自行车车架设计

在竞争激烈的市场化要求下,自行车的设计出现了以下两个特点:速度快、造型美观适用.在当代制造工艺已

比较成熟的情况下,自行车的造型设计变得相当重要.知识工程(Knowledge Based Engineering,KBE)具有多种知识表示和推理决策的能力,将其运用于快速处理自行车车架的工艺结构设计、造型设计过程及决策过程,可有效处理复杂的工艺知识和各种图形知识,达到快速设计的目的.

在竞争激烈的市场化要求下，自行车的设计出现了以下两个特点：速度快、造型美观适用。在当代制造工艺已比较成熟的情况下，自行车的造型设计变得相当重要。知识工程（Knowledge Based Engineering，KBE）具有多种知识表示和推理决策的能力，将其运用于快速处理自行车车架的工艺结构设计、造型设计过程及决策过程，可有效处理复杂的工艺知识和各种图形知识，达到快速设计的目的。

一、KBE技术的内涵和关键技术

KBE的基本思想是在工程设计中重复利用已有的知识和经验。这些知识和经验以各种形式存在，如设计手册、工程公式、经验数据表格和专家设计经验等。KBE系统是一个知识处理系统，知识表示、知识利用和知识获取是KBE系统的三个关键技术。知识表示即怎样系统地陈述问题并使它们易于求解；知识利用中最主要的是搜索技术，怎样聪明地控制解的查找，使其不至于使用太多的时间和花费过多的计算机存储空间；知识的获取和编码则是KBE系统最重要的方面之一。

二、自行车设计概况

1.国内外自行车设计概况

有前人用AutoCAD二次开发技术在自行车车架设计上做过研究，但是成果并不明显。其中一种实现方式是：用AutoCAD内部嵌入的一种程序设计语言AutoLisp来完成常用的科学计算和数据分析，同时又能调用几乎全部的绘图命令。使用该程序能自动完成车架简图的绘制，然后自动提取关键参数进行分析判别并反馈出最后结果，以实现优化设计的目的。

还有人在自行车CAD技术上做过参数化设计方面的研究。建立参数化设计系统的关键是建立一套描述参数和尺寸之间关系的约束方程，然后根据一组尺寸参数求解出新的设计参数。采用这种方法进行设计，仅需输入必要的参数，计算机就可自动生产出所需部件的图样。这种方案只适用于结构变化不大或按一定规律变化部件的设计与绘图。结合自行车设计的特点，这种方法有一定的可取之处。但对于造型设计复杂、变化多样的情况，则是不能满足实际设计要求的。

采用三维软件进行设计可达到缩短产品开发周期，降低设计成本的效果，还能使二维平面设计软件不容易表达的曲线和曲面在三维设计上变得容易实现，且效果直观，有利于设计人员和客户之间的直接沟通。

2 .自行车基本结构及工厂设计流程

自行车由九大部分组成，如图1所示。其中最主要的部分是车体。车体由车架、前叉、车头组件、中轴组件、鞍管组件和贴花等组成。

图1 自行车组件图

车架设计是自行车设计中最关键和核心的部分，其设计主要分为前三角的设计、后叉片的设计和后三角的设计。前三角的设计包括五通、立管、头管、上管和下管的设计。后三角的设计包括平叉和立叉的设计。后叉片主要用来连接后轴、平叉和立叉。后叉片的设计应在前三角完成以后，后三角设计之前完成。车架结构如图2所示。

图2 车架结构示意图

充分了解工厂工作流程将有助于在设计系统时充分考虑各部门间的配合、设计人员操作习惯和经验的积累，并有利于达到知识工程重复利用已有知识和经验的目的，图3所示为某自行车公司的工作流程。

图3 工作流程图

三、知识工程在车架设计时的应用

车架CAD设计共分为选择查询、结构优化设计和快速建模造型设计三部分。整体思路是先将车架各管的中心线画出，制作成各式模版，然后进行结构调整并对设计参数进行优化修改，最后再进行管件造型设计。三部分分别采用了不同的KBE技术，取得了良好的应用效果，下面将进一步介绍各部分采用的不同KBE技术，并分析其使用原因。

1.选择查询

选择查询采用了基于实例的知识表示，在工程设计领域，它有着广泛的应用。实例蕴涵着丰富的专家知识，可以为当前的设计提供有价值的参考。

自行车车架的设计相对自由，样式多种多样，共分为11种款式。各款式中部分管件的搭接形式又不相同，因此衍生出各式不同的车架外形。从车架设计条件描述中抽取出共同的特征及特殊特征并建立筛选条件，根据这些条件能从实例库中搜索并选择出与设计要求最接近的实例，进行改进设计。实例包括骨架实例（既中心线模版）和成品实例两部分，可根据不同的用户需求选用不同的实例。

2.结构优化设计

结构优化设计包括参数化驱动、参数的程序优化求解和结构优化三部分。

(1)参数化驱动。近似实例调出后，接下来将进行参数优化修改。对结构相似的实例，只需修改其参数具体数值。参数分为关键结构参数和普通结构参数，关键结构参数用统一规划的表达式记录并保存于数据库中，普通参数则采用自动分配的表达式。参数修改通过修改表达式的值来实现参数化驱动。系统设计则能够读出实例中的关键结构参数并提供了修改工具。常用的关键结构参数主要来源于自行车行业设计标准、专家设计知识经验和生产经验，并用数据库进行管理。数据库中主要记录了部分车架关键结构参数的经验数据及实例数据。

普通结构参数的修改则提供了专用的修改拾取工具，能够拾取实体对象并读取相应的表达式，关键结构参数的修改亦可用其实现。普通结构参数通常根据客户的实际订单需要来确定。

(2)参数的程序优化求解。优化计算时，由于未知参数很多，部分设计参数采用逆运算的方法，即将未知量按设计经验假定为已知量，然后以微量增量的方式进行迭代试算，直至算出符合要求的参数为止。例如，在计算五通下垂量及已知毛坯圆管直径计算变截面管的相关参数时就采用了这种方法。以变形后截面是水滴型为例，如图4所示，在假设变形后截面周长和原截面周长保持不变的条件下，其求解方程如下所示：

图4 圆形管变形为水滴管

其中，D为毛坯管直径，R1为水滴管大半圆半径，R2为水滴管小半圆半径，β为大半圆半径与竖直中心线交角。将此方程的解看作是正切曲线和一条直线的交点，循环给出β的一个初值，直至使等式两边满足一定的条件为止。代入公式：

即可求得水滴管的轴向高度B。此方法并未直接以水滴管的轴向高度B为未知参数求解，而采用了过渡未知参数β进行方程求解。第二种方法是采用试算法，即一些参数必须给出，但是又不能确定，用另外一些已知的参数试算出这些参数，但这个参数以后可能还是会修改的，并且要能和其相关的对象实现关联设计。

(3)结构优化。车架设计中，后叉片是一个关键部件，如图5所示。

图5 后叉片及平、立叉装配图

由于本身设计较为复杂，为了使后叉片的设计不影响后面工序的设计，将后叉片的造型设计与选用和定位设计分开进行，举例采用了自顶向下设计、自动装配和关联设计相结合的方法。首先将设计好的后叉片放入指定目录下，并采用数据库进行分类数据管理。然后将后叉片与主模版的对应装配关系抽取为一个矢量平面和两个矢量轴，这样在进行车架设计时只需按要求选用适合的后叉片即可装配到位，而位置的调整也可通过界面调整参数达到设计要求。最后的关联设计主要采用了Smart point（智能点）和UDO（用户自定义）两项技术实现。智能点用来连接后叉片和平、立叉的关键接触点，能够在后叉片位置改变或所选用后叉片改变时，实现关联对象的自动变化，并能够在一些参数不满足基本要求时自动给出提示。

3.快速建模造型设计

造型设计主要指管件的造型设计。其具体实现方式如下。

(1)在管件导引线（中心线）的不同位置按要求给出截面的轮廓形状（截面形状导引线）。车架截面形状有圆形、椭圆形、水滴型（又分正水滴、反水滴）、方形、菱形和8字形等，可以先基于KF规则创建几

何建模特征和知识表达式的特性，然后采用UDF（User Defined Feature）用户定义特征建立装配件，即将截面形状画好作为一个装配件，做截面时只需将相应的截面调出即可，截面的形状参数则通过读取相应的知识表达式达到快速修改的目的。

(2)通过扫描将管件外形做出。扫描中心法矢的运动轨迹是管截面形状引导线，此引导线不做成整个的封闭曲线，而是将各位置上的引导线分割为同段数的曲线且使对应曲线的切线方向一致，否则扫描出的管件容易扭曲。此时做出的是一薄壁管。

(3)加厚形成管件的厚度。

(4)连接管件间相交部分的剪切。当用户拖动管件导引线时，管件能够关联变化。

采用此实现方法充分体现了对知识和规则的重用性。对象间的关联设计用UDO的方法，将管件的一些列数据记录到UDO中，实现完成了管件的自动剪切、自动标注、尺寸检查、BOM表的自动生成和模具查询等关联设计。图6所示是用开发的车架CAD模块设计出的减震自行车车架图。

图6 减震自行车车架图

四、结束语

运用知识工程，使自行车车架设计工作从原来需两天时间，缩短到目前的两个小时，大大缩短了车架设计的开发时间，方便了设计方案的交互设计、修改和验证，更有利于二次利用时缩短设计再修改的时间，使企业在激烈的市场竞争中赢得主动。本例的成功同时也表明了知识工程在中小型企业内应用已成为可能，知识工程将使企业具有更大的竞争力。此外，知识工程还允许用户保存那些在实际应用中有用的工程知识，当需要时能很快找出并重复利用。