NX/KF平台下基于知识的汽车出风口设计

殷 莉，孔 啸，袁俊凇，李 铭

YIN Li,KONG Xiao,YUAN Jun-song,LI Ming

（上海交通大学 模具CAD国家工程研究中心，上海 200030）

0 引言

如今越来越多的汽车零部件供应商开始向产品研发的方向发展，究其原因主要有以下几点：1）主机厂对其供应商的要求越来越高，供应商必须具备同步开发能力，实现模块化供货，这就迫使一些生产企业加强产品研发能力；2）供应商在某些零件制造方面有着丰富的专业经验，从而为这些零件的研发提供更好的支持；3）对于供应商本身，从生产型向研发生产型的转变不仅可以增加产品的附加值，还可以通过产品的技术升级来增强自己的竞争力。

目前很多企业在产品设计时主要靠经验，再加上为了提高产品进度，对设计知识的积累和分析方面的工作做得不够完善。以出风口部件为例，传统的设计流程周期较长，产品质量对设计者的依赖性较大，而且设计知识的共享性和重用率较低。

本文首先介绍了知识工程（Knowledge-based engineering,KBE）在NX中的应用，即知识熔接技术（Knowledge Fusion,KF），然后将其运用到汽车出风口设计流程中，对传统的设计流程进行优化，最后以出风口拨轮的设计为例，详细说明了利用NX/K工具实现基于知识的优化设计步骤，使得设计过程更加快速和标准化。

1 知识工程与知识熔接

1.1 知识工程

迄今为止，对于KBE尚无一种公认的定义，上海交通大学对于KBE的定义是：通过知识驱动和繁衍，对工程问题提供最佳解决方案的计算机集成处理技术，是领域专家知识的继承、集成、创新和管理，是CAX技术与AI技术的集成[1]。所有的定义对KBE系统都有一个共识，即：能够解决某个特定的设计问题（短期），并能获得与之相关领域的知识用来解决之后的设计问题（长期）。

虽然大多数对于KBE的研究都还处于理论阶段，但已经有部分国外的大公司在KBE的应用上取得了很好的效果，特别是汽车和飞机制造行业，比如意大利AVIO航空公司，在机翼的CAD/CAE设计中应用KBE技术后，设计时间减少了93%[2]。

1.2 知识熔接

NX中的知识熔接技术是KBE技术的一项应用，它提供了一种面向对象的解释性语言，用户可以方便的用KF语言在产品模型中以规则的形式增加工程知识，设计人员甚至不需要察觉知识熔接技术（KF）的存在却在设计中得到方便[3]。然后，利用NX的用户自定义特征（User DefinedFeature,UDF）建立特征库，在设计中通过提取特征参数，建立模板零件，可方便地更改设计。

2 出风口设计流程优化

2.1 传统的设计流程

汽车空调出风口主要包括风框拨叉、水平叶片、水平叶片连动杆、竖直叶片、竖直叶片连动杆、拨轮、拨轮连杆等零部件。传统的设计流程（如图1所示）是以一次设计为单位，设计人员在接到新产品的A面数据后，首先是根据相关设计规则和设计经验对某些关键功能部件如拨轮、连杆等要进行结构设计，然后用三维CAD软件如NX,CATIA等对不同部件分别进行建模，最后装配形成初步的产品模型。在制造样件和产品试验阶段还会分别对设计进行修改甚至重新结构设计。该设计流程的缺点是：1）每次开发新的产品都必须从头开始，设计人员需要做很多重复性的工作；2）传统设计流程对于设计人员的经验依赖性很大，不利于企业发展；3）没有一个成体系的设计流程，设计质量不稳定；4）每次设计的成果与经验没有进行有效的吸收与再次利用。因此，有必要对传统的设计流程做一改进。

图1 传统出风口设计流程

2.2 基于知识的设计流程

图2是经过改进后的基于KBE的知识熔接设计框架。虚线部分是指知识的获取过程，实线部分是指实际的产品设计也就是知识的重用过程。可以看出，传统的产品设计仅只在一次设计中构成回路，而运用KBE技术后的产品设计流程可以产生多个不断循环的回路，每一次的设计规则和经验、新的部件结构以及试验结果都可以储存到设计知识库中，然后又可以将这些知识运用到下一次的新产品设计中，使得知识的获取和重用得以实现。知识库中的知识既可以是以代码的形式表示和储存的，也可以是用文档格式记录的，归纳起来可以将知识分为四种类型：1）规则库：即将产品或各个部件的约束条件以及在选择设计方案的原理记录下来；2）经验库：将以前的设计经验和试验后产生的问题记录下来，以指导之后的设计；3）特征库：选择能够描述出风口或其零部件的实体作为知识单元，这种实体既可以是结构上也可以是功能上的；4）事例库：将做过的例子和各种解释进行说明[4]。

图2 基于KBE的知识熔接设计框架

设计人员拿到相关数据后，首先在知识库中搜索以前相关的事例以及设计经验等，然后从特征库中选取合适的特征，经过参数化的几何创建就可以很快的将产品设计出来，初步设计后，再将细节进行进一步的修改，就可以完成设计了。

3 拨轮的设计实例

设计人员拿到出风口的A面数据时，只有产品的外观总体数据，比如外壳的形状与大小，叶片的数量和拨轮的外观大小等都是已经大致确定的。需要设计的是功能方面的一些结构件。

拨轮是出风口中重要的功能结构部件，拨轮的质量直接关系到出风口的质量水平，而拨轮的质量又与拨轮的结构设计紧密相关。因此，本文提出一种对拨轮设计进行优化的方法，即用KF工具进行拨轮的建模，然后将一些重要设计参数放入用户自定义特征库中，今后对于类似的设计可以直接提取以前的设计模型加以修改，这样既继承了以前的知识成果，又可以创造出新的知识再储存在知识库中，而且便于规范拨轮的设计，使其更加标准化。

3.1 拨轮NX/KF建模

图3是一种拨轮的NX/KF建模，拨轮所有的特征参数都可以更改，槽的位置是由参考点的位置决定，但是保留了槽的设计规则。通过调整几个参考点的位置可随时调整设计方案，而通过建立相对坐标系，使拨轮可以方便地添加到不同的出风口壳体上。

图3 拨轮NX/KF建模

3.2 建立拨轮的UDF库

首先要新建一个UDF目录，在NX/udf中，找到dbc_udf_ascii.def文件，将以下库定义文件的代码加入其中，库名称为UDF，文件夹位置"F： NX_KFUDF"。如果要建多个UDF目录，就添加多个库定义代码，只需更改库名称和文件夹所在位置。

然后就可以将拨轮的设计方案输出到自己定义的UDF库中。通过NX菜单中的Tool-User Defined Feature-Wizard路径添加特征模型，将一些需要设置的参数变量设为可更改的表达式。本文用NX/KF建模设计了四种不同的拨轮（如图4所示），还可以添加更多的设计方案或设计规则。

图4 拨轮的UDF库

在设计出风口的拨轮结构时，通过NX菜单中的Tool-User Defined Feature-Insert路径来调用这些特征模型，调用的时候相关表达式会自动生成用户可视的对话框（如图5所示），通过对话框可以随时调整模型的特征参数。

图5 参数修改对话框

在KF导航栏里，导入的UDF会作为一个新的udf类，可以对这个类进行编辑，从而更改拨轮在壳体上的位置。以前的子规则也还是在这个类下面，通过修改这些子规则可以很方便的修改导入拨轮的结构形状，唯一保留不变的是拨轮的设计规则。

这种设计方法的优点有：1）可以增加产品设计知识的重用率，从而减少设计时间；2）计算机可以设定的参数范围内自动选择最优的解决方案；3）减少员工流动率给企业带来的影响。由于知识以规则的方式储存在产品设计模型中，对个人经验的依赖性会降低；4）减少了设计人员重复、繁琐的建模工作，可使他们将更多的精力放在产品的结构创新上。总之，从长期角度来看，将产品设计过程与KBE系统结合起来能带给企业更多的无形资产和潜在商业价值，对于经验不足的设计人员来说，也可以使他们尽快掌握设计知识，提高设计效率。

图6是一种拨轮结构的调用实例，通过修改参数和子规则中参考点的位置可以很方便的更改设计模型，从而将拨轮应用在不同的壳体上。

图6 应用实例

4 结论

本文以出风口的拨轮为例，在NX/KF环境下建立了拨轮自定义特征库，使得相同设计规则的拨轮的建模更加快速便捷，实现了基于知识的设计过程。出风口上其他部件也可以参照拨轮的设计方法进行优化设计，从而实现出风口整个设计过程的自动化、智能化，从而得到更加稳定、一致的产品设计质量。

[1] 赵震,彭颖红.基于KBE的工程设计——理论、方法与实践[J].机械科学与技术,2003,22(1)：151-153.

[2] Corallo A,Laubacher R,Margherita A.Enhancing product development through knowledge-based engineering (KBE)[J].Journal of Manufacturing Technology Management,2009,20(8)：1070-1083.

[3] Unigraphics Solutions Inc.王刚,邹昱章,余国华,译.UG知识熔接技术培训教程[M].北京：清华大学出版社,2002.

[4] Ammar-Khodja S,Perry N,Bernard A.Processing Knowledge to Support Knowledge-based Engineering Systems Specification[J].Concurrent Engineering,2008,16：89-101.