利用知識工程進行自行車車架設(shè)計

2013-06-02  by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

在競爭激烈的市場化要求下,自行車的設(shè)計出現(xiàn)了以下兩個特點:速度快、造型美觀適用.在當代制造工藝已比較成熟的情況下,自行車的造型設(shè)計變得相當重要.知識工程(Knowledge Based Engineering,KBE)具有多種知識表示和推理決策的能力,將其運用于快速處理自行車車架的工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計、造型設(shè)計過程及決策過程,可有效處理復(fù)雜的工藝知識和各種圖形知識,達到快速設(shè)計的目的.
耿忠林;張祥林 來源:CAD/CAM與制造業(yè)信息化
關(guān)鍵字:KBE 知識工程 自行車 AutoCAD

在競爭激烈的市場化要求下,自行車的設(shè)計出現(xiàn)了以下兩個特點:速度快、造型美觀適用。在當代制造工藝已比較成熟的情況下,自行車的造型設(shè)計變得相當重要。知識工程(Knowledge Based Engineering,KBE)具有多種知識表示和推理決策的能力,將其運用于快速處理自行車車架的工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計、造型設(shè)計過程及決策過程,可有效處理復(fù)雜的工藝知識和各種圖形知識,達到快速設(shè)計的目的。

    一、KBE技術(shù)的內(nèi)涵和關(guān)鍵技術(shù)

KBE的基本思想是在工程設(shè)計中重復(fù)利用已有的知識和經(jīng)驗。這些知識和經(jīng)驗以各種形式存在,如設(shè)計手冊、工程公式、經(jīng)驗數(shù)據(jù)表格和專家設(shè)計經(jīng)驗等。KBE系統(tǒng)是一個知識處理系統(tǒng),知識表示、知識利用和知識獲取是KBE系統(tǒng)的三個關(guān)鍵技術(shù)。知識表示即怎樣系統(tǒng)地陳述問題并使它們易于求解;知識利用中最主要的是搜索技術(shù),怎樣聰明地控制解的查找,使其不至于使用太多的時間和花費過多的計算機存儲空間;知識的獲取和編碼則是KBE系統(tǒng)最重要的方面之一。

    二、自行車設(shè)計概況

    1.國內(nèi)外自行車設(shè)計概況

有前人用AutoCAD二次開發(fā)技術(shù)在自行車車架設(shè)計上做過研究,但是成果并不明顯。其中一種實現(xiàn)方式是:用AutoCAD內(nèi)部嵌入的一種程序設(shè)計語言AutoLisp來完成常用的科學(xué)計算和數(shù)據(jù)分析,同時又能調(diào)用幾乎全部的繪圖命令。使用該程序能自動完成車架簡圖的繪制,然后自動提取關(guān)鍵參數(shù)進行分析判別并反饋出最后結(jié)果,以實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計的目的。

還有人在自行車CAD技術(shù)上做過參數(shù)化設(shè)計方面的研究。建立參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)的關(guān)鍵是建立一套描述參數(shù)和尺寸之間關(guān)系的約束方程,然后根據(jù)一組尺寸參數(shù)求解出新的設(shè)計參數(shù)。采用這種方法進行設(shè)計,僅需輸入必要的參數(shù),計算機就可自動生產(chǎn)出所需部件的圖樣。這種方案只適用于結(jié)構(gòu)變化不大或按一定規(guī)律變化部件的設(shè)計與繪圖。結(jié)合自行車設(shè)計的特點,這種方法有一定的可取之處。但對于造型設(shè)計復(fù)雜、變化多樣的情況,則是不能滿足實際設(shè)計要求的。

采用三維軟件進行設(shè)計可達到縮短產(chǎn)品開發(fā)周期,降低設(shè)計成本的效果,還能使二維平面設(shè)計軟件不容易表達的曲線和曲面在三維設(shè)計上變得容易實現(xiàn),且效果直觀,有利于設(shè)計人員和客戶之間的直接溝通。

    2 .自行車基本結(jié)構(gòu)及工廠設(shè)計流程

自行車由九大部分組成,如圖1所示。其中最主要的部分是車體。車體由車架、前叉、車頭組件、中軸組件、鞍管組件和貼花等組成。

圖1 自行車組件圖

車架設(shè)計是自行車設(shè)計中最關(guān)鍵和核心的部分,其設(shè)計主要分為前三角的設(shè)計、后叉片的設(shè)計和后三角的設(shè)計。前三角的設(shè)計包括五通、立管、頭管、上管和下管的設(shè)計。后三角的設(shè)計包括平叉和立叉的設(shè)計。后叉片主要用來連接后軸、平叉和立叉。后叉片的設(shè)計應(yīng)在前三角完成以后,后三角設(shè)計之前完成。車架結(jié)構(gòu)如圖2所示。

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 圖2 車架結(jié)構(gòu)示意圖

充分了解工廠工作流程將有助于在設(shè)計系統(tǒng)時充分考慮各部門間的配合、設(shè)計人員操作習(xí)慣和經(jīng)驗的積累,并有利于達到知識工程重復(fù)利用已有知識和經(jīng)驗的目的,圖3所示為某自行車公司的工作流程。

圖3 工作流程圖

    三、知識工程在車架設(shè)計時的應(yīng)用

車架CAD設(shè)計共分為選擇查詢、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和快速建模造型設(shè)計三部分。整體思路是先將車架各管的中心線畫出,制作成各式模版,然后進行結(jié)構(gòu)調(diào)整并對設(shè)計參數(shù)進行優(yōu)化修改,最后再進行管件造型設(shè)計。三部分分別采用了不同的KBE技術(shù),取得了良好的應(yīng)用效果,下面將進一步介紹各部分采用的不同KBE技術(shù),并分析其使用原因。

1.選擇查詢

選擇查詢采用了基于實例的知識表示,在工程設(shè)計領(lǐng)域,它有著廣泛的應(yīng)用。實例蘊涵著豐富的專家知識,可以為當前的設(shè)計提供有價值的參考。

自行車車架的設(shè)計相對自由,樣式多種多樣,共分為11種款式。各款式中部分管件的搭接形式又不相同,因此衍生出各式不同的車架外形。從車架設(shè)計條件描述中抽取出共同的特征及特殊特征并建立篩選條件,根據(jù)這些條件能從實例庫中搜索并選擇出與設(shè)計要求最接近的實例,進行改進設(shè)計。實例包括骨架實例(既中心線模版)和成品實例兩部分,可根據(jù)不同的用戶需求選用不同的實例。

    2.結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計包括參數(shù)化驅(qū)動、參數(shù)的程序優(yōu)化求解和結(jié)構(gòu)優(yōu)化三部分。

(1)參數(shù)化驅(qū)動。近似實例調(diào)出后,接下來將進行參數(shù)優(yōu)化修改。對結(jié)構(gòu)相似的實例,只需修改其參數(shù)具體數(shù)值。參數(shù)分為關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)和普通結(jié)構(gòu)參數(shù),關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)用統(tǒng)一規(guī)劃的表達式記錄并保存于數(shù)據(jù)庫中,普通參數(shù)則采用自動分配的表達式。參數(shù)修改通過修改表達式的值來實現(xiàn)參數(shù)化驅(qū)動。系統(tǒng)設(shè)計則能夠讀出實例中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)并提供了修改工具。常用的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)主要來源于自行車行業(yè)設(shè)計標準、專家設(shè)計知識經(jīng)驗和生產(chǎn)經(jīng)驗,并用數(shù)據(jù)庫進行管理。數(shù)據(jù)庫中主要記錄了部分車架關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的經(jīng)驗數(shù)據(jù)及實例數(shù)據(jù)。

普通結(jié)構(gòu)參數(shù)的修改則提供了專用的修改拾取工具,能夠拾取實體對象并讀取相應(yīng)的表達式,關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的修改亦可用其實現(xiàn)。普通結(jié)構(gòu)參數(shù)通常根據(jù)客戶的實際訂單需要來確定。

(2)參數(shù)的程序優(yōu)化求解。優(yōu)化計算時,由于未知參數(shù)很多,部分設(shè)計參數(shù)采用逆運算的方法,即將未知量按設(shè)計經(jīng)驗假定為已知量,然后以微量增量的方式進行迭代試算,直至算出符合要求的參數(shù)為止。例如,在計算五通下垂量及已知毛坯圓管直徑計算變截面管的相關(guān)參數(shù)時就采用了這種方法。以變形后截面是水滴型為例,如圖4所示,在假設(shè)變形后截面周長和原截面周長保持不變的條件下,其求解方程如下所示:

圖4 圓形管變形為水滴管

其中,D為毛坯管直徑,R1為水滴管大半圓半徑,R2為水滴管小半圓半徑,β為大半圓半徑與豎直中心線交角。將此方程的解看作是正切曲線和一條直線的交點,循環(huán)給出β的一個初值,直至使等式兩邊滿足一定的條件為止。代入公式:

即可求得水滴管的軸向高度B。此方法并未直接以水滴管的軸向高度B為未知參數(shù)求解,而采用了過渡未知參數(shù)β進行方程求解。第二種方法是采用試算法,即一些參數(shù)必須給出,但是又不能確定,用另外一些已知的參數(shù)試算出這些參數(shù),但這個參數(shù)以后可能還是會修改的,并且要能和其相關(guān)的對象實現(xiàn)關(guān)聯(lián)設(shè)計。

(3)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。車架設(shè)計中,后叉片是一個關(guān)鍵部件,如圖5所示。

圖5 后叉片及平、立叉裝配圖

由于本身設(shè)計較為復(fù)雜,為了使后叉片的設(shè)計不影響后面工序的設(shè)計,將后叉片的造型設(shè)計與選用和定位設(shè)計分開進行,舉例采用了自頂向下設(shè)計、自動裝配和關(guān)聯(lián)設(shè)計相結(jié)合的方法。首先將設(shè)計好的后叉片放入指定目錄下,并采用數(shù)據(jù)庫進行分類數(shù)據(jù)管理。然后將后叉片與主模版的對應(yīng)裝配關(guān)系抽取為一個矢量平面和兩個矢量軸,這樣在進行車架設(shè)計時只需按要求選用適合的后叉片即可裝配到位,而位置的調(diào)整也可通過界面調(diào)整參數(shù)達到設(shè)計要求。最后的關(guān)聯(lián)設(shè)計主要采用了Smart point(智能點)和UDO(用戶自定義)兩項技術(shù)實現(xiàn)。智能點用來連接后叉片和平、立叉的關(guān)鍵接觸點,能夠在后叉片位置改變或所選用后叉片改變時,實現(xiàn)關(guān)聯(lián)對象的自動變化,并能夠在一些參數(shù)不滿足基本要求時自動給出提示。

    3.快速建模造型設(shè)計

造型設(shè)計主要指管件的造型設(shè)計。其具體實現(xiàn)方式如下。

(1)在管件導(dǎo)引線(中心線)的不同位置按要求給出截面的輪廓形狀(截面形狀導(dǎo)引線)。車架截面形狀有圓形、橢圓形、水滴型(又分正水滴、反水滴)、方形、菱形和8字形等,可以先基于KF規(guī)則創(chuàng)建幾何建模特征和知識表達式的特性,然后采用UDF(User Defined Feature)用戶定義特征建立裝配件,即將截面形狀畫好作為一個裝配件,做截面時只需將相應(yīng)的截面調(diào)出即可,截面的形狀參數(shù)則通過讀取相應(yīng)的知識表達式達到快速修改的目的。

(2)通過掃描將管件外形做出。掃描中心法矢的運動軌跡是管截面形狀引導(dǎo)線,此引導(dǎo)線不做成整個的封閉曲線,而是將各位置上的引導(dǎo)線分割為同段數(shù)的曲線且使對應(yīng)曲線的切線方向一致,否則掃描出的管件容易扭曲。此時做出的是一薄壁管。

(3)加厚形成管件的厚度。

(4)連接管件間相交部分的剪切。當用戶拖動管件導(dǎo)引線時,管件能夠關(guān)聯(lián)變化。

采用此實現(xiàn)方法充分體現(xiàn)了對知識和規(guī)則的重用性。對象間的關(guān)聯(lián)設(shè)計用UDO的方法,將管件的一些列數(shù)據(jù)記錄到UDO中,實現(xiàn)完成了管件的自動剪切、自動標注、尺寸檢查、BOM表的自動生成和模具查詢等關(guān)聯(lián)設(shè)計。圖6所示是用開發(fā)的車架CAD模塊設(shè)計出的減震自行車車架圖。

圖6 減震自行車車架圖

    四、結(jié)束語

運用知識工程,使自行車車架設(shè)計工作從原來需兩天時間,縮短到目前的兩個小時,大大縮短了車架設(shè)計的開發(fā)時間,方便了設(shè)計方案的交互設(shè)計、修改和驗證,更有利于二次利用時縮短設(shè)計再修改的時間,使企業(yè)在激烈的市場競爭中贏得主動。本例的成功同時也表明了知識工程在中小型企業(yè)內(nèi)應(yīng)用已成為可能,知識工程將使企業(yè)具有更大的競爭力。此外,知識工程還允許用戶保存那些在實際應(yīng)用中有用的工程知識,當需要時能很快找出并重復(fù)利用。

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