基于知识模板的工装设计知识重用方法研究

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工 业 技 术
工装设计在产品的研制过程中占据着重要的地位,其设计速度的快慢、质量的好坏直接影响到整个产品的交货期和质量。

但传统的工装设计模式已不能满足当今企业对市场快速响应和精益生产的需求[1]。

目前,国内外的众多学者将基于知识、基于神经网络、基于遗传算法以及基于实例推理等理论、方法广泛应用于工装的设计中,虽然可支持多重集成,在一定程度上提高了工装设计的效率,但仍存在不足之处,如描述复杂、存储量大以及工作量大等问题,不易于知识的查询和检索。

本文针对工装设计中存在的实际问题,提出了一种基于知识模板的工装设计知识重用方法,通过利用FB S模型构建设计知识模板可以提高工装设计的效率以及进行设计知识的重用,进而可大幅度减少设计人员的工作量,缩短产品研制周期。

1 与FBS有关的概念
Gero和Qian最早提出了功能—行为—结构(Function-Behavior-Structure,FBS)的设计过程模型。

对其进行了系统的研究,并用数学模型描述其结构,还研究了各映射空间之间的关系。

FBS模型得到了众多研究者的认可,广泛应用于各设计领域中,是许多设计学领域取得研究成果的基石。

本文是基于F B S 模型建立可重用工装产品设计知识模板,利用FBS模型中功能、
行为及结构之间的映射关系,使知识模板在工装产品设计过程中得到重用。

因此,有必要对FBS模型中功能、行为以及结构的基本概念作进一步了解。

功能(Function)是描述一个产品能否满足客户需求的特定能力,目的是将产品改变到客户满意的状态。

行为(Behavior)是根据产品的功能寻找能实现该功能的工作原理,是产品实现方案的基本运动原理。

结构(Structure)作为产品最终的表现形式,其不仅包括产品本身的外部结构,还应包括产品整个设计方案的结构,是产品各零部件之间关系的一种抽象[2]。

2 基于FBS模型的工装知识模板的构建
2.1面向对象的知识模板FB S 模型
用面向对象技术表达F B S 模型中的功能、行为和结构,可以清楚地表达模型各元素之间的相互依赖关系及实现关系。

FBS模型中功能和结构要通过行为才能联系起来,而结构又是功能和行为的载体。

FBS模型的设计路线并不是唯一的,即一个功能可以与多个行为相对应,同样,一个行为的获取也不止一种结构。

在设计方案求解时,首先满足功能需求,再由功能转化为行为,对功能和结构进行匹配时,在满足功能要求的多个物理结构中,利用约束条件选出最合理的结构解,其本质就是工装产品的
设计信息在不同层次之间的映射及转换。

工装产品的映射结构由F B S 模型映射得到,其设计过程并不是各零部件的简单堆积,各零部件之间还存在着各种设计信息及约束关系,需要找到一个合适的载体来表达,而知识模板则可作为这个载体,将这些设计信息进行集成,基于FBS模型实现变形工装产品的设计。

2.2基于F B S 模型的工装知识模板的形成
所谓知识模板就是产品的功能、行为、结构等信息的载体,是多角度描述系统设计目标的工具,是由相似对象的所有共同特征抽象而形成的,集成多种设计知识,供产品设计时进行知识的重用。

基于F B S 模型的工装知识模板的形成主要包括四个阶段,如工装产品的功能分解、行为描述、由功能到结构的映射以及约束规则描述等。

在对工装产品的功能进行分解时,首先要寻找能实现总功能的结构,在没有相对应的结构时,则要将总功能分解为若干子功能,直至所有的子功能都能满足相应的结构为止。

事实上,总功能表达的都是一个总体的设计目标,一般都由组件级结构组合到一起来实现,只有将总功能进行分解,才有与其相对应的原理解。

对功能进行分解时,要先将功能分解转化为行为描述的分解,根据工装产品的功能寻找能实现该功能的工作原理,最终再映射到相应的结构。

工装知识模板的形成过程中还包括各种设计知识的提取,既有静态知识,也有动
态知识。

静态知识主要是指对设计目标的属性、性能指标等的描述,而动态知识则是一些约束规则的集合。

3 基于知识模板的有轨架车快速设计
3.1基于FBS 模型的有轨架车知识模板的构建
有轨架车是一种常用的装配工装。

在
基于知识模板的工装设计知识重用方法研究
张媛 李佩佩 牟金娟
(西安工程大学 陕西西安 710048)
摘 要:为实现工装设计知识的重用,本文采用面向对象技术FBS模型来构建知识模板,并基于知识模板进行工装快速设计。

有轨架车知识模板的构建实例表明,该方法不仅实现了设计知识的重用,而且提高了工装设计的效率。

关键词:设计知识重用 FBS模型 知识模板中图分类号:TP391文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2014)08(a)-0104-02
功能域
行为域 结构域 控制有轨架车运动 支撑和滚动 轮子
导向
操纵轮子 操纵机构 保证架车停放平稳
支撑
支脚
保证产品在合适的位置 升降产品 升降调整机构 用于搬运
支撑产品 支托装置 用于产品对接中的升降 升降产品 作动筒
实例编号 中心高度（m m ） 轨道间距（m m ） 托架间距（m m ） 托架半径（m m ） 托架宽度（m m ） 托架形状 最大横移动程（m m ） 最大升降动程（m m ） 1 1630 915 850 485 154 水平 65 80 2 1615 880 860 510 165 水平 60 75 3 1620 880 870 455 155 锥形 55 70 4 1650 840 885 470 145 锥形 45 55 5 1625 855 900 475 133 锥形 55 65 6
1550
910
860
505 155
水平
65
75
表1 有轨架车部件F B S 映射关系描述
表2 有轨架车的实例参数表
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其设计过程中,将客户的需求通过功能、行为以及结构之间的映射转化为有轨架车的主要结构单元,而知识模板则将各结构单元之间的关系进行集成、表达。

有轨架车各主要部件之间的FBS映射关系描述如表1所示。

有轨架车知识模板的形成过程中除了各部件之间FBS映射关系描述外,还包括静态知识及动态知识的提取,如其特征属性:中心高度(弧形托架中心到地面的垂直高度),轨道间距(左右轮轴之间的距离),托架间距(前后托架间的距离),托架半径(弧形托架的内半径),托架宽度(弧形托架的宽度)等;约束条件:托架形状、最大横移动程以及最大升降动程等。

3.2基于实例推理的有轨架车知识模板检索
实例推理(Case-BasedReasoning,CBR)是一种相似类比推理技术,在有轨架车的设计过程中,通过实例推理技术在工装实例库中检索相似实例,通过修改得到满足客户需求的实例。

根据客户的需求功能,可由以下公式对实例进行知识描述:
},,,{21kn k k k a a a C m k ,,2,1 (1)
式中, k C 为工装实例;n 为 k C 所包含特征属性的个数;m 为当前知识模板库中的实例数; n i a ki ,,2,1 是实例 k C 的属性。

然后利用相似度求解方法进行模板匹配。

采用最近邻居法计算相似度,如下:
n
i i y i x sim i W V 1
))
,(( (2)
n 为实例特征属性的个数;)
,2,1(n i i W 为第i 项特征属性的权值;),(i i y x sim 为特征
属性 i x 与 i y 的相似度。

当 i x , i y 为定性属性时,
10),(i i y x sim i i i
i y x y x
(3)
当 i x , i y 为定量属性时,
)
,max(1),(i i i
i i i y x y x y x sim
(4)有轨架车的实例参数表如表2所示。

某客户需求:中心高度1555mm,轨道间距850mm ,托架间距900mm,托架半径445mm ,托架宽度150mm ,托架形状为水平,最大横移动程60m m ,最大升降动程70mm。

(有轨架车各特征属性的权重分别为:中心高度0.5,轨道间距0.25,托架间距0.125,托架半径0.12,托架宽度0.005)在工装实例库中检索与客户需求相似的实例,根据有轨架车实例参数表(表2)中的特征属性及约束条件,利用相似度求解方法得到
满足要求的实例如表3所示。

由表3可知,满足客户需求的最佳实例为实例6。

以该实例作为知识模板对客户需求的工装产品进行设计,可实现设计知识的重用,提高设计效率。

4 结语
本文利用FBS模型中功能、
行为以及结构之间的映射关系构建知识模板,以知识模板作为原型对客户需求的工装产品进行设计,并以大型工装有轨架车为例,构建其知识模板,通过实例推理技术检索出符合客户需求的最佳实例,不仅实现了设计知识的重用,而且大大提高了设计的效率。

但知识模板的利用需要完善的知识库支持,因此,如何通过有效的方法更好地总结前人的设计经验,完善知识库,还有待进一步的深入研究。

参考文献
[1]鲁玉峰,周华锋．
基于U G /C A D 工装设计参数化与模块化方法的研究[J]．中国制造业信息化,2009,38(17):18-21．[2]张占信,陈泳,黄健．基于FBS的夹具设
计知识建模方法研究[J].机车车辆工艺,2012(1):4-6．
实例编号
相似度 1 0.942 2 0.952 6 0.962
表3 满足要求的实例
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