NX/KF平臺下基于知識的汽車出風口設計

殷 莉，孔 嘯，袁俊凇，李 銘

YIN Li,KONG Xiao,YUAN Jun-song,LI Ming

（上海交通大學 模具CAD國家工程研究中心，上海 200030）

0 引言

如今越來越多的汽車零部件供應商開始向產品研發的方向發展，究其原因主要有以下幾點：1）主機廠對其供應商的要求越來越高，供應商必須具備同步開發能力，實現模塊化供貨，這就迫使一些生產企業加強產品研發能力；2）供應商在某些零件制造方面有著豐富的專業經驗，從而為這些零件的研發提供更好的支持；3）對于供應商本身，從生產型向研發生產型的轉變不僅可以增加產品的附加值，還可以通過產品的技術升級來增強自己的競爭力。

目前很多企業在產品設計時主要靠經驗，再加上為了提高產品進度，對設計知識的積累和分析方面的工作做得不夠完善。以出風口部件為例，傳統的設計流程周期較長，產品質量對設計者的依賴性較大，而且設計知識的共享性和重用率較低。

本文首先介紹了知識工程（Knowledge-based engineering,KBE）在NX中的應用，即知識熔接技術（Knowledge Fusion,KF），然后將其運用到汽車出風口設計流程中，對傳統的設計流程進行優化，最后以出風口撥輪的設計為例，詳細說明了利用NX/K工具實現基于知識的優化設計步驟，使得設計過程更加快速和標準化。

1 知識工程與知識熔接

1.1 知識工程

迄今為止，對于KBE尚無一種公認的定義，上海交通大學對于KBE的定義是：通過知識驅動和繁衍，對工程問題提供最佳解決方案的計算機集成處理技術，是領域專家知識的繼承、集成、創新和管理，是CAX技術與AI技術的集成[1]。所有的定義對KBE系統都有一個共識，即：能夠解決某個特定的設計問題（短期），并能獲得與之相關領域的知識用來解決之后的設計問題（長期）。

雖然大多數對于KBE的研究都還處于理論階段，但已經有部分國外的大公司在KBE的應用上取得了很好的效果，特別是汽車和飛機制造行業，比如意大利AVIO航空公司，在機翼的CAD/CAE設計中應用KBE技術后，設計時間減少了93%[2]。

1.2 知識熔接

NX中的知識熔接技術是KBE技術的一項應用，它提供了一種面向對象的解釋性語言，用戶可以方便的用KF語言在產品模型中以規則的形式增加工程知識，設計人員甚至不需要察覺知識熔接技術（KF）的存在卻在設計中得到方便[3]。然后，利用NX的用戶自定義特征（User DefinedFeature,UDF）建立特征庫，在設計中通過提取特征參數，建立模板零件，可方便地更改設計。

2 出風口設計流程優化

2.1 傳統的設計流程

汽車空調出風口主要包括風框撥叉、水平葉片、水平葉片連動桿、豎直葉片、豎直葉片連動桿、撥輪、撥輪連桿等零部件。傳統的設計流程（如圖1所示）是以一次設計為單位，設計人員在接到新產品的A面數據后，首先是根據相關設計規則和設計經驗對某些關鍵功能部件如撥輪、連桿等要進行結構設計，然后用三維CAD軟件如NX,CATIA等對不同部件分別進行建模，最后裝配形成初步的產品模型。在制造樣件和產品試驗階段還會分別對設計進行修改甚至重新結構設計。該設計流程的缺點是：1）每次開發新的產品都必須從頭開始，設計人員需要做很多重復性的工作；2）傳統設計流程對于設計人員的經驗依賴性很大，不利于企業發展；3）沒有一個成體系的設計流程，設計質量不穩定；4）每次設計的成果與經驗沒有進行有效的吸收與再次利用。因此，有必要對傳統的設計流程做一改進。

圖1 傳統出風口設計流程

2.2 基于知識的設計流程

圖2是經過改進后的基于KBE的知識熔接設計框架。虛線部分是指知識的獲取過程，實線部分是指實際的產品設計也就是知識的重用過程。可以看出，傳統的產品設計僅只在一次設計中構成回路，而運用KBE技術后的產品設計流程可以產生多個不斷循環的回路，每一次的設計規則和經驗、新的部件結構以及試驗結果都可以儲存到設計知識庫中，然后又可以將這些知識運用到下一次的新產品設計中，使得知識的獲取和重用得以實現。知識庫中的知識既可以是以代碼的形式表示和儲存的，也可以是用文檔格式記錄的，歸納起來可以將知識分為四種類型：1）規則庫：即將產品或各個部件的約束條件以及在選擇設計方案的原理記錄下來；2）經驗庫：將以前的設計經驗和試驗后產生的問題記錄下來，以指導之后的設計；3）特征庫：選擇能夠描述出風口或其零部件的實體作為知識單元，這種實體既可以是結構上也可以是功能上的；4）事例庫：將做過的例子和各種解釋進行說明[4]。

圖2 基于KBE的知識熔接設計框架

設計人員拿到相關數據后，首先在知識庫中搜索以前相關的事例以及設計經驗等，然后從特征庫中選取合適的特征，經過參數化的幾何創建就可以很快的將產品設計出來，初步設計后，再將細節進行進一步的修改，就可以完成設計了。

3 撥輪的設計實例

設計人員拿到出風口的A面數據時，只有產品的外觀總體數據，比如外殼的形狀與大小，葉片的數量和撥輪的外觀大小等都是已經大致確定的。需要設計的是功能方面的一些結構件。

撥輪是出風口中重要的功能結構部件，撥輪的質量直接關系到出風口的質量水平，而撥輪的質量又與撥輪的結構設計緊密相關。因此，本文提出一種對撥輪設計進行優化的方法，即用KF工具進行撥輪的建模，然后將一些重要設計參數放入用戶自定義特征庫中，今后對于類似的設計可以直接提取以前的設計模型加以修改，這樣既繼承了以前的知識成果，又可以創造出新的知識再儲存在知識庫中，而且便于規范撥輪的設計，使其更加標準化。

3.1 撥輪NX/KF建模

圖3是一種撥輪的NX/KF建模，撥輪所有的特征參數都可以更改，槽的位置是由參考點的位置決定，但是保留了槽的設計規則。通過調整幾個參考點的位置可隨時調整設計方案，而通過建立相對坐標系，使撥輪可以方便地添加到不同的出風口殼體上。

圖3 撥輪NX/KF建模

3.2 建立撥輪的UDF庫

首先要新建一個UDF目錄，在NX/udf中，找到dbc_udf_ascii.def文件，將以下庫定義文件的代碼加入其中，庫名稱為UDF，文件夾位置"F： NX_KFUDF"。如果要建多個UDF目錄，就添加多個庫定義代碼，只需更改庫名稱和文件夾所在位置。

然后就可以將撥輪的設計方案輸出到自己定義的UDF庫中。通過NX菜單中的Tool-User Defined Feature-Wizard路徑添加特征模型，將一些需要設置的參數變量設為可更改的表達式。本文用NX/KF建模設計了四種不同的撥輪（如圖4所示），還可以添加更多的設計方案或設計規則。

圖4 撥輪的UDF庫

在設計出風口的撥輪結構時，通過NX菜單中的Tool-User Defined Feature-Insert路徑來調用這些特征模型，調用的時候相關表達式會自動生成用戶可視的對話框（如圖5所示），通過對話框可以隨時調整模型的特征參數。

圖5 參數修改對話框

在KF導航欄里，導入的UDF會作為一個新的udf類，可以對這個類進行編輯，從而更改撥輪在殼體上的位置。以前的子規則也還是在這個類下面，通過修改這些子規則可以很方便的修改導入撥輪的結構形狀，唯一保留不變的是撥輪的設計規則。

這種設計方法的優點有：1）可以增加產品設計知識的重用率，從而減少設計時間；2）計算機可以設定的參數范圍內自動選擇最優的解決方案；3）減少員工流動率給企業帶來的影響。由于知識以規則的方式儲存在產品設計模型中，對個人經驗的依賴性會降低；4）減少了設計人員重復、繁瑣的建模工作，可使他們將更多的精力放在產品的結構創新上。總之，從長期角度來看，將產品設計過程與KBE系統結合起來能帶給企業更多的無形資產和潛在商業價值，對于經驗不足的設計人員來說，也可以使他們盡快掌握設計知識，提高設計效率。

圖6是一種撥輪結構的調用實例，通過修改參數和子規則中參考點的位置可以很方便的更改設計模型，從而將撥輪應用在不同的殼體上。

圖6 應用實例

4 結論

本文以出風口的撥輪為例，在NX/KF環境下建立了撥輪自定義特征庫，使得相同設計規則的撥輪的建模更加快速便捷，實現了基于知識的設計過程。出風口上其他部件也可以參照撥輪的設計方法進行優化設計，從而實現出風口整個設計過程的自動化、智能化，從而得到更加穩定、一致的產品設計質量。

[1] 趙震,彭穎紅.基于KBE的工程設計——理論、方法與實踐[J].機械科學與技術,2003,22(1)：151-153.

[2] Corallo A,Laubacher R,Margherita A.Enhancing product development through knowledge-based engineering (KBE)[J].Journal of Manufacturing Technology Management,2009,20(8)：1070-1083.

[3] Unigraphics Solutions Inc.王剛,鄒昱章,余國華,譯.UG知識熔接技術培訓教程[M].北京：清華大學出版社,2002.

[4] Ammar-Khodja S,Perry N,Bernard A.Processing Knowledge to Support Knowledge-based Engineering Systems Specification[J].Concurrent Engineering,2008,16：89-101.