手表數字化設計平臺的設計與開發

唐海元，張明天，袁清珂

(1. 深圳市飛亞達精密計時制造有限公司，廣東深圳518057;2. 佛山市工人文化宮，廣東佛山528000;3. 廣東工業大學機電工程學院，廣東廣州510006)

1 手表數字化設計平臺的3 層體系結構

設計知識庫、參數化設計技術、產品數據管理等是開發數字化設計平臺的重要手段和關鍵技術［1－4］。根據手表產品的設計需求，綜合應用有關技術，提出了如圖1 所示的手表數字化設計平臺3 層體系結構。

圖1 手表數字化設計平臺三層體系結構

數據層。是手表數字化設計平臺的底層數據和文件管理系統，為平臺提供數據和信息支持，包含產品數據、項目信息、用戶數據、設計知識、材料信息等，由PLM 的數據庫管理模塊實現上述功能。

服務層。是手表數字化設計平臺的進程和狀態管理系統，實現應用層和數據層之間的協同管理與控制，由對象管理框架、權限管理、規則管理、多語言管理、狀態管理等功能組成。

應用層。是手表數字化設計平臺的設計功能系統，負責完成具體設計任務中的某一個或多個設計任務，包括用戶登陸與權限控制、標準件、快速設計模板、產品設計知識、產品模板信息管理、產品實例庫管理、項目文檔與表格管理、虛擬樣機等模塊構成。

2 手表數字化設計平臺關鍵技術與主要功能模塊的開發

2.1 設計知識庫的體系結構與知識表示

手表設計知識庫是數字化設計平臺的核心，其體系結構是實現手表設計知識庫的基本框架，是集知識表達、知識推理、設計決策于一體的架構，如圖2 所示。該體系由產品需求決策樹、產品BOM、產品配置資源、產品特征變量事物特性表和產品設計資源等部分組成。

圖2 手表設計知識庫的體系結構

手表設計知識可分為3 類:事實類知識、規則類知識、模型類知識。事實類知識可采用框架表示法描述，規則類知識可采用產生式表示法描述，模型類知識以快速設計模板的形式體現。

產生式表示法的基本形式是“if P then Q”，其中:P 是產生式的前提，Q 是產生式的結論或操作。例如“機芯”的部分產生式表示法可表示為如下形式:

(1)Rule 01001

IF 機芯類型=石英

THEN 機芯編號=S001 or 機芯編號=S002 or 機芯編號=S003 or 機芯編號=S004 or 機芯編號=S005 or 機芯編號=S006 or 機芯編號=S007

優先級=20

規則解釋=現流石英機芯

(2)Rule 01002

IF 機芯類型=石英and 手表等級=一般

THEN 機芯編號=S001 or 機芯編號=S002 or 機芯編號=S003 or 機芯編號=S004

優先級=30

規則解釋=此類機芯價格便宜，適用于等級要求不高的手表

知識的使用可通過實例推理或規則推理來實現，例如，可根據輸入條件“類型”為“螺紋底”、“材料”為“不銹鋼”、 “表面處理”為“底平圓砂”，通過規則調用知識庫中的知識，得到“不銹鋼螺紋平底圓砂”手表底殼。該推理結果包含了所有設計信息，其推理過程如圖3 所示。

圖3 知識庫規則推理

2.2 手表標準件庫的設計與開發

手表標準件是常用零件，其結構形式和幾何要素的拓撲關系相對固定，因此，可以在CAD 環境下建立其三維模型，并且通過幾何尺寸約束建立約束關系，通過設置獨立幾何尺寸參數的變量化，實現標準件的參數化設計。手表設計中的常見標準件包括巴的、按的、表針、表帶、表扣等。通過提取這些標準件的結構特征，確定其獨立幾何尺寸參變量，建立其參數化設計模板，將其放入標準件庫中，通過程序調用并變更其尺寸參數，生成新尺寸的標準件，可以大大提高設計效率。

在進行標準件設計模板開發時，首先要分析標準件的結構特征，確定尺寸變量以及尺寸變量之間的約束關系，明確主要參數、主動尺寸和從動尺寸的關聯性，設置尺寸變量名稱，建立驅動變量表、變量之間的關聯關系。

手表標準件庫在UG 環境下開發，由TD-PLM 系統管理。使用時，啟動手表標準件庫模塊，選擇所需標準件、輸入標準件的有關參數，系統自動生成新的標準件，以備裝配使用。可采用下拉菜單選擇型號系列來確定標準件，也可以通過輸入特征參數查詢。

2.3 手表快速設計模板模塊

手表結構通常由機芯、表殼、表盤、表針等部件組成，如圖4 所示。

圖4 手表產品結構

根據企業實際手表類型，提煉出幾種基本款式形成平臺產品，建立其參數化三維模型及約束裝配關系，通過改進設計或變形設計，可以實現手表新產品的快速開發。建立手表結構快速參數化設計模板時，需對手表結構進行結構特征分析，提取特征參數、約束裝配關系，以及參數定義。首先建立零件三維二維模型，再建立裝配模型，形成平臺產品的參數化設計模板。零件之間的約束和裝配關系，可用UG 提供的關聯對配合進行關聯，保持其尺寸關系與約束關系的一致性，然后利用UG 二次開發技術編寫驅動程序，實現設計模板參數化驅動，其驅動流程如圖5所示。

圖5 參數化驅動的設計流程

3 手表行業數字化設計平臺的開發與應用

手表產品數字化設計平臺的開發經歷了需求調研、理論研究、系統設計、詳細設計、方案確定、軟件開發、測試完善、試運行、改進完善、系統定型等10 個階段。

應用該平臺進行產品設計與開發，工程師首先接收到開發任務，根據指定的任務進行有關市場調研、結構分析、結構設計、性能分析、知識庫管理、實例庫管理等工作，完成工作過程中的部分界面如圖6—7 所示。

圖6 結構設計工程師系統界面

圖7 產品實例搜索結果

4 結論

所開發的系統具備上述提出的各項功能，現已在企業得到廣泛應用，取得了良好的效果。得出以下結論:(1)數字化設計技術是提高產品開發效率和質量的重要手段;(2)基于產品設計知識庫、實例庫、參數化快速設計模板等技術可以大大地提高設計效率。

［1］何麗，孫文磊，王宏偉．基于UG 的Web 三維零件庫系統開發［J］．機床與液壓，2012，40(11):91－95．

［2］王曉虎，翟華，李小慧，等．復雜大型框架式液壓機參數化設計研究［J］．機床與液壓，2012，40(21):106－107，112．

［3］陳青，李青祝．基于NX 的組合機床智能化設計系統開發［J］．機床與液壓，2013，41(19):122－124．

［4］劉杰，辛楊桂．基于VB.net 的三維集成塊校核［J］．機床與液壓，2014，42(14):86－88，140．