楊志兵　李曼麗

北京理工大學,北京,100081

基于知識重用的鉗臂快速設(shè)計方法

楊志兵李曼麗

北京理工大學,北京,100081

為充分利用已有設(shè)計知識實現(xiàn)鉗臂的快速設(shè)計,提出了一種將知識重用與參數(shù)化設(shè)計相結(jié)合的方法。分析了鉗臂的結(jié)構(gòu)和設(shè)計知識特點,并對知識進行了分類、表示。利用知識工程和參數(shù)化設(shè)計將事實性、過程性知識應(yīng)用到標準模型中，用實例表示網(wǎng)格劃分信息知識。在知識重用方面，采用基于實例的推理技術(shù),并結(jié)合鉗臂實例的屬性相似度及歷史設(shè)計的指導因子,檢索與當前設(shè)計要求最匹配的實例。最后,通過實例驗證了該方法的可行性與有效性。

知識重用；參數(shù)化設(shè)計；快速設(shè)計；基于實例的推理

0　引言

電焊鉗用于汽車白車身焊接,是典型的多品種小批量生產(chǎn)設(shè)備。鉗臂零件作為自制件,相似度較高,因此設(shè)計的重復性工作量約占總設(shè)計工作量的50%。實際操作中,設(shè)計人員通常根據(jù)設(shè)計要求,憑借個人的設(shè)計經(jīng)驗在已有產(chǎn)品模型庫中選擇一套基本滿足用戶需求的模型作為設(shè)計依據(jù)去完成設(shè)計工作。查找的過程是一個憑借印象的無目的檢索過程,最后找到的模型不一定是真正匹配的模型,在一定程度上浪費了時間。另外，對檢索到的實例進行修改，也只是基于草圖和特征的修改，不僅繁瑣而且容易出錯，原有的設(shè)計知識并不能得到真正的重用。

近年來,知識重用得到越來越多的關(guān)注。為了能夠確保產(chǎn)品開發(fā)中進行有效的知識獲取、共享和重用,Baxter等[1]提出了將設(shè)計要求管理、設(shè)計原理和基于知識的設(shè)計方法集成的知識重用框架。知識的表示在很多研究中已經(jīng)體現(xiàn)，但是大多數(shù)研究傾向于結(jié)構(gòu)化的設(shè)計知識[2]。這類表示方法對于非結(jié)構(gòu)化和模糊的設(shè)計知識無法適用,而利用實例可以表達出這些知識。基于實例的推理(case-based reasoning,CBR)的關(guān)鍵思想是利用解決以前問題的適應(yīng)性方案處理新問題，目前，CBR的原理和技術(shù)都已經(jīng)很成熟。Janthong等[3]利用基于公理化設(shè)計和CBR技術(shù)來實現(xiàn)知識重用以滿足新的設(shè)計要求和約束。Vong等[4]根據(jù)相似度大小查找匹配實例,然后基于CBR技術(shù)對實例進行適應(yīng)性修改,生成新的液壓生產(chǎn)機設(shè)計方案。宋欣等[5]通過最近鄰算法匹配最相似的實例,并引入相似系統(tǒng)理論中的敏感性分析來配置屬性的權(quán)重。以上研究在相似度計算時,僅分析了新實例與已有實例的共有屬性,并未考慮前人設(shè)計新實例時對已有實例所進行的選擇，而這一點對于實例是否匹配也很重要。

針對目前鉗臂的設(shè)計現(xiàn)狀,本文在設(shè)計知識研究的基礎(chǔ)上，提出利用知識重用和參數(shù)化設(shè)計相結(jié)合的方法來實現(xiàn)鉗臂的快速設(shè)計，并開發(fā)用戶界面，提高設(shè)計可視性。

1　鉗臂設(shè)計的知識重用概念

要實現(xiàn)鉗臂設(shè)計知識的重用,首先必須了解鉗臂的結(jié)構(gòu)和設(shè)計特點。鉗臂主要包括鉗臂組件和握桿組件。由于重復性工作較多，且對設(shè)計人員的專業(yè)設(shè)計知識要求較高，因此重用已有設(shè)計知識具有重要意義。

鉗臂設(shè)計過程中的知識是指共享的公式化規(guī)則和設(shè)計者的經(jīng)驗，其內(nèi)涵是有關(guān)設(shè)計信息和設(shè)計經(jīng)驗的總和[6]。在實際設(shè)計中,知識大多體現(xiàn)為設(shè)計人員的設(shè)計經(jīng)驗，簡單知識可利用表達式進行描述,但是復雜知識連設(shè)計人員自己也無法清楚地描述。將獲取到的設(shè)計知識分為幾何關(guān)系(設(shè)計參數(shù)等)、算法規(guī)則和關(guān)系(裝配關(guān)系等)、常見技術(shù)設(shè)計規(guī)則(國家標準、行業(yè)標準等)、企業(yè)知識設(shè)計規(guī)則(經(jīng)驗規(guī)則等)[7]。為了有效地表示和重用鉗臂設(shè)計的知識，本文采用如圖1所示的框架實現(xiàn)基于知識重用的鉗臂快速設(shè)計。

圖1　鉗臂設(shè)計知識重用的框架

(1)鉗臂設(shè)計知識的獲取。鉗臂設(shè)計知識的來源主要包括設(shè)計手冊和標準，是國家、行業(yè)或企業(yè)等的設(shè)計標準;專家經(jīng)驗,指一些有經(jīng)驗的設(shè)計人員所積累的設(shè)計經(jīng)驗；成熟的產(chǎn)品設(shè)計知識,指在設(shè)計過程中被設(shè)計人員所共享的成熟的設(shè)計知識。本研究中將鉗臂設(shè)計知識主要分為產(chǎn)品編碼、設(shè)計參數(shù)、設(shè)計規(guī)則、裝配關(guān)系、網(wǎng)格劃分信息。

(2)鉗臂設(shè)計知識的表示與應(yīng)用。鉗臂的設(shè)計知識分類之后，需要通過法則對這些知識進行符號化的描述，使其能夠進行共享和繼承。產(chǎn)生式規(guī)則表示法是常用的知識表示方法，此外還有編碼表示法、過程表示法、實例表示法等方法。設(shè)計參數(shù)、產(chǎn)品編碼為事實性知識；設(shè)計規(guī)則、裝配關(guān)系為過程性知識,可以通過產(chǎn)生式規(guī)則或過程等完整地表示出來，并應(yīng)用到標準模型中；網(wǎng)格劃分信息作為鉗臂設(shè)計中的實例性知識，難以用符號表示，可以通過實例去表示。

(3)基于實例的推理和知識重用?；趯嵗耐评硗ㄟ^實例對設(shè)計知識的再利用，來實現(xiàn)產(chǎn)品的快速設(shè)計。新產(chǎn)品設(shè)計時，設(shè)計人員往往會參照與當前設(shè)計要求較匹配的實例，在該實例基礎(chǔ)上進行修改設(shè)計，修改過程實際上就是一個知識重用的過程。

2　鉗臂設(shè)計知識的表示與應(yīng)用

獲取產(chǎn)品設(shè)計階段的重要知識并應(yīng)用于設(shè)計的驗證和測試，有助于根據(jù)過去和當前的趨勢去預見未來的發(fā)展[8]。將產(chǎn)品設(shè)計過程中形成的規(guī)則、經(jīng)驗等知識重復應(yīng)用到設(shè)計活動中，需要對這些知識進行統(tǒng)一的組織、管理，并用適當?shù)姆椒ㄟM行表示。

2.1鉗臂編碼知識及表示

鉗臂產(chǎn)品種類較多,為便于管理和查詢,應(yīng)根據(jù)鉗臂的結(jié)構(gòu)特點和功能特性對鉗臂進行分類，并賦予各類模型具有一定規(guī)律性、便于設(shè)計人員和系統(tǒng)識別處理的編碼，通過這些編碼可以了解鉗臂的設(shè)計信息。鉗臂的編碼知識利用編碼表示法進行表達，編碼規(guī)則如下:①第1位碼表示鉗臂類型,鉗臂分為C型和L型，分別用C和L表示；②第2位碼表示鉗臂彎折方式，每類鉗臂都有4種彎折方式，分別用1、2、3、4表示；③第3位碼表示鉗臂連接方式，分為卡塊連接和螺紋連接，分別用1和2表示；④第4位碼表示電極握桿組件，電極握桿作為企業(yè)標準件有不同的種類，用阿拉伯數(shù)字表示。

2.2鉗臂設(shè)計參數(shù)、設(shè)計規(guī)則、裝配關(guān)系知識與表示

鉗臂的設(shè)計參數(shù)描述了鉗臂的基本結(jié)構(gòu)；設(shè)計規(guī)則代表產(chǎn)品設(shè)計時參數(shù)與參數(shù)或零件之間的配置，如當鉗臂寬度和直徑一定時，鉗臂的彎折角度應(yīng)該在一定范圍內(nèi)或遵從某個關(guān)系表達式；裝配關(guān)系描述了零部件之間的約束關(guān)系。參數(shù)化設(shè)計和CATIA V5知識顧問模塊可以將隱式的設(shè)計經(jīng)驗轉(zhuǎn)化為嵌入設(shè)計過程的顯式知識。下面將通過某一類型鉗臂的參數(shù)化設(shè)計過程闡述這三種知識的表示方法和應(yīng)用。

2.2.1建立鉗臂模型

在CATIA平臺下利用三維設(shè)計技術(shù)建立鉗臂的三維模型,根據(jù)鉗臂的結(jié)構(gòu)信息特別是倒角或凹槽類似特征確定特征建立的順序，以免某些變量的修改量比較大時，一些特征出現(xiàn)嚴重變形，甚至導致模型無法更新。

2.2.2定義設(shè)計參數(shù)

各級參數(shù)之間存在的關(guān)聯(lián)關(guān)系本質(zhì)上就是產(chǎn)品的設(shè)計參數(shù)知識,建立這些關(guān)系是參數(shù)化設(shè)計的關(guān)鍵。根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點，設(shè)置以下參數(shù)作為主參數(shù)：鉗臂直徑D、握桿直徑d、加強筋屬性rib、總長度L1、軸長L2、軸徑D2、總寬度W、鉗臂第一段寬度W1、鉗臂第二段寬度W2、握桿高度H、傾斜角度A、鉗臂第一彎折角度A1、鉗臂第二彎折角度A2。

鉗臂設(shè)計過程中,主參數(shù)設(shè)置為全局參數(shù)，依據(jù)設(shè)計經(jīng)驗、設(shè)計標準等確定產(chǎn)品的從參數(shù)及關(guān)聯(lián)規(guī)則,并利用CATIA V5的知識工程顧問模塊中的公式(Fomula)建立關(guān)聯(lián)關(guān)系。如握桿的彎折角度由鉗臂彎折角度和傾斜角共同決定：

PartBodyRib.1Sketch.3Angle.1Angle =

180deg-`External ParametersA2 arm_angle_2`+`A holder_angle`

實現(xiàn)設(shè)計知識的重用需要繼承以往的設(shè)計經(jīng)驗，因此產(chǎn)品的設(shè)計參數(shù)應(yīng)該保留下來,便于為后續(xù)設(shè)計提供借鑒。為了方便鉗臂設(shè)計參數(shù)的記錄和調(diào)用，采用數(shù)據(jù)庫的形式來表示這些設(shè)計參數(shù)。

2.2.3定義設(shè)計規(guī)則

只有了解了設(shè)計規(guī)則，才能快速進行產(chǎn)品的變型設(shè)計。因此，將設(shè)計規(guī)則表示并存儲在標準模型中，即使設(shè)計人員沒有成熟的設(shè)計經(jīng)驗，也可順利完成設(shè)計。設(shè)計規(guī)則往往采用產(chǎn)生式規(guī)則表示法描述。

給定鉗臂直徑D和握桿直徑d的數(shù)值,則鉗臂和握桿連接處的其他尺寸均固定,配合的卡塊、螺栓、墊片等規(guī)格也可確定。通過CATIA V5知識工程顧問模塊中的Rules功能建立規(guī)則，命名為Type，代表6種尺寸配合方式，分別用T1，T2，…，T6表示。部分代碼如下：

if Type =="T1"

{`21.567.40670D1 arm_diameter`=45 mm %鉗臂直徑D

`21.567.40670D3 holder_diameter` =24 mm%握桿直徑d

`21.567.40670D5 hole_diameter_1` =6.6 mm%鉗臂孔徑d2

`B6.012.052RelationsDesignTable.1Configuration`=1%卡塊型號

……

}

另外,一些設(shè)計人員必須要遵守的設(shè)計規(guī)則也可通過Checks功能編寫代碼進行描述。如定義軸徑必須要小于鉗臂直徑，代碼為`22.577.40670D1 arm_diameter`> ShaftD,如果設(shè)計時違反了該標準,則會出現(xiàn)警示圖標,直到設(shè)計人員修改符合檢驗條件為止。

2.2.4定義鉗臂裝配關(guān)系

裝配關(guān)系主要有兩類：一類是標準件與裝配件之間的幾何約束關(guān)系；另一類是在裝配設(shè)計中所需要的裝配特征，如面、軸等幾何元素(通常在裝配件和標準件的建模過程中都會進行標識)。鉗臂設(shè)計過程中，若完全由設(shè)計人員確定裝配關(guān)系并手動完成裝配過程,則很容易發(fā)生遺漏或錯誤。本文將裝配關(guān)系知識利用過程封裝起來，在參數(shù)化設(shè)計中直接調(diào)用相應(yīng)子程序即可。

利用Publication功能發(fā)布與鉗臂組件和握桿組件裝配有關(guān)的軸、面等特征。將裝配關(guān)系用過程表示法表示，設(shè)計時調(diào)用該過程可方便地進行握桿組件的替換，同時不改變裝配的約束關(guān)系。

2.2.5完成參數(shù)化建模

通過以上過程能夠?qū)崿F(xiàn)鉗臂模型在CATIA V5平臺下的參數(shù)化設(shè)計,從而生成標準CAD模型，并保存在標準模型庫中。

2.3鉗臂網(wǎng)格劃分信息表示

建立鉗臂的CAD模型之后，在一定程度上完成了鉗臂設(shè)計。分析鉗臂的強度和剛度是否滿足實際應(yīng)用要求,需要對鉗臂進行有限元分析。鉗臂有限元分析前處理關(guān)鍵的一步是網(wǎng)格劃分，只有高質(zhì)量的網(wǎng)格劃分才能得出有意義的分析結(jié)果。以往設(shè)計中,鉗臂的有限元分析是利用CATIA V5自動劃分的網(wǎng)格進行計算的，結(jié)果很不精確。在其他一些研究中,網(wǎng)格劃分會涉及一些復雜的算法，但由于相當多的參數(shù)和特征都會在一定程度上影響網(wǎng)格，即使再精確的算法也缺少實際支撐。故本研究用具體的實例表示網(wǎng)格劃分的知識。

基于一種鉗臂的標準模型，固定其他參數(shù)值，使其中一個參數(shù)在給定范圍內(nèi)變動，如果該參數(shù)的變化使得鉗臂有限元模型的網(wǎng)格劃分差異比較明顯，則該參數(shù)對網(wǎng)格劃分影響較大。通過分析，影響鉗臂網(wǎng)格劃分效果的主要參數(shù)是鉗臂直徑D。因此，基于不同的D將鉗臂進行實例化,然后將對應(yīng)的網(wǎng)格劃分良好的模型存入實例庫中，使得網(wǎng)格劃分信息這類實例性知識通過實例表示。

2.4其他知識的表示

成熟的經(jīng)驗也是產(chǎn)品設(shè)計的依據(jù)和參考,因此,把以往的經(jīng)驗數(shù)據(jù)以參數(shù)的形式存儲在參數(shù)庫中。例如，當考慮鉗臂是否需要加強筋時，調(diào)出已有鉗臂實例有限元分析的結(jié)果，查看沒有加強筋時是否滿足強度要求，從而為新設(shè)計提供指導，并節(jié)省分析時間。

3　基于實例的推理

經(jīng)過實踐檢驗、符合設(shè)計和工程要求的模型，可作為實例進行保存，并作為重要的設(shè)計參考依據(jù)。數(shù)量較多的實例使得通過實例檢索來實現(xiàn)設(shè)計知識重用成為一種趨勢，因此尋找一種行之有效的實例檢索方法也變得越來越重要[9]。

3.1實例檢索

實例檢索是利用特征索引和相似度知識從產(chǎn)品實例庫中查找與設(shè)計要求最匹配的實例[10]。在分析鉗臂設(shè)計的基礎(chǔ)上,為便于實例檢索,采用三維實例模型與模型特征數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法來描述實例。首先,通過鉗臂編碼查找到三維實例模型,然后根據(jù)特征數(shù)據(jù)找到對應(yīng)的實例。本研究中,直徑對網(wǎng)格劃分影響較大,實例庫中包括直徑分別為45 mm、50 mm、55 mm、60 mm的實例。

采用加權(quán)最近鄰算法進行實例檢索,其中包括以下兩個檢索因子。

3.1.1實例的相似度S

相似度計算是最近鄰算法的關(guān)鍵[11]。設(shè)a、b為兩個屬性,它們之間的相似度用sim(a,b)表示,其中,sim(a,b)∈[0,1]。對于有確定值的屬性,其相似度的表達式為

sim(a,b)=1-|a-b|/l

(1)

式中,l為檢索條件上下界限區(qū)間。

若直徑上下界限區(qū)間為5mm,則d=53mm的新實例與直徑D=55mm和D=50mm的實例相似度分別為

sim(53,55)=1-|53-55|/5=0.6

sim(53,55)=1-|53-50|/5=0.4

因此,直徑D=55mm的實例與設(shè)計要求比較匹配。

在計算新實例和已有實例相似度的時候,將新實例表示為

P0=(a01,a02,…,a0n)

(2)

式中,下標0表示新實例;a0j為新實例P0的屬性,j=1，2,…，n;n為所包含屬性的個數(shù)。

已有的第i個實例可表示為

Pi=(ai1,ai2,…,ai n)

(3)

式中,m為已有實例的數(shù)量;ai j為第i個已有實例的屬性，i=1,2,…,m。

則新實例與已有實例的屬性相似度構(gòu)成相似度矩陣

(4)

對于第j個屬性,若新實例與已有實例的相似度差異很小,則應(yīng)賦予該屬性較小的權(quán)重;反之,則賦予相對較大的權(quán)重。n個屬性的權(quán)重為

T=(t1,t2,…,tn)

因此,新實例和實例庫中第i個已有實例的加權(quán)平均相似度為

(5)

由于鉗臂網(wǎng)格劃分與直徑D的關(guān)系較大,本研究僅考慮直徑D單個因素,式(5)可簡化為

Si=sim(D′,Di)=1-|D′-Di|/5

(6)

式中,D′為新實例的設(shè)計要求的直徑;Di為原有實例庫中的直徑。

3.1.2歷史指導因子G

當設(shè)計人員檢索出多個模型時,最終會選擇最接近設(shè)計要求的一個模型,歷史的選擇對后續(xù)設(shè)計具有一定的指導意義，本研究根據(jù)查詢條件對設(shè)計人員選擇最終模型的結(jié)果進行統(tǒng)計。設(shè)定當查詢條件D′Di時,選擇該實例的次數(shù)為wi。

因此,原有實例庫中的第i個已有實例的歷史指導因子Gi表達式為

(7)

實例相似度S和歷史指導因子G的權(quán)重分別為A和1-A,本研究取A=0.7,通過式(6)、式(7)得出新實例P0與已有實例的總相似度：

(8)

當有多個已有實例均符合設(shè)計要求時,可設(shè)定一個閾值,取總相似度大于該閾值的實例或選取總相似度值較大的實例。

3.2知識重用

選擇與新設(shè)計要求較匹配的實例之后,需要對實例進行修改。實例包含了大部分的事實性知識、規(guī)則性知識和實例性知識，修改實例也就是重用了這些知識。本研究中，實例修改主要包括設(shè)計參數(shù)修改和零部件替換兩個方面。

3.2.1設(shè)計參數(shù)修改

鉗臂實例中的設(shè)計參數(shù)通過用戶自定義設(shè)置主參數(shù),使設(shè)計規(guī)則、成熟的設(shè)計經(jīng)驗及網(wǎng)格劃分信息均與主參數(shù)相關(guān)聯(lián)。例如，修改鉗臂直徑D和握桿直徑d后，卡塊、內(nèi)六角螺栓等標準件自動更新規(guī)格，對應(yīng)的有限元模型也自動更新。修改主參數(shù)時應(yīng)以歷史設(shè)計數(shù)據(jù)為指導，以避免設(shè)計失敗。

3.2.2零部件替換

在某些新設(shè)計中,有時不需要修改設(shè)計參數(shù)，只需替換零部件。例如,當鉗臂所受的焊接壓力比較大時，僅需要更改電極帽；但多數(shù)情況下，要替換整個握桿組件。

針對快速設(shè)計,本文利用VB6.0開發(fā)了圖2所示的鉗臂參數(shù)化設(shè)計界面。系統(tǒng)可自動讀取當前實例的設(shè)計參數(shù),并加載其他匹配實例的設(shè)計參數(shù)和歷史設(shè)計數(shù)據(jù)；另外，設(shè)計人員可直接在界面中進行參數(shù)修改和零部件替換，增加了實例修改的可視性，避免建模出錯。

圖2　鉗臂參數(shù)化設(shè)計界面

4　實例驗證

本文首先通過對CATIAV5進行二次開發(fā)，實現(xiàn)鉗臂的參數(shù)化設(shè)計；然后利用Access數(shù)據(jù)庫技術(shù)建立鉗臂產(chǎn)品的實例庫,方便設(shè)計人員調(diào)用;最后利用VB6.0開發(fā)用戶界面,實現(xiàn)實例檢索、實例修改以及實例的添加、刪除等功能。

(1)根據(jù)設(shè)計要求確定模型。設(shè)計人員根據(jù)焊接的板材厚度、材料、尺寸及其他要求，計算出所需的焊接壓力，從而確定鉗臂的類型，如選擇C313型;然后設(shè)定模型特征數(shù)據(jù),如鉗臂直徑D設(shè)為58mm；最后檢索實例庫。

(2)新模型設(shè)計。如果查找到匹配實例，則選取相似度較高的實例，根據(jù)設(shè)計要求進行實例修改(主要是參數(shù)修改和握桿組件的選擇)；否則，進行新的設(shè)計。

(3)驗證新模型。驗證新模型是否滿足設(shè)計要求，如不滿足，則重新調(diào)整參數(shù)或從握桿組件庫中查找到其他標準組件進行替換，然后重新驗證，直到滿足要求為止。

整個鉗臂的設(shè)計過程中，設(shè)計人員只需要在用戶界面上進行操作即可，既有效利用了封裝的設(shè)計知識，又大大節(jié)約了模型查詢時間和設(shè)計修改時間，在一定程度上實現(xiàn)了快速設(shè)計。

5　結(jié)語

本文提出的鉗臂快速設(shè)計方法充分重用了經(jīng)過實踐的設(shè)計知識,避免了設(shè)計人員的重復勞動，使其集中精力到創(chuàng)新設(shè)計。實例庫的建立使得鉗臂模型的統(tǒng)一管理成為可能。知識重用與參數(shù)化設(shè)計相結(jié)合的方法為鉗臂設(shè)計提供了一種思路，然而實例的檢索與匹配可能需要涉及更多的參數(shù)。但是，實現(xiàn)鉗臂快速設(shè)計不能僅限于建模層，最終確定設(shè)計是否成功還需進一步的仿真分析。未來可以對鉗臂有限元模型的分析進行擴展研究。

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(編輯張洋)

A Knowledge-reuse-based Rapid Design Method for Clamp Arms

Yang ZhibingLi Manli

Beijing Institute of Technology,Beijing,100081

To make full use of existing knowledges on clamp arm design,a method combined knowledge reuse and parametric design was put forward to realize the rapid design.The characteristics of clamp arms structure and design knowledge were analyzed,and the knowledge was classified and represented.The factual and procedural knowledges were applied to the standard models utilizing the knowledge engineering and parametric design,and the mesh information was represented through the instances.Through the CBR,the most matching instances were searched out according to the attribute similarity between the new instance and original instances,as well as the guidance factor of history design. Finally, a case study was demonstrated to show the feasibility and validity of the proposed method.

knowledge reuse;parametric design;rapid design;case-based reasoning(CSR)

2013-09-22

TP182;TP391.7< class="emphasis_italic">DOI

：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.02.017

楊志兵,男,1959年生。北京理工大學機械與車輛學院副教授。主要研究方向為工業(yè)工程和機械制造。發(fā)表論文10余篇。李曼麗,女,1990年生。北京理工大學機械與車輛學院碩士研究生。