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基于知识管理和U G的自行车车架CAD系统 张祥林,梁 磊,耿忠林 (华中科技大学,湖北 武汉430074) CAD System of Bicycle Frame Based on Knowledge Management and U G ZHANG Xianglin,LIANGLei,GENG Zhonglin (Huazhong University of Science and Technology ,Wuhan 430074 ,China) 摘要:研究了在U G平台上的自行车车架CAD 软件的设计方法.将知识管理技术( KM)引入到三 维CAD设计中,给出了基于知识管理技术的自行 车车架设计模型,构建了车架CAD系统框架,系统 实现了CAD与ERP系统的数据共享.实际使用表 明,该软件提高了自行车车架CAD的适用性和设 计效率. 关键词:自行车;车架CAD ;U G;知识管理 中图分类号:TP391. 72 文献标识码:A 文章编号:10012257(2006)03006403 收稿日期:20051013 Abstract :This paper states the design method2 ology of CAD software for bicycle frames system based on U G and knowledge management. This 3 D CAD method adopts knowledge management technology.Based on that , a function model of bi2 cycle CAD frame is given. The CAD system is also integrated seamlessly with the ERP system. The software application in a factory indicates that the method is practicable ,flexible and can improve de2 sign efficiency obviously. Key words :bicycle ;frame CAD ;U G; KM 0 引言 随着信息技术的发展,制造企业面临着市场全 球化的挑战.如何提高产品创新能力和快速响应能 力,已成为企业提高自身竞争力的关键.在自行车行 业,国内外的竞争非常激烈,生产厂商的反应速度往 往会成为客户考虑的重要因素,如何把客户需求真 实迅速地反映出来,是困扰他们的主要问题.另外, 设计人员缺乏也是制约自行车行业技术创新的主要 原因之一.针对目前的情况,在U G平台上,充分利 用U G的特点及其强大的二次开发能力,设计了一 套专用的自行车车架CAD系统.该系统引入了知 识管理技术1,结合U G平台对这些知识进行了分 类,为设计人员提供了强大的知识库. 1 自行车车架设计模型 在实践中,知识管理技术能够发挥作用的地方 在于对显性知识的管理,利用知识管理技术可以在 显性知识的获取、 整理、 审核和发布的过程中促进效 率更大程度的提升.由此可见,知识管理不是知识和 技术的简单转移,而是一系列信息技术的突破和提 升,是一项系统工程,可以理解为在组织、 技术和个 人三者的基础上,产生、 共享、 应用和创造知识.知识 管理的核心是知识资产数据仓库,本世纪以来,它已 成为企业核心竞争力的一个重要因素.大型自行车 企业引入知识管理技术,实现设计、 生产和管理的信 息化将成为企业提高自身竞争力的重要手段. 自行车整车制造企业的设计重点是车架的设 计,其设计难点主要在于变化及衍生种类太多.现有 设计方式主要是人工设计,重复性劳动多,设计随 意.引入知识管理技术,建立知识管理解决方案2, 可以很好地解决上述问题.经研究,建立车架知识管 理平台的主要包括以下方面的内容. a.建立知识仓库,即制定车型车款编码表、 车架 分类表、 车架零件描述原则和车架零件代号编码表, 工装夹具分类并编码,管件模具分类并编码,将上述 规则制定好后录入到相应的数据库中. b.清理车架结构,将车架主体与车架标准零件 之间的关系描述为知识地图,通过知识地图说明车 架CAD软件的架构. c.区分设计层次,将车架设计分为概念设计和 46 1机械与电子22006(3) 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 具体设计2层,概念设计主要是应用在产品开发的 初级阶段,具体设计主要指产品图纸设计.前者侧重 分析和管理,后者侧重CAD建模和制图. d.创立反馈机制,主要是对各部门的设计人员 使用车架知识管理系统后的成果进行评估,便于知 识库的更新和完善.同时也促进企业设计团队向学 习型组织发展. 在此基础上建立的知识管理平台与U G软件 CAD开发平台相结合,并参考基于知识的产品概念 设计原型3和三模式概念模型4,构建了基于知识 管理技术的自行车车架设计模型,如图1所示.知 图1 基于知识管理技术的自行车车架设计模型 识管理平台在车架概念设计阶段的首要部分得到应 用,知识处理器主要将知识库的内容调入到方案整 合阶段和数据库管理系统中,并实时更新知识库;概 念设计部分主要是确定CAD系统的整体思路;数 据库管理部分主要涉及到数据存储和与其它MIS 进行数据交换等. 2 系统实现框架设计 如前文所述,传统的设计方式存在效率低下,设 计质量差的问题,已经不能满足现代企业的生产要 求.针对这个问题,可确定车架CAD系统的总体目 标. a.输入客户需求后,快速查询已有车架并推荐 相近方案. b.参数化设计车架和车架零件. c.自动与交互相结合,能够给设计人员提供很 好的设计向导. d.能生成二维的工程图,指导实际生产和加工, 并继承三维图中相关的数据. e.能智能装配车架零件. f.能生成车架零件BOM ,输出车架生产的工艺 清单,模具BOM. g.与企业现有ERP系统实现数据共享. h.良好的用户界面,易于操作. 根据以上目标,制定了详细的软件需求说明书, 数据库说明书,采用至顶向下和至底向上的设计方 法相结合,提出了车架CAD系统的实现方案. 3 车架CAD模型分析 CAD建模,理想方式是建立数学模型或找出控 制点、 线、 面等,这样建立的模型易于控制和修改.车 架的外形虽然复杂,但是经过专业化处理,也可以获 得理想的建模方式.一般而言,车架设计流程如图2 所示. 图2 车架设计流程 从上图可以看出,车架设计很大程度上依赖于 客户的感知,客户需求会随着市场反映很快变化,市 场上流行什么样的自行车,需尽快反映在产品设计 中,自行车的款式基本上由车架款式决定.因此,车 架设计的灵活性和不确定性比较大,要提高设计效 率,就必须找到通用的设计思路.经过反复研究,发 现车架基本结构相似,功能也相似,不同类型车架的 设计流程也一样.通过论证和探索,把车架设计分为 4个部分,即结构参数设计,管件设计,车架零件装 配和工艺设计,具体如下. 3. 1 结构设计 车架分类之后,将同类车架抽象成只含有管件 中心线的结构草图.不同种类的车的结构草图不一 样,但其基本结构参数的描述一样,对这些基本结构 参数统一命名,形成特定的表达式,车架参数信息记 录在表达式里,通过修改表达式的值实现对车架结 构的参数化驱动.车架基本结构模型如图3所示,所 有车型都是由这个基本模型衍生的,通过对基本结 56 1机械与电子22006(3) 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 构模型架构的调整,可以形成多样化的模板类型,设 计人员只需要在模板的基础上实现设计就可以了. 模板由经验丰富的专业设计人员制作. 图3 车架基本结构模型 3. 2 管件设计 管件的外表面通常不规则,采用离散设计方法, 将管件设计分为导引线设计和管截面设计. a.导引线设计继承车架结构模型中的中心线, 可以看作是管截面中心法矢的运动轨迹. b.截面设计,首先确定截面在导引线上的位置; 然后在确定好的位置设置相应形状的截面,通过扫 描的方式得到近似程度很高的管件.管截面也设计 成参数化模型.管件的信息通过UDF(用户自定义 特征)记录. 管件设计模型如图4所示. 图4 管件设计模型 3. 3 车架零件装配 在非规则曲面上装配车架零件,定位非常复杂. 设计人员手工操作不仅效率低下,而且要求对图形 软件操作非常熟练,企业的实际技术水平往往达不 到要求.通过仔细的分析,引入实例化概念,把整个 装配过程划分为3个步骤:通过近似的处理,简化零 件装配约束关系,并对装配关系分类处理;建立零件 模型,涉及到装配的定位面和定位轴统一命名,便于 与车架模型自动相匹配;根据记录的结构信息与管 件信息实现智能定位和装配.结合U G参数化建模 方法5建立零件库,通过人机交互界面输入参数完 成调用来实现装配过程.这样大大降低了操作强度, 提高了设计效率.车架的BOM信息用零件属性记 录,再一起输入到二维工程图中. 3. 4 工艺设计 包括工艺成本核算和管件模具设计.主要是操 作数据库,将工艺信息调到设计界面上供设计人员 参考.设计人员将修改后的结果保存在指定目录,作 为ERP系统中后续处理模块要使用的数据源.这样 在设计完成后, ERP系统可以根据生成的车架 BOM表,结合管理成本等迅速而准确地给出报价. 设计思路的改变,从本质上改变了设计者的设 计方式,也让设计效率和设计质量有了大幅度的提 高;运用开放式的数据库管理系统,可以把以前设计 过的各层次的图纸(包括管件,管截面,车架,零件 等)全部保存,这样可以保证设计知识的自动继承与 发展,把新创造的知识和技能返回到知识库中,继续 完善知识管理系统,形成良性循环. 4 结束语 通过上述设计方法,成功地开发出基于知识管 理技术和U G的自行车车架CAD系统,系统在广 州某公司实施后,取得了很好的效果,完全达到了所 定的功能目标,提高了该公司的设计水平和生产效 率,降低了设计成本.以上提出的车架CAD系统的 开发方法,充分利用了KM方法的优点和U G软件 强大的参数化设计能力以及二次开发能力,并且有 针对性的运用到了自行车行业,对自行车CAD系 统的研发将会起到一定的借鉴作用. 参考文献: 1 孔繁胜.知识库系统原理M.杭州:浙江大学出版社, 2000. 2 万君康,杨 群.产品开发中的知识管理J .科研管 理,2005 ,(3) :111 - 115. 3 邓乾旺,于德介,等.基于知识的计算机辅助产品概念 设计原型的研究J .机械设计与制造,2003 ,(5) :39 - 41. 4 陈禹六. IDEF建模分