1 前言

格柵除污機是污水處理中常用的環保設備。由于不同用戶所處的地理環境不同，甚至同一用戶所使用的多臺格柵除污機安裝位置的地理環境的差異，格柵除污機的設計形式為在結構大致相同的條件下非標專機的設計，即用按系列化、標準化設計的通用部件和按工件和形狀及加工工藝要求設計的專用部件進行專用設計，屬于一次性設計、一次性制造的單件生產的產品。隨著市場經濟的發展，企業之間的競爭也日趨激烈，企業的快速成反應能力，即更短的開發制造周期，更快的速度向用戶提供產品，已成為企業競爭能力的重要組成部分[1]。基于UG/NX的格柵除污機快速設計系統，可實現快速的變形設計、靈敏的自動設計，使格柵除污機設計有可靠的質量保證，能最大限度地滿足市場和用戶的需要。本文在UGⅢ軟件平臺上，利用UGⅢ提供的二次開發工具UG/Open API及Microsoft Visual C++ 6.0建立了格柵除污機設計的知識庫，將產品設計知識融合于產品的設計過程中，為產品設計質量提供了可靠的技術保障，縮短了產品設計周期，有效地提高了企業的市場快速反應能力與競爭能力。

2 系統的框架結構與工作流程

針對格柵除污機的設計特點，基于UG/NX的格柵除污機快速設計系統的結構和工作流程如圖1所示。

從圖中可以看出，本系統進行的格柵除污機設計，以知識庫、數據庫為基礎，運用獲取的知識進行快速設計，這種知識融合于產品模板中，包括成熟的格柵除污機產品、格柵除污機設計標準、相關的工程數據、專家經驗、科研結論等各種形式的知識。在進行產品設計時，系統中嵌入了設計推理和設計過程引導機制，設計者只需根據設計過程的引導通過人機界面按定單輸入用戶對產品的要求后，例如渠寬、渠深等主要工程參數、進行簡單的操作，推理機就運用這些事實與知識庫中的每個規則的前提部分依次進行匹配，將該規則的結論部分作為新的事實加入到產品設計過程中。整個設計自頂向下，從產品配置推理、總體設計、部件設計到零件設計逐層深入，并驅動數據庫進行相應更新，直到完成產品所有零部件設計，最后以產品的裝配形式提供給設計者進行設計質量審核，如果審核成功，則可以自動生成工程圖、BOM表及其它。如果設計人員需要針對本次設計進行零部件的局部修改，則可以人工修改對應部件的相關參數重新更新模型；如果設計者希望這種修改能被以后的設計所使用，則可以通過知識管理器對知識庫中的知識進行添加或修改，知識管理器自動將這種修改保存到知識庫中，同時驅動數據庫更新模型，并保證下次自動智能設計時自動選用這種修改。

3 關鍵技術研究

3.1 設計知識的挖掘

根據格柵除污機的特點和設計要求，在充分了解用戶需求的基礎上，對所獲取的知識進行抽象、歸納、整理，并按其來源和在產品設計中的作用不同分為公理知識、設計原理性知識、推理判斷性知識、產品結構知識以及設計流程知識。

(1) 公理知識

公理知識包括來自設計標準、手冊、規范及國內外成熟產品的范例等與格柵除污機相關的知識。如：客戶對格柵除污機的性能要求、格柵除污機的型譜數據、格柵除污機設計的國內外標準等。它反映了格柵除污機的性能指標、系列規格和國家標準等。

(2) 設計原理性知識

格柵除污機設計具有層次性的特點，格柵除污機及各部件的很多設計問題已歸納出具體的數學模型。如格柵除污機驅動功率的確定、齒耙在水下時牽引力的計算等。這類知識是格柵除污機設計中較為精確也較為重要的一部分知識，運用數學工具和設計基本理論我們能較好地把握這部分知識。
(3) 推理判斷性知識

推理判斷性知識是解決格柵除污機設計過程中特定問題的經驗知識，是專家長期從事格柵除污機設計工作的知識和經驗的總結。如根據渠深、安裝角度、水深等相關參數，確定中間導軌架的數量和各個長度，并核算格柵部件托渣板的長度，確定格柵部件中的托渣板的長度符合要求等。

(4)產品結構知識

產品結構知識主要反映產品中零件的幾何結構、尺寸，以及零件之間的空間約束關系，裝配關系、幾何對應關系。如橫梁的槽鋼數量根據水深以及槽鋼間的平均間距的變化而自動增加或減少。

(5)設計過程知識

設計流程知識反映了格柵除污機設計的特點和要求、控制著整個設計進程的進行。主要包括：產品的設計流程、評價原則等。如格柵除污機的設計步驟。

3.2 設計知識的表示和存貯

由于知識的類型、作用范圍或形式不同，其在系統中的表示和存貯方式也不一樣。

對于公理知識中影響產品配置的主要技術性能的各類知識，將其以表達式的形式存貯在部件文件中。例如控制格柵除污機配置的主參數渠深以表達式B的形式存放、水深以表達式H的形式存放。

對于公理知識中影響系統與EPR/PDM集成的知識，將其以特征的形式存貯在產品的主模型中。例如零件的材料、規格等信息以材料特征和管理特征的形式存貯。

對于公理知識中反映國家、行業標準等類型的知識，將其以記錄的形式存貯在數據庫中，例如零件材料、規格與國標號的對應關系。

產品結構知識中反映模型幾何特征的知識，以幾何形體元素的形式存貯在原型模型中。例如與格柵除污機側板、導軌形狀相關的知識以草圖的形式存貯。原型模型中不光包含零部件自身結構特征的信息，還包含處于抑制狀態的反映與其它零部件之間幾何關系的鏈接幾何體。對于反映產品中零部件的裝配關系、幾何關系的產品結構知識，本系統采用了關系型數據庫的方式貯存。例如，產品結構知識中反映裝配關系、幾何關系、參數關系的知識都保存在關系型數據庫中。

3.3 推理機的建立

推理機是系統實現自動設計的核心，本系統采用正向推理。在通過人機界面按定單輸入用戶對產品的要求后，例如，渠寬、渠深等，推理機將應用這些事實與知識庫中的每個規則的前提部分依次進行匹配，如果匹配成功，則將該規則的結論部分作為新的事實加入事實產品設計過程中。由于產品設計是自頂向下進行，這些結論將隨著產品設計的層層深入，又產生新的事實，直至最后完成產品的各零件設計。

對于以表達式方式存貯的知識，通過建立IF-ELSE規則，進行自頂向下的逐層推理，更改模型中的參數值，從而自動驅動產品模型的更新。對于以幾何形體元素存貯的知識，通過建立部件間幾何鏈接關系，進行自頂向下的逐層推理，更改不同部件的模型形狀，從而自動驅動產品模型的更新。

3.4 變結構自動設計

格柵除污機作為典型的系列化異構產品，隨著用戶要求的變化，其結構形式也會有較大的變化。例如：當水渠寬度大于等于2米后，為了保證其強度，其撇渣部件的結構將作較大的改變，同時側板的寬度也要作相應的增加，起著支撐作用的槽鋼的型號也作相應的變化。為此作者采用了尺寸驅動技術、約束驅動技術、幾何對象驅動技術和數據抑制技術，很好地解決了格柵除污機的變結構設計問題。

（1）尺寸驅動技術

尺寸驅動技術主要用來建立產品中零部件間的尺寸關聯。表達式是參數化建模的一個重要組成部分，通過它可定義和控制模型中的尺寸。表達式可用于控制同一零件中不同特征之間的關系和不同零件的特征間關系，通過這種方法可以建立零件內和零部件間的尺寸關聯。

（2）約束驅動技術

約束驅動技術主要用于定義標準件、通用件或通用部件在產品中的位置關系。例如格柵部件中的電液推桿與底座間之間的位置關系可以通過兩個對齊約束和一個對心約束來控制，如圖2所示。約束類型包括：配合、對齊、角度、平行、垂直、相切、對心、距離等。

（3）幾何對象驅動技術

幾何對象驅動技術就是將幾何對象聯接到其它零部件，使父部件與裝配中的其它組件中的幾何對象相關聯。當改變父部件中定義的幾何對象時，則抽取該幾何對象的所有部件中的對應幾何對象會自動更新，從而實現部件間幾何形狀的自上而下的控制。例如從格柵部件聯接來的定距板外形輪廓，如圖3所示。

（4）數據抑制技術

數據抑制技術就是通過在模型中添加控制組件或特征抑制的表達式，來控制部件和零件以何種方式存在于模型之中，包括組件抑制技術和特征抑制技術。組件抑制技術主要解決部件級結構變化問題；特征抑制技術主要解決零件級結構變化問題。

3.5 原型庫的建立

本系統采用“原型=原型模型+原型數據”的描述方法，將格柵除污機進行分類，把某一類原型抽象為一種相對穩定的模型框架，而這一類原型中的任一具體原型則表現為一組數據，即把設計實例中的任一具體實例的數據從圖形中抽取出來，采用系統建模技術或自動裝配再使兩者結合起來。在這過程中具體實例表現為數據庫中的一條記錄，這樣，原型實例的查詢、檢索轉化為對原型匹配和對數據庫的管理，簡化了實例推理的難度。

在建立原型模型過程中，反映零件內部幾何結構和參數關系的產品結構知識可以通過參數化建模技術來實現。例如國標件中的螺母，可通過參數化建模技術建立只與公稱直徑相關的三維參數化原型模型。而反映零件間幾何關系、參數關系的產品結構知識簡單地通過參數化建模技術則無法實現。反映零件間的幾何關系和參數關系的產品結構知識必須采用系統建模技術來建立原型模型。

3.6 原型模型自動更新

本系統采用了裝配克隆技術將原型模型克隆，并將克隆生成的三維模型加載到產品模型中。克隆生成的三維模型繼承了原型模型的全部信息，使加載到產品模型的三維模型包含有反映設計意圖和零件間幾何關系的產品結構知識。

通過克隆并加載到產品模型中的三維模型雖然包含有反映零件間幾何關系的產品結構知識，但反映這些產品結構知識的幾何體處于中斷狀態。本系統通過恢復關聯特征的方式使處于中斷狀態的鏈接幾何體重新鏈接，即恢復子模型與父模型之間的幾何關系，實現產品控制結構對新加載的三維模型的幾何控制。由于產品控制結構是根據用戶輸入的工程參數的要求定制，故新加載的模型將根據用戶輸入工程參數自動更新。

3.7 原型模型自動裝配

原型模型自動更新使新加入到產品模型中的三維模型的幾何關系、參數關系符合用戶的工程要求，但新加的三維模型的裝配關系還須根據裝配知識庫中的知識實現自動裝配。在原型模型自動裝配中主要解決的問題為：同樣零件不同的裝配關系的實現，如在格柵除污機中有大量相同的標準件，但這些標準件的裝配位置并不相同；父、子模型間裝配關系的實現；裝配模型之間的裝配關系的實現。

本系統在裝配知識庫中添加了組件名信息，模型對應的文件名反映加載的模型是否唯一，模型對應的組件名則表示加載后模型在裝配中的名稱，采用文件名+組件名的方式區分同名零件的裝配問題。父子模型之間的裝配關系，在建立原型模型時，將父、子模型的裝配關系通過鏈接幾何體表示，使父、子模型的裝配關系在原型模型恢復鏈接特征信息時自動更新。裝配模型之間的裝配關系，通過特征提升的方式，將反映模型裝配關系的幾何體提升到裝配模型中，再運用裝配模型中的提升特征實現自動裝配。

3.8用戶界面設計

用戶界面主要是提供設計人員輸入設計參數以完成設計的接口，UGⅢ提供了可視化的對話框編成環境，用戶可以根據產品設計要求方便地定制設計界面，大大縮短了產品設計系統的開發周期。圖4和圖5分別為快速設計系統的設計界面及格柵除污機的三維數字化模型。

4 結論

本文在UGⅢ軟件平臺上，將知識工程的實用技術與產品整體參數化設計技術有機地結合起來，開發了工程化、實用化、知識化的基于UG/NX的格柵除污機數字化快速設計系統。本系統通過對格柵除污機的用戶需求分析、提取格柵除污機設計及變型設計的有關知識并將其存儲在知識庫中，建立融合系統建模技術的原型庫，建立了基于原型推理為主的多層推理機制，能對格柵除污機設計的全過程提供快速支持。使用戶通過智能導引，輸入少量工程參數，進行適當人機交互來驅動設計過程，自動生成滿足客戶個性化需求的格柵除污機數字化樣機。下一階段將進一步研究系統知識庫和推理機的開發規律與技術，將CAE技術集成于系統之中，使產品設計水平從經驗設計上升到優化設計的層次。