（机械制造及其自动化专业论文）门式启闭机快速设计平台的研究及构建.pdf

摘要 2 l 世纪，企业竞争的焦点在于产品的创新开发和对市场的快速响应。成熟的商品化c a d 系 统已经不能适应这方面的要求。 门式启闭机是用于启、闭大坝闸门和起吊拦污栅等设备的重要设备。由于现阶段个性化需求 的多样性以及门机机构间空间布置关系和传力特性的复杂性，传统的设计模式已经难以满足市场 的需求。 本文构建的门机快速设计平台以知识工程和虚拟样机技术为技术支持，以基于实例推理 ( c 罄e b 鹤e dr 七a s o n i n g ，c b r ) 的方式作为产品开发策略，并通过c a d 和c a e 的数据集成实现了 产品设计和结构分析的并行处理，从而实现了门机的智能化变型设计，并保证了门机的设计质量。 本文在门机快速设计平台的构建过程中，取得了以下几个方面的成果： ( 1 ) 利用面向对象方法和产品级参数化建模技术，研究了复杂机械产品设计的知识表达机制 和获取方法： ( 2 ) 针对门机的结构特点，提出了一种基于实例模板的实例库组织形式，并结合链表式数据 库技术构建了门机产品实例库，并研究了与之相关的实例检索策略； ( 3 ) 以参数关联模型的方式，并行驱动参数化门机设计模型和分析模型，从而实现了c a d c a e 的集成，达到了设计与分析的并行化和集成化。 关键词：门式启闭机，快速设计，知识工程，基于实例推理，c a d l c a e 集成 a b s t r a c t t i 坞c o m p e t i t i o n 黝o n ga m 可炳s 嚣f o c l l s e so n 吐l ec 咒a t i o nd e v e l o p m e n to fp i o d u c t s 锄dm e r 印i dr e s p o n s et o 恤m 砌( e ti nt l l e2 l 髓c e 螂mc o 删n e r c i a lc a ds y 咖mc 趾t m e e tm ea _ b o v e - m e n t i o n e dr e q u i r e m e n t s t h em a i n 仃a m ei sa ni m p o 咖l tc a p a b i l i t ) ，c o m p o n e n t 觚db e a r i n gp a ni l ls l u i c eg a t e 舒吸h 了c r 锄e d u et 0 1 ec o i n p l e x i 哆o ft h es p a c ec o i g u r a t i o n 锄o n gt l l ec o m p o n e m so f t h em a i n 丘锄e ，m em o v e m e m 龇l df o r c e 仃a l l s 诧玎i i 培r c l a t i o i l s l l i p 锄o n gt h ec o i n p o l l e n t si s a l s oc o m p l i c a t e d a d o p t i n g 饥l d i t i o n a ld e v e l o p r n e n t 慨l l i l i q u e s 柚dr e l y i n go ne x p e r i e n c e s o f 饥g i n e e r s t 0d e s i 盟t h ei i l 血纳m e 诵ul o 惯t l l ee 伍c i e 眦y 锄di n c r e a s et h ec o s t “n g m ec 0 l l r s eo fd e s i g l l 1 1 1 e s ec 0 n d i t i o 璐c 觚tm l 栅恤m 孤k e tr e q u i r e n l e n t t l l i sp a p e rp r o p o s e sa 鹏wp a t t e mt 0c o n s t n l c t l er a p i dd e s i g np l a t f 0 锄f o r m e c l 姗i c a lp r o d u c t s a n d 圮nb a s e do n l ep a t t e mt l l e 批rc o 璐仇l c t st h er a p i dr c s i 0 n d e s i g np l a t f o mf o rs l u i c eg a t eg a m r yc r a n et or e a l i z ei n t e l l i g e n tr 印i dd e s i g nr e s p o n d i n gt 0 t l l em a r k e tr e q u i r e m e n t t e c l l i c a l l yb 嬲e do nk n o 、v l e d g eb 嬲e de n g i n e e r i i 培( k b e ) 锄d r t u a lp r o t o 帅e ( v p ) ，n l ep l a t f o ma d o p t sc a s e b a s e dr e 嬲o l l i n g ( c b r ) 嬲d e v e l o p i n g s t r a t e g ) r 觚di n t e 伊a t e sc a d c a em o d u l e st 0a c l l i e v et l 心c o l l a b o m t i v ew o r l ( i n gb e 帆e e n d e s i 印a l l d 锄a l y s i s c o i l s e q u e n t l yt h ep l a t f 0 mr e a l i z e si n t e l l i g e n tv a d 锄td e s i 盟f o rs l u i c e g a t eg 龇岬c r a n ea n di n s u r e si t sq u 2 l l i 够 d u r i n gm ec o u r s eo fc o i l s 仃l j c t i n gt h ep l a t f o mo fs l u i c eg a t eg 咖c r a n e ，n l ep a p l e r o 饥a i l l ss e v e r a la c h i e v e m e n t s 嬲南l l o 谢n g s ： ( 1 ) b 懿e do no b j e c t o r i e n t e dt e c h n i q u ea n dp r o d u c t i l e 、r e lp a r a m e t e r i z e dv 撕a n td e s i g n m “h o d ，m ep 印e rp r o p o s e sak r l o 、l e d g er e p r e s e n t a _ t i o n 锄da c q u i r e m e n tm e m o dt h a li sf i t f o rc o m p l i c a t e dm e c h a n i c 2 l lp r o d u c t s ( 2 ) b a s e do nt l l ec a s em o d e li m t h o d ，t h ep 印e r 西v e san c wp a l t e mt h a tm a t c h e su pm e s t m i c t u 】r ec h a r a c t e r i s t i co fs l u i c eg a t eg a n t l 了c m et 0o 玛a i l i z ec a s eb 嬲e ，锄dt h e nt h ep a p e r c o 姗t st h ec a s eb 2 u s eo fs l u i c eg a t eg 锄t 巧c r a j l ea o c o r d i n gt ot h ep a ma 1 1 ds o m e d 撕b a s ea l g o r i t h n l u s i n gt l l ea b o v ep a l t e ma i l da 1 9 0 r i t h m ，t l l ew h o l ep r o d u c ti n f o m a t i o n o fs l u i c eg a t eg a l l 仃yc r 锄ec a nb ek 印t ，r e p r e s e n t e da l l de x t e n d e dd ) ，n 锄i c a l l y ( 3 ) a i m i n g a tt l l ec h a m c t e ro fs l u i c eg a t eg a n t 巧c 硼em a i n 矗a m ea n dt h ei s s u et h a t t l l ei n f o r m a t i o no fc a ea n dc a di si n c o n v e n i e n tt oi n t e g r a t e ，t h ep a p e rp r e s e n t sal o g i c m o d e l t h em o d e lc a nc o l l a b o r a t i v e l yd r i v ep a r 锄e t e r i z e dm o d e l st h a ta r eo r i e m e dt o d i 腩r e i l tw o r k i n gs u c ha sd e s i 髓柚da 1 1 a l y s i s u s i n gt h el o g i cm o d e l ，w ec a nr e a l i z et l l e i l i n t e g r a t i o n 柚dc o l l a b o r a t i o no fd e s i 弘a i l d 趾出y s i s f 删妞i m l o ，i l l0 r i d e rt 0s o l v et l l eb o t t l e n e c kp r o b l e mt l l a td e s i 盟r u l e so fs l u i c eg a t e g 柚仃yc r a n em a i l l 丘锄ea r ev e 巧l l a r dt ob ea _ b s t r a c t e d ，t h ep a p e re 曲l b l i s h e sap r o t o t ) ，p e s y s t e mf o rk w l e d g ed i s c o v e r ) ，b a s e do n 圮r e s u l t s0 ff e mt h r o u g hd a t am i i l i n g 觚d k h o w l e d g ed i s c o v e 巧i nd 比i b 弱e ( ) d ) t e c l l i l o l o 阱1 kp a p e ra l s 0s t i l d i e st h em e 廿1 0 do f k n o w l e d g ea c q u i s i t i o n 、砘t l l 纰i l l i l l i n gt e c h n o l o g yb 觞e do nr o u g l ls e tm e o f i l l a l l y s e v e r 2 l ld e s i g nm l e so fs l u i c eg a t eg a l l t 巧c 瑚em a i n 行砒i 圮a r ea b s t r a c t e d 丘o mm 锄y r e s u l t sb 嬲e do nt l l ep r o t 0 咖es y s t e ma i l dr o u g l ls e tt h e o r y k q 啊o r d s ：s l u i c eg a t ega 1 1 _ 仃yc r a l l e ，r a p i dr e s p o 璐ed e s i g i l ，k b e ，c b r c a d c a ei i l t e 鲫i o n i i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 张生躲威建慨q 星j 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文 的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档 的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借 阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东 南大学研究生院办理。 研究生签名：毖垫翮签名：丝丝同期 第一章绪论 第一章绪论 2 0 世纪8 0 年代以来，自动化、信息、计算机和制造技术相互渗透，发展迅速，信息时代已 经到来。2 1 世纪世界的一个巨大变革就是形成一个统一的全球市场，每一个国家都不可能离开这 个全球市场求得自身的发展，都必须在这个全球市场的竞争中求得生存。 制造业竞争的日益全球化及市场的更加成熟和理性，对产品设计提出了更新更高的要求。要 提高产品功能，自然要求创新设计方法。现代产品设计方法包括多学科优化设计、基于发明创造 方法学( t r i z ) 的设计、公理化设计、并行设计、智能设计、协同设计和绿色设计等。这些设计理 论和方法围绕着t ( 投放市场的时间) 、q ( 产品质量) 、c ( 产品成本) 、s ( 服务支持) 、f ( 适应市场变 化的灵活性) 和g ( 无污染) 、节省资源等方面展开。即要求以最短的时间和最低的成本设计出适应 市场需求、质量最好、环境负荷最小的产品，并对用户提供最好的服务。 1 1 课题提出的背景及来源 本课题来源于郑州某大型水工机械厂，该厂生产的门式启闭机( 简称门机) 可安装在水电工 程电站厂房平台上，用于电厂闸门的启闭、吊运、安装和维修等。另外，在门机侧面设有1 台回 转吊车，主要用于检修闸门以及坝面零散物品的启闭和吊运。 门机主要由起升小车、回转吊车、大车运行机构、门架、卷筒、夹轨器、司机室、大车缓冲装置、 小车供电装置、轨道、电气设备及门机附带的液压自动抓梁、清污装置等组成。 通过调研可知，现阶段由于门机各主要机构问空间布置关系非常复杂，造成各构件间运动关 系、传力特性也非常复杂，如果在门机的设计过程中，仍然依照传统的设计方法，依靠设计工程 师的经验进行设计，主要会带来以下两个问题：知识的重用度不高：由于门机的性能参数是由 使用方定制决定，随着门机产品个性化程度的提高，使用方对企业生产活动的要求程度也逐渐提 高，产品多样性的要求日益强烈。企业设计过程缺乏灵活性，仅仅关注设计过程中局部重构和创 新，缺少对门机整个设计过程的重新规划和模型建立，造成每一次设计都需要重新构建产品模型 和文档资料( 如工程图、工艺过程规划等) ，知识重用度不高。据不完全统计，企业6 0 以上的 图纸仅仅使用过一次；分析手段有限：门机的门架、起升小车和回转吊等都是关键的承载构件， 在设计时需要计算工作载荷、自重、风载等因素对结构受力的影响，判断结构是否能满足刚度和 强度要求。手册或规范中将各关键承载构件视为平面或空间框架结构，考虑各种影响系数，列出 了各种工况下的内力和挠度计算公式，这种方法计算的结果往往不够直观，而且使结构过于笨重， 达不到结构优化的效果。 产品设计阶段将决定产品生命周期累计成本的7 0 8 0 ，对产品的交货期、总成本和质量 都有重要的影响。为此，在门机设计阶段应采取先进的设计方法、技术或手段对多种结构方案及 工况进行比较分析，能方便的对影响整体性能的位置参数和结构参数进行适当的调整，以便确定 1 东南大学硕士学位论文 门机的最优结构布置与总体集成；并且可以实现c a d 和c a e 功能的信息集成，实现产品设计和结 构分析的并行处理，从而更快、更方便地进行门机的结构设计。 因此本文基于快速设计方法构建了门机快速设计平台，该平台以知识工程( i ( 1 1 0 w l e d g e b a s e d e n g i n e e r i n g ，k b e ) 和虚拟样机( v i r t u a lp r o t o t y p e ，v p ) 为技术支持，采用基于实例推理 ( c a s e - b a s e dr e a s o n i n g ，c b r ) 方法进行产品开发，可引导设计者进行门机的智能化变型设计； 并且该平台通过提取参数并构建参数关联模型，实现了c 驯c a e 的几何参数信息集成，将参数化 结构设计方法引入门机产品的结构分析和方案优选中，保证了门机的设计质量和设计效率。 1 2 快速设计技术的定义及其发展趋势 1 2 1 快速设计技术的定义 快速设计( r a p i dd e s i g n ，r d ) 也称快速响应设计( r a p i dr e s p o n s ed e s i g l l ，r r d ) 、敏捷设计 ( a g i l ed e s i g n ) 。快速设计技术是当前市场在对产品多样性、矫变性等需求的形势下提出并发展 起来的。当前国际市场需求快速变化的特点和2 l 世纪更加个性化的市场趋势，使产品投放市场的 时间日益成为决定产品竞争力的重要因素，促进了快速设计技术的发展。 产品快速设计是一种新的哲理，与计算机集成制造( c i m ) 、精良工程( l p ) 、并行工程( c e ) 和敏 捷制造( a m ) 相比，产品快速设计与制造的主要目的是缩短产品的设计周期，提高产品设计质量， 以及提高企业对市场的快速响应能力。与计算机集成制造( c i m ) 、精良工程( l p ) 等不同，产品快速 设计与制造并没有将其解决问题的范围扩大到企业的整个生产领域，而只是将重点放在缩短产品 的设计开发周期上，尤其是总体结构和工艺设计方案阶段，以提高产品一次开发成功和快速响应 市场的能力。 快速设计的核心内容是根据用户需求进行产品的快速设计。目前，对于快速设计的内涵还没 有公认的定义。唯一可以确定的是快速设计是以缩短产品开发周期为目标的一切设计技术与方法 的总称。目前，国内外针对快速设计的并行设计技术、快速原型技术、系列化模块化技术、基于 模块模板的广义模块化设计技术、l ( b e 、智能设计、大规模定制设计和虚拟制造技术等发展均较为 迅速。 1 2 2 快速设计技术的发展趋势 快速设计是制造业的共用技术，国外对快速设计及其方法的研究起步较早，美国 a u t o f a c t 9 6 的主题就是“快速设计与制造”，由此以后，各国也掀起了“快速设计”理论和方 法研究热潮。就k b e 技术而言，近年来美国、日本和欧洲各国政府在k b e 技术的开发与应用方面 给予了有力的支持，并将其列为国家未来发展战略的重要核心技术。这就促使越来越多的跨国公 司和著名大学纷纷开展研究，以提高企业的产品开发的创新能力，如美国福特汽车公司在其2 1 世纪发展战略中将k b e 技术列为保持在全球汽车行业领先地位的关键技术之一，福特在英国的子 公司美洲虎( j a g u a r ) 汽车公司采用k b e 技术设计某车型发动机盖，设计时间由2 个月减为2 2 第一章绪论 小时。v p 技术在“快速设计与制造”领域也得到了广泛的应用，如波音公司在波音7 7 7 飞机设计 过程中采用r p 技术后，减少了设计更改次数，减少了9 4 的研制费用，提高模具设计精度1 0 倍， 研制周期降低5 0 。国外“快速设计与制造”的发展必然促使在我国制造业中开展该领域的研究 与应用，尤其是在汽车、航天器等复杂产品的设计领域。 我国1 9 9 8 年机械工业科学基金开始对“快速设计”进行立项，国内许多著名高校开始了“快 速设计的研究”，研究包括了l 【b e 、并行设计技术、模块化设计技术、v p 技术等多个领域，研究 对象包括汽车、飞机、航天器、模具等多种复杂产品，其中有代表性的是：由天津大学开发的机 床产品快速设计平台，该平台采用知识工程与模块化产品设计技术，实现了离层次的设计知识重 用，缩短了机床产品开发的时间，支持了产品的创新等。从总体上说，由于我国机械产品快速设 计的研究时间不是很长，而多数是在c 驯c a e c 栅与仿真技术的基础上进行，所以现阶段真正形 成产品并且应用于企业产品开发的快速设计平台比较少。 1 3 课题相关理论及技术发展现状 1 3 1 计算机辅助设计( c a d ) 计算机辅助设计( c a d ) 是以计算机为辅助工具，进行产品的设计、分析、计算、绘图及编写 技术文件等活动的总称。它是人的智慧、创造力与计算机系统的有机结合，即产品设计人员在c a d 软件系统的支持下，通过人机对话等方式进行产品设计的构思和论证，完成总体设计、技术设计、 零部件设计及相关分析计算。1 9 8 9 年美国国家工程科学院将c a d c a m 技术评为当代( 1 9 6 4 年1 9 8 9 年) 十项最杰出的工程技术成就之一。 从产品开发的角度看，c a d 技术在工程设计中经历了基于图纸( d r 跏i n gb a s e d ) 、基于特征 ( f e a t l i r eb a s e d ) 、基于过程( p r o c e s sb a s e d ) 和基于知识( k n 0 宵l e d g eb a s e d ) 的四个发展阶段。 基于图纸技术始于2 0 世纪7 0 年代，在该阶段人们利用c a d 技术生成数字化图纸提高了绘制 工程图纸的效率，但没有真正起到辅助设计的作用。 基于特征技术始于2 0 世纪8 0 年代，该技术利用参数化建模技术建立全参数化驱动的三维模 型，并以此为基础，对整体设计和部件进行有限元分析、运动分析、装配的干涉检查和n c 自动编 程等，以保证设计符合实际工程需要。但这时的c a d 技术只是面向产品开发过程中的某一环节。 2 0 世纪9 0 年代以来，基于过程的c a d 技术使产品数据模型能够在全生命周期的不同环节 ( 从概念设计、结构设计、详细设计到工艺设计和数控编程) 间进行转换，支持集成的、并行 的产品设计及其相关的各种过程( 包括制造过程和支持过程) ，融合了特定工程设计的最佳实 践经验，法定标准和实施准则，可以为用户提供设计过程的综述及实现步骤，引导用户按步骤 完成预定的某类产品的设计工作。但是该阶段的c a d 技术仍然以几何模型为主，仍然无法将领 域设计原理和知识、同类设计以及专家经验等融入到几何模型中去，因此无法实现知识型资源 的重用，设计者仍然需要进行大量的重复性设计工作。在产品设计初期，这种情况影响了设计 3 东南人学硕十学位论文 者的创新性工作。 为了使设计者集中精力进行创造性设计，c a d 系统应帮助设计者从重复性的工作中解脱出来， 美国1 9 9 8 年提出了基于知识的c a d 技术。基于知识阶段的c a d 系统，对于产品开发，知识是驱动 力，系统通过记录不同类型的工程、设计和产品配置知识，并对它们加以理解、抽象、描述、使 用和维护，构建一个可以重用的知识库，生成相应的工程准则从而指导设计者的设计。基于知 识的c a d 系统为解决传统c a d 系统存在的问题提出了解决方案，如设计原理的体现、约束是否冲 突、如何在设计阶段进行产品评估、设计制造是否可行以及设计的最终产品是否符合外观要求等， 同时提供优化方案。基于知识的c a d 系统所要达到的目的是使产品的有效信息在整个生命周期中 都可得到应用，从而获得最优化方案。 自c a d 概念提出的几十年的时间里，经过几十年的发展，基于计算机图形学、以产品几何模 型为核心的c a d 技术已经相当成熟，并广泛应用到机械、电子、汽车、航空等社会各个领域。目 前，比较流行的国外开发的c a d 软件或系统有a u t o c a d 、c a t i a 、e d s u n i g r a p h i c si i 、p r o e 、 a n s y s 、a d 鲫s 等，它们具有以下多种功能n 5 1 引：1 ) 参数化绘图及编辑；2 ) 造型；3 ) 不同层次的 设计分析与计算等等。我国c a d 技术的研究起步于2 0 世纪7 0 年代，与发达国家相比起步较晚， 且有一定差距。九十年代以来，我国c a d 应用工程以“甩图板”为突破口，及时的引进国外先进 的现代制造技术和管理理念，使c a d 技术在我国的应用与开发有了较快的发展，极大的推动了机 械c a d 软件产业化的进程。目前，比较有代表性的国产c a d 软件是由北航海尔软件公司开发的国 产c a d 建模软件c a ) ( a 、华中科技大学周济教授等人研究开发的设计支持工具d e s t 2 0 、以及其它 高校研究开发的专用智能c a d 系统等。 1 3 2 知识工程 现代设计方法包括多学科优化设计、基于发明创造方法学的设计、公理化设计、并行设计、 智能设计、协同设计及绿色设计等，这些设计方法并不是孤立的，它们相互联系，彼此支持，都 是以数字化设计为基础的。同时，在这些代表前沿的设计活动中，对设计的外延关注较多，丽对 设计的内涵、设计的本质、比如如何使企业的设计资源得以充分利用，特别是设计知识的提取、 融合、重用和深化等关注的还很不够。如何综合应用以上设计理论和方法，在数字化、网络化的 环境中挖掘、共享和重用企业级的设计知识，基于知识的工程便应运而生。 k b e 直译为基于知识的工程，迄今为止，尚无一种公认的、完备的k b e 的定义。英国的c o n v e n t r y 大学的l ( b e 中心认为l ( b e 是一种存储并处理与产品模型有关的知识，并基于产品模型的计算机系 统。 美国w a s h i n g t o n 大学机械工程系的d a l ee c a l k i n s 教授认为l ( b e 是一种设计方法学，将与 下一代c a d 技术紧密结合。使用启发式的设计规则，它将涵盖构件、装配和系统的开发。k b e 系 统存储产品模型，它包含了几何和非几何信息，以及描述产品如何设计、分析和制造的工程准则。 美国f o r d 汽车公司的j a p e n o y e r 等人认为k b e 运用知识完成工程任务，这些知识是特意积 4 第一章绪论 累和存储的，并以计算机作为中介。l ( b e 通常指一些计算机系统，如专家系统、基于网络的知识 库等。p e n o y e r 等人将髓e 系统分为产生式k b e 系统、咨询式l ( b e 系统、创新式k b e 系统和选择 式i ( b e 系统，认为l 【b e 系统的最大特点是将知识处理和几何推理相结合，因而可以有效提高设计 质量和效率。 英国c r 锄f i e l d 大学的g u i h u al i 博士认为，硒e 是一种特殊类型的基于知识的系统，它专 注于工程设计以及后继的制造、销售等活动。 u g s 公司认为k b e 是获取智能对象或人造物( 如零件) 的生命周期内实质的方法学，包括操作 性、功能性和性能的要求以及获取它的进一步变化。u g s 更进一步指出，i 【b e 是可以记录和重用工 程设计规则的系统，是可以记录和重用工程设计公式的表单，选择和装配相关零件的系统。 上海交通大学模具c a d 国家工程研究中心认为：l 【b e 是通过知识驱动和繁衍，对工程问题和 设计任务提供最佳解决方案的计算机集成处理技术。 综合以上定义，可以得到k b e 是以设计经验不足者以导引，同时最大限度减少设计者的重复 劳动为目标，综合利用各种设计理论和知识处理技术，在已有知识与经验的基础上，通过知识的 表达、重用与挖掘，对工程问题提供优化解决方案的计算机集成处理技术。其主要内涵包括：知 识的表达、重用和挖掘、各种知识处理技术与c a x 和p u i ( p r o d u c tl i f el i a n a g e m e n t ，产品全生 命周期管理) 技术的集成。 k b e 是当前国内外研究的热点，英国c o n v e n t r ) r 大学、c r a n f i e l d 大学、美国w a s h i n g t o n 大 学等都正在开展k b e 的研究。许多跨国公司如b o e i n g 、g ef o r d 、b r i t i s ha e r o s p a c e 、m a z d a 、 h o n d a 、m a t s u s h i t a 等都成立了专门的l ( b e 研发部门。 国内l ( b e 的研究尚处在起步阶段，各著名高校分别就模具、汽车车门、齿轮等特定领域的l 【b e 的应用进行了研究。针对制造业知识的特点，对知识处理技术的研究有待进一步深入。 1 4 本文的主要研究工作及其组织结构 随着知识工程研究的不断深入，产生了将知识工程的技术融合到c a d 技术中，体现知识驱动 几何的产品设计新思想。在此基础上，针对门机这一复杂机械产品的特点，利用面向对象方法和 产品级参数化建模技术，研究复杂机械产品设计的知识表达机制和获取方法是本文研究的重点之 一。 复杂机械产品的设计是一个复杂的、弱理论支持的过程，很多设计知识和经验很难用规则表 达，而基于实例推理( c a s e - b a s e dr e a s o n i n g ，c b r ) 的核心思想是人类经验的再利用，因此c b r 技术在机械设计领域的研究、应用和发展具有可行性和发展前景。针对门机的特点，如何设定合 理的实例检索算法，避免出现漏选实例和误选实例，以及如何建立实例库保证多层信息的动态扩 充是本文研究的第二个重点。 c a d c a e c a m p 蹦系统集成是现代制造系统研究的主要内容之一。就门机设计而言，c a d c a e 之间的集成显得尤为重要，这也是本文研究的第三个重点。 s 东南人学硕上学位论文 根据以上分析，结合课题涉及的相关理论与技术，本文的主要研究内容如下： 第1 章阐述课题产生的背景、来源及研究的科学价值，并对相关的研究理论与技术进行综合 评述。 第2 章运用k b e 技术的相关理论和方法，通过对门机设计的领域知识进行分析、总结和归纳， 并结合门机产品的结构特点和设计流程，以水布垭门机作为典型研究对象，探讨基于知识的门机 三维参数化设计系统的架构模式，并完成系统构建 第3 章通过对门机产品的总体结构特点、总体设计要求及零部件构成情况的分析，提出设计 组件的概念，构建基于本体论的门机产品模型，即基于设计组件的产品模型。在此基础上，完成 产品模型的设计任务分解与知识构成分析，提出了门机产品的集 成知识模型；对门机产品的相关领域知识进行分类。 第4 章在研究现阶段c a d c a e 集成的四种方式的基础上，针对门机的特点，提出提取几何参 数并构建关联参数矩阵，并行驱动参数化设计模型和分析模型，从而实现c a d c a e 的集成，实现 了设计与分析的并行化和集成化。 第5 章基于前面所述的理论方法和技术，构建了门机快速设计平台，从而对本文的研究成果 进行论证：对系统的使用流程及主要界面进行了介绍，并以q m 2 1 2 5 0 l ( n 6 5 0 l 【n 门机为例，对部 分结果进行了演示。 第6 章总结了课题的研究成果，并提出了进一步研究的方向。 1 5 本文的研究成果和创新点 本文的研究成果如下： ( 1 ) 利片j 面向对象方法和产品级参数化建模技术，研究了复杂机械产品设计的知识表达机制 和获取方法； ( 2 ) 针对门机的结构特点，提出了一种基于实例模板的实例库组织形式，并结合链表式数据 库技术构建了门机产品实例库，并研究了与之相关的实例检索策略； ( 3 ) 以参数关联模型的方式，并行驱动参数化门机设计模型和分析模型，从而实现了c a d c a e 的集成，达到了设计与分析的并行化和集成化。 1 6 本章小结 本章分析了课题产生的背景、来源及研究的科学价值。回顾了课题研究的动态及发展趋势并 讨论了课题涉及的相关基础理论和技术。最后，给出论文的主要研究内容、章节安排及本文的研 究成果。 6 第二章产品设计领域中知识处理技术的研究 第二章机械产品设计中的k b e 技术 基于知识的工程是面向工程开发全过程，以提高市场竞争力为目标，通过知识的继承、繁衍、 集成和管理等方式建立异构领域知识系统和支持知识集成的分布式开放设计环境，以获得创新设 计能力的工程设计方法。 l 【b e 技术包括知识系统、知识获取、产品建模和分析技术等研究内容。其中知识系统主要用 于工程设计知识的表示和处理，体现了系统的智能化水平；知识获取技术主要用于工程设计知识 的获取，使整个设计系统在运用中逐步改善工程设计能力和工程分析能力；产品建模和分析技术 包括计算机辅助图形技术( c a g d ) 和计算机辅助工程技术( c a e ) 。 就机械产品而言，机械产品设计知识内容丰富、形式多样，包括各种立法规定、国家标准、 设计公理、公式和专利等，但决定企业生存和发展的还是企业工程师长期积累的设计经验和技能。 因此如何针对机械产品知识的特点，综合利用各种合适的知识模型，构建开放式的集成知识模型， 是机械产品k b e 研究首先要解决的问题，也是机械产品l ( b e 知识处理的关键技术。 2 1 概述 机械产品设计是一个复杂的、弱理论支持的过程，属于强经验、弱理论的技术领域，很多设 计知识和经验很难用规则表达，而这些知识和经验往往决定了企业的生存和发展。如门机产品的 设计中，在给出了基本的设计要求和参数后，设计人员要凭借以往的设计经验初定一些对整个产 品的设计进程产生重要影响的经验参数和产品的结构形式，并结合总结设计要求定义各种结构零 部件的设计。同时，应将已经完成设计的门机产品的相关经验数据做为不断积累的设计知识存储 到相应的知识库中，供设计人员在以后进行设计时，依据总结的设计要求和基本设计参数，并根 据相关结构设计的需要进行设计调用或参考。因此，在门机产品设计中，如何将领域知识有机地 融入到三维c a d 系统中，是本课题研究的一个重要内容，也是系统构建成功与否的关键所在。 2 1 1 机械产品设计知识构成及其特点 机械产品设计知识内涵丰富，包括来自各种设计文献资料的方法规定、各种工业标准、设计 经验、设计公理、公式和专利等，但更重要的是企业及其设计人员长期积累的设计经验和技能。 ( 1 ) 机械产品设计知识的构成 机械产品设计相关的领域知识主要包括如下4 个方面： 工业标准：包括各种相关的国际标准、国家标准、行业标准和企业标准等，用于建立一系 列规则，促进产品设计将常用零件和组合件标准化，以提高生产效率和设计制造水平。 设计规则：通过反复实验得到或长期积累、总结的设计所必须遵循的准则，或经反复试验 得到的相关准则，如定理、方程和设计规范等。 7 东南大学硕士学位论文 经验准则：经验准则属于指导性准则，在机械产品设计中应用最为广泛，并且属于非书面 的工程知识，这些工程知识更多地以实例的形式存在于有经验的工程师脑海中，并反映在由他们 完成的产品设计实例中。 团队技能：团队技能体现为一个设计群体对产品设计的深刻理解，这种理解集中反映在不 同设计人员完成的产品设计实例中，而这种知识是企业产品竞争力中的关键因素。 ( 2 ) 机械产品设计知识的特点 对应用系统尤其是面向行业应用的c a d 系统而言，理解并尽可能多的收集所需的领域设计知 识，并加以合理的处理，是系统构建重要的基础工作。因此，需要了解和研究设计知识的特点， 以达到通过有效途径获取相关知识的目的。机械产品设计知识的特点主要体现在以下4 个方面： 机械产品设计的任务具有强烈的多学科交叉的特点，因此产品开发中涉及的知识具有繁杂、 无序、复杂和广泛等特点。 产品开发中涉及的表达具有多样性，如原理图、草图、图表、表格等，并且通过复杂的关 联联系在一起。 产品开发有时可能是由不可靠的知识和正在探索中的策略完成的，他们的表达和处理十分 麻烦，具有动态的特点和实时性能的要求。 影响机械产品设计的因素很多，很难用精确的理论模型进行描述，属于弱理论、强经验领 域。 根据以上分析，机械设计知识表达首先应考虑的问题是分析各种知识推理技术，如何建 立各种形式的设计知识的综合表达机制。据统计，工业中6 0 的机械产品设计活动是已有设 计的修改。在企业实际的设计工作中，大量存在的是适应性设计和变型设计。而且机械产品 的设计是一个复杂的、弱理论支持的过程，所以，c b r 技术在机械产品设计领域的研究、应 用和发展具有可行性，并且是一个极富希望和发展前途的研究与应用方向。 现代机械产品开发过程中涉及的知识主要分为设计知识( 即设计规则) 和几何知识( 即c a d 模型) ， 如何将两者进行融合和封装是机械设计知识表达需要考虑的另一个重点。由前面描述可以看到，面向 对象的表示方法比较适用于具有一定层次的设计实例表达，可将设计对象的属性、动态行为、设计规 则、尺寸关联等知识封装在类结构中，是目前基于实例推理的智能设计系统普遍采用的方法。 综合考虑以上两方面要求，提出以面向对象表示的方法进行机械产品的知识表达。 2 1 2 面向对象的知识表示方法 在面向对象方法中，产品用类来表示。类有一个或多个属性，表示产品的内涵，属性可 以是某种类型( 整数、实数、字符串、布尔型等) 的变量，也可以是其他类的一个实例。除 根类外，每个类都是其他类的子类，继承父类的所有属性。面向对象的表示方法具有的层次 性和继承性机械产品的装配层次所决定。如图2 一l 给出了一个产品领域产品类的示例，它包 含产品类和实例的集合及各种产品组成之间的联系。 8 第二章产品设计领域中知识处理技术的研究 图2 一l 产品结构类 利用面向对象的表示方法，可将产品实例的属性、动态行为、设计知识以及下一级产品实例 封装在类结构中，其中几何参数( 即c a d 模型尺寸参数) 和特征参数以属性项的形式进行表示，而 规则、尺寸关联等模块化知识作为项值填入类结构中。一般产品实例可以通过类结构描述为 f i n tc a s e ： 实例序号 f 1 0 a tf e a t u r e ： 可用数值表达的属性，如载荷、高度、速度等 一一( 若干个) n t e x tf e a t u r e ： 实例定性属性，用文字表达的属性，如部件型式、工作级别等 ( 若干个) c o n s t r a i n t sq u a n t i t y ： 定量约束，如尺寸关联和约束方程等 一一( 若干个) c o n s t r a i n t sq u a l i t y ： 定性约束，如设计过程中的一些设计规则 一( 若干个) i n tf a t h e r c a s e ： 指向上一层实例的指针( 项层该项为空) i n tf u n c t i o n d e s ： 指向下一层实例的指针( 底层该项为空) n t e x td e s i g n d o c ： 指向设计文档的路径，如模板文件和结果文件等。 2 2l 【b e 技术概况概述 2 2 1l ( b e 关键技术 知识工程是一个非常广泛的概念，其含义就在于寻找并记录不同工程、设计和产品配置的知 识，并且对它加以理解、抽象、使用和维护。l 【b e 核心功能是实现知识的重用。开发基于k b e 的 产品设计系统，可实现多领域知识的重用，提高产品的开发效率，并降低开发成本。知识的获取、 表示和运片j 是k b e 的关键技术。 ( 1 ) 知识的表示 9 东南大学硕士学位论文 知识的表示是把设计标准、手册、规范、专家经验以及几何特征等与产品相关的各种知识归 类、抽取并转化为计算机能够识别和管理的符号，即知识的分类、形式化和编码。对于问题能否 求解，以及问题求解的效率有重大的影响。一个恰当地知识表示可以使复杂的问题迎刃而解。一 般而言，对知识的表示有表达能力、可理解性、可访问性及可扩充性等各方面的要求，具体而言， 设计知识的表示模型必须完整、有效地表达设计过程中所需的各类知识，即领域知识( d 伽a i n k n o w l e d g e ) 、控制知识( c o n t r o lk n o w l e d g e ) 、描述性知识( e x p l a n a t o r yk n o w l e d g e ) 和系统知 谚毫( s y s t e mk n o w l e d g e ) 。 ( 2 ) 知识的获取 知识获取是知识工程的基础，是实现知识驱动设计的必要条件。多数产品设计和开发都是基 于过去的设计经验、科研数据和行业标准以及专家经验等。知识获取的方式是多种多样的，其主 要方式有：从设计标准、手册、规范、专家经验等获取；从现有成熟的、成功的国内外产品、科 研实践中反求出来。 ( 3 ) 知识的运用 知识的运用也称为知识的推理，通常是指运用知识库解决设计中出现的问题，其主要内容是 知识的搜索技术和知识的推理方法，也包括对知识库的维护和管理。在人工知识智能领域中，根 据知识的类型将推理方法分为以下三类：基于规则的推理( r u l e - b a s e dr e a s o n i n g ，髓r ) 、基于 实例的推理( c a s e - b a s e dr e a s o n i n g ，c b r ) 和基于模型的推理( d e l i n g - b a s e dr e a s o n i n g ，船r ) 。 2 2 2k b e 的实现功能 工业产品在其工程开发生命周期的每个阶段中，需要各种各样的工程信息、实践经验及专家 知识，k b e 的本质就是对这些知识的“再利用”。将这些知识构成知识库，并在产品开发过程中 作为辅助工具使用，这就是i ( b e 的功能所在，具体而言，k