基于知識工程的產品自頂向下快速設計研究

李小明 羅曉渭 郭俊

摘 要：針對機械產品種類繁多、結構復雜、設計修改頻繁等問題，結合知識工程和自頂向下的設計方法和關鍵技術，提出了基于知識工程的自頂向下設計理念與方法，通過創建基于知識的骨架模型的方法，完成了手套箱的快速設計，提出了一種產品的通用快速設計方法。

關鍵詞：知識工程；自頂向下；快速設計

1 概述

當今市場競爭日漸激烈，先進理念和技術被廣泛應用于現代工業中，制造企業之間的競爭已轉變為基于時間和客戶個性化需求的競爭。如何高質量、低成本、短交貨期及個性化地生產出產品，已經成為制造企業獲取新的競爭優勢的研究方向[1]。如果能夠加快產品系列化和多樣化的開發周期，將會降低企業設計成本，提高企業的競爭力和應變市場的能力傳統的產品總成設計方法是先單獨把零件建構出來，再一一裝配成產品模型，裝配操作復雜，尺寸修改因難，設計變更時消耗大量的時間，而且不符合設計意圖，整個產品開發項目不易管理難以實施和推動協同并行設計[2]。針對機械產品種類繁多、結構復雜、設計修改頻繁等問題，通過對其產品設計過程和變型設計技術進行研究，運用知識工程、模塊化技術、數據集成技術等完成產品自頂向下快速設計，克服產品設計中缺乏系統化理論、智能化支持和嚴重依賴專家經驗等的不足，提高了企業的整體設計能力和設計效率、縮短設計周期，滿足了用戶對產品的快速設計需求，增強了企業的市場適應能力和競爭力。

2 知識工程和自頂向下

2.1 知識工程

知識工程（KBE，Knowledge Based Engineering）技術是面向現代設計要求而產生、發展的新型智能設計方法和設計決策自動化的重要工具[3]。其基本思想是在工程設計中將該領域專家的知識和經驗加以總結，形成規則，存入計算機，建立知識庫，在對工程問題求解中重用已有的知識和經驗[4]。

2.2 自頂向下

自頂向下（Top-Down）是一種自上而下、先規劃產品的整體結構，再逐步細化的設計過程，設計流程符合設計思路，即：總體布置→總體結構；總體結構→部件結構；部件結構→部件零件。自頂向下設計思想也就是將復雜的大問題分解為相對簡單的小問題，然后找出每個問題的關鍵、重點所在，然后用精確的思維定性、定量地去描述問題。Top-Down能夠有效解決復雜機械產品的開發設計，設計準確程度比較高，頂層設計師的設計意圖能夠在團隊中很好的進行傳遞和共享，利于在設計團隊中實施和推動并行工程與協同設計。

3 產品基于KBE的自頂向下設計

3.1 設計理念

運用基于KBE的自頂向下設計理念與方法，需要設計人員在考慮產品功能和性能的基礎上，將產品的組成和形狀及各零部件之間的裝配和約束關系轉化為產品骨架模型中的設計參數、變量關系約束、零部件裝配約束，使知識與骨架模型關聯起來，完成產品骨架模型設計，并在總骨架模型中裝配關系的約束下，進行零部件的詳細設計。基于KEB的自頂向下快速設計思想融合了知識工程及自頂向下的全部優點，在個產品的整體結構設計階段和局部細化階段融入知識工程的建模理念，是一種更加符合人的常規思維方式的設計模式，有利于減少不必要的重復設計，更大程度上減輕設計人員的工作強度，以完成高效率、短周期的產品設計。

圖1為基于KBE的手套箱自頂向下設計流程分為數據轉化及骨架模型創建、手套箱子部件設計和重用零部件模型調用及三維模型生成等三個階段：第一階段是根據用戶對手套箱功能和性能需求，結合已有的含了工程知識、幾何知識、構形知識等的知識庫，轉換為設計人員所需主要設計參數如尺寸參數、主要性能參數、質量參數以及各部件基本型式，并建立基于KBE的產品骨架模型。第二階段是設計人員根據總骨架模型給出的要求對各部件進行細化的過程。第三階段調用模型庫中的重用模型并結合已細化部件，生成手套箱模型，完成快速設計。圖1為基于KBE的手套箱自頂向下設計流程。

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設計的第一階段工作，將產品的總體結構布局、設計約束、參照基準及其布局等抽象出來，并使用空間的點、線、面及參數草圖等構建出來，在此基礎上引入知識來對其管理和控制變更。基于KBE的骨架模型能反映產品各零部件的空間布局、空間位置形狀、拓撲關系和裝配約束關系等要求的主要框架的空間線框架構。如圖2手套箱骨架模型，由主箱體各基準面、轉移箱基準面、支架基準面、照明基準面、手孔中心線、風機中心線、過慮器中心線、碘吸附器中心線、主箱體進氣口直徑、轉移箱端法蘭端面螺栓均布孔徑、支腿端法蘭均布孔徑、手孔環內徑等組成的能為下游細化設計所參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體、轉移箱、高效過慮系統、除碘系統、照明系統等下游零部件設計所需的定位基準、設計基準和參考特征等。

3.3 實體設計

手套箱實體設計即完成手套箱第二和第三個階段的工作，一方面從模型庫中提取已有模型，實現重用，避免零部件重復設計；另一方面通過對骨架模型在宏觀和微觀上的細化、修改和調整，完成其他零部件的細化設計，實現產品的結構、設計意圖的變更和傳遞，完成整個產品的參數化設計過程，實現產品的變形設計，圖3為生成的實體模型。在實體設計過程中對于相對比較獨立的零部件如手套箱上常用的高效過濾器、碘吸附器、手孔環等定型化產品進行模塊化處理，存入產品模型庫中，以提高零部件的重用性，進一步提高設計效率。

基于KBE的手套箱模型在實體設計過程中只需修改骨架尺寸，所有的關聯零部件便會自動再生，進而提高產品的可修改性，在降低設計人員的工作量的同時保證各零部件設計的上下一致性。

4 結束語

因此基于KBE的自頂向下設計將知識工程、參數化特征造型融入到自頂向下的設計中，將自頂向下的設計思想貫穿于產品設計的全周期中，用知識來驅動控制參數化的骨架模型的變更和信息的傳遞，能較好的實現產品在設計開發過程中對于信息和數據的傳遞、共享、繼承和變更，有效傳遞設計意圖，設計意圖的變更可以自頂向下的進行傳遞直到最底層的零件和圖紙，使產品具有聯動修改效應，在修改、變更中自動維護產品數據的一致性。為設計人員提供很大便利，有效縮短了設計周期。很好的滿足了手套箱等成套產品的系列化、多樣化以及快速響應變形設計。

參考文獻

[1]張強，仲梁維.集成知識工程和實例推理技術的產品變型設計研究[J].現代制造工程，2013.

[2]王凱，李柏林，陳黎麗，等.基于知識的自頂向下參數化設計與應用[J].制造業自動化，31（9）.

[3]林國治.基于知識工程的汽車制動系統設計平臺的研究[D].青島：山東科技大學，2008.

[4]呂紅光.基于知識工程的產品設計支持技術研究[D].杭州：浙江工業大學，2005.

作者簡介：李小明（1984-），山西呂梁人，中國輻射防護研究院，研究實習員，工學碩士，從事煤礦噪聲治理設備、輻射防護產品及承壓設備等的開發設計。