Dassault+Systemes　張俊

一、引言

產(chǎn)品設(shè)計(jì)是制造業(yè)的核心，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、功能、質(zhì)量、成本、交貨時(shí)間、產(chǎn)品可制造性、可維修性、報(bào)廢后的處理，以及人、機(jī)和環(huán)境關(guān)系等與產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段有密切關(guān)系。隨著產(chǎn)品結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，功能越來越趨向于集成化和復(fù)合化，新產(chǎn)品研發(fā)所需要的知識也是越來越多。

現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)是一個(gè)知識驅(qū)動的創(chuàng)造性過程，它包含了對知識的繼承、集成、創(chuàng)新和管理。

基于知識的工程（Knowledge Based Engineering-KBE）正是面向現(xiàn)代設(shè)計(jì)要求而產(chǎn)生、發(fā)展的新型智能設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)決策自動化的重要工具，已經(jīng)成為促進(jìn)工程設(shè)計(jì)智能化的重要途徑。

英國 Warwick制造組的 Chapman博士指出，在2010年，KBE對于企業(yè)的重要性，就同 CAD/CAE/CAM在20世紀(jì)90年代給全球工業(yè)界帶來的變革同樣重要。美國、德國的領(lǐng)先制造企業(yè)也將 KBE作為公司發(fā)展戰(zhàn)略中信息領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，并獲得可喜的收獲。

CAD （計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) ）技術(shù)極大地改變了人類的設(shè)計(jì)方式，由最原始的畫圖板設(shè)計(jì)，進(jìn)入二維數(shù)字化設(shè)計(jì)，再進(jìn)入三維數(shù)字樣機(jī)，設(shè)計(jì)師一次次地感受到它對設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率的極大提升。

但隨著企業(yè)信息化進(jìn)程的不斷深入，對設(shè)計(jì)軟件的要求也越來越高，不再滿足于利用三維軟件的按部就班的建模設(shè)計(jì)，更多地期待將行業(yè)或企業(yè)設(shè)計(jì)知識、專家經(jīng)驗(yàn)等融入到三維設(shè)計(jì)過程及模型中，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)自動化。

本文我們將討論 KBE技術(shù)在 SOLIDWORKS軟件中的應(yīng)用，以及如何將專家經(jīng)驗(yàn)集成到設(shè)計(jì)流程中，實(shí)現(xiàn)更快速、更準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)自動化。

二、KBE的概念

20世紀(jì) 90年代開始，以 CAD/CAE/CAM/PDM/AI技術(shù)集成作為典型特征的知識工程（Knowledge BasedEngineering，簡稱 KBE）技術(shù)開始在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。英國 Coventry大學(xué)的 KBE中心認(rèn)為 KBE系統(tǒng)是一種存儲并處理與產(chǎn)品模型有關(guān)的知識，并基于產(chǎn)品模型的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；美國 Washington大學(xué)認(rèn)為 KBE是一種設(shè)計(jì)方法學(xué)，將與下一代 CAD技術(shù)緊密結(jié)合。它使用啟發(fā)式的設(shè)計(jì)規(guī)則，將涵蓋構(gòu)件、裝配和系統(tǒng)的開發(fā)。

KBE的本質(zhì)就是知識的再利用，即工業(yè)產(chǎn)品在其生命周期的每個(gè)階段，是否能夠充分利用各種實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、專家知識及其他有關(guān)信息。

要想從設(shè)計(jì)、分析到制造的每個(gè)階段都有效地利用KBE系統(tǒng)，就要求 KBE系統(tǒng)具有柔性、開放性、可重用性并可用戶化。KBE系統(tǒng)是深層次內(nèi)嵌于 CAX（CAD/CAM/CAE/CAPP）和 AI（人工智能）系統(tǒng)中，而不是簡單地添加到一個(gè)已存在的系統(tǒng)中。因此，KBE系統(tǒng)應(yīng)具有下面幾個(gè)基本功能。

1.知識獲取

知識獲?。壕褪菑男袠I(yè)專家獲取領(lǐng)域知識并將其轉(zhuǎn)化為知識庫，主要通過以下 3種方式。

（1）從書本獲取知識，如國標(biāo)、設(shè)計(jì)規(guī)范、圖表等。

（2）與專家交流獲取知識。

（3）通過學(xué)習(xí)、積累或數(shù)據(jù)挖掘的方式獲得新知識。

2.知識表示

知識表示：主要研究用什么樣的方式將解決問題所需的知識存儲到計(jì)算機(jī)中，便于計(jì)算機(jī)處理。知識表示分為規(guī)則、邏輯和框架等。規(guī)則是指一種行為的描述，這種行為對應(yīng)于一定的輸入，可以引用各種形式的知識庫，并按照對應(yīng)的邏輯條件產(chǎn)生一定的結(jié)果，如特征造型、參數(shù)計(jì)算、指定種類的選擇，或是違反約束時(shí)產(chǎn)生警告等。

3.知識運(yùn)用

知識運(yùn)用：從事例庫中提取相似的案例進(jìn)行設(shè)計(jì)，即從已有的知識中推導(dǎo)出所需要的結(jié)論和知識。有基于規(guī)則，基于事例，基于模型和混合 /人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等 4種方式。

三、KBE的目的

KBE技術(shù)的最終目的就是利用 KBE技術(shù)，結(jié)合 CAD/CAM/CAE/CAPP等軟件，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)自動化。對產(chǎn)品系列豐富，提供按訂單設(shè)計(jì)生產(chǎn)型公司尤其重要。

（1）將重復(fù)的任務(wù)自動化。自動生成產(chǎn)品三維、二維設(shè)計(jì)圖紙，物料清單，成本估算和采購訂單等。

（2）提高準(zhǔn)確性。所有的文檔都是基于相同的主產(chǎn)品集自動產(chǎn)生，出錯(cuò)的可能性小。

（3）縮短交貨時(shí)間。通用設(shè)計(jì)和文檔創(chuàng)建時(shí)間縮短 50%～90%，極大地減少設(shè)計(jì)時(shí)間。

（4）降低成本。模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化程度不斷提高，設(shè)計(jì)、采購和制造等成本大大降低。

（5）提高產(chǎn)品質(zhì)量。主產(chǎn)品集經(jīng)過反復(fù)研究、驗(yàn)證，產(chǎn)品質(zhì)量高。

（6）提高競爭優(yōu)勢。更低的成本、更短的時(shí)間，以及更好的質(zhì)量，當(dāng)然就意味著更強(qiáng)的競爭優(yōu)勢。

四、KBE技術(shù)在 SOLIDWORKS中的應(yīng)用

SOLIDWORKS軟件是美國 SOLIDWORKS公司（法國達(dá)索析統(tǒng)子公司）開發(fā)的全球第一款基于 Windows操作系統(tǒng)的三維參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件，包含機(jī)械、曲面、模具、電氣、管道和仿真分析等眾多設(shè)計(jì)模塊。軟件接口豐富，第三方專業(yè)應(yīng)用程序遍地開花，覆蓋概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)驗(yàn)證、工程圖紙生成和數(shù)控加工等全產(chǎn)品開發(fā)周期。

基于 SOLIDWORKS軟件，有多款成熟的 KBE解決方案，如 DriveWorks、TactonWorks和 KBEWorks等。這些軟件都內(nèi)嵌于 SOLIDWORKS中，深度集成。下面我們將基于比薩烤箱的案例來說明 KBE技術(shù)對設(shè)計(jì)人員的重要性，以及在 SOLIDWORKS軟件中的應(yīng)用，這里我們采用的是 TactonWorks解決方案。

圖示是某比薩烤箱生產(chǎn)商生產(chǎn)的近萬款烤箱中的7款。客戶可以通過網(wǎng)站引導(dǎo)配置烤箱參數(shù)，比如烤箱個(gè)數(shù)、箱門形式、控制開關(guān)類型、桌腳樣式、放置比薩盤的平板橫置或豎置等。這些參數(shù)直接驅(qū)動服務(wù)器上的

SOLIDWORKS運(yùn)行，自動生成烤箱三維設(shè)計(jì)模型，二維生產(chǎn)加工圖、三維效果圖、物料清單和報(bào)價(jià)等，一切在幾分鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)。提交訂單后，數(shù)周之內(nèi)，一臺全世界獨(dú)一無二的烤箱就送到您面前。沒有 KBE技術(shù)，這一切都將不可能實(shí)現(xiàn)。

由于客戶并不懂設(shè)計(jì)，這就要求生產(chǎn)商將烤箱的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)知識集成到烤箱設(shè)計(jì)中，客戶在選配的時(shí)候，根據(jù)知識規(guī)則，自動推薦可以使用的配置。比如當(dāng)烤箱箱體長度大于 1，000毫米時(shí)，必須選擇帶分隔板的箱門；當(dāng)箱體重量達(dá)到 150千克時(shí)，支架的鋼材尺寸必須大于 50毫米等。

和絕大多數(shù) KBE解決方案相比，TactonWorks有一個(gè)明顯的優(yōu)勢，設(shè)計(jì)師不需要了解任何開發(fā)語言即可使用。設(shè)計(jì)師很方便地將設(shè)計(jì)規(guī)則和經(jīng)驗(yàn)知識添加到規(guī)則控制文件中。所有規(guī)則不存在先后順序，TactonWorks自動根據(jù)規(guī)則之間的關(guān)系來判斷執(zhí)行順序。利用這些規(guī)則來計(jì)算工程參數(shù)對產(chǎn)品幾何參數(shù)的影響，從而驅(qū)動幾何模型。

利用 TactonWorks實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)自動化的典型步驟和方式如下。

1.創(chuàng)建規(guī)則

在TactonWorks Studio工具中新建規(guī)則文件（.tcx）。將約束、規(guī)則和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)等添加到規(guī)則文件中。Studio工具是內(nèi)嵌入 SOLIDWORKS中的。通常由經(jīng)驗(yàn)資深的設(shè)計(jì)師來操作。

2.基于規(guī)則進(jìn)行設(shè)計(jì)自動化

根據(jù)參數(shù)的輸入方式不同，分為兩種以下方式。

（1）在TactonWorks Engineer工具中運(yùn)行規(guī)則，輸入相關(guān)參數(shù)，自動生成相關(guān)的三維模型、二維工程圖、產(chǎn)品物料清單和報(bào)價(jià)單等信息。Engineer工具是內(nèi)嵌入SOLIDWORKS中的。通常由內(nèi)部設(shè)計(jì)師和銷售人員使用。

（2）在 TactonWorks Online工具中運(yùn)行規(guī)則，控制方式類似。唯一不同的是，Online是通過瀏覽器，連接網(wǎng)絡(luò)在線操作，通常由銷售人員或終端客戶操作，客戶的計(jì)算機(jī)上無須安裝任何特定程序，所有輸入?yún)?shù)直接發(fā)送到TactonWorks Server服務(wù)器上，自動生成相關(guān)的三維模型、二維工程圖、產(chǎn)品效果圖、產(chǎn)品物料清單和報(bào)價(jià)單等信息。

五、結(jié)語

無縫集成于 SOLIDWORKS的 KBE解決方案與SOLIDWORKS深度集成，利用行業(yè)專家經(jīng)驗(yàn)，基于主產(chǎn)品自動生成定制化產(chǎn)品模型、工程圖、物料清單和報(bào)價(jià)等信息，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)自動化，并能與企業(yè)的 PDM/PLM系統(tǒng)無縫集成。極大地縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)間，提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高企業(yè)的綜合競爭力。