摘要：为适应多变的市场需求，提高企业产品开发能力，缩短开发周期，运用知识工程的原理和计算机辅助设计计算，将基于知识的智能化设计理念引入碟簧产品开发领域中，探讨了智能化设计的实现方法，并进行应用研究。最终采用面向对象的程序设计语言对工程软件CATIA进行二次开发，研制了基于知识的碟簧集成智能化设计系统。

　　关键词：集成;智能化;基于知识;碟簧

　　1 前言

　　碟簧是一个基础零件，在汽车、拖拉机等产品中有极其广泛的使用。随着计算机技术的不断发展，计算机辅助设计计算已经进入碟簧生产企业，但由于企业对设计和制造过程中的各种设计经验和设计知识总结不够以及设计手段的限制，CAD技术仍然停留在辅助绘图、电子文档管理等低层次工作上，并未发挥其最大的功效，也未能显著提高产品质量、降低成本、缩短开发周期、因此必须将先进的设计理念引入碟簧产品设计、工艺设计和模具设计等设计开发领域，加快企业信息化的进程。

　　2 基于知识的碟簧产品智能化设计

　　设计是对求解问题的分析、综合和决策活动，依赖于人类知识。基于知识的智能化设计实质上就是以产品知识为核心，进行知识处理包括分析、综合和决策的过程。它以产品的设计模型为基础，分析归纳出产品的各类设计知识，将其显性地表达出来，通过设计知识驱动产品模型[1]，实现产品的智能化设计。

　　良好的产品设计模型是产品进行智能化设计的保证，采用先进的基于特征的参数化建模方法建立产品的三围参数化模型，使用参数、公式、表格、规则和检验等手段将设计人员的经验知识表达为显性的知识[1]，并运用各种推理方法驱动产品设计模型，实现不同环境下产品的智能化设计。下面运用先进的基于特征的三维参数化设计软件CATIA V5对碟簧系列化产品进行智能化设计建模。

　　2.1 建立碟簧的三维参数化模型

　　分析碟簧的几何特征和尺寸参数可知，碟簧为旋转体，其几何特征参数主要有外径、内径、厚度、内锥高、自由高度等。提取碟簧的截面形状，如图1所示，在某平面上建立截面的完全约束草图，运用旋转特征的方法生成基本模型。由于部分碟簧具有支承面，可将其设计为倒角特征，最终完成碟簧三维模型。

　　2.2 分析归纳表达碟簧的设计知识

　　据上述分析碟簧除具有几何特征参数外，还有材料特征参数和系列特征参数。碟簧的几何特征参数包含于碟簧三维参数化模型中，并与尺寸约束表达的系统参数具有一一对应的关系。用户参数是由设计人员建立的，与系统参数一一对应，如图2所示。分析两者之间的关系，并建立公式显式地表达出来，通过用户参数控制碟簧三维模型。碟簧尺寸的变化形成了几何特征参数表，表中参数为同类碟簧的不同参数值。

　　碟簧是系列化产品，不同的碟簧系列有不同的几何尺寸与力学性能，也就形成了多种的几何特征参数，因此还应在碟簧模型中建立由系列特征参数控制的不同的几何特征参数表，将表中的数据传递给对应的几何参数，从而实现只要改变表中的当前记录就能得到不同碟簧三维参数化模型。

　　碟簧设计时要求，当碟簧厚度大于6mm时，应设计支承面，因而建立根据碟簧厚度参数t判断支承面是否存在的规则，控制碟簧模型中倒角特征的激活动和相应倒角的参数。

　　经过上述分析，碟簧设计过程中，隐性的设计知识都能通过知识的各种表达方法表示为显性的设计知识，为设计模型的推理提供了知识基础。

　　2.3 运用基于规则的推力方法实现碟簧产品的智能化设计

　　实现智能化设计的推理方法很多，包括基于规则的推力，基于事例的推理和基于神经网络的推理方法等。三维参数化模型中包含具有前因后果关系的公式以及规则，模型可根据规则和公式进行基于规则推理，最终依据修改的特征参数自动设计出碟簧三维模型。

　　3.基于知识的碟簧工艺智能化设计

　　工艺设计是产品设计的后续工作，主要包括零件工艺性审查、确定毛坯、拟定工艺路线、确定加工设备、夹具等以及时间定额等。随着计算机技术的发展，计算机辅助的工艺设计逐渐发展起来。但由于工艺设计与产品和工厂实际关系密切，经验性的工艺设计知识也是某一特定领域中特定产品所具有的，因此，要进行工艺智能化设计，首先应针对特定产品分析其工艺知识，并建立相关的工艺知识库。

　　就碟簧加工工艺来说，经过工艺人员长期的实践总结，其工艺路线和其碟簧几何特征参数厚度t具有密切的关系，并且针对不同范围内的普通碟簧给出了四种常用的典型工艺路线方案，如下表1所示。

　　由上表可以建立根据厚度参数选择其典型工艺路线的工艺设计规则;对于具有特殊要求的碟簧工艺设计，则应在典型工作路线中删除或插入有关步骤。同时根据相互之间的关系建立恰当的工艺设计规则，形成具有因果关系的规则集。

　　此外，在每次成功完成碟簧工艺设计后，每个成功的工艺设计都能作为后继新的工艺设计参考，将成功设计加入工艺事例库。每当进行新的工艺设计时，运用基于事例推理的方法，从以往的工艺设计事例挑选出相似的事例，并根据具体要求修改工艺路线，最终制定合适的工艺路线。

　　碟簧工艺智能化设计可以单独或联合使用基于规则推理和基于事例推理两种方法。在产品开发初期，可以使用基于规则的推理方法进行设计，当成功的工艺设计事例积累到一定数量时，则可单独或联合运用基于事例的推理方法，以提高设计效率。

　　4 基于知识的碟簧模具智能化设计

　　在产品设计开发中，工装模具设计是继产品设计、工艺设计之后的一项关键的工作，由于其对设计经验和技术要求高，往往成为产品开发中的一个瓶颈环节。为了提高模具设计的效率和质量，缩短开发周期，降低成本，就需要将知识工程的原理和方法与CAD技术相结合，形成先进模具设计理念。基于知识的模具智能化设计，不仅能使得模具设计工作与产品设计和工艺设计等并行地开展，而且使用知识驱动模具模型，使之智能地根据产品设计要求改变模具的结构尺寸。模具设计知识通常也是针对某一特定领域中的产品而言的，主要由经验性知识和图表知识等构成。因此模具设计的知识积累和显性表达也成为模具设计的关键。

　　就碟簧模具设计来说，采用何种模具结构方案取决于其冲压工艺方案，因此建立控制冲压工艺方案和模具结构方案对应关系的专家规则是模具智能化设计的重要环节。依据企业长期积累的经验，碟簧的冲压工艺方案主要由碟簧厚度参数t决定，如表2所示。

　　根据上表中设计经验，建立从碟簧厚度和加工精度推断出其冲压工艺方案以及冲压工艺方案推出碟簧模具结构方案的规则集，最后形成一个碟簧模具设计的推理网络。根据推理结果，运用三维参数化建模技术，建立碟簧模具的三维模型。分析模型中各零件部件之间的尺寸联动关系，建立协调各零部件尺寸的公式和规则。对于在设计中使用的一些图表，使用IF-THEN的规则形式显性表达，最终形成一个基于知识的碟簧模具模型。

　　碟簧模具模型通过模型本身的基于规则的推理能力，当碟簧的原始设计参数发生变化时，就能根据碟簧模具结构方案的规则推理网络推断出的新冲压工艺方案结果修改模型中各零件部件的尺寸关系，自动生成相应的碟簧三维模具，获得碟簧模具三维参数化模型，如图3所示。

　　5 碟簧集成智能化设计系统的研制

　　现有CAD系统能够较好的处理产品设计各个环节中的具体建模工作，却不能处理产品开发过程中事务性流程性的工作，而这些工作正式系统集成要实现的对象。因此集成智能化设计系统可在CAD软件二次开发基础上，运用面向对象的语言开发研制。

　　按照碟簧产品设计开发过程，融入了智能化设计与并行设计的理念，采用集中式中央数据库，研制开发了该系统。该系统既可串行也可并行地进行碟簧产品设计、工艺设计和模具设计等工作。

　　6 结论

　　这里通过基于知识的智能化设计方法在碟簧产品设计开发过程中的研究和运用，建立了碟簧智能化设计系统，实现了碟簧产品设计开发过程的智能化。该设计方法是建立在现有的CAD软件和人工智能技术的基础上先进的设计方法，它以设计知识为核心，通过设计知识驱动设计模型，最终实现产品设计的智能化。它不仅能够提高设计效率和质量，降低产品开发成本和周期，而且还能将设计过程中各种隐性和显性的设计知识保存起来，以便知识的重用。

　　参考文献：

　　1 农业机械化学报.陈靖芯，李红，徐晶，周骥平等，基于知识的智能化设计方法及其实现.2003年第4期109~112.

　　2 机械设计. 陈靖芯. 徐晶等.基于CATIA的三维参数化建模方法及其应用.2003年第8期54-57.

　　3 模具工业.陈靖芯.徐晶.李红.CATIA V5环境下碟簧模具智能化设计方法与技术.2003年第9期12~16.

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