1 前言
格柵除污機(jī)是污水處理中常用的環(huán)保設(shè)備。由于不同用戶所處的地理環(huán)境不同，甚至同一用戶所使用的多臺(tái)格柵除污機(jī)安裝位置的地理環(huán)境的差異，格柵除污機(jī)的設(shè)計(jì)形式為在結(jié)構(gòu)大致相同的條件下非標(biāo)專機(jī)的設(shè)計(jì)，即用按系列化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的通用部件和按工件和形狀及加工工藝要求設(shè)計(jì)的專用部件進(jìn)行專用設(shè)計(jì)，屬于一次性設(shè)計(jì)、一次性制造的單件生產(chǎn)的產(chǎn)品。隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，企業(yè)之間的競(jìng)爭(zhēng)也日趨激烈，企業(yè)的快速成反應(yīng)能力，即更短的開(kāi)發(fā)制造周期，更快的速度向用戶提供產(chǎn)品，已成為企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)能力的重要組成部分[1]。基于UG/NX的格柵除污機(jī)快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)快速的變形設(shè)計(jì)、靈敏的自動(dòng)設(shè)計(jì)，使格柵除污機(jī)設(shè)計(jì)有可靠的質(zhì)量保證，能最大限度地滿足市場(chǎng)和用戶的需要。本文在UGⅢ軟件平臺(tái)上，利用UGⅢ提供的二次開(kāi)發(fā)工具UG/Open API及Microsoft Visual C++ 6.0建立了格柵除污機(jī)設(shè)計(jì)的知識(shí)庫(kù)，將產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識(shí)融合于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程中，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量提供了可靠的技術(shù)保障，縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，有效地提高了企業(yè)的市場(chǎng)快速反應(yīng)能力與競(jìng)爭(zhēng)能力。
2 系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)與工作流程
針對(duì)格柵除污機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，基于UG/NX的格柵除污機(jī)快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作流程如圖1所示。
從圖中可以看出，本系統(tǒng)進(jìn)行的格柵除污機(jī)設(shè)計(jì)，以知識(shí)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用獲取的知識(shí)進(jìn)行快速設(shè)計(jì)，這種知識(shí)融合于產(chǎn)品模板中，包括成熟的格柵除污機(jī)產(chǎn)品、格柵除污機(jī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、相關(guān)的工程數(shù)據(jù)、專家經(jīng)驗(yàn)、科研結(jié)論等各種形式的知識(shí)。在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，系統(tǒng)中嵌入了設(shè)計(jì)推理和設(shè)計(jì)過(guò)程引導(dǎo)機(jī)制，設(shè)計(jì)者只需根據(jù)設(shè)計(jì)過(guò)程的引導(dǎo)通過(guò)人機(jī)界面按定單輸入用戶對(duì)產(chǎn)品的要求后，例如渠寬、渠深等主要工程參數(shù)、進(jìn)行簡(jiǎn)單的操作，推理機(jī)就運(yùn)用這些事實(shí)與知識(shí)庫(kù)中的每個(gè)規(guī)則的前提部分依次進(jìn)行匹配，將該規(guī)則的結(jié)論部分作為新的事實(shí)加入到產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中。整個(gè)設(shè)計(jì)自頂向下，從產(chǎn)品配置推理、總體設(shè)計(jì)、部件設(shè)計(jì)到零件設(shè)計(jì)逐層深入，并驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行相應(yīng)更新，直到完成產(chǎn)品所有零部件設(shè)計(jì)，最后以產(chǎn)品的裝配形式提供給設(shè)計(jì)者進(jìn)行設(shè)計(jì)質(zhì)量審核，如果審核成功，則可以自動(dòng)生成工程圖、BOM表及其它。如果設(shè)計(jì)人員需要針對(duì)本次設(shè)計(jì)進(jìn)行零部件的局部修改，則可以人工修改對(duì)應(yīng)部件的相關(guān)參數(shù)重新更新模型;如果設(shè)計(jì)者希望這種修改能被以后的設(shè)計(jì)所使用，則可以通過(guò)知識(shí)管理器對(duì)知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)進(jìn)行添加或修改，知識(shí)管理器自動(dòng)將這種修改保存到知識(shí)庫(kù)中，同時(shí)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)更新模型，并保證下次自動(dòng)智能設(shè)計(jì)時(shí)自動(dòng)選用這種修改。
3 關(guān)鍵技術(shù)研究
3.1 設(shè)計(jì)知識(shí)的挖掘
根據(jù)格柵除污機(jī)的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求，在充分了解用戶需求的基礎(chǔ)上，對(duì)所獲取的知識(shí)進(jìn)行抽象、歸納、整理，并按其來(lái)源和在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的作用不同分為公理知識(shí)、設(shè)計(jì)原理性知識(shí)、推理判斷性知識(shí)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)知識(shí)以及設(shè)計(jì)流程知識(shí)。
(1) 公理知識(shí)
公理知識(shí)包括來(lái)自設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、手冊(cè)、規(guī)范及國(guó)內(nèi)外成熟產(chǎn)品的范例等與格柵除污機(jī)相關(guān)的知識(shí)。如：客戶對(duì)格柵除污機(jī)的性能要求、格柵除污機(jī)的型譜數(shù)據(jù)、格柵除污機(jī)設(shè)計(jì)的國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)等。它反映了格柵除污機(jī)的性能指標(biāo)、系列規(guī)格和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)等。
(2) 設(shè)計(jì)原理性知識(shí)
格柵除污機(jī)設(shè)計(jì)具有層次性的特點(diǎn)，格柵除污機(jī)及各部件的很多設(shè)計(jì)問(wèn)題已歸納出具體的數(shù)學(xué)模型。如格柵除污機(jī)驅(qū)動(dòng)功率的確定、齒耙在水下時(shí)牽引力的計(jì)算等。這類知識(shí)是格柵除污機(jī)設(shè)計(jì)中較為精確也較為重要的一部分知識(shí)，運(yùn)用數(shù)學(xué)工具和設(shè)計(jì)基本理論我們能較好地把握這部分知識(shí)。
(3) 推理判斷性知識(shí)
推理判斷性知識(shí)是解決格柵除污機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中特定問(wèn)題的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，是專家長(zhǎng)期從事格柵除污機(jī)設(shè)計(jì)工作的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。如根據(jù)渠深、安裝角度、水深等相關(guān)參數(shù)，確定中間導(dǎo)軌架的數(shù)量和各個(gè)長(zhǎng)度，并核算格柵部件托渣板的長(zhǎng)度，確定格柵部件中的托渣板的長(zhǎng)度符合要求等。
(4)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)知識(shí)
產(chǎn)品結(jié)構(gòu)知識(shí)主要反映產(chǎn)品中零件的幾何結(jié)構(gòu)、尺寸，以及零件之間的空間約束關(guān)系，裝配關(guān)系、幾何對(duì)應(yīng)關(guān)系。如橫梁的槽鋼數(shù)量根據(jù)水深以及槽鋼間的平均間距的變化而自動(dòng)增加或減少。
(5)設(shè)計(jì)過(guò)程知識(shí)
設(shè)計(jì)流程知識(shí)反映了格柵除污機(jī)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)和要求、控制著整個(gè)設(shè)計(jì)進(jìn)程的進(jìn)行。主要包括：產(chǎn)品的設(shè)計(jì)流程、評(píng)價(jià)原則等。如格柵除污機(jī)的設(shè)計(jì)步驟。
3.2 設(shè)計(jì)知識(shí)的表示和存貯
由于知識(shí)的類型、作用范圍或形式不同，其在系統(tǒng)中的表示和存貯方式也不一樣。
對(duì)于公理知識(shí)中影響產(chǎn)品配置的主要技術(shù)性能的各類知識(shí)，將其以表達(dá)式的形式存貯在部件文件中。例如控制格柵除污機(jī)配置的主參數(shù)渠深以表達(dá)式B的形式存放、水深以表達(dá)式H的形式存放。
對(duì)于公理知識(shí)中影響系統(tǒng)與EPR/PDM集成的知識(shí)，將其以特征的形式存貯在產(chǎn)品的主模型中。例如零件的材料、規(guī)格等信息以材料特征和管理特征的形式存貯。
對(duì)于公理知識(shí)中反映國(guó)家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等類型的知識(shí)，將其以記錄的形式存貯在數(shù)據(jù)庫(kù)中，例如零件材料、規(guī)格與國(guó)標(biāo)號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
產(chǎn)品結(jié)構(gòu)知識(shí)中反映模型幾何特征的知識(shí)，以幾何形體元素的形式存貯在原型模型中。例如與格柵除污機(jī)側(cè)板、導(dǎo)軌形狀相關(guān)的知識(shí)以草圖的形式存貯。原型模型中不光包含零部件自身結(jié)構(gòu)特征的信息，還包含處于抑制狀態(tài)的反映與其它零部件之間幾何關(guān)系的鏈接幾何體。對(duì)于反映產(chǎn)品中零部件的裝配關(guān)系、幾何關(guān)系的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)知識(shí)，本系統(tǒng)采用了關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)的方式貯存。例如，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)知識(shí)中反映裝配關(guān)系、幾何關(guān)系、參數(shù)關(guān)系的知識(shí)都保存在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)中。
3.3 推理機(jī)的建立
推理機(jī)是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)設(shè)計(jì)的核心，本系統(tǒng)采用正向推理。在通過(guò)人機(jī)界面按定單輸入用戶對(duì)產(chǎn)品的要求后，例如，渠寬、渠深等，推理機(jī)將應(yīng)用這些事實(shí)與知識(shí)庫(kù)中的每個(gè)規(guī)則的前提部分依次進(jìn)行匹配，如果匹配成功，則將該規(guī)則的結(jié)論部分作為新的事實(shí)加入事實(shí)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中。由于產(chǎn)品設(shè)計(jì)是自頂向下進(jìn)行，這些結(jié)論將隨著產(chǎn)品設(shè)計(jì)的層層深入，又產(chǎn)生新的事實(shí)，直至最后完成產(chǎn)品的各零件設(shè)計(jì)。
對(duì)于以表達(dá)式方式存貯的知識(shí)，通過(guò)建立IF-ELSE規(guī)則，進(jìn)行自頂向下的逐層推理，更改模型中的參數(shù)值，從而自動(dòng)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品模型的更新。對(duì)于以幾何形體元素存貯的知識(shí)，通過(guò)建立部件間幾何鏈接關(guān)系，進(jìn)行自頂向下的逐層推理，更改不同部件的模型形狀，從而自動(dòng)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品模型的更新。
3.4 變結(jié)構(gòu)自動(dòng)設(shè)計(jì)
格柵除污機(jī)作為典型的系列化異構(gòu)產(chǎn)品，隨著用戶要求的變化，其結(jié)構(gòu)形式也會(huì)有較大的變化。例如：當(dāng)水渠寬度大于等于2米后，為了保證其強(qiáng)度，其撇渣部件的結(jié)構(gòu)將作較大的改變，同時(shí)側(cè)板的寬度也要作相應(yīng)的增加，起著支撐作用的槽鋼的型號(hào)也作相應(yīng)的變化。為此作者采用了尺寸驅(qū)動(dòng)技術(shù)、約束驅(qū)動(dòng)技術(shù)、幾何對(duì)象驅(qū)動(dòng)技術(shù)和數(shù)據(jù)抑制技術(shù)，很好地解決了格柵除污機(jī)的變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題。
(1)尺寸驅(qū)動(dòng)技術(shù)
尺寸驅(qū)動(dòng)技術(shù)主要用來(lái)建立產(chǎn)品中零部件間的尺寸關(guān)聯(lián)。表達(dá)式是參數(shù)化建模的一個(gè)重要組成部分，通過(guò)它可定義和控制模型中的尺寸。表達(dá)式可用于控制同一零件中不同特征之間的關(guān)系和不同零件的特征間關(guān)系，通過(guò)這種方法可以建立零件內(nèi)和零部件間的尺寸關(guān)聯(lián)。
(2)約束驅(qū)動(dòng)技術(shù)
約束驅(qū)動(dòng)技術(shù)主要用于定義標(biāo)準(zhǔn)件、通用件或通用部件在產(chǎn)品中的位置關(guān)系。例如格柵部件中的電液推桿與底座間之間的位置關(guān)系可以通過(guò)兩個(gè)對(duì)齊約束和一個(gè)對(duì)心約束來(lái)控制，如圖2所示。約束類型包括：配合、對(duì)齊、角度、平行、垂直、相切、對(duì)心、距離等。
(3)幾何對(duì)象驅(qū)動(dòng)技術(shù)
幾何對(duì)象驅(qū)動(dòng)技術(shù)就是將幾何對(duì)象聯(lián)接到其它零部件，使父部件與裝配中的其它組件中的幾何對(duì)象相關(guān)聯(lián)。當(dāng)改變父部件中定義的幾何對(duì)象時(shí)，則抽取該幾何對(duì)象的所有部件中的對(duì)應(yīng)幾何對(duì)象會(huì)自動(dòng)更新，從而實(shí)現(xiàn)部件間幾何形狀的自上而下的控制。例如從格柵部件聯(lián)接來(lái)的定距板外形輪廓，如圖3所示。
(4)數(shù)據(jù)抑制技術(shù)
數(shù)據(jù)抑制技術(shù)就是通過(guò)在模型中添加控制組件或特征抑制的表達(dá)式，來(lái)控制部件和零件以何種方式存在于模型之中，包括組件抑制技術(shù)和特征抑制技術(shù)。組件抑制技術(shù)主要解決部件級(jí)結(jié)構(gòu)變化問(wèn)題;特征抑制技術(shù)主要解決零件級(jí)結(jié)構(gòu)變化問(wèn)題。
3.5 原型庫(kù)的建立
本系統(tǒng)采用“原型=原型模型+原型數(shù)據(jù)”的描述方法，將格柵除污機(jī)進(jìn)行分類，把某一類原型抽象為一種相對(duì)穩(wěn)定的模型框架，而這一類原型中的任一具體原型則表現(xiàn)為一組數(shù)據(jù)，即把設(shè)計(jì)實(shí)例中的任一具體實(shí)例的數(shù)據(jù)從圖形中抽取出來(lái)，采用系統(tǒng)建模技術(shù)或自動(dòng)裝配再使兩者結(jié)合起來(lái)。在這過(guò)程中具體實(shí)例表現(xiàn)為數(shù)據(jù)庫(kù)中的一條記錄，這樣，原型實(shí)例的查詢、檢索轉(zhuǎn)化為對(duì)原型匹配和對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的管理，簡(jiǎn)化了實(shí)例推理的難度。
在建立原型模型過(guò)程中，反映零件內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)和參數(shù)關(guān)系的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)知識(shí)可以通過(guò)參數(shù)化建模技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如國(guó)標(biāo)件中的螺母，可通過(guò)參數(shù)化建模技術(shù)建立只與公稱直徑相關(guān)的三維參數(shù)化原型模型。而反映零件間幾何關(guān)系、參數(shù)關(guān)系的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)知識(shí)簡(jiǎn)單地通過(guò)參數(shù)化建模技術(shù)則無(wú)法實(shí)現(xiàn)。反映零件間的幾何關(guān)系和參數(shù)關(guān)系的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)知識(shí)必須采用系統(tǒng)建模技術(shù)來(lái)建立原型模型。
3.6 原型模型自動(dòng)更新
本系統(tǒng)采用了裝配克隆技術(shù)將原型模型克隆，并將克隆生成的三維模型加載到產(chǎn)品模型中。克隆生成的三維模型繼承了原型模型的全部信息，使加載到產(chǎn)品模型的三維模型包含有反映設(shè)計(jì)意圖和零件間幾何關(guān)系的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)知識(shí)。
通過(guò)克隆并加載到產(chǎn)品模型中的三維模型雖然包含有反映零件間幾何關(guān)系的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)知識(shí)，但反映這些產(chǎn)品結(jié)構(gòu)知識(shí)的幾何體處于中斷狀態(tài)。本系統(tǒng)通過(guò)恢復(fù)關(guān)聯(lián)特征的方式使處于中斷狀態(tài)的鏈接幾何體重新鏈接，即恢復(fù)子模型與父模型之間的幾何關(guān)系，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品控制結(jié)構(gòu)對(duì)新加載的三維模型的幾何控制。由于產(chǎn)品控制結(jié)構(gòu)是根據(jù)用戶輸入的工程參數(shù)的要求定制，故新加載的模型將根據(jù)用戶輸入工程參數(shù)自動(dòng)更新。
3.7 原型模型自動(dòng)裝配
原型模型自動(dòng)更新使新加入到產(chǎn)品模型中的三維模型的幾何關(guān)系、參數(shù)關(guān)系符合用戶的工程要求，但新加的三維模型的裝配關(guān)系還須根據(jù)裝配知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝配。在原型模型自動(dòng)裝配中主要解決的問(wèn)題為：同樣零件不同的裝配關(guān)系的實(shí)現(xiàn)，如在格柵除污機(jī)中有大量相同的標(biāo)準(zhǔn)件，但這些標(biāo)準(zhǔn)件的裝配位置并不相同;父、子模型間裝配關(guān)系的實(shí)現(xiàn);裝配模型之間的裝配關(guān)系的實(shí)現(xiàn)。
本系統(tǒng)在裝配知識(shí)庫(kù)中添加了組件名信息，模型對(duì)應(yīng)的文件名反映加載的模型是否唯一，模型對(duì)應(yīng)的組件名則表示加載后模型在裝配中的名稱，采用文件名+組件名的方式區(qū)分同名零件的裝配問(wèn)題。父子模型之間的裝配關(guān)系，在建立原型模型時(shí)，將父、子模型的裝配關(guān)系通過(guò)鏈接幾何體表示，使父、子模型的裝配關(guān)系在原型模型恢復(fù)鏈接特征信息時(shí)自動(dòng)更新。裝配模型之間的裝配關(guān)系，通過(guò)特征提升的方式，將反映模型裝配關(guān)系的幾何體提升到裝配模型中，再運(yùn)用裝配模型中的提升特征實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝配。
3.8用戶界面設(shè)計(jì)
用戶界面主要是提供設(shè)計(jì)人員輸入設(shè)計(jì)參數(shù)以完成設(shè)計(jì)的接口，UGⅢ提供了可視化的對(duì)話框編成環(huán)境，用戶可以根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求方便地定制設(shè)計(jì)界面，大大縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期。圖4和圖5分別為快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)界面及格柵除污機(jī)的三維數(shù)字化模型。
4 結(jié)論
本文在UGⅢ軟件平臺(tái)上，將知識(shí)工程的實(shí)用技術(shù)與產(chǎn)品整體參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，開(kāi)發(fā)了工程化、實(shí)用化、知識(shí)化的基于UG/NX的格柵除污機(jī)數(shù)字化快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)。本系統(tǒng)通過(guò)對(duì)格柵除污機(jī)的用戶需求分析、提取格柵除污機(jī)設(shè)計(jì)及變型設(shè)計(jì)的有關(guān)知識(shí)并將其存儲(chǔ)在知識(shí)庫(kù)中，建立融合系統(tǒng)建模技術(shù)的原型庫(kù)，建立了基于原型推理為主的多層推理機(jī)制，能對(duì)格柵除污機(jī)設(shè)計(jì)的全過(guò)程提供快速支持。使用戶通過(guò)智能導(dǎo)引，輸入少量工程參數(shù)，進(jìn)行適當(dāng)人機(jī)交互來(lái)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)過(guò)程，自動(dòng)生成滿足客戶個(gè)性化需求的格柵除污機(jī)數(shù)字化樣機(jī)。下一階段將進(jìn)一步研究系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)和推理機(jī)的開(kāi)發(fā)規(guī)律與技術(shù)，將CAE技術(shù)集成于系統(tǒng)之中，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平從經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)上升到優(yōu)化設(shè)計(jì)的層次。