基于設計意圖捕捉的叉車參數(shù)化設計系統(tǒng)研究

陳 帥，姜少飛，洪 滔，魯聰達

（浙江工業(yè)大學 特種裝備制造與先進加工技術教育部重點實驗室，浙江 杭州 310032）

基于設計意圖捕捉的叉車參數(shù)化設計系統(tǒng)研究

陳 帥，姜少飛，洪 滔，魯聰達

（浙江工業(yè)大學 特種裝備制造與先進加工技術教育部重點實驗室，浙江 杭州 310032）

設計意圖捕捉是產(chǎn)品設計過程的關鍵問題.為實現(xiàn)從設計意圖捕捉到參數(shù)化圖形驅(qū)動的過程，提出并實現(xiàn)了基于意圖捕捉的叉車參數(shù)化設計系統(tǒng).系統(tǒng)由意圖捕捉、最優(yōu)化求解和參數(shù)化驅(qū)動三個模塊組成，通過對設計意圖的分解，構建由意圖單元組成的意圖庫，并映射到產(chǎn)品結構庫，并經(jīng)意圖單元和結構單元結合形成設計意圖模型；基于最優(yōu)化模塊的優(yōu)化求解將設計意圖模型轉化為參數(shù)化設計的主參數(shù)，并通過參數(shù)估計和柔性控制，得出完整驅(qū)動參數(shù)，最終生成叉車三維參數(shù)化模型.最后，以叉車設計過程為例驗證了系統(tǒng)的有效性.

設計意圖捕捉；最優(yōu)化求解；參數(shù)化設計；叉車

參數(shù)化設計是并行設計和概念設計的產(chǎn)物［1］，通過建立拓撲結構，用一系列參數(shù)對這一拓撲結構進行求解.得到修改后的參數(shù)化圖形［2］，實現(xiàn)了自頂向下（top＿down）的設計過程.其優(yōu)勢是大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，提高了開發(fā)效率，已經(jīng)成為CAD中一項必不可少的技術.參數(shù)化設計系統(tǒng)的輸入多為具體幾何參數(shù)，如何使其智能化，建立基于知識的參數(shù)化設計系統(tǒng)已經(jīng)成為參數(shù)化設計的主要研究問題.目前，針對參數(shù)化設計的研究主要集中在對約束的求解和主參數(shù)、輔參數(shù)、次參數(shù)的識別上，參數(shù)化設計系統(tǒng)存在以下局限：

（1）參數(shù)化設計系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能是根據(jù)零部件的拓撲結構對設計參數(shù)求解，求解結果驅(qū)動參數(shù)化模型.但是，還缺乏輸入?yún)?shù)的獲取手段.

（2）參數(shù)化設計系統(tǒng)的輸入多為具體幾何參數(shù)，而用戶的需求為尚待形式化的語義，如何將二者聯(lián)系起來尚待深入.

（3）參數(shù)化設計系統(tǒng)的輸入為反映產(chǎn)品結構和性能的主參數(shù)，對于和主參數(shù)沒有直接數(shù)學關系的參數(shù)，缺乏求解策略.

文獻［3］通過建立約束層次結構（包括工程約束、適配約束和幾何約束），將工程約束轉換為幾何約束，實現(xiàn)了工程函數(shù)對參數(shù)化幾何圖形變動的控制；文獻［4］通過約束序列化，將工程約束引入到參數(shù)化約束中；文獻［5］引入知識工程，通過建立知識庫，完成參數(shù)化的尺寸驅(qū)動和特征驅(qū)動.筆者旨在構建基于設計意圖捕捉的參數(shù)化設計系統(tǒng)，把設計意圖和參數(shù)化設計集成起來，并應用于叉車的設計早期階段.

1 基于設計意圖捕捉的參數(shù)化設計系統(tǒng)框架

圖1 基于意圖捕捉的參數(shù)化設計系統(tǒng)結構Fig.1 The Structure of parametric design system based on capturing design intent

提出基于意圖捕捉的參數(shù)化設計系統(tǒng)框架結構，如圖1所示.系統(tǒng)由設計意圖捕捉模塊，最優(yōu)化求解模塊和參數(shù)化設計模塊三個模塊組成.

1.1 設計意圖捕捉模塊

設計意圖的一方面意義是需求，即用戶對產(chǎn)品提供的要求，包括功能、環(huán)保、外表式樣等.故設計意圖建模過程是在需求指導下對設計意圖分解的過程.子意圖表示本階段想要獲得的目標，下一層子意圖是對上一層子意圖的描述，最終形成意圖單元.意圖單元是不可再分的設計意圖，具有直接描述產(chǎn)品某項功能的特性，如一些功能參數(shù)、性能指標.意圖單元的形成標志著意圖分解過程的完成.

意圖單元組成了意圖庫，用其映射結構庫.結構庫是對產(chǎn)品結構的樹形劃分，每一層子單元集都為完成某項功能的零部件集合，各層次結構可以完成上層文件的某項功能.同時，各結構單元包含產(chǎn)品結構本身固有的信息，如材料，需用強度，需用剛度等.意圖單元的映射過程是一個尋找、匹配的過程.每一個意圖單元在結構庫中尋找和其匹配的結構單元，并與其結合，最終建立設計意圖模型.流程如圖2所示.

圖2 設計意圖建模過程Fig.2 Process of design intent modeling

1.2 最優(yōu)化求解模塊

本模塊是連接設計意圖?？旌蛥?shù)化設計模塊的橋梁，具有將設計意圖參數(shù)化的作用.通過對設計意圖模型最優(yōu)化求解，得到可作為參數(shù)化設計模塊輸入的零部件主參數(shù).求解模型建立過程中，意圖單元以約束的形式體現(xiàn)，主參數(shù)組成了設計變量空間，結構單元包含結構本身的固有信息.從而包括目標函數(shù)、約束函數(shù)和設計變量的最優(yōu)化模型建立.

1.3 參數(shù)化設計模塊

最優(yōu)化求解模塊得出零部件的主參數(shù)，參數(shù)化設計模塊則是根據(jù)主參數(shù)生成零部件的三維模型.主參數(shù)輸入到零部件的拓撲結構中，求解出和主參數(shù)存在約束關系的參數(shù).對于那些和主參數(shù)無直接約束關系的輔參數(shù)和次參數(shù)，需對其進行柔性控制和參數(shù)估計，可得出完整的參數(shù)，進而生成產(chǎn)品模型.

2 關鍵技術及其解決方案

2.1 意圖庫到結構庫的映射

意圖庫由意圖單元組成.意圖單元映射到結構庫，尋找匹配的結構單元并附著其上為問題的關鍵.

首先對意圖單元形式化描述：

I＿meta＝｛I＿id，I＿datatype，I＿conts，I＿domains，I＿metatype｝

其中：

I＿meta：為意圖單元；

I＿id：為意圖單元唯一標識號；

I＿datatype：為屬性值類型，如整型，實數(shù)型，布爾型；

I＿conts：為屬性值；

I＿domains：為屬性值值域，根據(jù)值域分為離散型和連續(xù)型；

I＿metatype：為意圖單元類型，可分為幾何，功能，結構特性等.

結構庫中的結構單元形式化描述如下：

S＿unit＝｛S＿id，S＿content，mult（I＿meta），set（variable），is＿decomposed｝

其中：

S＿unit：表示結構單元；

S＿id：表示結構單元唯一標識；

S＿content：表示結構單元固有信息，如材料，固有參數(shù)和優(yōu)化目標等；

mult（I＿meta）：表示和此結構單元結合的意圖單元；

set（variable）：表示此結構單元的變量集，即參數(shù)化設計中的主參數(shù)；

is＿decomposed：為此結構單元是否可分，“1”可分，“0”不可分.

意圖單元到結構單元的映射過程如圖3所示.

圖3 意圖單元映射結構單元Fig.3 Mapping process from intent unit to structure unit

圖3中A為二者的關系矩陣，映射后，意圖單元儲存在相應結構單元的mult（I＿meta）中.

根據(jù)形式化描述結果，構建相應的數(shù)據(jù)庫，其結構如圖4所示.首先建立意圖庫和結構庫兩個主表，主鍵分別為其ID.為了表示二者“多對多”的對應關系，建立了二者的關系表.結構單元的固有信息和變量集分別單獨設表.

圖4 數(shù)據(jù)庫結構Fig.4 Structure of database

2.2 最優(yōu)化求解

最優(yōu)化模型是以意圖單元為約束，以反映零部件基本形狀和性能的主參數(shù)為設計變量，具有特定優(yōu)化目標的一種模型，其數(shù)學模型如下：

式中：F為目標函數(shù)集合；G為等式約束集合；H為不等式約束集合；p為參數(shù).

意圖單元映射到結構單元，過程完成后，二者結合，即完成了設計意圖建模.設計意圖模型轉化為優(yōu)化模型過程中，設計變量x為變量集合set（variable）中的元素，而和結構單元結合的意圖單元mult（I＿meta）在優(yōu)化模型中以約束的形式體現(xiàn).

最優(yōu)化求解由Matlab實現(xiàn).VB支持ActiveX自動化控制端協(xié)議，Matlab支持ActiveX支持自動化服務器端協(xié)議.因此，通過Active X建立VB應用程序和MATLAB之間的自動化連接，如圖5所示.MATLAB命令的傳輸由ActiveX連接實現(xiàn)，數(shù)據(jù)的傳輸通過M文件實現(xiàn).

圖5 VB與Matlab接口Fig.5 The interface of VB and Matlab

2.3 參數(shù)柔性控制和參數(shù)估計

參數(shù)的柔性控制模塊是對零件或特征的尺寸參數(shù)進行離散化處理，以滿足同一系列產(chǎn)品設計的需要，達到此系列部分零件的通用性，其核心思想是將零部件參數(shù)進行離散化處理.主要研究內(nèi)容包括柔性控制零件、零件中柔性控制參數(shù)以及與之相關的主參數(shù)的選擇、柔性變化系數(shù)的確定，主要應用在和主參數(shù)存在依賴關系但沒有直接代數(shù)關系的參數(shù)上.如貨叉危險截面厚度a和寬度b，a為主參數(shù)，可從最優(yōu)化模塊中獲得，參數(shù)b的選擇可根據(jù)a值確定.a在某區(qū)間范圍內(nèi)b為一值，若a值進入另一區(qū)間內(nèi)，則b值級變，根據(jù)柔性變換系數(shù)生成另一值.

參數(shù)估計是一項統(tǒng)計技術，當某個零部件的一系列參數(shù)中存在若干個缺失參數(shù)時，通過參數(shù)估計模塊得出完整參數(shù).筆者通過在變型設計中得到應用的EM算法［6］，來建立參數(shù)估計系統(tǒng).

3 工程實例

系統(tǒng)基于VB.NET開發(fā)，數(shù)據(jù)庫服務端為SQL Server2000，優(yōu)化計算服務端為 Matlab，三維模型生成軟件采用Solid Works.

叉車客戶需求主要包括載重需求、起升需求和穩(wěn)定性需求.其中載重需求主要包括載重質(zhì)量和載重體積，起升需求中主體是起升高度和起升速度.根據(jù)客戶需求，系統(tǒng)實現(xiàn)設計意圖捕捉和求解，最終完成了起升系統(tǒng)設計和車身布置.

（1）在設計結構樹的引導下完成意圖庫的建立，如圖6所示.左側為叉車設計意圖結構，右側輸入相應的意圖值.

圖6 設計意圖結構Fig.6 Structure of design intent

（2）意圖庫映射到結構庫，如圖7所示.從意圖結構樹點選意圖單元，叉車結構樹中和意圖單元相應的結構單元會變成紅色.點選結構單元，會彈出結構單元的詳細信息.如圖8所示，包括優(yōu)化目標函數(shù)，設計變量和約束函數(shù).

圖7 意圖庫映射結構庫Fig.7 Mapping process from intent base to structure base

圖8 結構單元界面Fig.8 The interface of Structure unit

（3）通過最優(yōu)化模塊求解出主參數(shù)，再經(jīng)過參數(shù)估計和柔性控制，完成叉車起升系統(tǒng)設計和車身整體布置，生成模型如圖9所示.

圖9 叉車模型Fig.9 Forklift model

4 結 論

（1）通過意圖分解、意圖單元到結構的映射構建了設計意圖模型，實現(xiàn)了從設計意圖捕捉到參數(shù)化圖形驅(qū)動的過程.

（2）通過最優(yōu)化求解實現(xiàn)了設計意圖模型的求解，把以約束形式體現(xiàn)的設計意圖轉化為參數(shù)化設計中的主參數(shù)，再通過柔性控制可參數(shù)估計，得出完整驅(qū)動參數(shù).

（3）系統(tǒng)應用于叉車實際設計過程，大大提高了從概念設計到參數(shù)設計的效率.

［1］張峰，李兆前，黃傳真.參數(shù)化設計的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.機械工程師，2002（1）：13-15.

［2］陳月娟.基于數(shù)據(jù)庫技術的CAD參數(shù)化設計關鍵技術及實現(xiàn)方法［J］.機械設計與制造，2006（1）：85-86.

［3］劉厚泉，李毅，劉方鑫.參數(shù)化設計系統(tǒng)中約束的層次結構［J］.計算機工程，2005，26（3）：35-36.

［4］堵云竹.復雜機械系統(tǒng)的多體動力學參數(shù)化建模技術研究［D］.武漢：華中科技大學，2006.

［5］張范良，陳玉全，瞿元盛，等.基于知識的模具智能裝配［J］.農(nóng)機化研究，2009（4）：155-157.

［6］XU Xin-sheng，F(xiàn)U Lin-yun，F(xiàn)ANG Shui-liang.Research on product variant design with uncertainty information［C］.Piscataway：WCICA，2008.

［7］譚建榮，李濤，戴若夷.支持大批量定制的產(chǎn)品配置設計系統(tǒng)的研究［J］.計算機輔助設計與圖形學學報，2003，15（8）：35-38.

［8］張良，何也熙.Matlab與VB.NET混合編程中數(shù)據(jù)存儲方式的研究［J］.計算機工程與設計，2009，30（8）：2008-2010.

Research on forklift parametric design system based on capturing design intent

CHEN Shuai，JIANG Shao-fei，HONG Tao，LU Cong-da
（Key Laboratory for Mechanical ＆Automation of Ministry of Education，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310032，China）

Capturing design intent is a key problem in the process of product design.A forklift parametric design system based on capturing design intent is proposed and established，which provides the method for the transformation from capturing design intent to driving parametric model.The process is composed of three modules，including capturing intent，optimization and parametric driving.The intent database formed by intent units is obtained via decomposing the design intent.The design intent model is produced according to the combination of the units in the intent database and those in the product structure database.This model is further solved by optimization module and the main parameters in parametric design are thus obtained.Then the complete driving parameters are acquired by parameter estimation and flexible control，and the parametric model is therefore obtained.Finally，the example of a forklift design process provided to validate the system and its advantage is also demonstrated.

capturing design intent；optimization；parametric design；forklift

TH122

A

1006-4303（2011）06-0639-05

2010-06-03

國家自然科學基金資助項目（51005211）；浙江省優(yōu)先主題重大項目（2008C01059-1）；浙江省自然科學基金資助項目（Y107622）

陳 帥（1986—），男，內(nèi)蒙古錫盟人，碩士研究生，研究方向為參數(shù)化設計和知識工程.通信作者：姜少飛副教授，E-mail：jsf75＠zjut.edu.cn.

（

陳石平）