机械产品快速设计平台的研究与开发 - 文章

机械产品快速设计平台的研究与开发

作者：天津大学陈永亮徐燕申齐尔麦

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摘要：提出了基于模块化设计和知识工程的机械产品快速设计平台的概念和体系结构，讨论了快速设计平台中各部分的具体内容及相互关系。对系统实现的关键技术进行了深入研究，包括模块化产品设计知识的分类与面向对象的表示、基于有向图的产品模块布局和构型表示。给出了所开发的原型系统及应用实例。
关键词：机械产品；计算机辅助模块化设计；知识工程；快速设计工具

快速设计技术是当前市场在对产品多样化、瞬变性等需求形势下提出并发展起来的。产品投放市场时间日益成为决定产品竞争力的重要因素。当前国际市场需求快速变化的特点和21 世纪更加个性化的市场趋势，促进了快速设计和制造技术的发展[1 ] 。目前，国内外针对快速设计的并行设计技术、快速原型技术、系列化模块化技术[2 ，3 ] 、基于模块模板的广义模块化设计技术[4 ] 、知识工程KBE ( knowledge based engineering) [5 ]与智能设计[6 ] 、大规模定制设计[7 ]和虚拟制造技术等发展均较为迅速。

快速设计的实施需要建立适用于企业产品特点的应用软件。但如果产品结构是整体式时，多种产品中的共性因素很难提取，新产品设计是从零开始，这样，即使采用CAD 技术，其效率提高也是有限的，只有当产品系列的构成是建立在以模块组合为主的基础上，并建立起模块图形数据库时，才可能充分发挥出CAD 的优势，达到提高新产品设计质量，缩短设计、研制周期的目的。模块概念是在产品设计和生产中逐步形成的，模块能够用来组合成不同的产品，促进设计重用，节省设计成本。因此，建立企业的模块化产品系统，是实施快速设计的基础。

如何将设计经验和技巧转化为知识并与设计系统集成是制造业研究的重要课题之一。随着知识工程和专家系统技术的发展，可将设计经验、设计过程和环境资源的信息用于产品模块建模。通过使用人工智能技术、专家设计经验和模块化产品设计过程及环境的知识，为实现模块化产品设计自动化和生产自动化提供了有力的支持。使用CAD、CAE、KBE 软件结合其他软件可以对各种不同的企业及工厂建立典型产品的模块化设计专家系统(expert system) ，实现更高层次的设计知识重用，可缩短产品开发的时间，支持产品创新。

1 快速设计平台的概念和软件体系结构

快速设计是在产品的概念设计阶段，针对市场和顾客需求，运用面向具体产品专用设计工具和设计知识，快速制定可用于制造的方案，快速付诸实施。

1.1 快速设计平台的概念

快速设计平台是指一组设计工具或软件接口构成的通用结构并用来高效率地开发和生成一系列的专用设计系统。

设计平台的目的是建立适用于企业特点的应用软件，它是以建立企业的模块化产品系统为基础的。产品系统的构成是建立在以模块(通用部件) 组合为主的基础上，通过提取多种产品的共性因素，建立参数化模块图形库，应用模块化设计方法，使设计过程科学化和规范化，提高设计的自动化程度和快速响应速度，以达到提高产品设计质量、缩短设计和研制周期的目的。

快速设计应用平台是一个支持复杂信息环境下工程设计应用开发、应用集成和系统运行的软件平台。因此，以平台为基础，建立起适用于企业特点的应用软件系统，是加快应用软件开发速度，建立快速设计系统的有效途径。

1.2 快速设计平台的体系结构

图1 快速设计平台的软件体系结构

通过以上分析，建立快速设计平台的软件体系结构如图1 所示。它以产品的模块化为基础，以产品设计知识的集成处理和重复利用为核心，用于支持特定机械产品快速开发。它包括以下3 个主模块：

1) 设计知识处理和利用模块系统采用面向对象的知识表示(OOKR) 的模式来管理知识库和数据库，使设计人员无须关心数据的存取。系统通过知识获取界面或应用程序接口API 将各种产品数据和知识变成系统所规定的模式，形成统一的变量化集成产品模型，存入知识库和数据库。系统存储产品模型，包含了几何和非几何信息，以及描述产品如何设计、分析和制造的工程准则。系统提供框架推理、规则推理、实例推理和模板推理等各种知识利用方法。

2) 过程控制向导模块通过提供标准化的设计过程向导，引导与控制设计的进行，控制所有的信息流，实现快速设计流程的管理。它能够有效地管理产品的所有过程，包括从概念设计到产品模型的定型中所有的任务分配和项目管理等。

3) 开放式API 和系统集成总线模块系统靠应用程序接口API 以及集成总线(CORBA/ DCOM 标准等) 与各种应用程序相连接，API 的作用是要实现每个应用程序与中心数据模型的映射，即应用程序通过API 与系统内核心产品数据模型进行数据交换。应用程序包括产品构型设计、参数化几何建模、参数化有限元分析、优化设计及其它各类基于构件的专用工具集。通过模块化产品构型设计实现模块模板的选择、实例化以及模块的组合、基于参数化模块库的模块拼装和基于参数化有限元分析专用程序库产品分析程序的生成与运行。

因此，快速设计平台可将设计活动所需的各种工具和应用程序集成起来，形成丰富的设计功能，支持设计小组进行各种设计活动，并在设计过程中形成和使用统一的产品模型。

2 系统实现的关键技术

机械产品快速设计将产品设计分为计算机辅助模块创建和计算机辅助模块化产品设计两个阶段。模块创建阶段通过分析和预测企业客户群的需求，建立模块化产品族结构，并进行模块创建，形成完善的变型机制，并为快速满足随时到来的客户需求提供基础。模块化产品设计阶段是在模块创建阶段的基础上，以模块化产品配置器为主要工具，对客户需求进行快速实现，对不能满足的需求提出新的模块创建任务。

2.1 模块化产品设计知识的分类与面向对象的表示根据抽象程度，模块化产品设计知识可以分为设计实例、设计模板和设计规则3 种基本种类型。

2.1.1 设计实例

设计实例是指过去一定条件下满足特定要求的产品解决方案或设计结果。一个典型的实例一般包含两部分信息：一是问题的初始条件，反映该实例产生的环境属性，它们与设计结果的产生密切相关；二是问题求解的结果，反映该实例求解的目标和达到该目标的解决方案。

在模块化产品设计中，模块是典型的实例，是产品设计中的可重复使用的单元。模块可分为功能模块、结构模块和单元模块。模块一般具有确定的尺寸规格参数，它不仅是具有一定功能、结构和接口要素的产品实体，也是一定设计经验和专家知识的体现。

2.1.2 设计模板

设计模板是从大量类似实例中总结出来的某类事物的样板。模板概念本身具有面向对象的含义，反映了实际使用知识的一种方式，并能用来处理复杂的设计问题。

在模块化设计中，模块模板是一个参数化模块模型，是从大量类似模块实例中总结出来的设计模板。模块模板具有确定的功能和接口，但其结构是满足一定工程约束的柔性单元。根据设计要求，依据一定的工程规则知识对模块模板进行约束求解，使模板的参数具有确定的数值，即派生出所需的模块实例。

2.1.3 设计规则

产品设计规则通常包括产品构型规则、工程规则、几何造型规则，这些规则可以是数学公式(formula) 或条件语句，尽管概念上很简单，但通过组合可以构成复杂而强大的表达式。

1) 产品构型规则产品构型规则是指整个产品的各个组件之间的相互关系，包括装配关系、几何关系和参数关系等，它是产品装配设计过程中所要用到的工程知识。其中，参数关系是要定义出所有影响产品性能的工程参数，它们可以是模糊的工程参数。这种形式的规则描述了合理的部件配置所必须遵循的条件。

2) 工程规则设计规则是用来计算产品性能的工程规则，根据用户的需要，可以建立由这些工程规则组成的设计引导过程，从而实现从工程参数到几何参数的驱动过程。

3) 几何造型规则这种形式的规则使得某零件图形的改变能够在其它的图形中反映出来。这种特点也称作参数化建模(paramet ric modeling) ，能够消除产品设计中的大部分重复性工作，可快速由产品构型和工程规则所确定的几何参数来进行产品的几何造型。同时，当用户修改产品的工程参数、更新工程知识和调整工程规则时，系统能重新设计产品并更新其几何模
型。

这些设计知识可以采用面向对象的知识表示来进行统一描述和实现，设计单元(design unit)是面向对象知识表示的基本单元，可以用设计单元来表达设计模板，设计实例则用单元实例(instance) 来表达。设计模板和实例的各种属性、参数以及分类和组合关系可以用各种槽来表示，如关系槽、属性槽，而模板行为、规则知识则用方法槽和规则槽表示。

2.2 基于有向图的产品模块布局和构型表示

模块化产品是指通过不同模块组合来完成不同功能的产品、装配件和部件。模块是完成某一或某些子功能的标准结构单元。在模块化产品中，模块构成和连接模式具有一定的规律，并有多样性、可拆卸性和可扩展性等特点。

产品构型则描述模块化产品各模块之间的组合情况。通过产品构型模式的定义，模块化设计系统就可以知道要设计的产品是由哪几种模块组成的。由于模块在产品中一般是成链状、树状或网状组合在一起的。因此，产品构型可以用有向图来表示，称为产品构型模式图。这样，可通过有向图的连接模式来变换产品结构。

产品模块构型是利用图论中有向图原理所绘制，用图的顶点表示模块，用边表示联系，表达模块间的接口行为关系，如图2 所示。图中有M1 、M2 、M3 三个基本模块，模块M1 和模块M3 通过接口J 1 连接起来，其中，有向连接线的起点所连接的模块，称为基准模块，有向线终点所指向的模块，称为目标模块。

图2 产品模块构型

由于模块之间的连接关系有单项连接、双向连接和多项连接，即一个模块可同时与两个以上的其它模块相连接。因此，模块的接口可以有多个，图中的每一个小圆圈表示模块本身所具有的接口或结合面。

3 系统实现

快速设计软件平台是利用Visual C + + 、MFC 类库和专家系统工具开发的系统，并通过二次开发与CAD、CAE 系统集成。

系统采用面向对象的知识表示方法来表示产品及模块知识，并建立知识分类管理系统，存储和管理模块化设计过程中的数据和设计知识。主要包括产品结构模式知识、模块接口选择知识、参数化模块分析知识以及模块结构选择知识、模块创建知识和模块的布局定位知识。将这些知识以数据库形式存储，构成产品模块知识管理系统(见图3) 。系统通过API 函数集成了专家系统工具的功能，以利用相应的知识表达和推理功能，并实现交互式智能用户界面；系统建立了基于有向图的产品构型定义和绘制的图形工具(见图4) ，以实现交互式产品模块的配置；在产品构型设计的过程中，实现模块模板的选择和实例化以及模块参数的定义(见图5) 和模块接口的定义；通过COM 技术与SolidEdge 等CAD 平台集成起来，利用CAD 的三维变量化建模和图形处理功能，实现基于知识的模块自动拼装(见图6) ；通过参数化设计语言APDL 建立接口文件的方式与Ansys 系统相集成，并建立操作界面，以利用其有限元分析和结构优化功能。

图3 产品模块知识管理

图4 模块化产品构型设计

图5 模块参数定义

图6 基于CAD 平台的模块拼装

例如，某高速数控铣床的设计要求：工作台台面尺寸为630 mm ×630 mm ；工件最大高度为500 mm。工作行程要求：X 轴为700 mm ； Y 轴为700 mm ； Z 轴为700 mm。用于模具加工，能承受重载荷，快移速度为30～60 m/ min ，要进行大功率、高速切削。

根据设计要求，选用龙门式框架结构，首先建立机床的结构模式。整机由床身、工作台、立柱、横梁、滑座和主轴单元模块构成。然后，进行各个功能模块的设计变量和接口定义，并选择相应的结构模块进行模块组合和接口分析，完成机床构型设计。在确定各个模块的位置参数的基础上，从模块库中调用相应的模块图形，在CAD 环境中自动建立整机的装配模型，最后，把所建立的整机模型转换到CAE 环境中，调用相应的网格划分和分析功能，完成整机的静、动态性能分析。

4 结语

快速设计是制造业的共性技术，大力开展快速设计理论、方法与工具的研究和应用有着极其重要的现实意义。在产品快速设计工具的开发的基础上，针对特定产品方案设计的要求，建立专用的设计数据库、知识库和算法库及其管理系统，并通过CAD/ CAE/ CAM系统的二次开发，就能够快速建立先进、实用、高效的产品快速设计与制造集成系统。笔者在分析快速设计技术研究现状和发展趋势的基础上，提出了基于模块化设计和知识工程的机械产品快速设计平台的结构框架，并详细讨论了系统实现的关键技术，开发了原型系统。应用实践表明，该平台能够满足典型机械产品快速设计系统构建的需要。

参考文献：
[1 ] 陈永亮，徐燕申，侯亮，等。机械产品快速设计与制造技术的研究[A] 。中国机械工程学会生产工程分会“面向21世纪的生产工程”学术会议[C] 。广州：2001.
[2 ] 姜慧，徐燕申，谢艳，等。机械产品模块化总体规划方法的研究[J ] 。机械设计。1999 (12) ：1 —3.
[3 ] 高广达，徐燕申，林汉元，等。产品模块化设计中的模块选择算法[J ] 。机械设计，2000 (8) ：5 —7 ，241
[4 ] 徐燕申，侯亮。液压机广义模块化设计原理及其应用[J ] 。机械设计，2001 (7) ：1 —4.
[5 ] Penoyer J A ，Burnett G，Fawcett D J ，et al。Knowledge based product life cycle systems ：principles of integration of KBE and C3P [J ] 。Computer - Aided Design ，2000 ，32 (5～ 6) ：311 —320.
[6 ] 周济，肖人彬，查建中。智能设计[M] 。北京：高等教育出版社，1998.
[7 ] Mitchell T M ，Jiao Jianxin。Design for mass customization[J ] 。Annals of the CIRP ，1996 ，45(1) ：153 —156.(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (8/4/2007)


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