淺析基于智能化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程

周俊

摘 要：文章依據(jù)產(chǎn)品智能化設(shè)計(jì)制造過(guò)程及其特點(diǎn)，提出了基于可制造新知識(shí)為核心的產(chǎn)品智能化設(shè)計(jì)思路。分析其智能化設(shè)計(jì)過(guò)程需要的可制造信息，發(fā)展并構(gòu)建了適合于特定對(duì)象的產(chǎn)品智能化設(shè)計(jì)制造流程及框架。

關(guān)鍵詞：智能化；產(chǎn)品設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）27-0081-02

基于知識(shí)的智能化設(shè)計(jì)是一個(gè)綜合性技術(shù)，其將知識(shí)工程原理和計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)結(jié)合起來(lái)，利用計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大的計(jì)算功能，將龐大的知識(shí)進(jìn)行分類(lèi)。同時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過(guò)程中頭腦中的一些想象和設(shè)計(jì)思路，通過(guò)幾何特征參數(shù)將產(chǎn)品的實(shí)體模型用數(shù)據(jù)表達(dá)出來(lái)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)知識(shí)的表達(dá)。這樣的設(shè)計(jì)模式相比傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式更加形象快速，更適應(yīng)于現(xiàn)代設(shè)計(jì)的發(fā)展需求。

1 產(chǎn)品智能化設(shè)計(jì)知識(shí)獲取

1.1 設(shè)計(jì)知識(shí)的分類(lèi)及來(lái)源

1.1.1 設(shè)計(jì)知識(shí)的分類(lèi)

在模塊化產(chǎn)品設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，可以將設(shè)計(jì)知識(shí)分為兩類(lèi)，第一個(gè)是設(shè)計(jì)實(shí)例知識(shí)，第二個(gè)是設(shè)計(jì)規(guī)則知識(shí)。

設(shè)計(jì)實(shí)例知識(shí)是一個(gè)廣義的模塊化產(chǎn)品，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)初期和制造過(guò)程中都有集中的體現(xiàn)，并且集成了很多設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和先進(jìn)的設(shè)計(jì)思想，這種設(shè)計(jì)知識(shí)在很大程度上能夠滿(mǎn)足特定用戶(hù)的解決方案。

設(shè)計(jì)規(guī)則知識(shí)就是產(chǎn)品在設(shè)計(jì)的時(shí)候按照特定的規(guī)則進(jìn)行設(shè)計(jì)，這些規(guī)則可以是條件語(yǔ)句，也可以是數(shù)學(xué)公式，經(jīng)過(guò)這些公式和語(yǔ)句的自由組合構(gòu)成知識(shí)表達(dá)強(qiáng)大的表達(dá)式。

1.1.2 設(shè)計(jì)知識(shí)的來(lái)源

產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識(shí)的來(lái)源可以歸納為以下幾點(diǎn)：

①已有知識(shí)包括固有的理論知識(shí)，設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)和能力，還包括之前所有產(chǎn)品的設(shè)計(jì)知識(shí)。

②市場(chǎng)、用戶(hù)使用反饋信息。根據(jù)市場(chǎng)及用戶(hù)反饋回來(lái)的信息，明確用戶(hù)的要求，從用戶(hù)的角度出發(fā)考慮產(chǎn)品存在的問(wèn)題，并提出切實(shí)可行的解決方案，并在用戶(hù)體驗(yàn)上進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，追蹤用戶(hù)的感受。

③數(shù)字仿真、分析和虛擬現(xiàn)實(shí)。數(shù)學(xué)仿真、分析是建立在數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析的，通過(guò)虛擬顯示技術(shù)優(yōu)化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，爭(zhēng)取在制造的初期能夠發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，并保證在實(shí)際投產(chǎn)后能夠順利的實(shí)現(xiàn)試制，保證產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的成功率。

④物理模型實(shí)驗(yàn)。為建立尚不具備的數(shù)學(xué)模型，同時(shí)為了滿(mǎn)足對(duì)一些由仿真得來(lái)的知識(shí)在重要應(yīng)用中從另外的方面檢驗(yàn)的需要，必須做物理模型的實(shí)驗(yàn)。

1.2 設(shè)計(jì)知識(shí)管理

1.2.1 知識(shí)獲取

知識(shí)獲取從實(shí)現(xiàn)方法角度方面可分為三種獲取方式，分別是人工獲取、半自動(dòng)獲取和自動(dòng)獲取。雖然人工獲取存在人力消耗大且獲取周期較長(zhǎng)等缺點(diǎn)，但是相對(duì)后兩者實(shí)現(xiàn)起來(lái)簡(jiǎn)單，目前為止人工獲取應(yīng)用最為廣泛。半自動(dòng)獲取和自動(dòng)獲取在實(shí)現(xiàn)上存在較多技術(shù)困難，尤其是自動(dòng)獲取，完全憑借計(jì)算機(jī)系統(tǒng)去實(shí)現(xiàn)知識(shí)的識(shí)別和存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)起來(lái)尤其困難。

1.2.2 知識(shí)表示

在不同的領(lǐng)域，知識(shí)都具有不同的功能，知識(shí)表示的方式也就不同，統(tǒng)一來(lái)講，知識(shí)表示就是將知識(shí)形式化。由于知識(shí)表示的多樣化，知識(shí)表示的發(fā)展和研究方向也在向統(tǒng)一化發(fā)展，設(shè)計(jì)者也在追求處理起來(lái)比較容易的知識(shí)表達(dá)方式。

好的知識(shí)表示方法需要具備以下幾個(gè)特點(diǎn)：表達(dá)充分性、易于理解、易于操作實(shí)現(xiàn)、推理有效性等。這樣在表示知識(shí)的時(shí)候，才能夠被設(shè)計(jì)者很容易的進(jìn)行獲取。傳統(tǒng)的知識(shí)表示方法常用的主要有以下幾種：謂詞邏輯表示法、產(chǎn)生式表示法、混合型知識(shí)表示方法

1.2.3 知識(shí)查詢(xún)

智能化設(shè)計(jì)離不開(kāi)知識(shí)的運(yùn)用，知識(shí)可以存在在數(shù)據(jù)庫(kù)中，因此，數(shù)據(jù)庫(kù)中的知識(shí)可以看作實(shí)現(xiàn)智能化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)庫(kù)是一個(gè)后臺(tái)運(yùn)行的軟件系統(tǒng)，用戶(hù)若想獲取其中的知識(shí)，就需要有專(zhuān)門(mén)的程序界面。

在程序界面里，界面上可以表示出編程的語(yǔ)言環(huán)境，可以直接實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)者對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)。知識(shí)的表現(xiàn)形式可以是顯性的，比如模型實(shí)例、工程數(shù)據(jù)表等。也可以是隱性的，對(duì)用戶(hù)只提供處理的結(jié)果，并不提供后臺(tái)推理的過(guò)程。

1.2.4 知識(shí)維護(hù)

數(shù)據(jù)庫(kù)不能是一成不變的，它應(yīng)該支持用戶(hù)對(duì)其進(jìn)行維護(hù)，比如添加、修改或刪除等，做到數(shù)據(jù)庫(kù)的及時(shí)更新。在后臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行維護(hù)是很不方便的，因此程序界面應(yīng)具備知識(shí)維護(hù)的功能。

同時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中還會(huì)保存很多成功的案例，這些案例就是現(xiàn)有的知識(shí)，對(duì)這些知識(shí)的使用和修改都會(huì)影響以后設(shè)計(jì)的結(jié)果，對(duì)這些知識(shí)的維護(hù)也需要非常的謹(jǐn)慎。在數(shù)據(jù)庫(kù)中，有一個(gè)數(shù)據(jù)表，是專(zhuān)門(mén)用來(lái)記錄用戶(hù)登入記錄的表格，只要用戶(hù)一旦注冊(cè)，就會(huì)進(jìn)行登記。

2 可制造性的產(chǎn)品智能化設(shè)計(jì)制造流程及框架

2.1 整體需求功能分析

考慮可制造性的產(chǎn)品智能化設(shè)計(jì)制造系統(tǒng)采用C/S結(jié)構(gòu)時(shí)可作為Pro/Engineer Wildfire 4.0的一個(gè)插件，在Pro/Engineer Wildfire 4.0中嵌入相應(yīng)的菜單、工具條以供用戶(hù)使用。

系統(tǒng)中包含三個(gè)子系統(tǒng)，分別是數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（包括資源數(shù)據(jù)庫(kù)、工藝數(shù)據(jù)庫(kù)、成本數(shù)據(jù)庫(kù)三部分）；可制造性分析系統(tǒng)（包括工藝性分析和制造成本分析兩個(gè)部分）；知識(shí)庫(kù)管理系統(tǒng)（包括工藝規(guī)則庫(kù)和成本規(guī)則庫(kù)）。三個(gè)子系統(tǒng)互相關(guān)聯(lián)，構(gòu)成了系統(tǒng)的信心模型。

2.2 系統(tǒng)建模及其模型庫(kù)

上述三個(gè)子系統(tǒng)相互聯(lián)系，都是通過(guò)計(jì)算機(jī)的二次開(kāi)發(fā)功能進(jìn)行研發(fā)的，整個(gè)系統(tǒng)的分析都是建立在CAD軟件的平臺(tái)上進(jìn)行開(kāi)發(fā)的，系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫(kù)和存儲(chǔ)的知識(shí)在可制造性分析的過(guò)程中，通過(guò)集成于CAD 軟件平臺(tái)上的信息模型和用戶(hù)界面環(huán)境進(jìn)行關(guān)聯(lián)管理。具體的模型、數(shù)據(jù)庫(kù)及一些重要的設(shè)計(jì)原則包括以下幾個(gè)方面。

2.2.1 信息模型

信息模型是一個(gè)零件的加工屬性，可以將零件的可制造性性和工藝加工性結(jié)合起來(lái)，是加工過(guò)程中各種分析內(nèi)容的紐帶。這個(gè)模型的內(nèi)容非常充實(shí)，且容易修改，對(duì)于知識(shí)的提取非常方便。信息模型里，為后續(xù)的制造加工提供了零件的屬性、幾何形狀和技術(shù)要求等等。在分析結(jié)束后，信息模型中可以全面的顯示出可制造性分析的結(jié)果和具體的分析內(nèi)容，信息模型的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

2.2.2 特征加工知識(shí)庫(kù)

加工知識(shí)具體來(lái)說(shuō)主要是依靠工作人員的經(jīng)驗(yàn)，這也是知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)之一，根據(jù)這個(gè)知識(shí)的獲取，在數(shù)據(jù)庫(kù)中提煉特定的格式和條件，從而對(duì)加工特征進(jìn)行描述。這是按照一定的規(guī)則進(jìn)行描述的，同一個(gè)特征可以有好幾個(gè)規(guī)則。特征加工知識(shí)庫(kù)的每一個(gè)規(guī)則都是采用標(biāo)準(zhǔn)的格式進(jìn)行表達(dá)的，比如“條件-結(jié)論-建議”格式。通過(guò)對(duì)用戶(hù)的管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)規(guī)則的添加、刪除和修改。這里的條件基本都是由一些數(shù)學(xué)表達(dá)式組成，用一些特定的數(shù)學(xué)符號(hào)加以輔助。比如“&”標(biāo)識(shí)代表的是兩個(gè)表達(dá)式間為“并”關(guān)系。符號(hào)“|”標(biāo)識(shí)代表的是兩個(gè)表達(dá)式間為“或”關(guān)系。每個(gè)表達(dá)書(shū)都由算數(shù)表達(dá)式組成，每個(gè)算數(shù)表達(dá)式由前后兩部分組成。此外，在規(guī)則中還包含對(duì)應(yīng)的文字描述，對(duì)相應(yīng)規(guī)則進(jìn)行說(shuō)明。

特征加工知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)是實(shí)際工作的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和歸納，用戶(hù)可根據(jù)需要隨時(shí)對(duì)知識(shí)庫(kù)進(jìn)行擴(kuò)充。

2.2.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的選擇

B/S結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)若基于B/S結(jié)構(gòu)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，各功能模塊以Web服務(wù)的形式部署在服務(wù)器端，客戶(hù)端只需要瀏覽器即可進(jìn)行相應(yīng)功能的操作。

C/S結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)若基于C/S結(jié)構(gòu)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，各功能模塊在客戶(hù)端進(jìn)行定制開(kāi)發(fā)，作為CAD軟件的一個(gè)插件嵌入到相應(yīng)的CAD軟件菜單中，所有的公共數(shù)據(jù)統(tǒng)一在服務(wù)器端部署存儲(chǔ)，這樣的模式便于用戶(hù)操作和具有高安全可靠性。

3 某薄壁件智能化可制造分析平臺(tái)的功能結(jié)構(gòu)

針對(duì)某薄壁件的設(shè)計(jì)平臺(tái)的功能結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。

基于加工特征的評(píng)價(jià)方法的基本思想是，依據(jù)廠家的制造資源， 針對(duì)尺寸和精度對(duì)每種典型加工特征總結(jié)其加工能力，然后建立以典型加工特征為中心的可加工性評(píng)價(jià)關(guān)系。其輸入?yún)?shù)為特征的幾何信息、裝配特征信息、裝配關(guān)系信息、材料信息，輸出為可加工系數(shù)。以孔加工特征為例，具體的評(píng)價(jià)方法包括：

①孔的深度與直徑之比是否過(guò)大；②孔徑尺寸是否符合標(biāo)準(zhǔn)；③孔軸線是否垂直于孔端面；④進(jìn)刀過(guò)程中刀具是否與零件發(fā)生干涉；⑤位于同一平面上的孔排列是否規(guī)律。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文分析了產(chǎn)品智能化設(shè)計(jì)制造過(guò)程及其特點(diǎn)，并以此提出基于可制造新知識(shí)為核心的產(chǎn)品智能化設(shè)計(jì)思路，將可制造知識(shí)及信息作為新知識(shí)應(yīng)用在產(chǎn)品智能化設(shè)計(jì)過(guò)程。分析其智能化設(shè)計(jì)過(guò)程需要的可制造信息，最后根據(jù)這些需要考慮的可制造性信息發(fā)展并構(gòu)建適合于特定對(duì)象的產(chǎn)品智能化設(shè)計(jì)制造流程及框架。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張化照，陳向東，牛欣，等.基于模塊體系的航空航天產(chǎn)品研發(fā)流程管理 研究[J].技術(shù)經(jīng)濟(jì)，2010，29（10）：1-5.

[2] 郭亞飛，侯俊杰，石勝友.面向典型宇航產(chǎn)品的工藝知識(shí)庫(kù)研究[J].計(jì)算 機(jī)科學(xué)，2013，40（5）：189-197.

[3] Fuegi， J.， Francis， J.. Lovelace & Babbage and the Creation of the 1843 ‘Notes[J]. IEEE Ann. ， 2003， 25（4）： 16–26.

[4] 石廣豐，王景梅，宋林森，等.薄壁零件的制造工藝研究現(xiàn)狀[J].長(zhǎng)春理工 大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，35（1）：68-72.