手表数字化设计平台的设计与开发

唐海元，张明天，袁清珂

(1. 深圳市飞亚达精密计时制造有限公司，广东深圳518057;2. 佛山市工人文化宫，广东佛山528000;3. 广东工业大学机电工程学院，广东广州510006)

1 手表数字化设计平台的3 层体系结构

设计知识库、参数化设计技术、产品数据管理等是开发数字化设计平台的重要手段和关键技术［1－4］。根据手表产品的设计需求，综合应用有关技术，提出了如图1 所示的手表数字化设计平台3 层体系结构。

图1 手表数字化设计平台三层体系结构

数据层。是手表数字化设计平台的底层数据和文件管理系统，为平台提供数据和信息支持，包含产品数据、项目信息、用户数据、设计知识、材料信息等，由PLM 的数据库管理模块实现上述功能。

服务层。是手表数字化设计平台的进程和状态管理系统，实现应用层和数据层之间的协同管理与控制，由对象管理框架、权限管理、规则管理、多语言管理、状态管理等功能组成。

应用层。是手表数字化设计平台的设计功能系统，负责完成具体设计任务中的某一个或多个设计任务，包括用户登陆与权限控制、标准件、快速设计模板、产品设计知识、产品模板信息管理、产品实例库管理、项目文档与表格管理、虚拟样机等模块构成。

2 手表数字化设计平台关键技术与主要功能模块的开发

2.1 设计知识库的体系结构与知识表示

手表设计知识库是数字化设计平台的核心，其体系结构是实现手表设计知识库的基本框架，是集知识表达、知识推理、设计决策于一体的架构，如图2 所示。该体系由产品需求决策树、产品BOM、产品配置资源、产品特征变量事物特性表和产品设计资源等部分组成。

图2 手表设计知识库的体系结构

手表设计知识可分为3 类:事实类知识、规则类知识、模型类知识。事实类知识可采用框架表示法描述，规则类知识可采用产生式表示法描述，模型类知识以快速设计模板的形式体现。

产生式表示法的基本形式是“if P then Q”，其中:P 是产生式的前提，Q 是产生式的结论或操作。例如“机芯”的部分产生式表示法可表示为如下形式:

(1)Rule 01001

IF 机芯类型=石英

THEN 机芯编号=S001 or 机芯编号=S002 or 机芯编号=S003 or 机芯编号=S004 or 机芯编号=S005 or 机芯编号=S006 or 机芯编号=S007

优先级=20

规则解释=现流石英机芯

(2)Rule 01002

IF 机芯类型=石英and 手表等级=一般

THEN 机芯编号=S001 or 机芯编号=S002 or 机芯编号=S003 or 机芯编号=S004

优先级=30

规则解释=此类机芯价格便宜，适用于等级要求不高的手表

知识的使用可通过实例推理或规则推理来实现，例如，可根据输入条件“类型”为“螺纹底”、“材料”为“不锈钢”、 “表面处理”为“底平圆砂”，通过规则调用知识库中的知识，得到“不锈钢螺纹平底圆砂”手表底壳。该推理结果包含了所有设计信息，其推理过程如图3 所示。

图3 知识库规则推理

2.2 手表标准件库的设计与开发

手表标准件是常用零件，其结构形式和几何要素的拓扑关系相对固定，因此，可以在CAD 环境下建立其三维模型，并且通过几何尺寸约束建立约束关系，通过设置独立几何尺寸参数的变量化，实现标准件的参数化设计。手表设计中的常见标准件包括巴的、按的、表针、表带、表扣等。通过提取这些标准件的结构特征，确定其独立几何尺寸参变量，建立其参数化设计模板，将其放入标准件库中，通过程序调用并变更其尺寸参数，生成新尺寸的标准件，可以大大提高设计效率。

在进行标准件设计模板开发时，首先要分析标准件的结构特征，确定尺寸变量以及尺寸变量之间的约束关系，明确主要参数、主动尺寸和从动尺寸的关联性，设置尺寸变量名称，建立驱动变量表、变量之间的关联关系。

手表标准件库在UG 环境下开发，由TD-PLM 系统管理。使用时，启动手表标准件库模块，选择所需标准件、输入标准件的有关参数，系统自动生成新的标准件，以备装配使用。可采用下拉菜单选择型号系列来确定标准件，也可以通过输入特征参数查询。

2.3 手表快速设计模板模块

手表结构通常由机芯、表壳、表盘、表针等部件组成，如图4 所示。

图4 手表产品结构

根据企业实际手表类型，提炼出几种基本款式形成平台产品，建立其参数化三维模型及约束装配关系，通过改进设计或变形设计，可以实现手表新产品的快速开发。建立手表结构快速参数化设计模板时，需对手表结构进行结构特征分析，提取特征参数、约束装配关系，以及参数定义。首先建立零件三维二维模型，再建立装配模型，形成平台产品的参数化设计模板。零件之间的约束和装配关系，可用UG 提供的关联对配合进行关联，保持其尺寸关系与约束关系的一致性，然后利用UG 二次开发技术编写驱动程序，实现设计模板参数化驱动，其驱动流程如图5所示。

图5 参数化驱动的设计流程

3 手表行业数字化设计平台的开发与应用

手表产品数字化设计平台的开发经历了需求调研、理论研究、系统设计、详细设计、方案确定、软件开发、测试完善、试运行、改进完善、系统定型等10 个阶段。

应用该平台进行产品设计与开发，工程师首先接收到开发任务，根据指定的任务进行有关市场调研、结构分析、结构设计、性能分析、知识库管理、实例库管理等工作，完成工作过程中的部分界面如图6—7 所示。

图6 结构设计工程师系统界面

图7 产品实例搜索结果

4 结论

所开发的系统具备上述提出的各项功能，现已在企业得到广泛应用，取得了良好的效果。得出以下结论:(1)数字化设计技术是提高产品开发效率和质量的重要手段;(2)基于产品设计知识库、实例库、参数化快速设计模板等技术可以大大地提高设计效率。

［1］何丽，孙文磊，王宏伟．基于UG 的Web 三维零件库系统开发［J］．机床与液压，2012，40(11):91－95．

［2］王晓虎，翟华，李小慧，等．复杂大型框架式液压机参数化设计研究［J］．机床与液压，2012，40(21):106－107，112．

［3］陈青，李青祝．基于NX 的组合机床智能化设计系统开发［J］．机床与液压，2013，41(19):122－124．

［4］刘杰，辛杨桂．基于VB.net 的三维集成块校核［J］．机床与液压，2014，42(14):86－88，140．