基于设计意图捕捉的叉车参数化设计系统研究

陈 帅，姜少飞，洪 滔，鲁聪达

（浙江工业大学 特种装备制造与先进加工技术教育部重点实验室，浙江 杭州 310032）

基于设计意图捕捉的叉车参数化设计系统研究

陈 帅，姜少飞，洪 滔，鲁聪达

（浙江工业大学 特种装备制造与先进加工技术教育部重点实验室，浙江 杭州 310032）

设计意图捕捉是产品设计过程的关键问题.为实现从设计意图捕捉到参数化图形驱动的过程，提出并实现了基于意图捕捉的叉车参数化设计系统.系统由意图捕捉、最优化求解和参数化驱动三个模块组成，通过对设计意图的分解，构建由意图单元组成的意图库，并映射到产品结构库，并经意图单元和结构单元结合形成设计意图模型；基于最优化模块的优化求解将设计意图模型转化为参数化设计的主参数，并通过参数估计和柔性控制，得出完整驱动参数，最终生成叉车三维参数化模型.最后，以叉车设计过程为例验证了系统的有效性.

设计意图捕捉；最优化求解；参数化设计；叉车

参数化设计是并行设计和概念设计的产物［1］，通过建立拓扑结构，用一系列参数对这一拓扑结构进行求解.得到修改后的参数化图形［2］，实现了自顶向下（top＿down）的设计过程.其优势是大大缩短了产品开发周期，提高了开发效率，已经成为CAD中一项必不可少的技术.参数化设计系统的输入多为具体几何参数，如何使其智能化，建立基于知识的参数化设计系统已经成为参数化设计的主要研究问题.目前，针对参数化设计的研究主要集中在对约束的求解和主参数、辅参数、次参数的识别上，参数化设计系统存在以下局限：

（1）参数化设计系统主要实现的功能是根据零部件的拓扑结构对设计参数求解，求解结果驱动参数化模型.但是，还缺乏输入参数的获取手段.

（2）参数化设计系统的输入多为具体几何参数，而用户的需求为尚待形式化的语义，如何将二者联系起来尚待深入.

（3）参数化设计系统的输入为反映产品结构和性能的主参数，对于和主参数没有直接数学关系的参数，缺乏求解策略.

文献［3］通过建立约束层次结构（包括工程约束、适配约束和几何约束），将工程约束转换为几何约束，实现了工程函数对参数化几何图形变动的控制；文献［4］通过约束序列化，将工程约束引入到参数化约束中；文献［5］引入知识工程，通过建立知识库，完成参数化的尺寸驱动和特征驱动.笔者旨在构建基于设计意图捕捉的参数化设计系统，把设计意图和参数化设计集成起来，并应用于叉车的设计早期阶段.

1 基于设计意图捕捉的参数化设计系统框架

图1 基于意图捕捉的参数化设计系统结构Fig.1 The Structure of parametric design system based on capturing design intent

提出基于意图捕捉的参数化设计系统框架结构，如图1所示.系统由设计意图捕捉模块，最优化求解模块和参数化设计模块三个模块组成.

1.1 设计意图捕捉模块

设计意图的一方面意义是需求，即用户对产品提供的要求，包括功能、环保、外表式样等.故设计意图建模过程是在需求指导下对设计意图分解的过程.子意图表示本阶段想要获得的目标，下一层子意图是对上一层子意图的描述，最终形成意图单元.意图单元是不可再分的设计意图，具有直接描述产品某项功能的特性，如一些功能参数、性能指标.意图单元的形成标志着意图分解过程的完成.

意图单元组成了意图库，用其映射结构库.结构库是对产品结构的树形划分，每一层子单元集都为完成某项功能的零部件集合，各层次结构可以完成上层文件的某项功能.同时，各结构单元包含产品结构本身固有的信息，如材料，需用强度，需用刚度等.意图单元的映射过程是一个寻找、匹配的过程.每一个意图单元在结构库中寻找和其匹配的结构单元，并与其结合，最终建立设计意图模型.流程如图2所示.

图2 设计意图建模过程Fig.2 Process of design intent modeling

1.2 最优化求解模块

本模块是连接设计意图模快和参数化设计模块的桥梁，具有将设计意图参数化的作用.通过对设计意图模型最优化求解，得到可作为参数化设计模块输入的零部件主参数.求解模型建立过程中，意图单元以约束的形式体现，主参数组成了设计变量空间，结构单元包含结构本身的固有信息.从而包括目标函数、约束函数和设计变量的最优化模型建立.

1.3 参数化设计模块

最优化求解模块得出零部件的主参数，参数化设计模块则是根据主参数生成零部件的三维模型.主参数输入到零部件的拓扑结构中，求解出和主参数存在约束关系的参数.对于那些和主参数无直接约束关系的辅参数和次参数，需对其进行柔性控制和参数估计，可得出完整的参数，进而生成产品模型.

2 关键技术及其解决方案

2.1 意图库到结构库的映射

意图库由意图单元组成.意图单元映射到结构库，寻找匹配的结构单元并附着其上为问题的关键.

首先对意图单元形式化描述：

I＿meta＝｛I＿id，I＿datatype，I＿conts，I＿domains，I＿metatype｝

其中：

I＿meta：为意图单元；

I＿id：为意图单元唯一标识号；

I＿datatype：为属性值类型，如整型，实数型，布尔型；

I＿conts：为属性值；

I＿domains：为属性值值域，根据值域分为离散型和连续型；

I＿metatype：为意图单元类型，可分为几何，功能，结构特性等.

结构库中的结构单元形式化描述如下：

S＿unit＝｛S＿id，S＿content，mult（I＿meta），set（variable），is＿decomposed｝

其中：

S＿unit：表示结构单元；

S＿id：表示结构单元唯一标识；

S＿content：表示结构单元固有信息，如材料，固有参数和优化目标等；

mult（I＿meta）：表示和此结构单元结合的意图单元；

set（variable）：表示此结构单元的变量集，即参数化设计中的主参数；

is＿decomposed：为此结构单元是否可分，“1”可分，“0”不可分.

意图单元到结构单元的映射过程如图3所示.

图3 意图单元映射结构单元Fig.3 Mapping process from intent unit to structure unit

图3中A为二者的关系矩阵，映射后，意图单元储存在相应结构单元的mult（I＿meta）中.

根据形式化描述结果，构建相应的数据库，其结构如图4所示.首先建立意图库和结构库两个主表，主键分别为其ID.为了表示二者“多对多”的对应关系，建立了二者的关系表.结构单元的固有信息和变量集分别单独设表.

图4 数据库结构Fig.4 Structure of database

2.2 最优化求解

最优化模型是以意图单元为约束，以反映零部件基本形状和性能的主参数为设计变量，具有特定优化目标的一种模型，其数学模型如下：

式中：F为目标函数集合；G为等式约束集合；H为不等式约束集合；p为参数.

意图单元映射到结构单元，过程完成后，二者结合，即完成了设计意图建模.设计意图模型转化为优化模型过程中，设计变量x为变量集合set（variable）中的元素，而和结构单元结合的意图单元mult（I＿meta）在优化模型中以约束的形式体现.

最优化求解由Matlab实现.VB支持ActiveX自动化控制端协议，Matlab支持ActiveX支持自动化服务器端协议.因此，通过Active X建立VB应用程序和MATLAB之间的自动化连接，如图5所示.MATLAB命令的传输由ActiveX连接实现，数据的传输通过M文件实现.

图5 VB与Matlab接口Fig.5 The interface of VB and Matlab

2.3 参数柔性控制和参数估计

参数的柔性控制模块是对零件或特征的尺寸参数进行离散化处理，以满足同一系列产品设计的需要，达到此系列部分零件的通用性，其核心思想是将零部件参数进行离散化处理.主要研究内容包括柔性控制零件、零件中柔性控制参数以及与之相关的主参数的选择、柔性变化系数的确定，主要应用在和主参数存在依赖关系但没有直接代数关系的参数上.如货叉危险截面厚度a和宽度b，a为主参数，可从最优化模块中获得，参数b的选择可根据a值确定.a在某区间范围内b为一值，若a值进入另一区间内，则b值级变，根据柔性变换系数生成另一值.

参数估计是一项统计技术，当某个零部件的一系列参数中存在若干个缺失参数时，通过参数估计模块得出完整参数.笔者通过在变型设计中得到应用的EM算法［6］，来建立参数估计系统.

3 工程实例

系统基于VB.NET开发，数据库服务端为SQL Server2000，优化计算服务端为 Matlab，三维模型生成软件采用Solid Works.

叉车客户需求主要包括载重需求、起升需求和稳定性需求.其中载重需求主要包括载重质量和载重体积，起升需求中主体是起升高度和起升速度.根据客户需求，系统实现设计意图捕捉和求解，最终完成了起升系统设计和车身布置.

（1）在设计结构树的引导下完成意图库的建立，如图6所示.左侧为叉车设计意图结构，右侧输入相应的意图值.

图6 设计意图结构Fig.6 Structure of design intent

（2）意图库映射到结构库，如图7所示.从意图结构树点选意图单元，叉车结构树中和意图单元相应的结构单元会变成红色.点选结构单元，会弹出结构单元的详细信息.如图8所示，包括优化目标函数，设计变量和约束函数.

图7 意图库映射结构库Fig.7 Mapping process from intent base to structure base

图8 结构单元界面Fig.8 The interface of Structure unit

（3）通过最优化模块求解出主参数，再经过参数估计和柔性控制，完成叉车起升系统设计和车身整体布置，生成模型如图9所示.

图9 叉车模型Fig.9 Forklift model

4 结 论

（1）通过意图分解、意图单元到结构的映射构建了设计意图模型，实现了从设计意图捕捉到参数化图形驱动的过程.

（2）通过最优化求解实现了设计意图模型的求解，把以约束形式体现的设计意图转化为参数化设计中的主参数，再通过柔性控制可参数估计，得出完整驱动参数.

（3）系统应用于叉车实际设计过程，大大提高了从概念设计到参数设计的效率.

［1］张峰，李兆前，黄传真.参数化设计的研究现状与发展趋势［J］.机械工程师，2002（1）：13-15.

［2］陈月娟.基于数据库技术的CAD参数化设计关键技术及实现方法［J］.机械设计与制造，2006（1）：85-86.

［3］刘厚泉，李毅，刘方鑫.参数化设计系统中约束的层次结构［J］.计算机工程，2005，26（3）：35-36.

［4］堵云竹.复杂机械系统的多体动力学参数化建模技术研究［D］.武汉：华中科技大学，2006.

［5］张范良，陈玉全，瞿元盛，等.基于知识的模具智能装配［J］.农机化研究，2009（4）：155-157.

［6］XU Xin-sheng，FU Lin-yun，FANG Shui-liang.Research on product variant design with uncertainty information［C］.Piscataway：WCICA，2008.

［7］谭建荣，李涛，戴若夷.支持大批量定制的产品配置设计系统的研究［J］.计算机辅助设计与图形学学报，2003，15（8）：35-38.

［8］张良，何也熙.Matlab与VB.NET混合编程中数据存储方式的研究［J］.计算机工程与设计，2009，30（8）：2008-2010.

Research on forklift parametric design system based on capturing design intent

CHEN Shuai，JIANG Shao-fei，HONG Tao，LU Cong-da
（Key Laboratory for Mechanical ＆Automation of Ministry of Education，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310032，China）

Capturing design intent is a key problem in the process of product design.A forklift parametric design system based on capturing design intent is proposed and established，which provides the method for the transformation from capturing design intent to driving parametric model.The process is composed of three modules，including capturing intent，optimization and parametric driving.The intent database formed by intent units is obtained via decomposing the design intent.The design intent model is produced according to the combination of the units in the intent database and those in the product structure database.This model is further solved by optimization module and the main parameters in parametric design are thus obtained.Then the complete driving parameters are acquired by parameter estimation and flexible control，and the parametric model is therefore obtained.Finally，the example of a forklift design process provided to validate the system and its advantage is also demonstrated.

capturing design intent；optimization；parametric design；forklift

TH122

A

1006-4303（2011）06-0639-05

2010-06-03

国家自然科学基金资助项目（51005211）；浙江省优先主题重大项目（2008C01059-1）；浙江省自然科学基金资助项目（Y107622）

陈 帅（1986—），男，内蒙古锡盟人，硕士研究生，研究方向为参数化设计和知识工程.通信作者：姜少飞副教授，E-mail：jsf75＠zjut.edu.cn.

（

陈石平）