng)、除碘系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等下游零部件設(shè)計(jì)所需的定位基準(zhǔn)、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)和參考特征等。

3.3 實(shí)體設(shè)計(jì)

手套箱實(shí)體設(shè)計(jì)即完成手套箱第二和第三個(gè)階段的工作，一方面從模型庫(kù)中提取已有模型，實(shí)現(xiàn)重用，避免零部件重復(fù)設(shè)計(jì)；另一方面通過(guò)對(duì)骨架模型在宏觀和微觀上的細(xì)化、修改和調(diào)整，完成其他零部件的細(xì)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)意圖的變更和傳遞，完成整個(gè)產(chǎn)品的參數(shù)化設(shè)計(jì)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的變形設(shè)計(jì)，圖3為生成的實(shí)體模型。在實(shí)體設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)于相對(duì)比較獨(dú)立的零部件如手套箱上常用的高效過(guò)濾器、碘吸附器、手孔環(huán)等定型化產(chǎn)品進(jìn)行模塊化處理，存入產(chǎn)品模型庫(kù)中，以提高零部件的重用性，進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)效率。

基于KBE的手套箱模型在實(shí)體設(shè)計(jì)過(guò)程中只需修改骨架尺寸，所有的關(guān)聯(lián)零部件便會(huì)自動(dòng)再生，進(jìn)而提高產(chǎn)品的可修改性，在降低設(shè)計(jì)人員的工作量的同時(shí)保證各零部件設(shè)計(jì)的上下一致性。

4 結(jié)束語(yǔ)

因此基于KBE的自頂向下設(shè)計(jì)將知識(shí)工程、參數(shù)化特征造型融入到自頂向下的設(shè)計(jì)中，將自頂向下的設(shè)計(jì)思想貫穿于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的全周期中，用知識(shí)來(lái)驅(qū)動(dòng)控制參數(shù)化的骨架模型的變更和信息的傳遞，能較好的實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中對(duì)于信息和數(shù)據(jù)的傳遞、共享、繼承和變更，有效傳遞設(shè)計(jì)意圖，設(shè)計(jì)意圖的變更可以自頂向下的進(jìn)行傳遞直到最底層的零件和圖紙，使產(chǎn)品具有聯(lián)動(dòng)修改效應(yīng)，在修改、變更中自動(dòng)維護(hù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的一致性。為設(shè)計(jì)人員提供很大便利，有效縮短了設(shè)計(jì)周期。很好的滿足了手套箱等成套產(chǎn)品的系列化、多樣化以及快速響應(yīng)變形設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

[1]張強(qiáng)，仲梁維.集成知識(shí)工程和實(shí)例推理技術(shù)的產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)研究[J].現(xiàn)代制造工程，2013.

[2]王凱，李柏林，陳黎麗，等.基于知識(shí)的自頂向下參數(shù)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].制造業(yè)自動(dòng)化，31（9）.

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[4]呂紅光.基于知識(shí)工程的產(chǎn)品設(shè)計(jì)支持技術(shù)研究[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2005.

作者簡(jiǎn)介：李小明（1984-），山西呂梁人，中國(guó)輻射防護(hù)研究院，研究實(shí)習(xí)員，工學(xué)碩士，從事煤礦噪聲治理設(shè)備、輻射防護(hù)產(chǎn)品及承壓設(shè)備等的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。