基于知识工程的机械标准件设计与研究

周 浩，朱文华，陈 鹏

(上海大学 CIMS与机器人中心，上海 200072)

0 引言

现代机械标准件设计与制造是传统标准件设计和制造与计算机等相关先进技术和理论相结合的产物，是先进制造技术的体现，涉及到CAD等一系列关键技术[1,2]。

早期的CAD技术用于标准件的设计，只是注重如何创建几何绘图等基本的设计功能。零件之中尺寸连接缺乏相关性，零件局部的修改可能意味着整个零件的重新设计，从而导致标准库零件开发效率低，库零件使用不便等缺陷。

随着计算机技术的发展，参数功能的使用已经成为CAD系统的重要趋势。在参数化CAD中，以几何约束来表达产品模型的尺寸特征，使之成为任意调整的变量。修改这些变量，并修改由这些变量与之相关联的一些公式计算出来并发生变动的其它相关尺寸，就可得到不同大小尺寸、但形状类似的零件模型。这种由几何尺寸的约束关系作为驱动力的参数化设计可以降低系统资源消耗和提高模型生成以及修改效率。拥有参数化设计功能的CAD系统大大方便了那些结构或功能上相似，只需做局部修改的产品开发。

但是，这种参数化设计也存在零件的特征无法修订、自变量之间无法建立函数关系、不能对自变量进行约束等缺陷。

单单使用参数化设计的CAD系统总存在这样那样的问题。引入知识工程能够捕捉过往的设计知识，让参数化设计上升到知识的再利用。

1 知识工程在CAD软件中的运用

知识工程这个术语最早是由美国斯坦福大学计算科学系教授费根鲍姆于1977年在第五届国际人工智能联合大会上提出。其最基本的含义就是人工智能在知识信息处理方面的发展，利用网络平台和计算机系统，完成知识的采集、整理、加工、制作、存储和发送。知识工程解题的过程，首先运用已掌握的知识进行启发式的解题，在解题中不断修正旧知识，获取新知识，从而不断丰富和深化已有的知识，并在更高的层次上再次运用被丰富和深化知识求解问题，如此循环往复，不断叠加，螺旋式上升，直到把问题解决为止[3]。

知识工程有着及其广阔的运用领域。1998年，美国学者首先提出了知识工程在机械CAD系统中的应用，在产品设计过程中把涉及产品的所有信息集合起来，组成产品的知识库，使设计者从设计初期大量的重复性工作中解脱出来，使机械CAD系统能利用网络平台或计算机延伸以创造性思维为核心的人类专家的设计能力，尽可能地实现了设计过程的自动化[4,5]。

知识工程主要是采用以下两种方法来解决了当前参数化设计的不足。一方面，建立产品的特征库和产品的特征关联，在知识工程的设计过程中实现了特征尺寸的修订，通过建立尺寸关联库，使得产品的特征和尺寸的关联信息更为明晰。另一方面，根据现有的设计标准，引入校验，不仅对某些变量进行约束，同时在变量与变量之间建立函数约束关系，组成一个设计校验库。当产品违反设计标准，立刻提示相应的出错警示，以便设计人员及时修改，从而有效地增强了参数化设计的可靠性，以期获得最佳的产品[6]。

知识工程应用于工程领域和科研领域都取得一些卓有成效的成果。在国外美国美洲虎（Jaguar）集团运用知识工程系统于赛车领域，美国福特公司认为知识工程是21世纪用于信息处理的关键技术之一[7]，新加坡南洋理工大学Zhang等基于知识工程思想建立了智能仿真系统[8]，美国华盛顿大学Calkins教授认为知识工程与CAD技术紧密结合将有助于标准件设计，软件开发，有助于明确产品设计、分析和制造的工程准则[9]。

国内，哈尔滨工业大学林琳[10]等基于知识工程的思想进行了产品的概念设计。湖南大学贺斌[11]等基于知识工程进行了汽车覆盖件模具模块化设计技术研究。武汉理工大学熊志勇[12]等基于知识工程对产品创新关键设计技术进行研究。武汉大学曹生荣[13]等基于知识工程进行了水库调度系统的研究。

2 基于知识工程参数化CAD设计框架

2.1 设计框架

基于知识工程参数化产品设计系统的框架如图1 所示，它把知识工程与参数化设计有机地结合起来。设计师运用用户应用程序界面模块的输入设计要求（参数化设计、装配设计、结构分析和优化设计）、产品工程参数等。知识库模块是系统的核心, 存储着大量的标准件数据、实例、工程数据、领域专家的经验、知识和使用这些知识的规则[14]。它通过管理系统调整产品的形状、尺寸、结构和特征，实现尺寸驱动和特征驱动。判断设计方案，检验设计方案是否符合要求。同时通过NX/KF模块可以不断修正设计模块和丰富知识库模块。

2.2 Knowledge Fusion模块

图1 基于NX/KF 的产品设计框架

NX 是CAD/CAE/CAM一体化的高端软件，它可应用于产品从概念设计到实际产品的开发全过程。其知识工程已经成为NX软件系统的核心技术之一，它使得工程专业人员能够高效的获得最优的设计方案，从而创造出更大的利润。基于知识工程思想NX开发出了NX/Knowledge Fusion模块。

Knowledge Fusion模块具有下列优点：

1）物件导向程式语言，易学易懂；

2）提供模型物理量函数，如重心、惯性矩等；

3）使用者定义对话框(UI Styler)建构容易；

4）可读入外部资料作为建模依据；

5）控制参数拉杆可动态建模；

6）可进行模型最佳化设计。

Knowledge Fusion被紧密集成到了NX数字产品开发系统中，与传统的KBE技术相比，Knowledge Fusion的技术优势十分明显。Knowledge Fusion允许创建强大的应用软件，它综合了各种设计理论和知识处理技术，在已有的知识、标准和经验的基础上，通过知识的表达、中用和挖掘，对产品设计提供最优的设计方案。

3 运用零件族法和Knowledge Fusion模块进行标准件设计

3.1 零件族法设计承重梁

零件族法首先必须建立一个零件模板，然后对零件的尺寸参数化并建立参数化表达式，参数变量添加到电子表格参数表内。当用户使用标准件时，只需调入零件模板并在对话框中输入自定义的尺寸和外形变量，相应的零件模型就生产了。零件族法是基于参数化思想的CAD技术的典型运用。基于零件族的承重梁设计框架如图2所示。

图2 基于零件族的承重梁设计框架

用户界面在UG/NX任务栏中的重用库如图3所示。

图3 零件族法设计的承重梁用户界面

3.2 Knowledge Fusion模块设计承重梁

Knowledge Fusion采用面向对象的编程方式, 以NX/Open API作为二次开发的工具。利用Knowledge Fusion模块设计标准件要遵循以下三个原则；1）为标准件设立一个中心；2）尽可能的减少特征数；3）建立各个标准零件之间的尺寸关联。基于Knowledge Fusion模块设计的承重梁设计框架如图4所示。

图4 基于Knowledge Fusion的承重梁设计框架

完成用户界面设计后需要进行添加一个操作菜单，如图5所示。

3.3 比较

零件族法是建立标准件最常用的方法，其突出的优点是便于操作，创建后的标准件可作为子装配零件进行整体装配。缺点是人工输入数据到电子表格效率低下，同时容易造成错误。其次，零件族法固定了几何特征。细微的错误都有可能带来重新建模的风险。再次，使用零件族法约束的模型并非完全约束。如果输入的参数与设计值有较大偏差，有可能造成模型结构变形。甚至出现约束信息丢失，模型悬空这样的严重错误。

运用零件族法进行标准件设计，是采用几何尺寸的约束关系作为驱动力，而运用 Knowledge Fusion所建立的标准件，知识是驱动力，构型和工程规则则驱动几何。与零件族法相比，Knowledge Fusion方法方便、高效，同时又能减少出错率，不仅可以随时调整标准件的尺寸和外形，而且可以随时调整产品的结构和特征，即实现了尺寸驱动，又实现了特征驱动。同时Knowledge Fusion所建立的标准件必须经过知识库的检验，是否符合设计要求。Knowledge Fusion模块这种基于知识工程的参数化CAD设计从设计方法、设计手段和设计可靠性确保获得高品质的标准件。

4 结束语

Knowledge Fusion方法所建立的标准件，不同于常用的其它一些设计方法，具有使用简单、无需编译、 出错率低等特点。基于Knowledge Fusion所建立的标准件库文件将有助于设计人员繁琐的重复建模中解放出来，提升产品的开发质量和效率，最大程度上缩短产品的开发周期，从而提升企业的市场反应能力，最终提升企业的竞争力。随着CAD技术日趋完善，相信在不久的将来，基于知识工程机械产品参数化构型设计在标准件开发中将会得到更为广泛而成熟地应用。

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