利用知識(shí)工程進(jìn)行自行車車架設(shè)計(jì)

2013-06-02 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

在競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)化要求下,自行車的設(shè)計(jì)出現(xiàn)了以下兩個(gè)特點(diǎn):速度快、造型美觀適用.在當(dāng)代制造工藝已比較成熟的情況下,自行車的造型設(shè)計(jì)變得相當(dāng)重要.知識(shí)工程(Knowledge Based Engineering,KBE)具有多種知識(shí)表示和推理決策的能力,將其運(yùn)用于快速處理自行車車架的工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、造型設(shè)計(jì)過程及決策過程,可有效處理復(fù)雜的工藝知識(shí)和各種圖形知識(shí),達(dá)到快速設(shè)計(jì)的目的.
耿忠林;張祥林來源:CAD/CAM與制造業(yè)信息化
關(guān)鍵字:KBE 知識(shí)工程自行車 AutoCAD

在競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)化要求下,自行車的設(shè)計(jì)出現(xiàn)了以下兩個(gè)特點(diǎn):速度快、造型美觀適用。在當(dāng)代制造工藝已比較成熟的情況下,自行車的造型設(shè)計(jì)變得相當(dāng)重要。知識(shí)工程(Knowledge Based Engineering,KBE)具有多種知識(shí)表示和推理決策的能力,將其運(yùn)用于快速處理自行車車架的工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、造型設(shè)計(jì)過程及決策過程,可有效處理復(fù)雜的工藝知識(shí)和各種圖形知識(shí),達(dá)到快速設(shè)計(jì)的目的。

一、KBE技術(shù)的內(nèi)涵和關(guān)鍵技術(shù)

KBE的基本思想是在工程設(shè)計(jì)中重復(fù)利用已有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。這些知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)以各種形式存在,如設(shè)計(jì)手冊(cè)、工程公式、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格和專家設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)等。KBE系統(tǒng)是一個(gè)知識(shí)處理系統(tǒng),知識(shí)表示、知識(shí)利用和知識(shí)獲取是KBE系統(tǒng)的三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。知識(shí)表示即怎樣系統(tǒng)地陳述問題并使它們易于求解;知識(shí)利用中最主要的是搜索技術(shù),怎樣聰明地控制解的查找,使其不至于使用太多的時(shí)間和花費(fèi)過多的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)空間;知識(shí)的獲取和編碼則是KBE系統(tǒng)最重要的方面之一。

二、自行車設(shè)計(jì)概況

1.國(guó)內(nèi)外自行車設(shè)計(jì)概況

有前人用AutoCAD二次開發(fā)技術(shù)在自行車車架設(shè)計(jì)上做過研究,但是成果并不明顯。其中一種實(shí)現(xiàn)方式是:用AutoCAD內(nèi)部嵌入的一種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言AutoLisp來完成常用的科學(xué)計(jì)算和數(shù)據(jù)分析,同時(shí)又能調(diào)用幾乎全部的繪圖命令。使用該程序能自動(dòng)完成車架簡(jiǎn)圖的繪制,然后自動(dòng)提取關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析判別并反饋出最后結(jié)果,以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

還有人在自行車CAD技術(shù)上做過參數(shù)化設(shè)計(jì)方面的研究。建立參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的關(guān)鍵是建立一套描述參數(shù)和尺寸之間關(guān)系的約束方程,然后根據(jù)一組尺寸參數(shù)求解出新的設(shè)計(jì)參數(shù)。采用這種方法進(jìn)行設(shè)計(jì),僅需輸入必要的參數(shù),計(jì)算機(jī)就可自動(dòng)生產(chǎn)出所需部件的圖樣。這種方案只適用于結(jié)構(gòu)變化不大或按一定規(guī)律變化部件的設(shè)計(jì)與繪圖。結(jié)合自行車設(shè)計(jì)的特點(diǎn),這種方法有一定的可取之處。但對(duì)于造型設(shè)計(jì)復(fù)雜、變化多樣的情況,則是不能滿足實(shí)際設(shè)計(jì)要求的。

采用三維軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)可達(dá)到縮短產(chǎn)品開發(fā)周期,降低設(shè)計(jì)成本的效果,還能使二維平面設(shè)計(jì)軟件不容易表達(dá)的曲線和曲面在三維設(shè)計(jì)上變得容易實(shí)現(xiàn),且效果直觀,有利于設(shè)計(jì)人員和客戶之間的直接溝通。

2 .自行車基本結(jié)構(gòu)及工廠設(shè)計(jì)流程

自行車由九大部分組成,如圖1所示。其中最主要的部分是車體。車體由車架、前叉、車頭組件、中軸組件、鞍管組件和貼花等組成。

利用知識(shí)工程進(jìn)行自行車車架設(shè)計(jì)+應(yīng)用技術(shù)圖片圖片1

圖1 自行車組件圖

車架設(shè)計(jì)是自行車設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵和核心的部分,其設(shè)計(jì)主要分為前三角的設(shè)計(jì)、后叉片的設(shè)計(jì)和后三角的設(shè)計(jì)。前三角的設(shè)計(jì)包括五通、立管、頭管、上管和下管的設(shè)計(jì)。后三角的設(shè)計(jì)包括平叉和立叉的設(shè)計(jì)。后叉片主要用來連接后軸、平叉和立叉。后叉片的設(shè)計(jì)應(yīng)在前三角完成以后,后三角設(shè)計(jì)之前完成。車架結(jié)構(gòu)如圖2所示。

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圖2 車架結(jié)構(gòu)示意圖

充分了解工廠工作流程將有助于在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)充分考慮各部門間的配合、設(shè)計(jì)人員操作習(xí)慣和經(jīng)驗(yàn)的積累,并有利于達(dá)到知識(shí)工程重復(fù)利用已有知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的目的,圖3所示為某自行車公司的工作流程。

利用知識(shí)工程進(jìn)行自行車車架設(shè)計(jì)+應(yīng)用技術(shù)圖片圖片3

圖3 工作流程圖

三、知識(shí)工程在車架設(shè)計(jì)時(shí)的應(yīng)用

車架CAD設(shè)計(jì)共分為選擇查詢、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和快速建模造型設(shè)計(jì)三部分。整體思路是先將車架各管的中心線畫出,制作成各式模版,然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整并對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化修改,最后再進(jìn)行管件造型設(shè)計(jì)。三部分分別采用了不同的KBE技術(shù),取得了良好的應(yīng)用效果,下面將進(jìn)一步介紹各部分采用的不同KBE技術(shù),并分析其使用原因。

1.選擇查詢

選擇查詢采用了基于實(shí)例的知識(shí)表示,在工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域,它有著廣泛的應(yīng)用。實(shí)例蘊(yùn)涵著豐富的專家知識(shí),可以為當(dāng)前的設(shè)計(jì)提供有價(jià)值的參考。

自行車車架的設(shè)計(jì)相對(duì)自由,樣式多種多樣,共分為11種款式。各款式中部分管件的搭接形式又不相同,因此衍生出各式不同的車架外形。從車架設(shè)計(jì)條件描述中抽取出共同的特征及特殊特征并建立篩選條件,根據(jù)這些條件能從實(shí)例庫(kù)中搜索并選擇出與設(shè)計(jì)要求最接近的實(shí)例,進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。實(shí)例包括骨架實(shí)例(既中心線模版)和成品實(shí)例兩部分,可根據(jù)不同的用戶需求選用不同的實(shí)例。

2.結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)包括參數(shù)化驅(qū)動(dòng)、參數(shù)的程序優(yōu)化求解和結(jié)構(gòu)優(yōu)化三部分。

(1)參數(shù)化驅(qū)動(dòng)。近似實(shí)例調(diào)出后,接下來將進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化修改。對(duì)結(jié)構(gòu)相似的實(shí)例,只需修改其參數(shù)具體數(shù)值。參數(shù)分為關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)和普通結(jié)構(gòu)參數(shù),關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)用統(tǒng)一規(guī)劃的表達(dá)式記錄并保存于數(shù)據(jù)庫(kù)中,普通參數(shù)則采用自動(dòng)分配的表達(dá)式。參數(shù)修改通過修改表達(dá)式的值來實(shí)現(xiàn)參數(shù)化驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)則能夠讀出實(shí)例中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)并提供了修改工具。常用的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)主要來源于自行車行業(yè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、專家設(shè)計(jì)知識(shí)經(jīng)驗(yàn)和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),并用數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理。數(shù)據(jù)庫(kù)中主要記錄了部分車架關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)及實(shí)例數(shù)據(jù)。

普通結(jié)構(gòu)參數(shù)的修改則提供了專用的修改拾取工具,能夠拾取實(shí)體對(duì)象并讀取相應(yīng)的表達(dá)式,關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的修改亦可用其實(shí)現(xiàn)。普通結(jié)構(gòu)參數(shù)通常根據(jù)客戶的實(shí)際訂單需要來確定。

(2)參數(shù)的程序優(yōu)化求解。優(yōu)化計(jì)算時(shí),由于未知參數(shù)很多,部分設(shè)計(jì)參數(shù)采用逆運(yùn)算的方法,即將未知量按設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)假定為已知量,然后以微量增量的方式進(jìn)行迭代試算,直至算出符合要求的參數(shù)為止。例如,在計(jì)算五通下垂量及已知毛坯圓管直徑計(jì)算變截面管的相關(guān)參數(shù)時(shí)就采用了這種方法。以變形后截面是水滴型為例,如圖4所示,在假設(shè)變形后截面周長(zhǎng)和原截面周長(zhǎng)保持不變的條件下,其求解方程如下所示:

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圖4 圓形管變形為水滴管

其中抱歉!圖片加載失敗。（有限元培訓(xùn)學(xué)習(xí)，請(qǐng)到1CAE.com學(xué)習(xí)中心),D為毛坯管直徑,R1為水滴管大半圓半徑,R2為水滴管小半圓半徑,β為大半圓半徑與豎直中心線交角。將此方程的解看作是正切曲線和一條直線的交點(diǎn),循環(huán)給出β的一個(gè)初值,直至使等式兩邊滿足一定的條件為止。代入公式:

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即可求得水滴管的軸向高度B。此方法并未直接以水滴管的軸向高度B為未知參數(shù)求解,而采用了過渡未知參數(shù)β進(jìn)行方程求解。第二種方法是采用試算法,即一些參數(shù)必須給出,但是又不能確定,用另外一些已知的參數(shù)試算出這些參數(shù),但這個(gè)參數(shù)以后可能還是會(huì)修改的,并且要能和其相關(guān)的對(duì)象實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)。

(3)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。車架設(shè)計(jì)中,后叉片是一個(gè)關(guān)鍵部件,如圖5所示。

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圖5 后叉片及平、立叉裝配圖

由于本身設(shè)計(jì)較為復(fù)雜,為了使后叉片的設(shè)計(jì)不影響后面工序的設(shè)計(jì),將后叉片的造型設(shè)計(jì)與選用和定位設(shè)計(jì)分開進(jìn)行,舉例采用了自頂向下設(shè)計(jì)、自動(dòng)裝配和關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)相結(jié)合的方法。首先將設(shè)計(jì)好的后叉片放入指定目錄下,并采用數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行分類數(shù)據(jù)管理。然后將后叉片與主模版的對(duì)應(yīng)裝配關(guān)系抽取為一個(gè)矢量平面和兩個(gè)矢量軸,這樣在進(jìn)行車架設(shè)計(jì)時(shí)只需按要求選用適合的后叉片即可裝配到位,而位置的調(diào)整也可通過界面調(diào)整參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。最后的關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)主要采用了Smart point(智能點(diǎn))和UDO(用戶自定義)兩項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。智能點(diǎn)用來連接后叉片和平、立叉的關(guān)鍵接觸點(diǎn),能夠在后叉片位置改變或所選用后叉片改變時(shí),實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)對(duì)象的自動(dòng)變化,并能夠在一些參數(shù)不滿足基本要求時(shí)自動(dòng)給出提示。

3.快速建模造型設(shè)計(jì)

造型設(shè)計(jì)主要指管件的造型設(shè)計(jì)。其具體實(shí)現(xiàn)方式如下。

(1)在管件導(dǎo)引線(中心線)的不同位置按要求給出截面的輪廓形狀(截面形狀導(dǎo)引線)。車架截面形狀有圓形、橢圓形、水滴型(又分正水滴、反水滴)、方形、菱形和8字形等,可以先基于KF規(guī)則創(chuàng)建幾何建模特征和知識(shí)表達(dá)式的特性,然后采用UDF(User Defined Feature)用戶定義特征建立裝配件,即將截面形狀畫好作為一個(gè)裝配件,做截面時(shí)只需將相應(yīng)的截面調(diào)出即可,截面的形狀參數(shù)則通過讀取相應(yīng)的知識(shí)表達(dá)式達(dá)到快速修改的目的。

(2)通過掃描將管件外形做出。掃描中心法矢的運(yùn)動(dòng)軌跡是管截面形狀引導(dǎo)線,此引導(dǎo)線不做成整個(gè)的封閉曲線,而是將各位置上的引導(dǎo)線分割為同段數(shù)的曲線且使對(duì)應(yīng)曲線的切線方向一致,否則掃描出的管件容易扭曲。此時(shí)做出的是一薄壁管。

(3)加厚形成管件的厚度。

(4)連接管件間相交部分的剪切。當(dāng)用戶拖動(dòng)管件導(dǎo)引線時(shí),管件能夠關(guān)聯(lián)變化。

采用此實(shí)現(xiàn)方法充分體現(xiàn)了對(duì)知識(shí)和規(guī)則的重用性。對(duì)象間的關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)用UDO的方法,將管件的一些列數(shù)據(jù)記錄到UDO中,實(shí)現(xiàn)完成了管件的自動(dòng)剪切、自動(dòng)標(biāo)注、尺寸檢查、BOM表的自動(dòng)生成和模具查詢等關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)。圖6所示是用開發(fā)的車架CAD模塊設(shè)計(jì)出的減震自行車車架圖。

利用知識(shí)工程進(jìn)行自行車車架設(shè)計(jì)+項(xiàng)目圖片圖片9

圖6 減震自行車車架圖

四、結(jié)束語(yǔ)

運(yùn)用知識(shí)工程,使自行車車架設(shè)計(jì)工作從原來需兩天時(shí)間,縮短到目前的兩個(gè)小時(shí),大大縮短了車架設(shè)計(jì)的開發(fā)時(shí)間,方便了設(shè)計(jì)方案的交互設(shè)計(jì)、修改和驗(yàn)證,更有利于二次利用時(shí)縮短設(shè)計(jì)再修改的時(shí)間,使企業(yè)在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中贏得主動(dòng)。本例的成功同時(shí)也表明了知識(shí)工程在中小型企業(yè)內(nèi)應(yīng)用已成為可能,知識(shí)工程將使企業(yè)具有更大的競(jìng)爭(zhēng)力。此外,知識(shí)工程還允許用戶保存那些在實(shí)際應(yīng)用中有用的工程知識(shí),當(dāng)需要時(shí)能很快找出并重復(fù)利用。

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