基于知识工程的产品自顶向下快速设计研究
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摘 要：针对机械产品种类繁多、结构复杂、设计修改频繁等问题，结合知识工程和自顶向下的设计方法和关键技术，提出了基于知识工程的自顶向下设计理念与方法，通过创建基于知识的骨架模型的方法，完成了手套箱的快速设计，提出了一种产品的通用快速设计方法。
1 概述
当今市场竞争日渐激烈，先进理念和技术被广泛应用于现代工业中，制造企业之间的竞争已转变为基于时间和客户个性化需求的竞争。如何高质量、低成本、短交货期及个性化地生产出产品，已经成为制造企业获取新的竞争优势的研究方向[1]。如果能够加快产品系列化和多样化的开发周期，将会降低企业设计成本，提高企业的竞争力和应变市场的能力传统的产品总成设计方法是先单独把零件建构出来，再一一装配成产品模型，装配操作复杂，尺寸修改因难，设计变更时消耗大量的时间，而且不符合设计意图，整个产品开发项目不易管理难以实施和推动协同并行设计[2]。针对机械产品种类繁多、结构复杂、设计修改频繁等问题，通过对其产品设计过程和变型设计技术进行研究，运用知识工程、模块化技术、数据集成技术等完成产品自顶向下快速设计，克服产品设计中缺乏系统化理论、智能化支持和严重依赖专家经验等的不足，提高了企业的整体设计能力和设计效率、缩短设计周期，满足了用户对产品的快速设计需求，增强了企业的市场适应能力和竞争力。
2 知识工程和自顶向下
2.1 知识工程
知识工程（KBE，Knowledge Based Engineering）技术是面向现代设计要求而产生、发展的新型智能设计方法和设计决策自动化的重要工具[3]。其基本思想是在工程设计中将该领域专家的知识和经验加以总结，形成规则，存入计算机，建立知识库，在对工程问题求解中重用已有的知识和经验[4]。
2.2 自顶向下
自顶向下（Top-Down）是一种自上而下、先规划产品的整体结构，再逐步细化的设计过程，设计流程符合设计思路，即：总体布置总体结构；总体结构部件结构；部件结构部件零件。自顶向下设计思想也就是将复杂的大问题分解为相对简单的小问题，然后找出每个问题的关键、重点所在，然后用精确的思维定性、定量地去描述问题。Top-Down能够有效解决复杂机械产品的开发设计，设计准确程度比较高，顶层设计师的设计意图能够在团队中很好的进行传递和共享，利于在设计团队中实施和推动并行工程与协同设计。
3 产品基于KBE的自顶向下设计
3.1 设计理念
运用基于KBE的自顶向下设计理念与方法，需要设计人员在考虑产品功能和性能的基础上，将产品的组成和形状及各零部件之间的装配和约束关系转化为产品骨架模型中的设计参数、变量关系约束、零部件装配约束，使知识与骨架模型关联起来，完成产品骨架模型设计，并在总骨架模型中装配关系的约束下，进行零部件的详细设计。基于KEB的自顶向下快速设计思想融合了知识工程及自顶向下的全部优点，在个产品的整体结构设计阶段和局部细化阶段融入知识工程的建模理念，是一种更加符合人的常规思维方式的设计模式，有利于减少不必要的重复设计，更大程度上减轻设计人员的工作强度，以完成高效率、短周期的产品设计。
图1为基于KBE的手套箱自顶向下设计流程分为数据转化及骨架模型创建、手套箱子部件设计和重用零部件模型调用及三维模型生成等三个阶段：第一阶段是根据用户对手套箱功能和性能需求，结合已有的含了工程知识、几何知识、构形知识等的知识库，转换为设计人员所需主要设计参数如尺寸参数、主要性能参数、质量参数以及各部件基本型式，并建立基于KBE的产品骨架模型。第二阶段是设计人员根据总骨架模型给出的要求对各部件进行细化的过程。第三阶段调用模型库中的重用模型并结合已细化部件，生成手套箱模型，完成快速设计。图1为基于KBE的手套箱自顶向下设计流程。
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设计的第一阶段工作，将产品的总体结构布局、设计约束、参照基准及其布局等抽象出来，并使用空间的点、线、面及参数草图等构建出来，在此基础上引入知识来对其管理和控制变更。基于KBE的骨架模型能反映产品各零部件的空间布局、空间位置形状、拓扑关系和装配约束关系等要求的主要框架的空间线框架构。如图2手套箱骨架模型，由主箱体各基准面、转移箱基准面、支架基准面、照明基准面、手孔中心线、风机中心线、过虑器中心线、碘吸附器中心线、主箱体进气口直径、转移箱端法兰端面螺栓均布孔径、支腿端法兰均布孔径、手孔环内径等组成的能为下游细化设计所参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体、转移箱、高效过虑系统、除碘系统、照明系统等下游零部件设计所需的定位基准、设计基准和参考特征等。
3.3 实体设计
手套箱实体设计即完成手套箱第二和第三个阶段的工作，一方面从模型库中提取已有模型，实现重用，避免零部件重复设计；另一方面通过对骨架模型在宏观和微观上的细化、修改和调整，完成其他零部件的细化设计，实现产品的结构、设计意图的变更和传递，完成整个产品的参数化设计过程，实现产品的变形设计，图3为生成的实体模型。在实体设计过程中对于相对比较独立的零部件如手套箱上常用的高效过滤器、碘吸附器、手孔环等定型化产品进行模块化处理，存入产品模型库中，以提高零部件的重用性，进一步提高设计效率。
基于KBE的手套箱模型在实体设计过程中只需修改骨架尺寸，所有的关联零部件便会自动再生，进而提高产品的可修改性，在降低设计人员的工作量的同时保证各零部件设计的上下一致性。
4 结束语
因此基于KBE的自顶向下设计将知识工程、参数化特征造型融入到自顶向下的设计中，将自顶向下的设计思想贯穿于产品设计的全周期中，用知识来驱动控制参数化的骨架模型的变更和信息的传递，能较好的实现产品在设计开发过程中对于信息和数据的传递、共享、继承和变更，有效传递设计意图，设计意图的变更可以自顶向下的进行传递直到最底层的零件和图纸，使产品具有联动修改效应，在修改、变更中自动维护产品数据的一致性。为设计人员提供很大便利，有效缩短了设计周期。很好的满足了手套箱等成套产品的系列化、多样化以及快速响应变形设计。
参考文献
[1]张强，仲梁维.集成知识工程和实例推理技术的产品变型设计研究[J].现代制造工程，2013.
[2]王凯，李柏林，陈黎丽，等.基于知识的自顶向下参数化设计与应用[J].制造业自动化，31（9）.
[3]林国治.基于知识工程的汽车制动系统设计平台的研究[D].青岛：山东科技大学，2008.
[4]吕红光.基于知识工程的产品设计支持技术研究[D].杭州：浙江工业大学，2005.
作者简介：李小明（1984-），山西吕梁人，中国辐射防护研究院，研究实习员，工学硕士，从事煤矿噪声治理设备、辐射防护产品及承压设备等的开发设计。