基于知識(shí)的機(jī)械產(chǎn)品快速創(chuàng)新設(shè)計(jì)

李春亮

（吉林城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130114）

傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)，對(duì)設(shè)計(jì)師的技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)有著較強(qiáng)的依賴性，并且存在設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、創(chuàng)新力度弱等問題，不能滿足工業(yè)生產(chǎn)對(duì)新型多功能機(jī)械產(chǎn)品的使用需求。隨著AI 技術(shù)的成熟，基于知識(shí)的快速創(chuàng)新設(shè)計(jì)技術(shù)也得到了推廣使用，在此基礎(chǔ)上嘗試構(gòu)建機(jī)械產(chǎn)品快速創(chuàng)新設(shè)計(jì)系統(tǒng)，把專家經(jīng)驗(yàn)、人工智能、大數(shù)據(jù)檢索、云計(jì)算分析等技術(shù)融合起來，實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品需求分析到產(chǎn)品零件查找，再到自動(dòng)組裝、智能優(yōu)化的一站式處理，顯著縮短了機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)周期，加速了機(jī)械產(chǎn)品更新迭代速率，對(duì)促進(jìn)工業(yè)自動(dòng)化、信息化發(fā)展也有積極幫助。

1 機(jī)械產(chǎn)品快速創(chuàng)新設(shè)計(jì)的知識(shí)庫(kù)

1.1 知識(shí)庫(kù)的組成架構(gòu)

知識(shí)庫(kù)由3 部分組成：

（1）數(shù)據(jù)庫(kù)。用于存儲(chǔ)海量零件的基本信息，除了將零件按照類別存儲(chǔ)外，還會(huì)對(duì)每一類零件進(jìn)行單獨(dú)的編碼。這樣在后期輸入關(guān)鍵詞進(jìn)行檢索時(shí)，方便快速匹配與檢索條件相符的零件。

（2）圖庫(kù)。分為實(shí)體庫(kù)、殼體庫(kù)兩部分，前者提供各類零件的三維模型圖，可支持零件的仿真組裝；后者包含了零部件的各項(xiàng)參數(shù)，如動(dòng)/靜定參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)等。

（3）輔助系統(tǒng)。該部分可用于產(chǎn)品功能需求分析，產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)等。知識(shí)庫(kù)管理結(jié)構(gòu)和運(yùn)行流程如圖1 所示。

圖1 知識(shí)庫(kù)的組成架構(gòu)和運(yùn)行流程

1.2 知識(shí)存儲(chǔ)流程

考慮到知識(shí)庫(kù)內(nèi)零件數(shù)量的海量化、信息的多樣性，為了提高零件檢索效率，因此在知識(shí)存儲(chǔ)過程中選擇了“圖形分離”模式。在知識(shí)庫(kù)中只存放零件基本參數(shù)，而零件的二維平面圖形、三維立體模型則在圖庫(kù)中單獨(dú)存放。知識(shí)存儲(chǔ)流程為：首先提取零件表面信息，并通過計(jì)算機(jī)識(shí)別，在圖形軟件中得到一個(gè)與實(shí)體零件相符合的概念模型，同時(shí)聲場(chǎng)概念設(shè)計(jì)方案。然后基于概念模型，尋找與之匹配的殼體零件，并將檢索到的零件存儲(chǔ)到殼體庫(kù)中。同時(shí)，從概念模型中形成分類編碼，所得數(shù)據(jù)生產(chǎn)表格。數(shù)據(jù)表中的零件參數(shù)信息以及殼體庫(kù)、實(shí)體庫(kù)中的零件模型信息，共同構(gòu)成了知識(shí)庫(kù)。整個(gè)流程如圖2 所示。

圖2 知識(shí)存儲(chǔ)的流程圖

1.3 知識(shí)庫(kù)與數(shù)據(jù)庫(kù)的連接

對(duì)于知識(shí)庫(kù)中存儲(chǔ)的零件信息，無法直接用于機(jī)械產(chǎn)品的組裝。還必須借助于ODBC（開放數(shù)據(jù)庫(kù)連接），將知識(shí)庫(kù)與數(shù)據(jù)庫(kù)連接起來，完成數(shù)據(jù)的導(dǎo)出/導(dǎo)入，ODBC的結(jié)構(gòu)如圖3 所示。實(shí)現(xiàn)庫(kù)連接后，計(jì)算機(jī)利用共享信息，完成機(jī)械產(chǎn)品方案的快速設(shè)計(jì)。

圖3 ODBC的結(jié)構(gòu)圖

2 基于知識(shí)的機(jī)械產(chǎn)品快速創(chuàng)新設(shè)計(jì)系統(tǒng)

2.1 明確知識(shí)獲取流程

要想實(shí)現(xiàn)目標(biāo)產(chǎn)品的快速創(chuàng)新設(shè)計(jì)，必須要明確整個(gè)設(shè)計(jì)流程，并保證該設(shè)計(jì)系統(tǒng)在邏輯流程上前后銜接。概括來看，快速創(chuàng)新設(shè)計(jì)系統(tǒng)的運(yùn)行流程主要分為5 個(gè)步驟：

（1）了解機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)需求，包括形狀、尺寸、功能等。

（2）基于設(shè)計(jì)需求，首先進(jìn)行概念性設(shè)計(jì)，初步得出機(jī)械產(chǎn)品相關(guān)的模型結(jié)構(gòu)，并將各項(xiàng)參數(shù)、結(jié)構(gòu)資料等存儲(chǔ)到概念模式庫(kù)內(nèi)。

（3）尋找符合機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)與組裝的殼體及零件。在搜集到適配的殼體、零件后，還要進(jìn)行試裝配，以驗(yàn)證殼體與零件的兼容性。

（4）對(duì)裝配效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果找出機(jī)械產(chǎn)品的瑕疵并進(jìn)行優(yōu)化。將設(shè)計(jì)優(yōu)化后的機(jī)械產(chǎn)品相關(guān)參數(shù)存儲(chǔ)于實(shí)體庫(kù)內(nèi)。

（5）形成最終的設(shè)計(jì)方案，并根據(jù)該方案生產(chǎn)機(jī)械產(chǎn)品，最終方案存儲(chǔ)于方案庫(kù)內(nèi)。整個(gè)流程如圖4 所示。

圖4 基于知識(shí)的機(jī)械產(chǎn)品快速創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程

2.2 產(chǎn)品零部件匹配方式的優(yōu)化

在機(jī)械產(chǎn)品的快速創(chuàng)新設(shè)計(jì)中，零部件的匹配是核心環(huán)節(jié)，也是決定最終設(shè)計(jì)產(chǎn)品能否正常運(yùn)行、各項(xiàng)功能能否順利實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵?；谶z傳算法的匹配度計(jì)算，其結(jié)果居于0 和1 之間。零件匹配度越接近1，則匹配度越高，將零件組裝成產(chǎn)品后，系統(tǒng)兼容性越好；反之，則表明匹配度差，需要重新選擇零件。在評(píng)價(jià)零件匹配度時(shí)，著重選取4 項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，分別是結(jié)構(gòu)形狀、力學(xué)性能、誤差和經(jīng)濟(jì)性?；诳焖賱?chuàng)新設(shè)計(jì)系統(tǒng)的零部件匹配，通過設(shè)定的選取指標(biāo)，自動(dòng)從零件庫(kù)中檢索。以匹配度0.8為劃分界限，對(duì)檢索結(jié)果進(jìn)行篩選，保證篩選出的零部件能夠符合機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和組裝需要。

2.3 快速生產(chǎn)產(chǎn)品方案

為了使檢索出來的殼體零件實(shí)現(xiàn)直接裝配，設(shè)計(jì)了快速生成產(chǎn)品模塊。對(duì)于殼體零件庫(kù)中存儲(chǔ)的各類零件信息，根據(jù)概念設(shè)計(jì)方案，對(duì)這些零件進(jìn)行標(biāo)號(hào)。然后按照標(biāo)號(hào)順序自動(dòng)對(duì)零件進(jìn)行組裝，得到初步的產(chǎn)品。該產(chǎn)品通常在精度等方面存在不足，因此還需要進(jìn)行優(yōu)化。設(shè)計(jì)者根據(jù)產(chǎn)品中零件運(yùn)動(dòng)參數(shù)、表面定位類型等，對(duì)零件之間的組合方式進(jìn)行調(diào)整，從而使產(chǎn)品整體精度進(jìn)一步提升，各處運(yùn)動(dòng)更加協(xié)調(diào)。

2.4 零件信息查詢與修改

在機(jī)械產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者點(diǎn)擊零部件進(jìn)入詳情頁(yè)，可獲取零件的相關(guān)信息，并根據(jù)設(shè)計(jì)需求對(duì)這些信息進(jìn)行修改。可供查詢的內(nèi)容包括：

（1）產(chǎn)品基本信息。包括零件總數(shù)，以及傳動(dòng)件、執(zhí)行件、基礎(chǔ)件的具體數(shù)量等。點(diǎn)擊“產(chǎn)品信息”列表中的某一參數(shù)，還可跳轉(zhuǎn)至下一級(jí)頁(yè)面，詳細(xì)顯示“表面序號(hào)”、“定位面序號(hào)”等參數(shù)。

（2）零件基本信息。包括零件類型、受力情況、定位面數(shù)、靜/動(dòng)定面數(shù)等。同樣的，選定“零件信息”列表的某一參數(shù)后，可跳轉(zhuǎn)至下一級(jí)頁(yè)面，詳細(xì)顯示“表面序號(hào)”、“定位類型”等參數(shù)。

（3）輔助信息。包括輔助線、輔助面等，為零件表面參數(shù)修改提供輔助。除了支持查詢功能外，還提供修改功能。設(shè)計(jì)者可根據(jù)需要對(duì)表面位置、大小、功能，傳動(dòng)比等基本參數(shù)進(jìn)行修改，進(jìn)一步完善機(jī)械產(chǎn)品。

2.5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)

在完成零件裝配、得到機(jī)械產(chǎn)品后，還要對(duì)該設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，一方面是判斷機(jī)械產(chǎn)品的性能和功能是否達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期，另一方面也能為下一步改進(jìn)設(shè)計(jì)方案、提高機(jī)械產(chǎn)品制作質(zhì)量提供幫助。目前常用的設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)方法有基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模糊評(píng)價(jià)法、專家系統(tǒng)法等多種。其中，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與約束評(píng)價(jià)相結(jié)合，能夠從定性和定量?jī)蓚€(gè)方面，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案作出客觀評(píng)價(jià)。其流程如圖5 所示。

圖5 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的約束評(píng)價(jià)流程

結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)需要在速度、精度、質(zhì)量等方面統(tǒng)籌兼顧，才能滿足用戶對(duì)于機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)、裝配和使用的要求。基于知識(shí)的機(jī)械產(chǎn)品快速創(chuàng)新設(shè)計(jì)系統(tǒng)，通過構(gòu)建知識(shí)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)，并將兩者有機(jī)結(jié)合起來，一方面能夠基于設(shè)計(jì)方案，從知識(shí)庫(kù)中快速檢索與該方案匹配的殼體零件，另一方面又能夠根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)調(diào)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)零件的快速組裝，顯著縮短了從設(shè)計(jì)到裝配的周期。除此之外，該系統(tǒng)還提供了零部件調(diào)整和方案評(píng)價(jià)的功能，通過調(diào)整優(yōu)化使系統(tǒng)的綜合性能得以改良。參考評(píng)價(jià)結(jié)果，有助于改進(jìn)快速創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程，為持續(xù)提升機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量也有積極幫助。