智能CAD技术在农业机械设计中的应用

     分析产品概念设计和变型设计技术，探讨目前智能CAD技术中概念设计和变型设计理论和方法特点以及存在的问题。根据农业机械功能模块比较稳定、结构复杂程度较低、有利于实现智能CAD技术的特点，以播种机设计为例，提出了基于参数设计和装配模型的智能设计系统框架。为解决农业机械ICAD技术中的问题提供了一种有效途径。
随着工业技术的发展和激烈的市场竞争，产品更新换代越来越快，产品的设计周期越来越短，现代CAD技术也在沿着信息集成——过程集成——企业集成的道路发展。传统的CAD技术以计算为基础，处理符号推理（方案设计、评价、决策、结构设计等）工作很困难，在农业机械设计工作中符号推理有着举足轻重的地位，因此必须引入人工智能方法，采用专家系统技术，发展智能CAD（Intelligent CAD, ICAD）技术，以适应创造性设计的要求。ICAD是一种由多个智能体（或称专家系统）与多种CAD功能模块有机集成的支持产品设计的复杂系统。
    ICAD技术主要研究3方面问题：设计知识的表示与建模方法、知识利用和ICAD体系结构。方案设计（或称概念设计）与支持变型设计的装配建模是ICAD技术中的两个重要环节。
    在农业机械设计中引入ICAD技术，可以解决农业机械企业中重复性设计多、信息资源利用率低的难题，缩短产品开发周期，具有巨大的经济效益和应用前景。下面先分析目前支持概念设计与变型设计的CAD理论、方法和存在问题：
    1 产品概念设计及关键技术
    概念设计是从产品开发需求到功能原理解的映射过程。为完成从需求到概念产品解的设计过程，产品概念设计要通过：需求分析RA——需求形式化RF——辨别、抽象问题IP——过程分解PD——功能分解FD——子功能分解SFD——功能元分解FED——原理解答搜索SS——原理解答组合SC——方案评价等PE一系列推理步骤，得到概念产品方案CP。
    概念设计阶段有这样几个特点：①以产品功能信息为主要处理对象，功能表示、维护和推理是概念设计阶段的核心问题；②产品的几何信息不完全，为表示不完全的几何信息，要对传统的几何造型方法进行改造，以便表示抽象几何信息；③对整个设计过程来说，设计对象随着设计过程不断细化，要求CAD系统支持渐进设计和Top-down设计方式；④功能信息和几何信息反映设计对象的不同侧面，CAD系统要解决这两种技术的兼容性和相互转化关系。
    计算机对概念设计阶段进行支持，主要包括以下几项关键技术：
    1.1产品信息建模和功能推理技术
    现有的CAD信息建模技术中，几何信息占有统治地位。随着信息建模技术的发展，这种现象在逐渐发生变化。在支持概念设计的建模技术中，功能信息应代替几何信息占主导地位。因为几何信息的构筑对象是零件，信息只能隶属于零件，而功能往往表示两个以上零件相互作用的结果。为了与后续设计过程相兼容，几何信息在概念设计阶段的产品信息建模中也必不可少。
    在概念设计阶段的集成产品信息模型综合了功能、几何和设计意图建模技术。其结构体系如图1
    为方便设计修改和变型设计，在概念设计阶段产品信息建模中还要考虑到设计意图建模。设计意图记录了设计人员的思维过程，包括功能到功能的分解、功能到结构的转化和结构约束求解过程，描述了满足设计需求的几何形状和技术参数是如何产生和确定的。Ejij用DPDL语言对设计意图建模，用［　］——［　］和［　］——｛　｝记录状态的转换。［　］表示功能，｛　｝表示结构。
    1.2 设计全过程的集成
    设计是一个渐进和反复的过程，对于支持设计全过程的CAD系统应具有以下特征：
    ①要支持Top-down设计方式，就必须以概念设计得到的草图为基础进行后续设计。在后续设计中，前一步设计方案将成为约束来推动后续设计的进行。
    ②设计意图在一定程度上反映了设计对象的整个历史过程，因此设计意图信息在设计过程中的继承使设计人员随时针对某个零件或结构调整其设计意图，从而方便修改和再设计。
    ③要支持Top-down设计方式，面向装配的建模技术是必需的，为支持从概念设计到详细设计的全过程，不同设计过程的几何建模技术应互相兼容。
    2 支持变型设计的CAD理论和方法
    变型设计是关于设计方法和过程的一种分类定义，是指提取已存在的设计和设计计划、作特定的修改以产生一个和原设计相似的新产品[3,4]。Pahl和Beitz最早将设计分为初次设计(original desugn)、适应设计(adaptive design)和变型设计(variant design)，并指出在实际的设计工作中大约70%属于适应性设计和变型设计。变型设计如此重要，要求CAD系统能够支持这种设计方法，但目前CAD系统对这种设计方法的支持程度还十分有限，因而有关变型设计的理论和方法成为CAD技术研究的一个重点。目前支持变型设计的理论和方法主要有：
    2.1 基于装配模型的变型设计理论
    目前的CAD系统建立产品几何模型是从零件建模开始的，这种方法难以表达产品的功能信息、装配信息和设计意图。装配建模旨在建立完整的描述产品装配信息的数据模型，不仅表达零件几何信息，还可以通过零件之间的装配关系反映产品的功能要求和设计者的设计意图。常用的描述零件之间装配关系的数据模型有两种：关系模型和层次模型。装配模型比较符合人们的自然设计过程，是一种良好的变型设计方法。近年来国内外对装配模型及建模方法进行了深入的研究，但目前还未形成完整的理论体系和实用的建模手段。
    2.2 模块化变型设计
    模块化设计是以功能分析为基础，通过功能相同而用途不同的各模块组合实现各种基型产品和变型产品。模块化设计可以使产品设计制造周期大大缩短，使产品具有更大的灵活性和适应性，使产品具有很强的市场竞争力。
    模块化设计是建立在模块的定义和组织管理基础上的，对特定的产品模块的划分、模块与模块之间的装配关系是预先确定的，不能随意改变，因而限定了其使用范围。
    2.3 基于特征的变型设计理论
    特征设计是面向产品设计和制造的全过程，以几何模型为基础并包括零件设计、生产过程所需的各种信息的一种产品模型方案。它允许设计者通过组合常见形体（如槽、筋、凸台、键槽等）来完成产品的设计，而不是抽象的点、线、面。系统提供用不同属性值实例化特征的能力，一般常用的形状特征由系统特征库提供，许多系统还可由用户自定义特征扩展特征库。
    特征技术的发展给产品变型设计提供了一种手段，用户通过对一系列特征的实例化和特征自动维护达到产品变型设计的目的。特征技术存在的问题：①用户设计使必须采用系统预定义的特征设计产品，使概念设计、技术设计完全受加工方法的限制；②特征设计用于变型设计时，一般和参数化相结合，但特征间的交互作用对特征的影响和设计过程特征有效性的维护，是这种方法的致命缺陷。
    2.4 基于参数设计和变量设计的变型设计
    参数设计一般是指设计对象的结构形状比较定型，可用一组参数来约定尺寸关系。生产中常用的系列化、标准化设计就是属于这种类型。变量设计是设计对象的修改需要更大的自由度，通过求解一组约束方程来确定产品的尺寸和形状。
    参数设计和变量设计适用于产品的初始设计和定型设计，使产品设计图纸可随某些结构尺寸的修改和环境变化而自动修改。在变量设计中需着重考虑的是约束满足问题（Constraint Satisfaction Problem, CPS），设计一个高效的约束求解器是变量设计的难点。目前国内外基于约束的变量设计方法的实现方案有[5]：数值约束求解跌代法、基于规则的几何推理法和基于构造过程的方法。