周臨震

(鹽城工學院 優(yōu)集學院，江蘇 鹽城 224051)

0 引言

現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展，對產(chǎn)品結構和性能提出了越來越高的要求，面對快速多變的市場，企業(yè)必須具備強有力的產(chǎn)品快速設計開發(fā)能力。在實際生產(chǎn)中，產(chǎn)品設計工作以適應性設計和變型設計為主，獲取及重用設計知識對提高產(chǎn)品設計的質(zhì)量與效率有著十分重要的作用。但現(xiàn)有的產(chǎn)品快速設計系統(tǒng)開發(fā)方法要求產(chǎn)品設計人員與系統(tǒng)開發(fā)人員密切合作，技術人員的設計知識只能通過開發(fā)人員在系統(tǒng)中加以表達，系統(tǒng)的開發(fā)需要編寫大量代碼，從而限制了產(chǎn)品快速設計系統(tǒng)的應用。本文針對目前產(chǎn)品快速設計系統(tǒng)及相應知識開發(fā)工具的不足，在總結機械產(chǎn)品設計內(nèi)在規(guī)律的基礎上，結合參與開發(fā)的GSGS 格柵除污機快速設計系統(tǒng)［1］和汽車玻璃檢具快速設計系統(tǒng)［2］，抽取快速設計系統(tǒng)開發(fā)過程中的各類知識，開發(fā)出統(tǒng)一的界面方案和知識管理分析功能，并內(nèi)置基于知識驅(qū)動的幾何建模功能，開發(fā)了知識驅(qū)動的產(chǎn)品快速設計系統(tǒng)通用平臺，使產(chǎn)品設計人員在通用平臺的導引下快速開發(fā)相關產(chǎn)品的快速設計系統(tǒng)，從而減低了產(chǎn)品快速設計系統(tǒng)開發(fā)人員的工作難度，提高了開發(fā)效率，使產(chǎn)品快速設計系統(tǒng)的開發(fā)人員更關注于產(chǎn)品設計本身的設計知識而不是較難的軟件開發(fā)。

1 通用平臺的總體設計

知識驅(qū)動的產(chǎn)品快速設計系統(tǒng)通用平臺用于快速構架相關產(chǎn)品的快速設計系統(tǒng)，在通用平臺的導引下，用戶輸入產(chǎn)品的相關設計知識，通用平臺可快速構建出相關產(chǎn)品快速設計系統(tǒng)的產(chǎn)品設計導引、知識庫、推理機、實例庫等功能模塊。

1.1 通用平臺的結構與工作流程

針對適應性設計和變型設計的特點，在分析和研究特定產(chǎn)品快速設計系統(tǒng)一般開發(fā)流程的基礎上，將產(chǎn)品快速設計系統(tǒng)通用平臺的設計抽象為系統(tǒng)初始環(huán)境生成器，菜單編輯生成器，對話框資源生成器，公式生成器，表格生成器，推理機制生成器，知識解釋器，實例編輯器，知識工具器等模塊。如圖1 所示。

在利用通用平臺創(chuàng)建相關產(chǎn)品的快速設計系統(tǒng)時，產(chǎn)品設計人員通過系統(tǒng)導引生成器構造相關產(chǎn)品快速設計系統(tǒng)的結構框架，形成相關產(chǎn)品設計導引;利用菜單編輯器和對話框資源編輯器創(chuàng)建相關產(chǎn)品快速設計系統(tǒng)的人機界面，以引導用戶輸入與產(chǎn)品設計相關的工程信息，包括創(chuàng)建工具條、菜單和對話框;相關產(chǎn)品的設計知識是通過公式編輯器、表格編輯器、實例編輯器、知識工具器等功能模塊創(chuàng)建的，依據(jù)用戶輸入的不同類別的信息，分類成不同類型的知識，并以不同的形式保存到知識庫中，利用知識解釋器將各類知識轉變成以KF(Knowledge Fusion)知識語言表示的知識，并存放到與產(chǎn)品設計相關的知識庫中;最后通用平臺依據(jù)所獲得的推理判斷性知識，生成相關產(chǎn)品的快速設計系統(tǒng)的推理機，包括:推理器、裝配器、鏈接器和參數(shù)更新器。

圖1 快速設計系統(tǒng)通用平臺結構與工作流程圖

1.2 通用平臺的功能模塊

知識驅(qū)動的產(chǎn)品快速設計系統(tǒng)通用平臺是一個設計向?qū)到y(tǒng)，用戶可以在系統(tǒng)的指導下完成相關產(chǎn)品的快速設計系統(tǒng)的開發(fā)。針對相關產(chǎn)品快速設計系統(tǒng)的開發(fā)流程，我們對通用平臺的功能模塊進行了劃分，如圖2 所示。

圖2 快速設計系統(tǒng)通用平臺的功能模塊

主控模塊:提供一個友好的人機界面，使設計人員不必了解各個模塊的結構和復雜的內(nèi)在關系，根據(jù)智能導引和提示信息輸入相關的產(chǎn)品設計知識，設計導引信息等，系統(tǒng)有機地將各設計模塊統(tǒng)一起來，并負責各模塊之間參數(shù)的提取與傳遞，使設計人員不必了解系統(tǒng)內(nèi)部結構，就能實現(xiàn)對各模塊的調(diào)用，最終生成用戶需要的產(chǎn)品快速設計系統(tǒng)。

系統(tǒng)初始環(huán)境生成器:系統(tǒng)初始環(huán)境生成器提供設置快速設計系統(tǒng)環(huán)境的功能，是構造產(chǎn)品快速設計系統(tǒng)結構框架的工具。在用戶輸入與產(chǎn)品快速設計系統(tǒng)相關的信息后，該功能模塊能自動設置并構建快速設計系統(tǒng)框架。

菜單編輯生成器:菜單編輯生成器依據(jù)用戶輸入的信息，在指定的路徑下生成工具條文件、菜單文件腳本。

對話框資源生成器:用戶通過對話框資源生成器輸入對話框文件的文件名、控件名、類型、初始值、控件值，保存后系統(tǒng)將對話框文件復制到產(chǎn)品快速設計系統(tǒng)路徑中的application 文件夾;并生成響應、控制對話框的KF 表示的導引知識庫。

公式生成器:依據(jù)用戶輸入的公式，生成KF 表示的公式規(guī)則，同時提供對已有公式(公理性設計知識)進行編輯的功能。

表格生成器:依據(jù)用戶輸入的表格查詢信息(由表格、圖表表示的公理性設計知識)，生成KF 表示的表格數(shù)據(jù)查詢規(guī)則。

推理機生成器:提供給用戶建立、編輯、推理流程的工具，依據(jù)用戶輸入的信息，生成相關產(chǎn)品快速設計系統(tǒng)的推理機。

知識解釋器:解釋CLIPS 表示的知識與KF表示的知識之間的關系，實現(xiàn)CLIPS 表示的知識無縫地轉化成KF 表示的知識。

實例編輯器:依據(jù)用戶輸入的實例信息(零件模型、或生成零件的代碼表示的產(chǎn)品設計知識)，生成KF 表示的實例，及匹配實例的規(guī)則。

知識工具器:提供可視化的設計知識編輯器，依據(jù)用戶輸入的不同類別的信息，分類成不同類型的知識，并以不同的形式保存到知識庫中，最終生成與產(chǎn)品設計相關的知識庫。

2 通用平臺的關鍵技術

2.1 設計知識的發(fā)掘與表示

產(chǎn)品設計知識表現(xiàn)為多種形式，根據(jù)產(chǎn)品的設計要求和特點，按設計知識的來源和設計中的作用不同可分為設計原理知識、推理判斷性知識、產(chǎn)品結構知識和設計流程知識。

(1)設計原理知識

設計原理知識包括來自設計手冊、標準、規(guī)范及國內(nèi)外成熟產(chǎn)品的范例等與產(chǎn)品設計相關的知識，主要供給關注產(chǎn)品本身的設計人員，是最重要的產(chǎn)品設計知識。它反映了產(chǎn)品的性能指標、系列規(guī)格和國家標準等［3］。

對于以表格形式體現(xiàn)在相關產(chǎn)品設計手冊中的設計原理知識，以二維表的形式表示和存儲。例如:系列螺栓的數(shù)據(jù)、公差表等數(shù)據(jù)都是以表格的形式出現(xiàn)在產(chǎn)品設計手冊中。在人機界面的引導下，用戶輸入相關產(chǎn)品設計的數(shù)據(jù)，快速設計系統(tǒng)通用平臺將這些數(shù)據(jù)組織到二維表中，并生成能驅(qū)動二維表的DFA 文件(KF 編寫的程序)，DFA 文件可以根據(jù)關鍵字的值讀取并返回一個表示數(shù)據(jù)的鏈表。

對于以圖表形式表現(xiàn)的相關產(chǎn)品設計的公理知識，將圖表轉化成二維表表示的知識或轉化成公式化表示知識。

(2)推理判斷知識

推理判斷知識關于產(chǎn)品設計過程的知識，是解決產(chǎn)品設計過程中的經(jīng)驗知識，是專家長期從事產(chǎn)品設計的經(jīng)驗和知識的總結［3］。如根據(jù)工程參數(shù)確定零部件的合理配置等。

對于隱藏在專家腦海中的推理判斷知識，可采用基于規(guī)則的表示，用顯式的“標準”方式表示各種具體的求解策略。本系統(tǒng)采用可視化的編輯工具，將推理判斷知識用一些圖符以二叉樹方式加以表達，通用平臺生成反映設計推理判斷和設計流程的判定樹，判定樹會通過一系列判定或問題修剪判定樹的搜索空間從而逐步減少可能的解而最后導出一個解的。一旦完成知識的編輯，知識工具器將把圖符表示的知識“翻譯”成CLIPS(C Language Integrated Production System)知識語言表示的知識，形成以CLIPS 語言表示的具體產(chǎn)品設計的知識庫。CLIPS是基于規(guī)則的通用專家系統(tǒng)開發(fā)工具，長于表示邏輯推理。通用平臺通過知識解釋器將CLIPS 表示的推理判斷性知識翻譯成KF 表示的知識庫。

(3)產(chǎn)品結構知識

產(chǎn)品結構知識是反映產(chǎn)品中零件的尺寸、拓撲結構，及零部件之間的空間約束關系、裝配關系和幾何對應關系。比如:機床刀架的確定將由刀架形式、刀槽寬度和高度、刀架寬度和高度及刀架定位方式的不同而不同。

產(chǎn)品結構知識采用框架與規(guī)則的復合描述方法，將產(chǎn)品按照“分級模塊化設計”原理進行分類，把某一類產(chǎn)品模型抽象為一種相對穩(wěn)定的模型框架，而這一類產(chǎn)品模型中的任一具體模型則表現(xiàn)為一組結構數(shù)據(jù)，即把產(chǎn)品設計中的任一具體模型的結構數(shù)據(jù)從圖形中抽取出來，這樣，模型實例的查詢、檢索就轉化為對模型類的實例化，簡化了實例推理的難度。用框架與規(guī)則的復合描述時，規(guī)則能夠連同框架一起分類，并且在描述某一條規(guī)則時，可以包含該規(guī)則的其它屬性。比如，反映部件間裝配關系的知識，采用了框架與規(guī)則的復合表示。

框架名:＜MACHINE ＞

屬性槽名:ASSEMBLY_CONSTRAINTS

部件名:t_bl40001

實例名:t_bl40001

父部件名:t_bl0000

父實例名:t_bl0000

配對類型:{a，a，m}

規(guī)則槽名:condition_data

加載條件:srl0 =1

(4)設計流程知識

設計流程知識主要反映了產(chǎn)品設計的要求和特點，控制整個產(chǎn)品設計進程的進行。包括:產(chǎn)品的設計流程、評價原則等。比如產(chǎn)品的設計步驟、各部件系統(tǒng)的設計、產(chǎn)品不同部件在設計時的相互關系，以及部件結構的評價及分析標準等。

設計流程知識具有結構化的特點，框架表示法是一種知識結構化表示方法，也是一種定型狀態(tài)的數(shù)據(jù)結構，它由框架名和一組用于描述框架各方面具體屬性的槽組成框架。故而采用框架表示法表示反映工程參數(shù)的設計流程知識。例如，BL 車床進給箱的主要工程參數(shù)的框架結構:

框架名 ＜BL_FeedBox860 ＞

同類槽:＜BL_FeedBox400 ＞

基本螺距機構:變速齒輪

倍增螺距機構:變速齒輪

運動分配機構:滑移齒輪

操縱機構:單獨擺動式

操縱手柄形式:手柄式

2.2 推理機生成器的建立

推理機是快速設計系統(tǒng)實現(xiàn)自動設計的核心，推理機生成器依據(jù)經(jīng)過解釋的輸入?yún)?shù)與知識庫中的產(chǎn)品配置結構庫，裝配知識庫中的對應規(guī)則依次進行匹配，智能地完成各種檢索匹配工作，推理機生成器將生成動態(tài)鏈接庫文件與DFA 文件。生成的推理機中包含有:導引與推理機的接口，使導引在調(diào)用解釋器程序后，自動調(diào)用推理程序;推理器，遍歷產(chǎn)品知識庫，完成整個產(chǎn)品零部件的匹配、選擇;裝配器，依據(jù)裝配知識庫中的裝配知識，完成零件間的裝配;鏈接器，依據(jù)鏈接知識庫中的鏈接知識，完成零件間的鏈接關系的恢復;參數(shù)更新器，依據(jù)參數(shù)更新知識庫中的參數(shù)更新知識，完成零件的表達式參數(shù)的更改。

在含多級裝配的推理過程中，推理結果可能會要求將部分約束規(guī)則傳遞給還沒有建立的子裝配，我們采用將KF 類強制性加入到推理規(guī)則中，通過控制推理順序來確保系統(tǒng)按要求進行類的實例化。

2.3 模板庫的建立

產(chǎn)品結構知識中反映產(chǎn)品結構幾何特征的知識，以幾何模型的形式存貯在產(chǎn)品模板中。模板庫是進行產(chǎn)品適應性設計和變型設計的基礎，產(chǎn)品模板中不光包含零部件自身結構特征的信息，還包含反映與其相關聯(lián)的零部件之間幾何關系的鏈接幾何體。模板庫的建立包括以下三個方面:

(1)產(chǎn)品的模塊化分析

通過對產(chǎn)品結構的分析，根據(jù)特定產(chǎn)品的功能要求，確定其基本配置和組成，確定零部件之間的裝配關系，建立產(chǎn)品的自頂向下的有層次的裝配樹。與產(chǎn)品分解分類關系相對應，標明裝配樹中各組元結點的幾何關系以及參數(shù)關系，為建立產(chǎn)品模板做好基礎。

(2)產(chǎn)品模板的建立

在建立產(chǎn)品模板的過程中，采用WAVE(What-if Alternate Value Engineering，部件間的相關性)技術建立產(chǎn)品模板，當改變父部件中定義的幾何體時，則抽取該幾何體的所有部件中的對應幾何對象會自動更新，從而實現(xiàn)部件間幾何形狀的自上而下的控制，能夠保證產(chǎn)品概念設計與詳細設計的變化自始至終地貫穿到整個產(chǎn)品模板。

(3)產(chǎn)品模板的對象化

在模塊化分析與產(chǎn)品模板建立后，通過實例編輯器將控制產(chǎn)品模板的幾何形狀與空間位置的裝配坐標等信息抽象出來并采用對象表示法表示，實現(xiàn)實例的幾何模型與抽象的類分離。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

產(chǎn)品快速設計系統(tǒng)通用平臺利用Visual Studio 2010、KF、CLIPS 為系統(tǒng)開發(fā)工具，通過二次開發(fā)與CAD 系統(tǒng)集成。通過可視化的知識編輯模塊設計人員將設計知識以二叉樹方式加以表達，形成以CLIPS知識語言表示的具體產(chǎn)品設計的知識庫，圖3 為可視化的知識設計器;通過系統(tǒng)初始化、菜單編輯器、對話框資源編輯器、公式編輯器、表格編輯器等模塊，形成以KF 知識語言表示或驅(qū)動的產(chǎn)品快速設計系統(tǒng)框架;通過推理流程編輯器模塊中的KF 與CLIPS 的解釋器，完成兩類知識語言的有效銜接。從而實現(xiàn)無需編寫代碼就可快速開發(fā)特定產(chǎn)品的設計系統(tǒng)。

圖3 可視化的知識設計器

例如:以車床系列型譜為基礎，結合BL 系列車床的特點以及客戶現(xiàn)有和潛在的需求，作為系統(tǒng)開發(fā)的目標。車床設計在加工長度為350m ～2000m，最大加工直徑為200mm ～500mm 等工作參數(shù)范圍內(nèi)。要求車床快速設計系統(tǒng)在過程導引的智能引導下，用戶輸入少量的工程參數(shù)，并進行少量的人機交互，系統(tǒng)自動完成車床的設計。

根據(jù)設計要求，首先對車床產(chǎn)品結構和功能的分析，掌握與車床設計相關的所有設計知識，包括:車床設計范例、型譜數(shù)據(jù)、國內(nèi)外標準、設計流程、設計準則、產(chǎn)品結構及結構與參數(shù)變型的類、零部件之間的相互關系等，并通過KF、知識編輯模塊等工具進行描述;其次建立蘊含產(chǎn)品設計知識的車床原型模板，當用戶修改產(chǎn)品的工程參數(shù)、更新工程知識和調(diào)整工程規(guī)則時，系統(tǒng)能激活相應的產(chǎn)品設計知識，使模板自動更新;最后根據(jù)車床設計流程創(chuàng)建相應的菜單和工具條文件，并按要求放置在相應的文件夾中。系統(tǒng)將由以下五個文件夾組成:startup、application、data、template、bmp。其中startup 文件夾包含平臺的菜單文件、工具條文件與相應的動態(tài)庫;application 文件夾包含平臺的所有對話框資源文件;data文件夾包含平臺的所有參數(shù)文件，例如流程知識庫、裝配知識庫、用戶輸入信息、關聯(lián)知識庫、表達式知識等相關知識庫或數(shù)據(jù)庫;template 文件夾中存放的是產(chǎn)品的原型模型以及原型模型相關的工程圖;bmp文件夾中包含工具條中所有的位圖文件。圖4、5 分別為通過平臺生成的車床快速設計系統(tǒng)界面和基于快速設計系統(tǒng)設計的BL 車床三維數(shù)字化樣機。

圖4 車床快速設計系統(tǒng)界面

圖5 基于快速設計系統(tǒng)設計的BL 車床三維數(shù)字化樣機

4 結論

本文在總結機械產(chǎn)品設計內(nèi)在規(guī)律，分析和研究特定產(chǎn)品快速設計系統(tǒng)的基礎上，開發(fā)了知識驅(qū)動的產(chǎn)品快速設計系統(tǒng)通用平臺，并將該平臺在BL 系列的車床設計中進行了成功的應用。生成的特定產(chǎn)品快速設計系統(tǒng)，可針對不同客戶對產(chǎn)品的配置形式要求，快速自動生成產(chǎn)品的三維模型，達到產(chǎn)品快速設計的結果，提高了產(chǎn)品設計的質(zhì)量和效率，縮短了產(chǎn)品設計周期，能夠有效地提高企業(yè)的市場快速反應能力與競爭能力。

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