摘要 本文从知识单元的基本概念出发，将公理化设计与知识单元有机结合在一起，以注塑模热流道系统设计为载体，提出了基于公理化设计和知识单元的概念产品信息建模方法，并建立相应的模型。
关键词 公理化；知识单元；热流道；概念设计
中图分类号TK1文献标识码A文章编号 1674-6708（2011）38-0076-02
0 引言
在传统的CAD系统中，普遍采用的特征建模技术为参数化，设计人员构思好自己的设计，通过CAD系统完成二维和三维图纸，这种模式的产品设计效果较高，但这主要面向的是产品设计的详细设计阶段，怎么样将参数化设计拓展到概念设计方面一直没有强有力的支持。概念设计是新产品开发过程的早期关键活动之一，是新产品开发的关键因素。概念设计包含了从产品需求分析到进行详细设计之前的设计过程，包括功能设计、原理设计、布局设计和初步的结构设计；概念设计不仅与需求分析、详细设计紧密相连，其内部的各个环节也相互依赖，互为驱动，因而概念设计是一个相当复杂的产品创新设计过程[1]。
要使CAD系统能支持概念设计过程，需要实现从概念设计到结构设计间的信息传递，要对概念设计产品信息建模。在概念设计阶段产品信息是模糊和不确定的， 这使得以精确尺寸为特征的传统CAD 建模技术无能为力， 因此， 要支持计算机辅助概念设计， 就必须要建立面向概念设计的产品信息建模技术。
本文在研究前人的成果基础上，以注塑模热流道系统设计为载体，提出了基于公理化设计和知识单元的概念产品信息建模方法，并建立相应的数学模型，使得计算机能更好的支持概念信息。
1 知识单元
知识单元（Knowledge Unit，KU）是描述某一对象或事物的知识子集，反映对象或事物的内容与结构特征、问题描述、推理规则及方法等。知识单元表达概念信息，是产品设计知识系统的基本元素，知识单元在结构层面属于不可细分的知识，可有效地对产品信息单元结构化。知识单元的表达可以用下面的公式：
KU = {N，M，H，X}
1）其中N为知识单元的标识属性，ID号是的标识符号。Name是名字， Des_Unit为文字描述，可以为后面的设计模块运用；
2）M是一个三元组，其中C为相应特征集。表达系统基本的结构特征、功能特征和技术特征；V（c）是C的量域；R（c）表达了特征与其它层次相应特征之间的关联；
3）H表征知识单元的层次信息。Layer表示知识单元在设计任务分解中所处的层次。ParentKU是父知识单元， ChildKU是子知识单元；
4）X表征知识单元的公理信息，是对特征的属性值和关系的属性值的约束，以规则的形式表达。ConRules是用来激活知识单元的条件；EndAim是此知识单元的最后求解目标；RuleSet是规则集合；ConseqProc是推理过程。
知识单元从语义层面可以细分为原子知识单元、因子知识单元以及复合知识单元。利用“属性”概念，可以对它们分别进行数学形式上的广义化定义，因为“属性”不但可以描述事物或对象的状态、特征或性质等，也可以描述解决问题的方法或过程。
以多腔注射模热流道系统为例，热流道系统结构一般由浇口、喷嘴、流道板组成，其中可定义为原子结构单元的有:浇口{类型、位置、大小}；喷嘴（因可在市场上买到）{类型、加热方式、大小}。而流道板通常采用多层及平衡流道的组合设计，其腔数根据实际需要选用，最多可达148腔。最基本的特征模型有一模2腔、一模3腔、4腔H型、4腔X型流道模型。在这里我们定义这几种基本的特征模型为原子结构单元，其基本概念信息属性包括{结构，材料，尺寸、形状、基准、加热方式}。原子结构单元中基本属性组合和传递之因子结构单元，组合为6腔、8腔、12腔、16腔模；同理，复合结构单元为24腔以上的多腔模，由原子知识单元和因子结构单元模组合而成。
2 公理化设计理论
在公理化设计(Axiomatic Design，AD)中，设计世界由四个区域组成：分别是用户域、功能域、物理域和过程域。域之间存在映射的过程，如图3所示，前面的域相对后面的域表示“我们要到达什么”，而后边的域相对前面的域则表示怎么解决。
将公理化设计应用于机械产品设计领域，我们可以将机械产品的设计过程参照各个域之间的映射过程，则各个域可以分别表示为：首先，“用户域”即客户所希望的产品的属性；根据用户的需求，我们可以明确确产品功能的要求{ FRs}，即“功能域”；然后根据产品的功能要求确定产品的零部件结构及其设计参数{DPs}（“物理域”）；最后得到能控制设计参数的过程变量（“过程域”）
设计过程中这些元素根据设计要求可以分层表示(即分解) ，每一层的各个域中都存在相应的设计目标，高层次的决策影响低层次问题的求解状态。设计就是在各个域中曲折分解而进行设计问题的求解，直至分解到各子问题都已经解决为止。功能域和结构域的层次结构以及其之间的“之”字形映射关系，结构域与过程域之间存在有同样的关系。
3 基于公理化设计和知识单元的概念产品信息模型
产品的实质就是功能的载体，实现功能是产品设计的最终目的，而产品的承载者就是产品实体，概念设计的重点就在于根据功能需求来进行设计，设计的目的就是为功能需求提供最佳的解决方案。公理设计理论经过多年改进和发展，已经成为一种比较成熟的新产品概念开发方法。公理化设计中，功能域和结构域之间是直接的映射关系，我们可以根据公理化设计的原理，应用知识单元的定义对产品信息进行表达，建立基于公理化设计和知识单元的概念产品信息模型库。
产品信息的知识表达是从产品总功能描述开始，并映射到结构域，然后逐层分解功能要求和相应的设计参数，直到不需要分解为止。当结构域的分解到最小的原子知识单元时，就不再往下分解，即将结构域的叶结点跟原子知识单元一一映射。在每一层的描述结束时，需要对每一层进行整合，形成每一层次的总体设计矩阵、功能要求结构树和设计参数结构树。整个过程是一个不断循环而又不断细化的过程，如图4所示：
因此，结合知识单元的相关定义，我们可以将公理化设计的各个域做相应分解，得出功能域、方案域及结构域，并得到相互之间的“之字形”映射关系如下：
4 设计实例
本文以注射模热流道系统设计为实例，即设计对象为注射模热流道系统，对产品功能需求分解，得出相应的功能域如图6，根据热流道系统设计的功能需求，分解热流道概念设计方案如图7：
最后得到相应的热流道概念设计模型如图8。在此模型基础上，可以进一步利用知识库的规则对数据信息进行匹配和操作；根据知识单元驱动机制，利用结构单元的派生组合，在设计知识引导下，最终实现多腔模热流道结构设
参考文献
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[2]杨德林，邹毅.一种基于公理设计的产品知识表达方法研究[J].管理工程学报，2004(4).
[3]梅启武.注塑模热流道辅助设计技术与应用研究[D].浙江大学硕士学位论文，2004.
[4]朱上上，潘云鹤，罗仕鉴，庄越挺.基于知识的产品创新设计技术研究[J].中国机械工程，2002，2(4).
[5]陈剑玲，刘廷华.热流道技术的发展和应用概况[J].模具工业，2003(8)：32-36.