面向中小企業(yè)的變粒度雙網映射零部件設計重用

徐 毅， 金 博， 滕 弘 飛， 屈 福 政

（1.大連理工大學 計算機科學與工程系，遼寧 大連 116024；2.大連理工大學 創(chuàng)新實驗學院，遼寧 大連 116024；3.大連理工大學 機械工程學院，遼寧 大連 116024）

0 引 言

在產品設計中，據(jù)估計約有90%的設計為變型設計或自適應設計，這意味著大多數(shù)的設計工作可重用以前的產品設計知識.目前產品設計知識重用，已成為國內外研究熱點［1］，特別是在產品大規(guī)模定制方面已取得重要進展.很多企業(yè)一般通過對現(xiàn)有產品族或產品平臺的設計知識重用，利用配置設計等方法和技術完成產品的大規(guī)模定制［2、3］.從現(xiàn)有的實踐看，大規(guī)模定制的成功實施必須依賴于三方面：一是若干成熟的技術模塊；二是先進的管理思想模塊；三是標準化模塊.從我國的國情看，只有大企業(yè)才有滿足以上三方面的信息化水平，大部分中小企業(yè)還不易滿足要求，因而大規(guī)模定制的策略和零部件設計知識重用方法一般還不能直接用于我國某些中小企業(yè).但基于Web網絡的設計有應用前景.

目前中小企業(yè)基于變型設計或自適應產品設計中，常用的方法是基于CAD的人機交互的零部件設計重用方法.另外，基于實例推理的核心思想是相似的問題有相似的解，通過對已有問題的解進行重用和調整，解決新產生的相似問題，也涉及產品零部件設計重用.

盡管面向客戶的產品變化較快，但構成產品的零部件相對穩(wěn)定，且由于我國中小企業(yè)大部分是根據(jù)客戶訂單進行設計制造，設計重用知識多集中在產品的CAD知識方面.隨著企業(yè)的零部件規(guī)模的增大，大多數(shù)中小企業(yè)已經建立起不同規(guī)模、不同層次的零部件數(shù)據(jù)庫來組織和重用該企業(yè)的零部件設計知識［4、5］.但由于缺乏CAD知識的管理和重用方法，目前中小企業(yè)的零部件設計知識重用還存在著如下諸多問題：（1）現(xiàn)有計算機輔助軟件和技術資料管理工具還不能很好地提取和重用產品CAD設計知識，對于企業(yè)CAD知識的獲取、組織再利用方面比較欠缺.（2）中小企業(yè)的零部件圖形數(shù)據(jù)庫都采用傳統(tǒng)的關系型樹狀結構的數(shù)據(jù)庫來存儲零部件信息數(shù)據(jù)，組織形式上都屬于傳統(tǒng)的分類體系思路，很難表達出零部件信息之間的隱含關系；檢索方式采用關鍵字檢索方式，檢索效率不高，在現(xiàn)階段不能很好地滿足企業(yè)的設計重用需求.對我國中小企業(yè)來說，如何解決企業(yè)產品底層次的CAD知識重用問題，是一個比較迫切而又現(xiàn)實的需求.

解決企業(yè)CAD知識重用的一種方法是采用知識表達模型對企業(yè)的CAD知識重新建模.產品設計知識表達模型是產品設計重用過程中知識查詢和檢索的基礎，目前主要有基于功能原理模型的知識表達［6］、基于知識的產品知識表達［7］、基于本體的產品知識表達［8］、基于工程語義的知識建模［9］、基于模板的知識建模［10］、基于實例推理的知識模型［11］等.目前中小企業(yè)的產品設計知識多是以CAD模型、技術文檔和零部件數(shù)據(jù)庫形式表達，其最基本的形式是“產品－部件－零件工程圖”和資料文件（如工藝等），如果采用知識表達模型對企業(yè)的CAD知識重新建模，工作量很大，很多企業(yè)由于規(guī)模較小，無論從財力上還是技術上來說都較困難.而且產品知識表達模型目前也還很難達到底層產品設計重用中的實用化，真正成功用于中小企業(yè)的生產實踐的文獻報道還不多［12］.針對當前中小企業(yè)迫切需要解決的產品設計過程中的底層零部件CAD設計知識重用難題，本文認為解決的關鍵是：盡量在不改變企業(yè)原有設計知識的基礎上，利用中小企業(yè)現(xiàn)有的CAD模型、技術文檔以及產品零部件圖形數(shù)據(jù)庫建立一個簡單實用的知識重用模型，基于該知識重用模型來完成企業(yè)CAD設計知識的組織和重用.為此，本文研究變粒度雙知識網映射的零部件設計重用方法，其目的是不改變企業(yè)原有零部件圖形數(shù)據(jù)庫，在零部件圖形數(shù)據(jù)庫結構關系樹表達基礎上，格外構造一個粗粒度網狀基于語義（例如用OWL表示）的零部件知識結構網.將企業(yè)原有的零部件數(shù)據(jù)庫作為細粒度樹狀知識網，建立兩個知識結構網映射的知識網用于產品底層的設計重用.

1 變粒度雙網映射的零部件設計知識重用

本文給出的粗細粒度雙網映射的零部件設計知識重用方法如圖1所示.該方法的特點可描述如下：（1）借鑒語義網知識［13］，構造一個粗粒度零部件知識網（網狀結構）.在粗粒度零部件知識網中，僅保留了重要零部件檢索信息（例如零部件結構、功能等特征），更具體的細節(jié)信息（如零部件倒角大小、零部件熱處理技術、零部件表面粗糙度、公差等設計細節(jié)）可以在CAD模型或零部件數(shù)據(jù)庫中獲取.粗粒度零部件知識網僅作為設計或生產過程中零部件CAD信息的檢索模型，所包含的信息為與設計、生產過程密切相關的信息，如零部件結構關鍵尺寸、性能等功能特征與結構特征的描述，結構特征主要指零部件的技術特征、管理特征、材料特征、幾何特征等.（2）建立中小企業(yè)現(xiàn)有的零部件數(shù)據(jù)庫（主要為樹狀知識結構，作為細粒度零部件知識網）與粗粒度零部件知識網的映射關系.（3）建立粗粒度與細粒度知識網的雙網映射關系.利用變粒度的知識檢索方法檢索企業(yè)CAD知識，由粗到細，詳略互補.（4）面向中小企業(yè)的產品CAD設計，即基于CAD模型的零部件設計知識重用.

圖1 粗細粒度零部件設計知識重用方法Fig.1 Method of design knowledge reuse for coarse－fine－grained parts

本文給出的變粒度雙網映射的設計知識重用方法有助于解決目前中小企業(yè)零部件CAD設計知識重用的不足：（1）通過雙網映射的方法，有效地實現(xiàn)了不同的CAD知識表達方式與檢索的結合，零部件數(shù)據(jù)庫提供了詳細的零部件設計信息，用于細粒度零部件CAD知識檢索；粗粒度零部件知識網主要用于產品零部件CAD設計知識的語義表達、組織管理以及粗粒度的檢索，通過語義網框架，粗粒度零部件知識網表達了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中很難描述的一些零部件之間隱含的關系，從而豐富了中小企業(yè)零部件CAD設計知識.（2）設計人員在產品設計過程中，可首先采用基于語義的粗粒度知識網檢索零部件CAD知識，然后通過雙網映射關系將更具體的CAD知識從零部件圖形數(shù)據(jù)庫中檢索出來，這樣形成了一個由粗到細、詳略互補的CAD知識的檢索過程，相比較傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫關鍵字檢索方式，這種檢索方式有助于提高零部件CAD設計知識的檢索效率.同時，本文的雙網映射的知識模型，也可采用基于實例推理的相似度算法實現(xiàn)設計知識檢索.

本文變粒度雙網映射的零部件設計知識重用方法需解決以下幾個問題：粗粒度零部件知識網的建立、雙網映射實現(xiàn)、CAD知識檢索方法等，將在下面分別介紹.

2 粗粒度零部件知識網

如前文所述，目前有多種較為成熟的產品知識表達模型，這些模型均從不同層面描述了產品設計知識，由于工作量大、描述繁復，對于某些中小企業(yè)而言，受目前的財力和技術力量所限，尚無法實現(xiàn).本文的粗粒度零部件知識網可描述如下：粗粒度零部件知識網是一個以各類零部件概念為描述對象的語義知識結構，基本思想是將產品零部件CAD設計信息中的各種隱含零部件關系特征（本文的關系特征概念是指產品部件所包含或有關聯(lián)的零部件）、屬性及關系提取出來，通過語義描述，建立零部件CAD設計信息的關系特征與關系特征、關系特征與屬性以及屬性與屬性的內在聯(lián)系，形成一個網狀的語義信息表示結構.在網狀知識表示上，通過任意一個信息入口，如特征項、屬性項、關系項等，都可以很方便地訪問到與此相關的各種零部件知識，使得知識結構網上每個節(jié)點根據(jù)知識網理論都具有一定的“聯(lián)想”功能，這為基于知識網絡的配置設計信息檢索和知識推理提供了方便.相比較傳統(tǒng)的基于關鍵字的信息檢索，語義檢索方式提供了更強大的信息檢索能力，例如用戶通過關鍵字的檢索方式檢索“齒輪”，會檢索出各種類型的齒輪信息，如直齒輪、斜齒輪、錐齒輪等；而通過語義檢索方式檢索“齒輪”時，不僅會檢索到齒輪信息，而且會根據(jù)語義關系特征的內在聯(lián)系，檢索到相關聯(lián)的其他零部件信息，例如相配合軸、擋圈、端蓋等零件.圖2為本文的粗粒度零部件知識網.

需要說明的是，本文的粗細粒度知識網稱謂只是從宏觀形象角度對兩種網的定義，以表示兩個網粒度不同，粗粒度知識網包括產品零部件的功能特征、結構特征等信息；而原圖形數(shù)據(jù)庫為細粒度知識網，包含零部件的全部記錄.

圖2 粗粒度零部件設計知識網Fig.2 Coarse－grained parts design knowledge network

本文采用 OWL［14］（Web ontology language，Web本體語言）描述粗粒度零部件知識網，主要原因是：（1）OWL是 W3C推薦的描述語義 Web的本體語言，具有定義良好的語義表示能力和邏輯推理能力，通過OWL描述的零部件CAD知識具有語義性質；（2）OWL通過對概念及屬性之間關系的描述，可以表達各種資源之間內在的語義關聯(lián)，使得描述模型具有一定“聯(lián)想”功能，這與本文研究產品、部件、零件等CAD語義知識是有對應關系的；（3）OWL描述的知識模型具有相似度和相關度計算功能，相比較關鍵字檢索，可提高CAD知識的查全率和準確率.

具體來說是采用OWL的Class類對每個CAD知識進行概念定義，并通過OWL的SubClassOf等元素描述零部件設計知識父類與子類關系.通過Object Property（對象屬性）和Data Property（數(shù)據(jù)屬性）描述零部件設計知識的各種屬性及關系；利用Domain、AllValuesFrom等元素對零部件設計知識關系約束進行描述.圖3為直齒圓柱齒輪減速器類定義的數(shù)據(jù)，從中可看出，該類包括了額定功率、最大減速比等數(shù)據(jù)屬性，也包括了is＿assembled＿by、is＿part＿of等對象屬性，這些對象屬性分別描述了該減速器是由哪些零部件裝配而成的，是屬于哪個部件的組成部分.對于較為復雜的關系屬性，本文將其類型定義為xsd：XMLLiteral類型數(shù)據(jù)，即通過XML（extensible markup language）來具體描述其內容.主要原因是XML文檔通過對屬性、元素的描述，可明確地表示數(shù)據(jù)模型中各個部分的意義，具有自我描述性，因而易于表達零部件的較為復雜的關系屬性.

圖3 直齒圓柱齒輪減速器類定義Fig.3 The class definition of spur－gear－reducer

3 粗粒度零部件知識網與細粒度零部件知識網映射關系

如前文所述，粗粒度零部件知識網僅保存了CAD主要的檢索信息，更具體的細節(jié)信息（如公差等設計細節(jié)）可通過雙網映射的方式在細粒度零部件知識網（零部件數(shù)據(jù)庫或CAD模型）中獲取.

圖4 減速器零部件分類樹Fig.4 The classification tree of reducer parts

以某中小企業(yè)的減速器產品零部件為例說明，圖4為減速器零部件分類樹.本文的粗粒度零部件知識網與細粒度零部件知識網之間的映射關系如圖5所示，該圖為某企業(yè)的圖形數(shù)據(jù)庫實例，左邊為細粒度零部件樹目錄和詳細設計信息，右邊為粗粒度零部件知識網，每個零部件都有一個編號（ID）作為其標識.因此，本文利用零部件ID作為雙網映射的標識.圖形數(shù)據(jù)庫中每個零部件的ID與粗粒度零部件知識網ID對應關系表中的ID一一對應，在粗粒度零部件知識網內部，ID與零部件特征、屬性、關系等信息為一對一或一對多的映射關系.利用這種映射關系，在粗粒度零部件知識網內部，利用零部件概念、特征、關系等信息，可以很方便地訪問到與此相關的各種零部件設計知識.這既保留了企業(yè)原有圖形數(shù)據(jù)庫中的內容，又實現(xiàn)了CAD信息的語義管理及檢索.

圖6為粗粒度軸承零部件知識網的OWL描述圖，概念實體集描述了零部件類，如齒輪、軸等；概念實體屬性及特征集具體描述了零部件類的屬性值和特征值，如零部件名稱等；概念實體關系集則描述了零部件知識網內部的各種關系.圖7為圖4中減速器的粗粒度零部件知識網描述實例片段，在實例中，既描述了減速器的基本特征信息，又描述了減速器所包含的子件信息（特征值），每一具體信息（軸承信息及子件信息）都對應有ID號，此ID號與產品零部件數(shù)據(jù)庫中信息一一對應.在圖7的減速器描述實例中，由XML對屬性減速比的描述可知，該減速比值為4.0，是由兩個類型為“齒輪”的零部件通過齒數(shù)屬性相除得到的，這兩個零部件ID分別為“90227004”和“90227003”.圖7所示描述實例，即圖5中ID對應關系表和特征表內容，ID對應關系表擔負著兩網信息交互的任務，一方面通過ID在零部件數(shù)據(jù)庫中指定具體零部件位置，另一方面結合語義關系通過語義支持零部件信息的重用和檢索.圖8為齒輪OWL描述實例片段，該實例為粗粒度零部件知識網中的屬性表及關系表內容.屬性表包括齒輪的齒數(shù)、模數(shù)、軸孔直徑等屬性信息，關系表包括齒輪和軸的軸孔裝配關系等信息.以軸承部件為例，圖7、8以及圖5描述結合在一起形成本文研究的粗粒度零部件知識網，粗粒度知識網與企業(yè)的圖形數(shù)據(jù)庫設計重用知識網相結合，即形成了完整的面向中小企業(yè)的CAD語義知識網.

本文采用變粒度CAD知識檢索方法檢索零部件設計知識，該方法可分為兩個層次：（1）首先根據(jù)粗粒度零部件知識網對零部件圖形數(shù)據(jù)庫CAD知識粗查，檢索語言為SPARQL.（2）在產品樹狀零部件數(shù)據(jù)庫細查具體的設計信息，得到的是具體的設計數(shù)據(jù)或圖形信息，檢索方法是傳統(tǒng)的關鍵字匹配.

圖5 軸承零部件粗粒度知識網與細粒度知識網映射關系Fig.5 The mapping relation for coarse－and fine－grained knowledge network for bearing parts

圖6 軸承零部件粗粒度知識網OWL描述圖Fig.6 The coarse－grained knowledge network OWL description graph of bearing parts

圖7 直齒圓柱齒輪減速器描述實例Fig.7 The described example of spur－gear－reducer

圖8 齒輪OWL描述實例Fig.8 The described example of gear with OWL

4 應用實例

為了驗證本文的變粒度雙網映射的零部件設計知識重用方法，本文通過Pro／E提供的J＿Link（基于Java語言）二次開發(fā)接口，設計并實現(xiàn)了一個基于Pro／E的交互式產品CAD設計知識重用系統(tǒng)原型.

以單級直齒輪圓柱減速器設計重用為例（該減速器為膠帶傳輸機上的減速裝置，電動機轉速為960r／min），用戶要求的該減速器技術數(shù)據(jù)見表1.減速器設計重用過程如下.

表1 新減速器設計指標Tab.1 The new reducer design specifications

（1）減速器信息檢索

本文根據(jù)用戶的新減速器設計要求，利用關鍵字和相似度檢索方法［16］，從中小企業(yè)的產品零部件數(shù)據(jù)庫中檢索原有減速器.在用戶界面中分別輸入待設計減速器產品名稱、額定功率、齒輪中心距和最大允許的傳動比imax（可以在允許傳動比變化范圍內，通過改變大小齒輪齒數(shù)改變傳動比）要求.通過檢索算法在減速器產品庫里一般能檢索到多個減速器實例，考慮到經濟性要求，應選擇滿足相似度要求的額定功率、最大傳動比等減速器，本文粗粒度檢索到的減速器主要參數(shù)見表2中前5個參數(shù).由此可見，該減速器基本滿足表1設計指標要求，但齒輪傳動比i＝4.0，不滿足i＝3.6的設計要求.

表2 原有減速器圖形數(shù)據(jù)庫中主要參數(shù)Tab.2 The main parameters in the graphic database of original reducer

（2）減速器零部件設計重用策略

設計重用策略為盡可能利用原有的減速器產品零部件.本文采用更換一對齒輪副的策略，進而檢索（通過關鍵字檢索方式）到表2中除前5個之外其他參數(shù).為了滿足傳動比要求，需要在圖形數(shù)據(jù)庫中另外檢索到一對大小齒輪.該齒輪副應滿足以下檢索條件：減速比i＝3.6（誤差范圍Δi＝3%），模數(shù)m1＝m2＝2，減速器齒輪中心距a＝150mm，根據(jù)文獻［17］計算，可求得大小齒輪齒數(shù)分別為z1＝28，z2＝102，i＝3.643，Δi＝1%（在允許誤差范圍內），且與原有減速器高、低速軸直徑相配合.設計重用的新減速器功率和傳動比較原減速器小，零部件之間不會干涉，設計冗余度增加也不多，保證了經濟性要求.

（3）齒輪粗粒度信息檢索

以大齒輪設計重用為例，用戶輸入的大齒輪檢索條件如下：齒數(shù)為102，模數(shù)為2，內徑為45mm（與原減速器低速軸配合）.圖8粗粒度知識網中描述了齒輪的相應屬性信息，可通過SPARQL查詢語言在粗粒度知識網中檢索出符合上述要求的齒輪，通過相似度計算［16］，確定齒輪的粗粒度選擇.

（4）齒輪細粒度信息檢索

通過細粒度零部件知識網來完成零部件知識檢索，檢索語言為SQL數(shù)據(jù)庫查詢語言.根據(jù)齒輪設計要求和檢索到的減速器，用戶輸入細粒度檢索條件，由于齒輪詳細設計信息一般都保存在零部件細粒度知識網中，需在細粒度知識網中對零部件設計知識進行檢索，在圖形數(shù)據(jù)庫中檢索到符合上述設計條件要求的齒輪.

（5）齒輪強度校核

檢索到的齒輪副，雖然基本上滿足了用戶的上述檢索條件，但還要對其進行齒輪接觸疲勞強度和齒輪彎曲疲勞強度校核，該強度校核內容和方法詳見文獻［17］.校驗結果表明齒輪副強度滿足設計要求，進而可基于Pro／E設計系統(tǒng)或AutoCAD系統(tǒng)實現(xiàn)齒輪副與原有減速器的軸裝配仿真，完成減速器的零部件設計重用.

5 結 語

本文在中小企業(yè)現(xiàn)有零部件數(shù)據(jù)庫樹狀結構知識網表示基礎上，通過本體OWL，另外構造了粗粒度零部件網狀結構知識網，采用粗細粒度雙網映射的方法，建立了產品零部件數(shù)據(jù)庫的樹狀結構知識網與粗粒度零部件網狀知識網的雙網映射關系，用于解決中小企業(yè)基于原有零部件數(shù)據(jù)庫和CAD基礎上的底層產品CAD設計知識重用問題.本文研究的粗細粒度雙網映射的零部件設計知識重用的特點是：①借鑒本體OWL研究成果，用較簡單的表達模型描述零部件屬性及其內部關系.②充分利用中小企業(yè)現(xiàn)有的CAD零部件數(shù)據(jù)庫資源，建立細粒度樹狀知識網.③通過變粒度雙網映射的零部件CAD知識檢索方法，實現(xiàn)了粗細粒度檢索結合，詳略互補，提高了設計重用質量或效率.

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