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1、5第1章 汽车设计自动化概述第1章 汽车设计自动化概述1.1 汽车开发过程概述汽车开发的技术复杂、周期长、成本高，从概念到实物的整个过程包括需求分析、效果图、造型设计、总体布置、详细设计、强度校核、运动仿真、加工制造、小批试制、批量上市等各个阶段。现代汽车的设计以数字化设计为主，综合应用先进的计算机辅助技术如CAD、CAE、CAM提高设计质量，缩短设计周期，降低设计成本。一个完整的汽车数字化设计过程如图1-1所示。图1-1 汽车产品数字化开发流程汽车产品的数字化开发建立在计算机辅助技术的基础之上，CAD技术的发展使三维设计和虚拟装配成为现实；逆向工程技术（RE）极大地缩短了从造型到产品的转换周
2、期；CAE技术使结构分析和运动校核可以在设计阶段完成，避免了反复试验和试制；CAM技术使设计数据直接用于加工，大大缩短了产品的制造周期。这些技术的广泛采用使汽车产品开发发生了根本性的变革，使汽车产品也可以按照不断变化的客户需求进行及时响应，开发一个全新车型的周期已经从45年缩短到18个月左右。然而传统的设计工具始终是以几何造型为核心，对工程设计考虑较少，设计流程的优化、设计意图的捕捉、经验参数的重用都缺乏相应的解决方案。而汽车开发是建立在大量的已有产品开发经验和工程制造经验基础之上的，因此对于汽车产品开发而言，没有哪种技术能够比知识工程技术（Knowledge Based Engineerin
3、g，KBE）更具应用价值。汽车产品的设计周期长，技术含量高，对设计影响最大的往往是一些局部设计难点（如车身设计、总布置设计、悬架设计等）。这些设计难点技术含量高，要求设计者具有很高的专业技术素养和丰富的实际设计经验，培养一个专家级的设计人员需要很长的周期，并且一旦人员流动，相应的经验也被带走。通过KBE技术，可以将设计知识和经验固化下来：如设计流程、经验数据、工艺参数、加工方法等，使每个设计者都可以共享。可以毫不夸张地说，KBE技术使知识和流程重用成为现实，为产品开发带来了新的革命性变革。1.2 KBE技术的发展如图1-2所示，CAD技术的发展经历了以下几个阶段：（1）20世纪70年代，利用C
4、AD技术生成数字化图纸提高了绘制工程图纸的效率，但并没有真正起到辅助设计的作用。（2）20世纪80年代，参数化建模技术利用基于特征的CAD技术建立全参数化驱动的三维模型，并以此为基础，对整体设计和部件进行有限元分析、运动分析、装配的干涉检查和NC自动编程等，以保证设计符合实际工程需要。但这时的CAD技术只是面向产品开发过程中的某一环节。（3）20世纪90年代以来，基于过程的CAD技术使产品数据模型能够在全生命周期的不同环节间进行转换，支持集成的、并行的产品设计及其相关的各种过程，帮助产品开发人员在设计开始阶段就考虑产品从概念形成到产品报废处理的所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户要求。但是
5、，以几何模型为主的CAD系统无法将领域设计原理和知识、同类设计以及专家经验等融入到几何模型中去，因此无法实现知识型资源的重用，设计者仍然需要进行大量的重复性设计工作。在产品设计初期，这种情况影响了设计者的创新性工作。为了使设计者集中精力进行创新性工作，CAD系统必须帮助设计者从重复性的工作中解脱出来，尽可能地实现设计过程的自动化，这才是真正意义上的设计工具。（4）KBE（Knowledge Based Engineering）技术的出现，为这一问题提供了最有效的解决方案。KBE把工业界的设计标准、手册、规范、专家经验等知识经过组织、归纳和提炼与CAD/CAM/CAE/PDM系统有机地集成为一体
6、，从而真正实现了工程设计这个目标。KBE技术为解决传统CAD系统存在的问题提出了方案，如设计原理的体现、约束是否冲突、如何在设计阶段进行产品估价、设计制造是否可行以及设计的最终产品是否符合外观要求等，同时提供优化方案。KBE系统所要达到的目的是使产品信息在整个生命周期中都可得到应用，从而获得最优化方案。KBE是通过知识的驱动和繁衍，对工程问题和任务提供最佳解决方案的计算机集成处理技术。英国Coventry大学的KBE中心认为KBE系统是一种存储并处理与产品模型有关的知识，是基于产品模型的计算机系统；美国Washington大学认为KBE是一种设计方法学，将与下一代CAD技术紧密结合。它使用启发
7、式的设计规则，将涵盖构件、装配和系统的开发。KBE系统存储产品模型包含几何、非几何信息以及描述产品如何设计、分析和制造的工程准则。图1-2 CAD技术的发展历程如图1-3所示，KBE的内涵可以概括为：KBE是领域专家知识的继承、集成、创新和管理，是CAX技术与AI（人工智能）技术的集成。要使KBE系统成为工程过程的中心，必须使之适用于产品各个阶段的相关设计原则。要想从设计分析到制造都有效地利用KBE系统，就要求KBE系统具有柔性、开放性、可重用性并可用户化。图1-3 KBE技术的结构层次 KBE系统是深层内嵌于CAX系统之中的，而不是简单地添加到一个已存在的系统中，因此，KBE系统应具有下面的
8、基本功能：（1）知识的利用方便地访问知识数据库知识数据库以多种形式存在，可以是持续性存在的数据库或电子表格。KBE系统能够方便地访问这些知识数据库，因此，KBE系统的开放性非常重要。（2）知识的表示创建和应用知识规则知识规则是知识的一种表示法。知识表示就是描述世界的一组约定，是知识的符号化，这种方法方便地把人类知识表示成计算机能接收并处理的知识结构。知识表示法既要考虑知识的存储，又要考虑知识的使用。知识表示分为规则、谓词逻辑和框架等。规则是指一种行为的文本描述，这种行为对应于一定的输入，可以引用各种形式的知识库，并按照对应的逻辑条件产生一定的结果，如特征造型、参数计算、指定种类的选择或是违反约
9、束时产生警告等。知识规则在工程生命周期内的任何时候都可建立。规则的形式具有柔性，可适用于多种学科。因此，规则可在产品生命周期的各阶段使用。知识规则与其相关的对象一直保持相关性。例如，当应用知识规则建立一个几何体后，在其存在过程中，规则与几何体一直保持相关性。设计者可以利用这个规则编辑这个几何体，也可再生成一个新的几何体。如果没有这种相关性，再次使用这个规则就只能重新生成另一个几何体，而第一个几何体的信息与这个规则完全无关，这样整个生命周期就成为了一个严格串行的过程，不可能实现并行工程。（3）知识的获取具有知识的繁衍机制KBE系统具有“自我生成”的知识繁衍机制。KBE系统提供了繁衍知识的手段，拓
10、宽了获取知识的途径，允许用户利用KBE提供的工具添加自己的独特知识，从而对系统进行扩展。KBE系统将重复的设计和工程任务自动化，缩短了产品开发时间，将设计、分析、制造集成起来实现并行工作。使用KBE建立模型可以将几何造型与分析等结合起来，实现多学科优化，并确切地进行可行性评估，应用标准和实践经验来提高产品的质量，对设计实践、过程经验等知识信息进行数字化获取和重用，从而提高自动化过程的效率。近几年来，KBE技术已经从理论研究转向实际应用。各主要的CAD厂商相继推出了不同制造业领域的KBE解决方案。比较知名的有：UGS公司的模具工程向导（Mold Wizard）、齿轮工程向导（Gear Wizar
11、d）、汽车设计向导（Vichicle Wizard）、Dassult公司的CATIA知识工程专家（KWE）、PTC的专家模架系统（EMX）等。1.3 UG NX的知识驱动自动化（KDA）UG NX作为一个产品开发系统，致力于提供整个产品生命周期的解决方案。UG NX提供了知识驱动自动化（Knowledge Driven Automation，KDA）解决方案，将KBE系统与CAX软件系统完全集成。KDA是一个能够记录、重复使用工程知识并用来驱动、建立、选择和装配相应的几何模型的系统。通过将工程过程中可重复的片断自动化，帮助那些缺乏经验的工程师解决复杂的问题，KDA缩短了产品运行的周期。在汽车设计领域，这套解决方案包括一系列过程向导（Wizard），这正是本书介绍的主要内容。UG NX KDA的系统架构如图1-4所示。图1-4 UG NX KDA的系统架构
