KBE技術在SOLIDWORKS中的應用

Dassault+Systemes　張俊

一、引言

產品設計是制造業的核心，產品的結構、功能、質量、成本、交貨時間、產品可制造性、可維修性、報廢后的處理，以及人、機和環境關系等與產品的設計階段有密切關系。隨著產品結構越來越復雜，功能越來越趨向于集成化和復合化，新產品研發所需要的知識也是越來越多。

現代產品設計是一個知識驅動的創造性過程，它包含了對知識的繼承、集成、創新和管理。

基于知識的工程（Knowledge Based Engineering-KBE）正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，已經成為促進工程設計智能化的重要途徑。

英國 Warwick制造組的 Chapman博士指出，在2010年，KBE對于企業的重要性，就同 CAD/CAE/CAM在20世紀90年代給全球工業界帶來的變革同樣重要。美國、德國的領先制造企業也將 KBE作為公司發展戰略中信息領域的關鍵技術，并獲得可喜的收獲。

CAD （計算機輔助設計 ）技術極大地改變了人類的設計方式，由最原始的畫圖板設計，進入二維數字化設計，再進入三維數字樣機，設計師一次次地感受到它對設計質量和效率的極大提升。

但隨著企業信息化進程的不斷深入，對設計軟件的要求也越來越高，不再滿足于利用三維軟件的按部就班的建模設計，更多地期待將行業或企業設計知識、專家經驗等融入到三維設計過程及模型中，實現設計自動化。

本文我們將討論 KBE技術在 SOLIDWORKS軟件中的應用，以及如何將專家經驗集成到設計流程中，實現更快速、更準確的設計自動化。

二、KBE的概念

20世紀 90年代開始，以 CAD/CAE/CAM/PDM/AI技術集成作為典型特征的知識工程（Knowledge BasedEngineering，簡稱 KBE）技術開始在工業領域廣泛應用。英國 Coventry大學的 KBE中心認為 KBE系統是一種存儲并處理與產品模型有關的知識，并基于產品模型的計算機系統；美國 Washington大學認為 KBE是一種設計方法學，將與下一代 CAD技術緊密結合。它使用啟發式的設計規則，將涵蓋構件、裝配和系統的開發。

KBE的本質就是知識的再利用，即工業產品在其生命周期的每個階段，是否能夠充分利用各種實踐經驗、專家知識及其他有關信息。

要想從設計、分析到制造的每個階段都有效地利用KBE系統，就要求 KBE系統具有柔性、開放性、可重用性并可用戶化。KBE系統是深層次內嵌于 CAX（CAD/CAM/CAE/CAPP）和 AI（人工智能）系統中，而不是簡單地添加到一個已存在的系統中。因此，KBE系統應具有下面幾個基本功能。

1.知識獲取

知識獲取：就是從行業專家獲取領域知識并將其轉化為知識庫，主要通過以下 3種方式。

（1）從書本獲取知識，如國標、設計規范、圖表等。

（2）與專家交流獲取知識。

（3）通過學習、積累或數據挖掘的方式獲得新知識。

2.知識表示

知識表示：主要研究用什么樣的方式將解決問題所需的知識存儲到計算機中，便于計算機處理。知識表示分為規則、邏輯和框架等。規則是指一種行為的描述，這種行為對應于一定的輸入，可以引用各種形式的知識庫，并按照對應的邏輯條件產生一定的結果，如特征造型、參數計算、指定種類的選擇，或是違反約束時產生警告等。

3.知識運用

知識運用：從事例庫中提取相似的案例進行設計，即從已有的知識中推導出所需要的結論和知識。有基于規則，基于事例，基于模型和混合 /人工神經網絡等 4種方式。

三、KBE的目的

KBE技術的最終目的就是利用 KBE技術，結合 CAD/CAM/CAE/CAPP等軟件，實現設計自動化。對產品系列豐富，提供按訂單設計生產型公司尤其重要。

（1）將重復的任務自動化。自動生成產品三維、二維設計圖紙，物料清單，成本估算和采購訂單等。

（2）提高準確性。所有的文檔都是基于相同的主產品集自動產生，出錯的可能性小。

（3）縮短交貨時間。通用設計和文檔創建時間縮短 50%～90%，極大地減少設計時間。

（4）降低成本。模塊化、標準化程度不斷提高，設計、采購和制造等成本大大降低。

（5）提高產品質量。主產品集經過反復研究、驗證，產品質量高。

（6）提高競爭優勢。更低的成本、更短的時間，以及更好的質量，當然就意味著更強的競爭優勢。

四、KBE技術在 SOLIDWORKS中的應用

SOLIDWORKS軟件是美國 SOLIDWORKS公司（法國達索析統子公司）開發的全球第一款基于 Windows操作系統的三維參數化設計軟件，包含機械、曲面、模具、電氣、管道和仿真分析等眾多設計模塊。軟件接口豐富，第三方專業應用程序遍地開花，覆蓋概念設計、詳細設計、設計驗證、工程圖紙生成和數控加工等全產品開發周期。

基于 SOLIDWORKS軟件，有多款成熟的 KBE解決方案，如 DriveWorks、TactonWorks和 KBEWorks等。這些軟件都內嵌于 SOLIDWORKS中，深度集成。下面我們將基于比薩烤箱的案例來說明 KBE技術對設計人員的重要性，以及在 SOLIDWORKS軟件中的應用，這里我們采用的是 TactonWorks解決方案。

圖示是某比薩烤箱生產商生產的近萬款烤箱中的7款。客戶可以通過網站引導配置烤箱參數，比如烤箱個數、箱門形式、控制開關類型、桌腳樣式、放置比薩盤的平板橫置或豎置等。這些參數直接驅動服務器上的

SOLIDWORKS運行，自動生成烤箱三維設計模型，二維生產加工圖、三維效果圖、物料清單和報價等，一切在幾分鐘內實現。提交訂單后，數周之內，一臺全世界獨一無二的烤箱就送到您面前。沒有 KBE技術，這一切都將不可能實現。

由于客戶并不懂設計，這就要求生產商將烤箱的設計經驗知識集成到烤箱設計中，客戶在選配的時候，根據知識規則，自動推薦可以使用的配置。比如當烤箱箱體長度大于 1，000毫米時，必須選擇帶分隔板的箱門；當箱體重量達到 150千克時，支架的鋼材尺寸必須大于 50毫米等。

和絕大多數 KBE解決方案相比，TactonWorks有一個明顯的優勢，設計師不需要了解任何開發語言即可使用。設計師很方便地將設計規則和經驗知識添加到規則控制文件中。所有規則不存在先后順序，TactonWorks自動根據規則之間的關系來判斷執行順序。利用這些規則來計算工程參數對產品幾何參數的影響，從而驅動幾何模型。

利用 TactonWorks實現設計自動化的典型步驟和方式如下。

1.創建規則

在TactonWorks Studio工具中新建規則文件（.tcx）。將約束、規則和設計經驗等添加到規則文件中。Studio工具是內嵌入 SOLIDWORKS中的。通常由經驗資深的設計師來操作。

2.基于規則進行設計自動化

根據參數的輸入方式不同，分為兩種以下方式。

（1）在TactonWorks Engineer工具中運行規則，輸入相關參數，自動生成相關的三維模型、二維工程圖、產品物料清單和報價單等信息。Engineer工具是內嵌入SOLIDWORKS中的。通常由內部設計師和銷售人員使用。

（2）在 TactonWorks Online工具中運行規則，控制方式類似。唯一不同的是，Online是通過瀏覽器，連接網絡在線操作，通常由銷售人員或終端客戶操作，客戶的計算機上無須安裝任何特定程序，所有輸入參數直接發送到TactonWorks Server服務器上，自動生成相關的三維模型、二維工程圖、產品效果圖、產品物料清單和報價單等信息。

五、結語

無縫集成于 SOLIDWORKS的 KBE解決方案與SOLIDWORKS深度集成，利用行業專家經驗，基于主產品自動生成定制化產品模型、工程圖、物料清單和報價等信息，實現設計自動化，并能與企業的 PDM/PLM系統無縫集成。極大地縮短產品設計時間，提高產品質量，提高企業的綜合競爭力。