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基于配置设计方法的机械产品知识参数化设计
摘要
参数化建模和配置设计方法是大规模定制制造中的关键技术。介绍了机床参数化建模过程，提出了基于设计专家系统的机床装配参数化建模框架。提出了比功能特征高一级的设计单元概念和具有功能特征的参数化建模概念。将知识库中的领域知识映射到CAD系统的几何结构中。由于商用CAD系统不能处理机床装配件的参数化设计，因此实现了机床装配件的再设计专家系统。该系统由一个商用专家系统外壳、一个设计知识库和一个带有API程序的商用CAD系统组成。该API程序通过GUI将专家系统与CAD系统进行接口。
关键词：功能特征；设计单元；配置设计；参数化建模；设计专家系统；
一.介绍
计算机是设计工程系统的重要工具。计算机辅助设计(CAD)系统是设计实践的必然要求。希望有一个支持初始设计、配置设计、详细设计、制造和拆卸的整个生命周期的应用程序。设计在设计阶段经常发生变化，而最优设计是由工程分析如静力分析、动力分析和有限元法(有限元法)支持的。为了适应市场需求，原有的大批量生产体系正在向大批量定制体系转变。小批量生产，产品类型多样化是大势所趋。当几何模型在设计过程中经常发生变化时，参数化建模技术是非常有用的。零件的几何变化也会影响模型的装配。
大多数商用CAD系统都支持零件的参数化建模，但装配模型的参数化建模却没有得到很好的支持。本文提出了一个由商用CAD系统和专家系统组成的设计专家系统框架。该设计专家系统已应用于机床装配件的参数化建模。该系统可以基于设计知识库对产品的零部件进行参数化建模。
已有关于构型设计方法的研究(Brown, 1999, Franke, 1998, Kang and Han, 1997, Koo et al.， 1998, Sabin and Weigel, 1998, Yu, 1996)。然而，很难找到一个能够处理三维CAD几何图形的配置设计系统。大多数配置系统是目录设计系统，它指定产品的属性，如个人计算机和乘用车。为了使设计结果可视化，并交互式地修改设计，需要将配置系统与CAD系统集成起来。
介绍了特征表示、设计单元的概念、参数化建模和组态设计方法，提出了一个基于设计知识库的参数化建模设计专家系统框架。该设计专家系统不仅支持结构设计，而且支持几何设计，可以从初始设计到详细设计的全过程使用。该系统在产品参数化建模过程中，当设计发生变化时，执行设计推理过程。最后，将该系统应用于机床总成的设计中，验证了该概念。
二.设计单元的参数化建模
参数化建模允许重用现有产品和基于工程分析结果的快速设计修改(Shin amp; Kwak, 1999)。在基于特征的建模系统中(Regli, 1995, Salomons, 1994, Shah and Mantyla, 1995, Shah et al.， 1994)，特征类的详细程度非常重要。应该决定在哪些细节级别上操纵它们。不同层次的细节包括形状特征、功能特征和加工特征。本文以设计人员所使用的功能特征为重点，提出了设计单元的概念，用功能特征来表示装配体的参数化设计。基于设计单元对工程系统设计的概念，设计人员在设计类似于现有系统的设计时对设计单元进行修改。如果要修改设计单元，则应修改设计单元的几何形状或功能。这种参数化建模工具不仅应该允许零件的修改，而且应该允许装配的修改。本文使用的主要术语定义如下。
1.设计单元:在工程系统中负责基本功能的单元。整个系统由设计单元组成。设计单元由设计子单元组成。较低层的功能部件由一个或多个功能特性组成。由装配件和子装配件组成的设计单元的细部深度可根据需要由设计人员确定。
2.功能特征:是对设计的功能具有重要意义的特征，不仅包括几何信息，还包括设计意图或功能。功能特性可以根据应用程序域使用不同的名称来调用。设计人员通常根据功能而不是几何来处理特性。
3.表单特性:它比功能特性低一级。它是独立于域的特性的通用定义。它是基本单元，表示几何基元。加工特征还利用形状特征来定义几何形状。
图1为设计空间工程系统的设计单元层次结构和功能特征。设计单元可以根据需要细分为多个级别，每个设计单元都映射到制造空间中的物理组装上。设计空间层次结构底部附近的功能特征对应于制造空间中的加工特征。这不是一对一的对应关系。
图1.工程系统中设计单元和功能特征的层次结构。
本文提出的设计单元也有类似的概念。Nomoto和他的同事在造船CIM中提出了单元对象的概念(Nomoto, Aoyama amp; Tabata, 1989)。单元对象的概念是将船舶的结构单元作为一个对象进行操作。使用单元对象的概念，设计人员可以通过提供少量指定参数的值而不是完整的枚举描述来轻松地设计部件。澳大利亚阿德莱德大学在建筑设计中引入了设计单元和功能单元的概念。设计单元表示结构(建筑)的物理实体，功能单元表示设计单元满足的功能需求(Woodbury amp; Chang, 1995)。
参数的变化不能只通过模型的维数变化来实现。例如，有一个盘子有一个洞。如果孔的直径大于板的宽度，这将是一个不可取的建模。图2给出了一个不受约束的参数化建模示例。尺寸限制应施加于零件之间和设计单元之间。通过约束可以避免建模误差。
图2.无约束零件的参数化建模。
参数化建模有两种方法。一种是代数方法，另一种是人工智能方法(Verroust，Schonekamp;Roller，1992)。本研究采用了基于人工智能的商业CAD系统和商业专家系统外壳的方法。特征、维度和程序集之间的几何约束可以表示为知识库中的规则。
三.配置设计方法的应用
图3显示了Huang和Brandon(1993)对分类的一种修改，其中设计问题根据其复杂性分为某些类别。
1.第1类：设计工件的一般结构未知。
2.第2类：工件的一般结构是已知的，但是具体的方案(组成和布局)是未知的。
3.第3类：艺术品的组成和布局都是已知的。产品结构树和工件的拓扑结构也是已知的。
图3.问题类，设计方法类。
这三个类与概念设计、实施和细节设计的设计阶段相对应和重叠。第1类为组态设计，第2类为拓扑设计，第3类为参数设计。配置设计的主要任务是建立一个基于预定义部件库配置产品的模式。拓扑设计是根据零件的一般结构来确定零件的布置问题。它决定产品的最佳模式和属性。第1类的设计问题从概念设计开始。这是最困难的阶段，因为零件的选择，产品的一般结构，拓扑结构(零件之间的相对位置)都要根据设计要求来设计。
配置设计方法是“定义满足约束条件的部件与产品规格之间的关系(Koo et al.， 1998)”。配置设计从初始设计阶段的一组部件开始。零件之间的一些关系可以从一开始就给出。当使用预定义的部件库进行设计时，可以获得所需的功能、性能和成本。关于部件的知识、部件之间的关系、属性和部件的约束的知识是配置知识。
配置设计为部件的属性提供值。零件满足连接或拓扑关系的内部规则。配置设计分为两类，第一类是纯组合(Huang amp; Brandon, 1993)。在配置过程中，产品的部件列表已经是已知的和固定的。在第二类中，零件可以随着设计的进行而替换。如果找不到合适的部件，可以生成新的部件。应确定空间关系和关键维度。为了实现配置过程，使用了检查表和决策树等算法(Koo et al.， 1998)。通过编辑组装树，可以很容易地从部件库中替换单个部件，并且可以毫无困难地创建设计替代方案。
在本研究中，我们考虑了多种机床。将不同的机床划分为设计单元，可以得到不同的功能分解集。但也有共同的功能单位。配置设计可以使用为机床设计而建立的零件库进行。
介绍了机床组态设计方法的实验应用。卧式加工中心可分解为床单元、柱单元、指标单元、主轴单元、导向单元、自动换刀单元等设计单元。
图4为水平加工中心的设计单元。将水平加工中心分解为第一级设计单元后，可以进一步分解为子单元。最后，将其分解为功能部件级。设计单元或部件的组合，满足设计要求和约束，可以构成整个系统。图5为发展Tongil重工业的水平加工中心(Kwak, Han et al.， 1998)的三维模型。
图4.水平加工中心(一级)的设计单元。
图5.卧式加工中心。
四.利用专家系统对装配件进行参数化修改时的设计推理
为了构造几何模型，设计师使用设计知识和启发式。对于装配体的参数化建模，专家系统可以处理设计约束。由于推理机与知识库在专家系统中是分离的，因此知识库内的知识块的添加和修改非常容易。在这方面，专家系统不同于基于过程算法的推理系统。工程设计领域的一些研究应用了基于知识的系统和人工智能方法(Bok et al.，2000, Mcalinden et al.， 1998)。
提出的设计专家系统知识库存储了以下知识。
1.配置设计知识;拓扑设计，零件选择，零件布置。
2.参数化建模和推理的设计约束。
3.功能属性。
4.设计的启发式知识。
图6为设计专家系统的体系结构。知识库、特征库、部件库、设计单元库是系统的主要组成部分。所实现的设计专家系统由商用专家系统外壳、商用CAD系统和集成整个系统的API(应用程序编程接口)组成。将Neuron Data的Intelligent Rules Elements (IRE) V4.0作为专家系统外壳，将Unigraphics Solutions的Solid Edge V4.0(2000)作为3D CAD系统。
图6.设计专家系统的体系结构。
图7显示了设计知识库与CAD数据之间的关系。设计信息由设计对象内部的方法处理。水平加工中心的目标网络如图8所示。我们可以看到机器的产品结构和部件特性。图9示出用于设计推理的规则网络。推理机发现并触发规则，将推理过程链化。
图7.CAD数据与知识库协会。
图8.水平加工中心的对象网络。
图9.规则网络在水平加工中心设计知识库中的应用。
利用知识库中的规则对机床产品的数据表示进行处理。如图8所示，此表示由相互关联的对象组成。它们构成了代表性层面。如图10所示，表征维度在数据层次上与推理系统相交(Neuron Data Inc.，1996)。
图10.推理和表示的交集。
图11显示了水平加工中心设计知识库中的三个规则。在第一条规则中，水平加工中心的“列长度”、“纺锤体长度”、“值”和“步长”是相互关联的。如果设计人员更改“柱长”，则设计专家系统将更改lsquo;纺锤体_lmGuide_Lengthrsquo;。值以“列长度-1672 1510”的维数表示，并按“列长度”的维数更改“步长_长度_for_纺锤体_lmGuide”。这种推理过程在机床设计过程中经常发生。通过这个推理过程，设计师可以很容易地修改他/她的产品模型。
图11.机床设计知识库中的规则。
图12显示了用MS Visual Basic 6.0开发的设计专家系统的用户界面，Solid Edge的API和专家系统外壳的API。下面的步骤给出了作为机床设计单元的轴承壳体的参数化建模过程。
图12.利用设计专家系统对轴承壳体进行参数化建模。
系统首先加载步骤(1)所示的零件选择窗口，设计人员选择要设计的零件(轴承座)。实体边缘三维CAD系统加载步骤(2)所示的轴承座标准三维模型，在步骤(3)所示的设计数据选择窗口中，设计师可以选择轴承座类型、轴承类型和可选值。然后利用专家系统服务器内部的设计知识库进行推理。如窗口(4)所示，系统显示推理结果。在此基础上，实体边缘三维CAD系统根据推理结果改变设计几何形状。根据修改后的轴承座尺寸完成参数模型的修改，如(5)所示。
为了实现机床装配的参数化建模，必须采取以下步骤。
1.建模的部分。
2.用零件组装。
3.列出参数化建模和命名的所有关键维度。
4.建立包含各维度参数关系和公式的设计知识库。
5.编写用于连接CAD系统与推理机、知识库的GUI程序和API程序。
图13为装配参数化建模设计专家系统的建立过程。
图13.建立了装配参数化建模的设计专家系统。
图14显示了机床总成参数化模型变化的结果。本次设计变更涉及柱单元、导向单元和主轴单元三个设计单元。改变了立柱的长度和宽度，改变了主轴壳体的外径。如果改变了立柱的长度，则应改变附在立柱上并保持主轴单元的LM(线性运动)导轨的长度。修正LM指南的列的步长也应更改。如果改变立柱的宽度，则应改变主轴单元中包含的主轴箱板部分的长度。在图14中，(A)显示列单元的原始模型，(B)显示具有参数变化的修正模型。由于主轴壳体外径的尺寸发生了变化，所以主轴箱孔内径的尺寸也应改变。
图14.卧式加工中心立柱单元和主轴单元的参数化建模。
五.结论
在这个研究中,(1)的方法整合初始配置设计和细节提出了CAD设计,(2)体系结构的参数化设计专家系统的基础上,提出了设计单位概念和设计知识库,(3)拟议的系统已经测试的组装加工中心。
该系统可以参数化地改变装配体，而商用CAD系统可以处理零件的几何形状。装配体参数化建模需要基于启发式专家知识的推理过程。
提出的系统可以减少设计修改的时间。参数的变化是基于知识库的，知识库中包含零件之间的约束。利用该系统，通过设计推理过程可以快速得到修改后的产品模型。通过实验说明了智能CAD系统的先导系统。
参考文献
【1】Bok等，2000,
Bok, S. Myung, S.- h。han
基于分布式知识库的镜头筒设计
《知识密集型计
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