熊丹丹，楊海成，萬 能

（西北工業(yè)大學(xué) 現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室，西安 710072）

0 引言

KBE以知識驅(qū)動工程設(shè)計為基本思想，將人工智能(包括知識庫、知識規(guī)則、邏輯推理等)與CAX設(shè)計系統(tǒng)有機地結(jié)合起來，使其應(yīng)用對象從幾何造型、分析以及制造等延伸擴展到工程設(shè)計領(lǐng)域。目前基于KBE的設(shè)計可以在三維環(huán)境下完成，但通常其設(shè)計結(jié)果不能直接利用全數(shù)字化產(chǎn)品模型，需要手工維護大量3D到2D轉(zhuǎn)換等不增值環(huán)節(jié)。目前很多新項目（如Boeing 787、MRJ和C919等）都采用基于模型定義（Model Based Definition,MBD）技術(shù)。以全三維的MBD模型為數(shù)據(jù)源，傳遞給下游的工藝、質(zhì)量等，是克服二維工藝規(guī)劃結(jié)果與上游的全三維數(shù)字化設(shè)計和下游的先進制造工藝及裝備不相適應(yīng)的現(xiàn)狀的有力工具[1]。

日本豐田汽車在2004年開始研發(fā)數(shù)字化環(huán)境支持下的發(fā)動機組件無圖紙制造項目[2]。Verisurf軟件公司的Metrology Software就是基于MBD的制造過程檢驗軟件[3]。波音公司的787項目構(gòu)建的GCE（全球協(xié)同環(huán)境）平臺全面應(yīng)用了MBD技術(shù)，其顯著的特點是三維數(shù)據(jù)集中定義了所有的產(chǎn)品信息，完全取代了二維工程圖紙的作用，使得 MBD 技術(shù)體系無論從產(chǎn)品定義到數(shù)據(jù)組織管理控制上都有質(zhì)的飛躍。

雖然MBD具備數(shù)據(jù)集成和共享的天然特性，但在應(yīng)用過程中還存在一些亟待解決的問題。目前MBD研究面臨問題有[4]：

1）MBD數(shù)據(jù)容量問題。 基于MBD的制造過程輸出和管理非常多的零件模型和裝配模型數(shù)據(jù)。

2）數(shù)據(jù)格式。MBD模型文件涉及設(shè)計制造的諸多環(huán)節(jié)，CAD平臺支持有限。

3）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。從設(shè)計到客戶的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換要求IT建設(shè)和相應(yīng)工具。

4）數(shù)據(jù)展示。MBD數(shù)據(jù)廣泛應(yīng)用的技術(shù)之一是其表現(xiàn)方式的設(shè)計。

航天產(chǎn)品由于批量小，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)變化跟隨型號變更快，所以實現(xiàn)設(shè)計制造過程數(shù)據(jù)的快速準(zhǔn)確傳遞就顯得特別重要。

如果基于KBE的設(shè)計和基于模型定義兩者能相互結(jié)合，基于KBE的設(shè)計就有了數(shù)據(jù)源，其知識驅(qū)動過程對數(shù)據(jù)信息的需求就有了保證。整個設(shè)計結(jié)果借助基于模型定義有了更好的呈現(xiàn)方式和向下游流轉(zhuǎn)的載體。目前，現(xiàn)有CAD平臺普遍支持在三維幾何模型上添加尺寸、公差和標(biāo)注等信息[5,6]，使得基于模型定義技術(shù)借助KBE平臺在三維環(huán)境下易于呈現(xiàn)、表示和應(yīng)用。

1 關(guān)鍵技術(shù)

MBD技術(shù)體系是以MBD數(shù)據(jù)集為核心的應(yīng)用體系，借助標(biāo)準(zhǔn)管理系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)工藝管理系統(tǒng)、CAD系統(tǒng)、工藝設(shè)計和分析以及產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等系統(tǒng)，通過MBD數(shù)據(jù)集集成產(chǎn)品的設(shè)計制造信息，并建立了一套基于MBD數(shù)據(jù)集的工藝設(shè)計分析方法和數(shù)據(jù)管理辦法，使工程制造能夠在脫離圖紙的環(huán)境下，按照設(shè)計系統(tǒng)給出的內(nèi)容組織框架實現(xiàn)對產(chǎn)品生產(chǎn)和檢驗的監(jiān)督控制。結(jié)合MBD技術(shù)體系的構(gòu)架，基于MBD技術(shù)的產(chǎn)品設(shè)計平臺在已有KBE產(chǎn)品設(shè)計平臺基礎(chǔ)上，全三維數(shù)字化KBE產(chǎn)品設(shè)計制造過程研究涉及如下關(guān)鍵技術(shù)。

圖 1 全三維產(chǎn)品KBE設(shè)計平臺流程

1.1 MBD建模技術(shù)

建立適合產(chǎn)品設(shè)計制造過程的MBD模型。KBE知識驅(qū)動的產(chǎn)品設(shè)計過程，強調(diào)對設(shè)計經(jīng)驗和設(shè)計過程的知識積累和推理，然后將推理結(jié)果顯示或輸出為三維模型表示和二維工藝表達。缺少與設(shè)計初始模型的交互和融合。此外，用于設(shè)計的元模型都已為各類KBE設(shè)計平臺以標(biāo)準(zhǔn)件庫、智能組件庫等形式參與設(shè)計過程。面對復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計過程，必須在組件層次的基礎(chǔ)上擴展元模型，建立符合產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計的MBD模型，實現(xiàn)產(chǎn)品信息與知識模型之間的信息轉(zhuǎn)換。

1.2 支持MBD模型的產(chǎn)品設(shè)計平臺

MBD模型作為設(shè)計和制造的唯一一致數(shù)據(jù)源，在產(chǎn)品設(shè)計平臺中具有核心的基礎(chǔ)地位。同理，支持MBD模型的KBE產(chǎn)品設(shè)計平臺是平臺智能演化的基礎(chǔ)。產(chǎn)品設(shè)計平臺不僅兼容MBD模型，而且，需要具備不同應(yīng)用階段層次輕量級模型的MBD數(shù)據(jù)集量級轉(zhuǎn)化技術(shù)，以為設(shè)計過程和設(shè)計結(jié)果提供數(shù)據(jù)傳輸機制和可視化處理機制。

該平臺還需要支持MBD數(shù)據(jù)同步。產(chǎn)品設(shè)計的不同階段對應(yīng)不同的MBD模型，設(shè)計平臺通過三維模型變更反映設(shè)計意圖，這種三維模型從設(shè)計源的變化或引起相應(yīng)工藝過程和工裝的連鎖反應(yīng)。建立設(shè)計MBD模型、工裝MBD模型和檢驗MBD模型的同步聯(lián)動機制，是實時精確的產(chǎn)品設(shè)計平臺的首要任務(wù)。

1.3 支持MBD技術(shù)的KBE驅(qū)動技術(shù)

MBD技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計過程的應(yīng)用，改變了產(chǎn)品設(shè)計平臺依靠外部數(shù)據(jù)被對推理的過程，使得平臺可以捕捉產(chǎn)品設(shè)計不同階段的數(shù)據(jù)信息，自驅(qū)動的參與產(chǎn)品設(shè)計過程?，F(xiàn)有KBE知識推理過程是將知識單元掛接在具體構(gòu)件層次，以構(gòu)件的選擇、計算、推理完成基于知識的設(shè)計和推理[11]。這需要改變知識單元與應(yīng)用模型的高耦合特性，將知識推理過程面向產(chǎn)品的智能設(shè)計，從產(chǎn)品設(shè)計制造的角度實現(xiàn)知識庫應(yīng)用。

基于KBE設(shè)計和MBD技術(shù)相結(jié)合的思想，全三維數(shù)字化產(chǎn)品KBE設(shè)計制造過程平臺，將MBD技術(shù)與知識驅(qū)動技術(shù)相結(jié)合，按照CAD行業(yè)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，在Intranet/Internet環(huán)境下實現(xiàn)MBD技術(shù)下的知識驅(qū)動工程應(yīng)用方法，建立產(chǎn)品/工裝設(shè)計與制造使用過程的知識驅(qū)動的MBD模型演化過程，作為產(chǎn)品工裝設(shè)計過程和結(jié)果的輸出模型，充分實現(xiàn)了知識數(shù)字化應(yīng)用與企業(yè)業(yè)務(wù)和工程實際的融合，改變了傳統(tǒng)知識服務(wù)平臺“知識推理與工程化應(yīng)用相對脫離”的局面。

2 全三維數(shù)字化KBE產(chǎn)品設(shè)計制造研究

2.1 全三維KBE設(shè)計平臺框架

全三維數(shù)字化產(chǎn)品KBE設(shè)計平臺，將MBD技術(shù)與知識驅(qū)動技術(shù)相結(jié)合，按照CAD行業(yè)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，在Intranet/Internet環(huán)境下實現(xiàn)MBD技術(shù)下的知識驅(qū)動的產(chǎn)品設(shè)計工程應(yīng)用方法，通過建立基于MBD的三維數(shù)字化產(chǎn)品信息模型，以MBD數(shù)據(jù)集和MBD模型間交互為核心處理流程，以產(chǎn)品設(shè)計使用過程的知識建模、集成和重用過程為手段，實現(xiàn)在三維數(shù)字化產(chǎn)品定義基礎(chǔ)上的三維數(shù)字化工藝設(shè)計和數(shù)據(jù)應(yīng)用。

系統(tǒng)以產(chǎn)品MBD模型（即計算模型，MBD模型通過MBD數(shù)據(jù)處理器完成計算過程）和知識庫交互并參與知識重用過程。以MBD模型實現(xiàn)知識驅(qū)動的設(shè)計單元與應(yīng)用對象對接，基于知識驅(qū)動的知識推理機制建立面向產(chǎn)品制造過程的知識層次結(jié)構(gòu)知識推理，在對設(shè)計知識的推理過程不斷反饋基礎(chǔ)上，實現(xiàn)知識推理結(jié)果轉(zhuǎn)化到產(chǎn)品MBD模型上，實現(xiàn)設(shè)計知識的閉環(huán)管理以及知識推理和產(chǎn)品信息的無縫對接。

MBD方法下的工藝設(shè)計軟件與傳統(tǒng)突出工藝過程的工藝設(shè)計軟件相比，集成化、智能化的特點更加突出。在KBE產(chǎn)品設(shè)計平臺基礎(chǔ)上，結(jié)合航天企業(yè)數(shù)字化應(yīng)用現(xiàn)狀，設(shè)計如圖2所示的全三維數(shù)字化KBE設(shè)計軟件總體框架。

圖2 全三維數(shù)字化KBE設(shè)計軟件總體框架

2.2 MBD建模過程

從CAD系統(tǒng)支撐技術(shù)的角度來看，特征造型技術(shù)與參數(shù)化、變量化技術(shù)有機結(jié)合，是目前CAD系統(tǒng)建模普遍采用的技術(shù)。產(chǎn)品信息模型除了包含實體造型中已有的幾何和拓撲信息，還應(yīng)含有設(shè)計人員的設(shè)計經(jīng)驗、設(shè)計意圖、技術(shù)要求等其它相關(guān)信息。傳統(tǒng)的特征只能表述零件的局部信息，無法使產(chǎn)品的功能設(shè)計、工程領(lǐng)域知識等信息與幾何模型關(guān)聯(lián)起來。將傳統(tǒng)的特征概念進行擴展，從語義層面上使產(chǎn)品信息模型成為產(chǎn)品信息工程智能化服務(wù)的功能性對象?；跀U展特征的MBD建模過程如圖3所示。

圖3 基于擴展特征的MBD建模過程

2.3 MBD方法下的知識驅(qū)動技術(shù)

以MBD模型為基礎(chǔ)的知識驅(qū)動技術(shù)主要包括知識驅(qū)動過程初始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備，知識驅(qū)動單元的設(shè)計，知識驅(qū)動結(jié)果的存儲和反饋等。依據(jù)上述研究要點，設(shè)計如圖4所示的MBD模型下的知識驅(qū)動流程框架。

圖4 知識驅(qū)動流程

2.4 MBD方法下的產(chǎn)品設(shè)計模式

基于MBD的產(chǎn)品設(shè)計模式如圖5所示。在這種產(chǎn)品設(shè)計模式中，通過CAD系統(tǒng)及相關(guān)標(biāo)注工具完成產(chǎn)品設(shè)計對象的MBD數(shù)據(jù)集設(shè)計，并納入PDM系統(tǒng)進行管理。產(chǎn)品設(shè)計平臺以該MBD模型為設(shè)計對象，綜合知識工程等通過CAE/CAM實現(xiàn)產(chǎn)品分析和設(shè)計全過程，并將設(shè)計結(jié)果通過相關(guān)模型轉(zhuǎn)換器也存儲到MBD對象中?；贛BD的產(chǎn)品數(shù)據(jù)和工藝、制造數(shù)據(jù)最終傳遞到生產(chǎn)和檢驗的現(xiàn)場終端。

MBD模型不是單純的三維模型，具有強大的表現(xiàn)力，在MBD工藝設(shè)計模式的應(yīng)用環(huán)境中，產(chǎn)品設(shè)計人員以三維模型為核心集成完整的產(chǎn)品數(shù)字化定義信息， MBD模型包含三維實體模型、標(biāo)注（包括產(chǎn)品尺寸、工差、工藝處理等）、工程注釋等信息。工藝設(shè)計等后續(xù)環(huán)節(jié)添加制造、檢驗等部門的信息，構(gòu)成更完整的MBD數(shù)據(jù)集，并且數(shù)字化的產(chǎn)品信息表達提高了數(shù)據(jù)表達和傳遞的準(zhǔn)確性。在工藝設(shè)計中這種模式要求設(shè)計過程兼容MBD數(shù)據(jù)模型，即對產(chǎn)品信息的獲取來自MBD模型，建立的工藝設(shè)計信息也能添加到MBD數(shù)據(jù)集中。此外，結(jié)合工藝信息的復(fù)雜性特點，需要建立可視化MBD數(shù)據(jù)集的工具。

3 結(jié)論

MBD技術(shù)給KBE推理的設(shè)計制造過程提供了唯一性和一致性的數(shù)據(jù)，提高設(shè)計推理過程的效率、保證設(shè)計質(zhì)量。全三維數(shù)字化的KBE設(shè)計制造集成模式使得設(shè)計制造過程在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)表現(xiàn)層實現(xiàn)智能化的應(yīng)用，是未來設(shè)計技術(shù)的發(fā)展方向，必將對航天制造業(yè)有著深遠的影響。

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