基于产品设计流程的知识共用方案研究

◎北京航天发射技术研究所 赵黎明 陈丽 杨静 严勇

基于产品设计流程的知识共用方案研究

◎北京航天发射技术研究所 赵黎明 陈丽 杨静 严勇

军品型号研制具有研制周期紧、产品质量可靠性要求高的特点，需要设计人员从产品设计任务书下发到完成产品设计全流程快速响应。而产品设计中90%的设计行为属于适应性设计和变型设计，这意味着大多数设计工作可以利用以前同类产品的设计知识。产品设计知识既包括必须遵循的设计规范、行业标准、产品设计图纸和技术资料等显性知识，也包括设计方案、仿真计算、设计原则、设计技巧等仅存在设计者头脑中的隐性知识。因此，研究产品设计知识的共用及其实现具有重要的现实意义。

笔者以航天地面设备典型液压缸产品为例，对产品设计知识的共用方案进行了研究。液压缸是航天地面设备液压系统的重要组成部分，必须根据不同的技术要求和实际情况进行设计，具有结构形制相对固定、设计过程反复进行的特点。在液压缸的设计中引入知识共用技术可以实现液压缸的快速设计，从而节省大量的设计时间，提高设计质量。

一、设计知识的共用

面向产品设计流程的知识共用包括设计知识库的建设、设计流程的梳理与固化、设计知识的共用3个方面。

1.设计知识库建设

设计知识就是已有产品所包含的设计经验、方法、过程以及几何结构等产品设计信息的总和。狭义的设计知识指成功的设计结果，如定型的设计图纸、模型和设计资料等；而广义的设计知识是指设计开发过程各个阶段的知识，包括功能知识、原理方案知识、结构设计知识、设计结果实例等。

液压缸产品的设计知识主要包括任务信息、产品模型(包括设计模型和设计图纸)、仿真、计算程序、设计规范标准、设计手册、设计经验、密封件选型知识等。这些设计知识的存在形式多种多样，一部分存在于设计结果中，如三维模型、设计图形(CAD/CAM)文件、技术文档等；一部分存在于设计者的头脑中，如设计方案、设计过程、设计经验、计算方法、密封件知识等。大部分设计知识可以固化在相应的知识库中作为后续知识共用的基础。典型的液压缸设计知识库主要包括液压缸结构库、液压缸模型库、设计图纸库、技术文档库、零件库、密封件库、标准件库、材料库、校核算法库等。

2.设计流程的固化

产品设计信息是伴随产品设计过程的进行而动态生成的。在实际工作中受设计人员能力、水平、经验、习惯等影响，使得液压缸设计流程的差别较大。为了实现基于设计流程的知识共用，需要对液压缸的设计流程进行分解细化，以形成一个固定的设计流程。典型液压缸的设计过程可分为用户需求分析、方案设计、技术设计3个阶段，如图1所示。

3.设计知识的共用方式

产品设计知识存在于产品设计的各个阶段，因此可以将设计知识的复用与设计流程结合，从而实现基于设计流程的知识共用。液压缸设计知识的共用方式主要包括嵌入式、推送式、拉取式3种。其中，设计知识的嵌入式共用流程如下：

用户需求分析阶段将需求分析和计算方法嵌入到液压缸的设计流程中，设计人员通过知识库提供的液压缸规格信息选取液压缸的类型，输入需求参数，由系统按照事先设定好的判据和计算方法得出液压缸设计可行性分析结果及主参数计算值。

模型设计阶段将典型液压缸和零部件结构、各零部件尺寸间的拓扑关系与装配关系模板化，建立典型液压缸结构库和零部件库。当设计人员进行新液压缸设计时，可借助已有液压缸结构库和零部件库中的模板，通过参数驱动的方式实现液压缸的设计，达到复用已有液压缸产品设计知识的目的。

校核阶段可以通过Excel表格建立的公式或计算程序将这些算法固化到设计软件中。当需要该项计算时，可通过调用已预设在设计软件中的算法实现对液压缸的各项计算，得出计算结果并评价，达到对已有各种算法知识的快速利用。

工程图绘制阶段将已有典型液压缸的工程图模板化，当设计人员进行新液压缸工程图绘制时可以调用已有的模板，利用设计软件自动实现尺寸公差的更新。将一些知识点固化在模板中，如零件的表面热处理方式、特殊的技术要求、关键尺寸的公差要求、零件加工精度和粗糙度的控制要求等知识，在进行液压缸工程图设计时，自动将这些设计经验与知识生成在新的工程图中，从而实现对已有设计知识的利用。

技术文档生成阶段制作液压缸技术文档模板，并将各模板嵌入到设计软件中。当设计人员需要编写液压缸技术文档时可以调用已有的模板，系统自动将模板中与新设计液压缸相关的参数内容进行更新，自动生成新的技术文档。

设计知识的推送式共用是指当系统识别到用户正在进行设计任务时，自动将相关知识以推送的形式展示给设计人员；设计知识的拉取式共用则是指设计人员通过检索或直接选择相应的知识库对知识进行调用和查看。

二、总体框架

将液压缸的各种设计知识与液压缸的设计流程结合，可形成基于设计流程的液压缸知识共用的总体框架，如图2所示。

液压缸设计知识共用信息化流程由设计知识库、信息化工具功能模块2部分组成。其中，设计知识库由模板库、算法库、模型特征材料库、参数规则库组成；功能模块包括液压缸选型、液压缸设计、液压缸校核、工程图输出和文档输出5个部分。不同知识库支撑液压缸设计过程中的不同功能，这些支撑方式主要是靠信息化接口技术提供保证，融合在设计向导和用户输入界面模板中。用户在设计向导及界面模板的指引下，通过信息化接口来使用不同的设计知识，从而规范设计与分析过程，并能充分利用设计知识，提高设计效率，保证设计质量。

三、设计知识共用的实现

1.实现方案

通过信息化手段把液压缸的设计流程、工程图模板、技术条件模板、各种设计标准规范和设计经验等知识固化在设计流程中，形成设计知识共用的信息化工具，实现液压缸从任务输入到图纸文件输出的全流程快速设计和已有设计知识的复用。固化的设计流程和多种方式的知识共用避免了因经验及知识不足而导致的设计差错，有助于提高设计质量。

2.在NX 5.0中的应用

通过NX提供的二次开发技术，在NX 5.0设计环境中建立了专用的液压缸设计知识共用信息化工具，其主要功能包括：

油缸设计向导是以树状结构显示菜单栏的各个工具，实现专家向导式设计；

设计输入可通过读取任务书模板中的参数或手动填写液压缸参数，实现对液压缸三维模型的自动调用和参数化更新设计；

模型设计可实现对已有零部件模型的快速调用和参数化设计；

零件编号可实现按照预定的编号规则快速完成零件编号；

校核检查可实现按预设的校核算法快速完成零部件强度等的校核；

工程图管理器可实现按已有工程图快速完成工程图更新；

文件输出可实现按已有技术文件的标准化模板，自动获取设计信息，完成技术文档的生成。

通过该工具的开发，将液压缸设计中的流程、典型液压缸及零部件结构、零部件编号规则、经验算法、各种技术文件等知识固化，实现设计过程中对各种设计知识的快速共用，极大地提高了设计效率。

图2 典型液压缸设计知识共用流程图