基于UG/NX的格栅除污机快速设计系统

　　1 前言

　　格栅除污机是污水处理中常用的环保设备。由于不同用户所处的地理环境不同，甚至同一用户所使用的多台格栅除污机安装位置的地理环境的差异，格栅除污机的设计形式为在结构大致相同的条件下非标专机的设计，即用按系列化、标准化设计的通用部件和按工件和形状及加工工艺要求设计的专用部件进行专用设计，属于一次性设计、一次性制造的单件生产的产品。随着市场经济的发展，企业之间的竞争也日趋激烈，企业的快速成反应能力，即更短的开发制造周期，更快的速度向用户提供产品，已成为企业竞争能力的重要组成部分[1]。基于UG/NX的格栅除污机快速设计系统，可实现快速的变形设计、灵敏的自动设计，使格栅除污机设计有可靠的质量保证，能最大限度地满足市场和用户的需要。本文在UGⅢ软件平台上，利用UGⅢ提供的二次开发工具UG/Open API及Microsoft Visual C++ 6.0建立了格栅除污机设计的知识库，将产品设计知识融合于产品的设计过程中，为产品设计质量提供了可靠的技术保障，缩短了产品设计周期，有效地提高了企业的市场快速反应能力与竞争能力。

　　2 系统的框架结构与工作流程

　　针对格栅除污机的设计特点，基于UG/NX的格栅除污机快速设计系统的结构和工作流程如图1所示。

　　从图中可以看出，本系统进行的格栅除污机设计，以知识库、数据库为基础，运用获取的知识进行快速设计，这种知识融合于产品模板中，包括成熟的格栅除污机产品、格栅除污机设计标准、相关的工程数据、专家经验、科研结论等各种形式的知识。在进行产品设计时，系统中嵌入了设计推理和设计过程引导机制，设计者只需根据设计过程的引导通过人机界面按定单输入用户对产品的要求后，例如渠宽、渠深等主要工程参数、进行简单的操作，推理机就运用这些事实与知识库中的每个规则的前提部分依次进行匹配，将该规则的结论部分作为新的事实加入到产品设计过程中。整个设计自顶向下，从产品配置推理、总体设计、部件设计到零件设计逐层深入，并驱动数据库进行相应更新，直到完成产品所有零部件设计，最后以产品的装配形式提供给设计者进行设计质量审核，如果审核成功，则可以自动生成工程图、BOM表及其它。如果设计人员需要针对本次设计进行零部件的局部修改，则可以人工修改对应部件的相关参数重新更新模型;如果设计者希望这种修改能被以后的设计所使用，则可以通过知识管理器对知识库中的知识进行添加或修改，知识管理器自动将这种修改保存到知识库中，同时驱动数据库更新模型，并保证下次自动智能设计时自动选用这种修改。

　　3 关键技术研究

　　3.1 设计知识的挖掘

　　根据格栅除污机的特点和设计要求，在充分了解用户需求的基础上，对所获取的知识进行抽象、归纳、整理，并按其来源和在产品设计中的作用不同分为公理知识、设计原理性知识、推理判断性知识、产品结构知识以及设计流程知识。

　　(1) 公理知识

　　公理知识包括来自设计标准、手册、规范及国内外成熟产品的范例等与格栅除污机相关的知识。如：客户对格栅除污机的性能要求、格栅除污机的型谱数据、格栅除污机设计的国内外标准等。它反映了格栅除污机的性能指标、系列规格和国家标准等。

　　(2) 设计原理性知识

　　格栅除污机设计具有层次性的特点，格栅除污机及各部件的很多设计问题已归纳出具体的数学模型。如格栅除污机驱动功率的确定、齿耙在水下时牵引力的计算等。这类知识是格栅除污机设计中较为精确也较为重要的一部分知识，运用数学工具和设计基本理论我们能较好地把握这部分知识。

　　(3) 推理判断性知识

　　推理判断性知识是解决格栅除污机设计过程中特定问题的经验知识，是专家长期从事格栅除污机设计工作的知识和经验的总结。如根据渠深、安装角度、水深等相关参数，确定中间导轨架的数量和各个长度，并核算格栅部件托渣板的长度，确定格栅部件中的托渣板的长度符合要求等。

　　(4)产品结构知识

　　产品结构知识主要反映产品中零件的几何结构、尺寸，以及零件之间的空间约束关系，装配关系、几何对应关系。如横梁的槽钢数量根据水深以及槽钢间的平均间距的变化而自动增加或减少。

　　(5)设计过程知识

　　设计流程知识反映了格栅除污机设计的特点和要求、控制着整个设计进程的进行。主要包括：产品的设计流程、评价原则等。如格栅除污机的设计步骤。

　　3.2 设计知识的表示和存贮

　　由于知识的类型、作用范围或形式不同，其在系统中的表示和存贮方式也不一样。

　　对于公理知识中影响产品配置的主要技术性能的各类知识，将其以表达式的形式存贮在部件文件中。例如控制格栅除污机配置的主参数渠深以表达式B的形式存放、水深以表达式H的形式存放。

　　对于公理知识中影响系统与EPR/PDM集成的知识，将其以特征的形式存贮在产品的主模型中。例如零件的材料、规格等信息以材料特征和管理特征的形式存贮。

　　对于公理知识中反映国家、行业标准等类型的知识，将其以记录的形式存贮在数据库中，例如零件材料、规格与国标号的对应关系。

　　产品结构知识中反映模型几何特征的知识，以几何形体元素的形式存贮在原型模型中。例如与格栅除污机侧板、导轨形状相关的知识以草图的形式存贮。原型模型中不光包含零部件自身结构特征的信息，还包含处于抑制状态的反映与其它零部件之间几何关系的链接几何体。对于反映产品中零部件的装配关系、几何关系的产品结构知识，本系统采用了关系型数据库的方式贮存。例如，产品结构知识中反映装配关系、几何关系、参数关系的知识都保存在关系型数据库中。

　　3.3 推理机的建立

　　推理机是系统实现自动设计的核心，本系统采用正向推理。在通过人机界面按定单输入用户对产品的要求后，例如，渠宽、渠深等，推理机将应用这些事实与知识库中的每个规则的前提部分依次进行匹配，如果匹配成功，则将该规则的结论部分作为新的事实加入事实产品设计过程中。由于产品设计是自顶向下进行，这些结论将随着产品设计的层层深入，又产生新的事实，直至最后完成产品的各零件设计。

　　对于以表达式方式存贮的知识，通过建立IF-ELSE规则，进行自顶向下的逐层推理，更改模型中的参数值，从而自动驱动产品模型的更新。对于以几何形体元素存贮的知识，通过建立部件间几何链接关系，进行自顶向下的逐层推理，更改不同部件的模型形状，从而自动驱动产品模型的更新。

　　3.4 变结构自动设计

　　格栅除污机作为典型的系列化异构产品，随着用户要求的变化，其结构形式也会有较大的变化。例如：当水渠宽度大于等于2米后，为了保证其强度，其撇渣部件的结构将作较大的改变，同时侧板的宽度也要作相应的增加，起着支撑作用的槽钢的型号也作相应的变化。为此作者采用了尺寸驱动技术、约束驱动技术、几何对象驱动技术和数据抑制技术，很好地解决了格栅除污机的变结构设计问题。

　　(1)尺寸驱动技术

　　尺寸驱动技术主要用来建立产品中零部件间的尺寸关联。表达式是参数化建模的一个重要组成部分，通过它可定义和控制模型中的尺寸。表达式可用于控制同一零件中不同特征之间的关系和不同零件的特征间关系，通过这种方法可以建立零件内和零部件间的尺寸关联。

　　(2)约束驱动技术

　　约束驱动技术主要用于定义标准件、通用件或通用部件在产品中的位置关系。例如格栅部件中的电液推杆与底座间之间的位置关系可以通过两个对齐约束和一个对心约束来控制，如图2所示。约束类型包括：配合、对齐、角度、平行、垂直、相切、对心、距离等。

　　(3)几何对象驱动技术

　　几何对象驱动技术就是将几何对象联接到其它零部件，使父部件与装配中的其它组件中的几何对象相关联。当改变父部件中定义的几何对象时，则抽取该几何对象的所有部件中的对应几何对象会自动更新，从而实现部件间几何形状的自上而下的控制。例如从格栅部件联接来的定距板外形轮廓，如图3所示。

　　(4)数据抑制技术

　　数据抑制技术就是通过在模型中添加控制组件或特征抑制的表达式，来控制部件和零件以何种方式存在于模型之中，包括组件抑制技术和特征抑制技术。组件抑制技术主要解决部件级结构变化问题;特征抑制技术主要解决零件级结构变化问题。

　　3.5 原型库的建立

　　本系统采用“原型=原型模型+原型数据”的描述方法，将格栅除污机进行分类，把某一类原型抽象为一种相对稳定的模型框架，而这一类原型中的任一具体原型则表现为一组数据，即把设计实例中的任一具体实例的数据从图形中抽取出来，采用系统建模技术或自动装配再使两者结合起来。在这过程中具体实例表现为数据库中的一条记录，这样，原型实例的查询、检索转化为对原型匹配和对数据库的管理，简化了实例推理的难度。

　　在建立原型模型过程中，反映零件内部几何结构和参数关系的产品结构知识可以通过参数化建模技术来实现。例如国标件中的螺母，可通过参数化建模技术建立只与公称直径相关的三维参数化原型模型。而反映零件间几何关系、参数关系的产品结构知识简单地通过参数化建模技术则无法实现。反映零件间的几何关系和参数关系的产品结构知识必须采用系统建模技术来建立原型模型。

　　3.6 原型模型自动更新

　　本系统采用了装配克隆技术将原型模型克隆，并将克隆生成的三维模型加载到产品模型中。克隆生成的三维模型继承了原型模型的全部信息，使加载到产品模型的三维模型包含有反映设计意图和零件间几何关系的产品结构知识。

　　通过克隆并加载到产品模型中的三维模型虽然包含有反映零件间几何关系的产品结构知识，但反映这些产品结构知识的几何体处于中断状态。本系统通过恢复关联特征的方式使处于中断状态的链接几何体重新链接，即恢复子模型与父模型之间的几何关系，实现产品控制结构对新加载的三维模型的几何控制。由于产品控制结构是根据用户输入的工程参数的要求定制，故新加载的模型将根据用户输入工程参数自动更新。

　　3.7 原型模型自动装配

　　原型模型自动更新使新加入到产品模型中的三维模型的几何关系、参数关系符合用户的工程要求，但新加的三维模型的装配关系还须根据装配知识库中的知识实现自动装配。在原型模型自动装配中主要解决的问题为：同样零件不同的装配关系的实现，如在格栅除污机中有大量相同的标准件，但这些标准件的装配位置并不相同;父、子模型间装配关系的实现;装配模型之间的装配关系的实现。

　　本系统在装配知识库中添加了组件名信息，模型对应的文件名反映加载的模型是否唯一，模型对应的组件名则表示加载后模型在装配中的名称，采用文件名+组件名的方式区分同名零件的装配问题。父子模型之间的装配关系，在建立原型模型时，将父、子模型的装配关系通过链接几何体表示，使父、子模型的装配关系在原型模型恢复链接特征信息时自动更新。装配模型之间的装配关系，通过特征提升的方式，将反映模型装配关系的几何体提升到装配模型中，再运用装配模型中的提升特征实现自动装配。

　　3.8用户界面设计

　　用户界面主要是提供设计人员输入设计参数以完成设计的接口，UGⅢ提供了可视化的对话框编成环境，用户可以根据产品设计要求方便地定制设计界面，大大缩短了产品设计系统的开发周期。图4和图5分别为快速设计系统的设计界面及格栅除污机的三维数字化模型。

　　4 结论

　　本文在UGⅢ软件平台上，将知识工程的实用技术与产品整体参数化设计技术有机地结合起来，开发了工程化、实用化、知识化的基于UG/NX的格栅除污机数字化快速设计系统。本系统通过对格栅除污机的用户需求分析、提取格栅除污机设计及变型设计的有关知识并将其存储在知识库中，建立融合系统建模技术的原型库，建立了基于原型推理为主的多层推理机制，能对格栅除污机设计的全过程提供快速支持。使用户通过智能导引，输入少量工程参数，进行适当人机交互来驱动设计过程，自动生成满足客户个性化需求的格栅除污机数字化样机。下一阶段将进一步研究系统知识库和推理机的开发规律与技术，将CAE技术集成于系统之中，使产品设计水平从经验设计上升到优化设计的层次。

　　参考文献：

　　[1] 荆冰彬，张景民.市场需要及其对产品设计的影响[J].机械设计与研究，1998(1)：15-17

　　[2] 王平，周益民，刘德仿.基于知识的格栅除污机快速设计系统[J].机械制造与自动化，2002，(6):76-78

　　[3] 吴卫东，刘德仿.基于模型推理的产品快速设计系统研究与开发[J].北京工业大学学报，2003，(2):155-158

　　[4] 周益民，王平，刘德仿.KBE技术在格栅除污机设计中的应用[J]，机械与电子.2003，(2)：38-40