周临震

(盐城工学院 优集学院，江苏 盐城 224051)

0 引言

现代制造业的发展，对产品结构和性能提出了越来越高的要求，面对快速多变的市场，企业必须具备强有力的产品快速设计开发能力。在实际生产中，产品设计工作以适应性设计和变型设计为主，获取及重用设计知识对提高产品设计的质量与效率有着十分重要的作用。但现有的产品快速设计系统开发方法要求产品设计人员与系统开发人员密切合作，技术人员的设计知识只能通过开发人员在系统中加以表达，系统的开发需要编写大量代码，从而限制了产品快速设计系统的应用。本文针对目前产品快速设计系统及相应知识开发工具的不足，在总结机械产品设计内在规律的基础上，结合参与开发的GSGS 格栅除污机快速设计系统［1］和汽车玻璃检具快速设计系统［2］，抽取快速设计系统开发过程中的各类知识，开发出统一的界面方案和知识管理分析功能，并内置基于知识驱动的几何建模功能，开发了知识驱动的产品快速设计系统通用平台，使产品设计人员在通用平台的导引下快速开发相关产品的快速设计系统，从而减低了产品快速设计系统开发人员的工作难度，提高了开发效率，使产品快速设计系统的开发人员更关注于产品设计本身的设计知识而不是较难的软件开发。

1 通用平台的总体设计

知识驱动的产品快速设计系统通用平台用于快速构架相关产品的快速设计系统，在通用平台的导引下，用户输入产品的相关设计知识，通用平台可快速构建出相关产品快速设计系统的产品设计导引、知识库、推理机、实例库等功能模块。

1.1 通用平台的结构与工作流程

针对适应性设计和变型设计的特点，在分析和研究特定产品快速设计系统一般开发流程的基础上，将产品快速设计系统通用平台的设计抽象为系统初始环境生成器，菜单编辑生成器，对话框资源生成器，公式生成器，表格生成器，推理机制生成器，知识解释器，实例编辑器，知识工具器等模块。如图1 所示。

在利用通用平台创建相关产品的快速设计系统时，产品设计人员通过系统导引生成器构造相关产品快速设计系统的结构框架，形成相关产品设计导引;利用菜单编辑器和对话框资源编辑器创建相关产品快速设计系统的人机界面，以引导用户输入与产品设计相关的工程信息，包括创建工具条、菜单和对话框;相关产品的设计知识是通过公式编辑器、表格编辑器、实例编辑器、知识工具器等功能模块创建的，依据用户输入的不同类别的信息，分类成不同类型的知识，并以不同的形式保存到知识库中，利用知识解释器将各类知识转变成以KF(Knowledge Fusion)知识语言表示的知识，并存放到与产品设计相关的知识库中;最后通用平台依据所获得的推理判断性知识，生成相关产品的快速设计系统的推理机，包括:推理器、装配器、链接器和参数更新器。

图1 快速设计系统通用平台结构与工作流程图

1.2 通用平台的功能模块

知识驱动的产品快速设计系统通用平台是一个设计向导系统，用户可以在系统的指导下完成相关产品的快速设计系统的开发。针对相关产品快速设计系统的开发流程，我们对通用平台的功能模块进行了划分，如图2 所示。

图2 快速设计系统通用平台的功能模块

主控模块:提供一个友好的人机界面，使设计人员不必了解各个模块的结构和复杂的内在关系，根据智能导引和提示信息输入相关的产品设计知识，设计导引信息等，系统有机地将各设计模块统一起来，并负责各模块之间参数的提取与传递，使设计人员不必了解系统内部结构，就能实现对各模块的调用，最终生成用户需要的产品快速设计系统。

系统初始环境生成器:系统初始环境生成器提供设置快速设计系统环境的功能，是构造产品快速设计系统结构框架的工具。在用户输入与产品快速设计系统相关的信息后，该功能模块能自动设置并构建快速设计系统框架。

菜单编辑生成器:菜单编辑生成器依据用户输入的信息，在指定的路径下生成工具条文件、菜单文件脚本。

对话框资源生成器:用户通过对话框资源生成器输入对话框文件的文件名、控件名、类型、初始值、控件值，保存后系统将对话框文件复制到产品快速设计系统路径中的application 文件夹;并生成响应、控制对话框的KF 表示的导引知识库。

公式生成器:依据用户输入的公式，生成KF 表示的公式规则，同时提供对已有公式(公理性设计知识)进行编辑的功能。

表格生成器:依据用户输入的表格查询信息(由表格、图表表示的公理性设计知识)，生成KF 表示的表格数据查询规则。

推理机生成器:提供给用户建立、编辑、推理流程的工具，依据用户输入的信息，生成相关产品快速设计系统的推理机。

知识解释器:解释CLIPS 表示的知识与KF表示的知识之间的关系，实现CLIPS 表示的知识无缝地转化成KF 表示的知识。

实例编辑器:依据用户输入的实例信息(零件模型、或生成零件的代码表示的产品设计知识)，生成KF 表示的实例，及匹配实例的规则。

知识工具器:提供可视化的设计知识编辑器，依据用户输入的不同类别的信息，分类成不同类型的知识，并以不同的形式保存到知识库中，最终生成与产品设计相关的知识库。

2 通用平台的关键技术

2.1 设计知识的发掘与表示

产品设计知识表现为多种形式，根据产品的设计要求和特点，按设计知识的来源和设计中的作用不同可分为设计原理知识、推理判断性知识、产品结构知识和设计流程知识。

(1)设计原理知识

设计原理知识包括来自设计手册、标准、规范及国内外成熟产品的范例等与产品设计相关的知识，主要供给关注产品本身的设计人员，是最重要的产品设计知识。它反映了产品的性能指标、系列规格和国家标准等［3］。

对于以表格形式体现在相关产品设计手册中的设计原理知识，以二维表的形式表示和存储。例如:系列螺栓的数据、公差表等数据都是以表格的形式出现在产品设计手册中。在人机界面的引导下，用户输入相关产品设计的数据，快速设计系统通用平台将这些数据组织到二维表中，并生成能驱动二维表的DFA 文件(KF 编写的程序)，DFA 文件可以根据关键字的值读取并返回一个表示数据的链表。

对于以图表形式表现的相关产品设计的公理知识，将图表转化成二维表表示的知识或转化成公式化表示知识。

(2)推理判断知识

推理判断知识关于产品设计过程的知识，是解决产品设计过程中的经验知识，是专家长期从事产品设计的经验和知识的总结［3］。如根据工程参数确定零部件的合理配置等。

对于隐藏在专家脑海中的推理判断知识，可采用基于规则的表示，用显式的“标准”方式表示各种具体的求解策略。本系统采用可视化的编辑工具，将推理判断知识用一些图符以二叉树方式加以表达，通用平台生成反映设计推理判断和设计流程的判定树，判定树会通过一系列判定或问题修剪判定树的搜索空间从而逐步减少可能的解而最后导出一个解的。一旦完成知识的编辑，知识工具器将把图符表示的知识“翻译”成CLIPS(C Language Integrated Production System)知识语言表示的知识，形成以CLIPS 语言表示的具体产品设计的知识库。CLIPS是基于规则的通用专家系统开发工具，长于表示逻辑推理。通用平台通过知识解释器将CLIPS 表示的推理判断性知识翻译成KF 表示的知识库。

(3)产品结构知识

产品结构知识是反映产品中零件的尺寸、拓扑结构，及零部件之间的空间约束关系、装配关系和几何对应关系。比如:机床刀架的确定将由刀架形式、刀槽宽度和高度、刀架宽度和高度及刀架定位方式的不同而不同。

产品结构知识采用框架与规则的复合描述方法，将产品按照“分级模块化设计”原理进行分类，把某一类产品模型抽象为一种相对稳定的模型框架，而这一类产品模型中的任一具体模型则表现为一组结构数据，即把产品设计中的任一具体模型的结构数据从图形中抽取出来，这样，模型实例的查询、检索就转化为对模型类的实例化，简化了实例推理的难度。用框架与规则的复合描述时，规则能够连同框架一起分类，并且在描述某一条规则时，可以包含该规则的其它属性。比如，反映部件间装配关系的知识，采用了框架与规则的复合表示。

框架名:＜MACHINE ＞

属性槽名:ASSEMBLY_CONSTRAINTS

部件名:t_bl40001

实例名:t_bl40001

父部件名:t_bl0000

父实例名:t_bl0000

配对类型:{a，a，m}

规则槽名:condition_data

加载条件:srl0 =1

(4)设计流程知识

设计流程知识主要反映了产品设计的要求和特点，控制整个产品设计进程的进行。包括:产品的设计流程、评价原则等。比如产品的设计步骤、各部件系统的设计、产品不同部件在设计时的相互关系，以及部件结构的评价及分析标准等。

设计流程知识具有结构化的特点，框架表示法是一种知识结构化表示方法，也是一种定型状态的数据结构，它由框架名和一组用于描述框架各方面具体属性的槽组成框架。故而采用框架表示法表示反映工程参数的设计流程知识。例如，BL 车床进给箱的主要工程参数的框架结构:

框架名 ＜BL_FeedBox860 ＞

同类槽:＜BL_FeedBox400 ＞

基本螺距机构:变速齿轮

倍增螺距机构:变速齿轮

运动分配机构:滑移齿轮

操纵机构:单独摆动式

操纵手柄形式:手柄式

2.2 推理机生成器的建立

推理机是快速设计系统实现自动设计的核心，推理机生成器依据经过解释的输入参数与知识库中的产品配置结构库，装配知识库中的对应规则依次进行匹配，智能地完成各种检索匹配工作，推理机生成器将生成动态链接库文件与DFA 文件。生成的推理机中包含有:导引与推理机的接口，使导引在调用解释器程序后，自动调用推理程序;推理器，遍历产品知识库，完成整个产品零部件的匹配、选择;装配器，依据装配知识库中的装配知识，完成零件间的装配;链接器，依据链接知识库中的链接知识，完成零件间的链接关系的恢复;参数更新器，依据参数更新知识库中的参数更新知识，完成零件的表达式参数的更改。

在含多级装配的推理过程中，推理结果可能会要求将部分约束规则传递给还没有建立的子装配，我们采用将KF 类强制性加入到推理规则中，通过控制推理顺序来确保系统按要求进行类的实例化。

2.3 模板库的建立

产品结构知识中反映产品结构几何特征的知识，以几何模型的形式存贮在产品模板中。模板库是进行产品适应性设计和变型设计的基础，产品模板中不光包含零部件自身结构特征的信息，还包含反映与其相关联的零部件之间几何关系的链接几何体。模板库的建立包括以下三个方面:

(1)产品的模块化分析

通过对产品结构的分析，根据特定产品的功能要求，确定其基本配置和组成，确定零部件之间的装配关系，建立产品的自顶向下的有层次的装配树。与产品分解分类关系相对应，标明装配树中各组元结点的几何关系以及参数关系，为建立产品模板做好基础。

(2)产品模板的建立

在建立产品模板的过程中，采用WAVE(What-if Alternate Value Engineering，部件间的相关性)技术建立产品模板，当改变父部件中定义的几何体时，则抽取该几何体的所有部件中的对应几何对象会自动更新，从而实现部件间几何形状的自上而下的控制，能够保证产品概念设计与详细设计的变化自始至终地贯穿到整个产品模板。

(3)产品模板的对象化

在模块化分析与产品模板建立后，通过实例编辑器将控制产品模板的几何形状与空间位置的装配坐标等信息抽象出来并采用对象表示法表示，实现实例的几何模型与抽象的类分离。

3 系统实现

产品快速设计系统通用平台利用Visual Studio 2010、KF、CLIPS 为系统开发工具，通过二次开发与CAD 系统集成。通过可视化的知识编辑模块设计人员将设计知识以二叉树方式加以表达，形成以CLIPS知识语言表示的具体产品设计的知识库，图3 为可视化的知识设计器;通过系统初始化、菜单编辑器、对话框资源编辑器、公式编辑器、表格编辑器等模块，形成以KF 知识语言表示或驱动的产品快速设计系统框架;通过推理流程编辑器模块中的KF 与CLIPS 的解释器，完成两类知识语言的有效衔接。从而实现无需编写代码就可快速开发特定产品的设计系统。

图3 可视化的知识设计器

例如:以车床系列型谱为基础，结合BL 系列车床的特点以及客户现有和潜在的需求，作为系统开发的目标。车床设计在加工长度为350m ～2000m，最大加工直径为200mm ～500mm 等工作参数范围内。要求车床快速设计系统在过程导引的智能引导下，用户输入少量的工程参数，并进行少量的人机交互，系统自动完成车床的设计。

根据设计要求，首先对车床产品结构和功能的分析，掌握与车床设计相关的所有设计知识，包括:车床设计范例、型谱数据、国内外标准、设计流程、设计准则、产品结构及结构与参数变型的类、零部件之间的相互关系等，并通过KF、知识编辑模块等工具进行描述;其次建立蕴含产品设计知识的车床原型模板，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，系统能激活相应的产品设计知识，使模板自动更新;最后根据车床设计流程创建相应的菜单和工具条文件，并按要求放置在相应的文件夹中。系统将由以下五个文件夹组成:startup、application、data、template、bmp。其中startup 文件夹包含平台的菜单文件、工具条文件与相应的动态库;application 文件夹包含平台的所有对话框资源文件;data文件夹包含平台的所有参数文件，例如流程知识库、装配知识库、用户输入信息、关联知识库、表达式知识等相关知识库或数据库;template 文件夹中存放的是产品的原型模型以及原型模型相关的工程图;bmp文件夹中包含工具条中所有的位图文件。图4、5 分别为通过平台生成的车床快速设计系统界面和基于快速设计系统设计的BL 车床三维数字化样机。

图4 车床快速设计系统界面

图5 基于快速设计系统设计的BL 车床三维数字化样机

4 结论

本文在总结机械产品设计内在规律，分析和研究特定产品快速设计系统的基础上，开发了知识驱动的产品快速设计系统通用平台，并将该平台在BL 系列的车床设计中进行了成功的应用。生成的特定产品快速设计系统，可针对不同客户对产品的配置形式要求，快速自动生成产品的三维模型，达到产品快速设计的结果，提高了产品设计的质量和效率，缩短了产品设计周期，能够有效地提高企业的市场快速反应能力与竞争能力。

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