应用知工程建构玻璃瓶专业化CAD建模系统

中國機械工程學會第二十四屆全國學術研討會論文集中原大學桃園、中壢中華民國九十六年十一月二十三日、二十四日論文編號：D19-00151應用知識工程建構玻璃瓶專業化CAD建模系統徐永源1、陳俞帆21中華大學機械學系副教授2中華大學機械學系研究生國科會計畫編號：NSC95-2622-E-216-014-CC3摘要在現今經濟全球化、市場競爭日越激烈的時代，新產品的開發週期成為企業是否能在激烈的市場環境中取勝的關鍵因素。由於傳統的玻璃瓶設計程序過度依賴設計人員的經驗和模具工的技術，需耗費大量的時間與精力在計算與繪圖，工作負荷量大且出錯機率高，間接影響了產品的設計速度與工作效率。因此，如何提高玻璃瓶製品的設計智能化將是玻璃瓶設計CAD領域研究的重點。本研究將知識工程(KnowledgeBasedEngineering，KBE)技術導入玻璃瓶設計程序過程，並利用UG軟體的二次開發工具UG/KF語言，開發以產品知識庫為中心的玻璃瓶專業化CAD建模系統，從而實現設計知識的重用，輔助設計人員進行產品的快速設計，幫助企業縮短產品開發週期，提高技術創新能力。最後，透過以玻璃瓶的知識建模來驗證本研究所提出的設計思維與設計方法，期望能快速有效的設計出所需的玻璃瓶外形及其與製程相關模具，以便快速反應市場的需求，提升企業競爭力。關鍵字：玻璃製品、客製化、知識工程1.前言玻璃瓶的製造技術包括可個別獨立卻又相關的玻璃瓶外型設計及模具設計兩大部份，其過程是相當複雜且不斷反覆的，因此涉及到多方面的設計經驗與知識，包括外型的工藝設計、初型模設計、成型模設計、口模設計、模底設計及其它相關零組件的開發。目前我國玻璃模具的設計仍以經驗手工設計為主，此一傳統的方法是藉由模具零件及模具結構的標準化來實現其CAD玻璃瓶模具的設計，其缺點如下所示：(1)傳統的玻璃模設計方式多依賴設計人員在長期工作中累積的經驗與模具工的技術，設計和製造質量受人為影響因素太大，因此設計和製造精度不高。(2)設計人員耗費太多的時間與精力在計算和繪圖上，對於複雜的玻璃製品以人工方式計算困難、且精度難以保證。(3)缺乏成熟的玻璃模設計理論，設計人員大都以試誤法進行設計，對於模具製造時的成本與模具成型的可行性造成相當大的影響。基於以上因素，傳統的經驗方法已經無法適應新穎玻璃製品的開發，更無法有效滿足快速多變的市場需求。因此，本研究將針對玻璃瓶外型設計與製程相關模具，開發一套結合產品參數化圖形建模能力，並以知識工程KBE技術為基礎的「玻璃瓶專業化CAD建模系統」，幫助玻璃瓶設計人員解決上述的許多問題，並實現設計智能化，為玻璃瓶製造廠商縮短產品開發週期及提昇企業競爭力。Toffler[1]於1970年預言了大量客製化的生產模式，他認為大量客製化在技術上是可行的，且當人民生活越來越富裕，他們會希望獲得更加多樣化的產品與服務，而這也迫使大量客製化的技術持續的發展，並會成為未來的趨勢。1993年Pine[2]以生產管理的觀點對大量客製化作了比較系統的論述，認為它將會成為21世紀中最重要、最具競爭優勢的生產方式。在1997年，DavidAnderson及Pine[3]提出大量客製化訂製產品設計方法的基本架構及思維，其認為大量客製化是廠商藉由高度敏捷的製程、彈性及整合的能力，提供每一位客戶量身訂做的產品與服務，藉此確實符合每位客戶的需求。1977年由美國Standford大學Feigenbaum教授於第五屆國際人工智能聯合大會所提出的「人工智能的藝術：知識工程課題及實例研究」[4]，文章中闡述了專家系統並開啟了「知識工程(KnowledgeEngineer，KE)」的概念，他指出人工智能的研究應該從基於能力獲取知識的策略轉變為基於知識的系統(Knowledge-BasedSystem，KBS)研究。2.玻璃製品與模具設計玻璃製品造型設計是一個十分複雜的過程，包括初步設計、修改設計和完成設計等，中間要經過多次的修改與評估才能完成。玻璃瓶罐結構一般可以分解為如圖一所示之瓶口、瓶頸與瓶肩、瓶身、瓶底四部份。玻璃瓶模具的設計是一項相當複雜的過程，需要廣泛的設計經驗與製造知識，它主要包括了初型模設計、口模設計、模底設計、成型模設計及其它零部件設計。我國玻璃瓶模具的設計至今仍是以經驗設計為主，因此很難面對新穎的玻璃製品開發，更無法滿足快速、多變的市場需求。為適應日益激烈的市場競CSME-4486中國機械工程學會第二十四屆全國學術研討會論文集中原大學桃園、中壢中華民國九十六年十一月二十三日、二十四日論文編號：D19-00152爭，提高玻璃瓶模具的設計與製造水準，利用CAD電腦輔助設計來進行玻璃瓶模具的設計與開發已成為提高產業競爭力的必要手段[5]。玻璃瓶的成型過程一般分為兩個階段，首先是由初型模來成型玻璃瓶的雛型，接著再由成型模將該雛型成型加工為完成品。整個過程中雛型對完成品的影響相當的大，不合理的雛型將影響其後續成型時玻璃料的分布狀況。因此初型模設計可說是玻璃瓶模具設計的關鍵。關於如何從樣品瓶推導岀初型模型腔的輪廓，目前仍未有成熟的設計理論可直接由玻璃瓶外型來獲取初型模型腔的輪廓，仍以經驗法則決定其初型模形狀尺寸，設計者可依樣瓶模型選定適當的初型模輪廓，並綜合考量製品過容率及其它影響因素以調整初型模形狀，最後確定初型模的輪廓尺寸。玻璃瓶機械吹製成型的種類通常按照成型時所採用的製程可分為壓－吹法與吹－吹法，而壓－吹法與吹－吹法模具設計的重要環節為雛型和衝頭參與的成型部分設計。薛強與李樹森[6]參照國內外生產實踐經驗和設計方法，建立了數學模型，並編輯出壓－吹法雛型與衝頭設計和吹－吹法雛型設計的電腦程式。3.系統開發應用技術3.1知識工程知識工程是人工智能在知識訊息處理方面的發展，主要研究如何以電腦表達知識，進行問題的智能求解[7]。知識工程與CAD技術的結合是先進製造技術發展的必要趨勢，透過對知識型資源的重用，讓設計者從設計初期大量的重複性工作中解脫出來，使傳統CAD系統能藉由知識工程技術的延伸達到以創造性思維為核心的人類專家的設計能力，來盡可能地實現設計過程的自動化[8]，[9]。由於KBE技術的開放性，到目前為止尚未能完整的定義KBE。英國Coventry大學的KBE中心認為KBE是一種儲存且能同時處理與產品模型有關知識的電腦系統，是目前促進工程化、實用化產品開發最值得採用的方法。歐洲面向KBE應用的方法和軟體工具研究聯盟提出KBE是電腦輔助工程領域的ㄧ大進步，它是一種物件導向(Objectorientedmethods)、人工智能和CAD技術三者整合的工程方法，能夠提供設計過程客製化，變量化和自動化的解決方案。綜合以上所述，KBE的定義可概括為領域專家知識的繼承、集成、創新和管理，對工程問題與任務提供最佳解決方案的電腦整合處理技術，是CAX（CAD、CAM、CAE）技術和AI技術的整合[10]。在工程實踐中，人們注意到專家知識ㄧ般來源於領域專家的經驗累積，帶有很強的經驗性、模糊性與不確定性，這為知識的交流和繼承帶來很大的障礙。玻璃瓶專業化CAD建模系統的KBE知識庫是經由知識處理的ㄧ系列技術來獲取領域專家的知識(知識獲取)，並選擇合適的知識建模語言，將知識電腦化或格式化(知識表達)，以便於把寶貴的專家知識應用於整個玻璃瓶設計與模具製造過程中(知識應用)。玻璃瓶設計KBE知識庫是透過設計人員與專家在頻繁交流的基礎上所建立的，它將玻璃瓶的設計程序、主要參數、工程規則以及專家的設計經驗等作為知識儲存在知識庫，累積設計知識和經驗，並對這些知識作有效的管理，使得後續的設計過程能夠快速方便的利用這些知識，讓設計人員也能夠具備專家設計水準。同時，設計人員在當前設計中獲得相應的工程規則，這些規則可以作為本次設計中累積的經驗知識存放到知識庫中，供下次的開發和維護時再利用，這樣就實現了知識庫的動態更新和擴充[11]。3.2UG/KF的參數化驅動UG/KF知識溶接結合了CAD技術和知識工程，在不改變原拓樸關係的情況下，透過驅動設計參數來約束或控制工程演算規則，可將知識直接建構在產品模型中，進而獲得不同類型的零件幾何模型。在玻璃瓶專業化CAD建模系統中，所採用的參數化設計方法為將玻璃瓶各部位結構所涉及的特徵關係、設計參數、尺寸約束與工程演算規則等，透過知識獲取機制以關係式、規則等表達形式對知識進行處理，利用KF語言編輯相應的模組並與UG系統整合；利用MenuScript編輯修改UG主選單介面，在UG中加入下拉式選單和工具列，透過使用者自定義的下拉式選單或工具列，即可調用由KF控制的對話框；利用UIstyler建構出與UG風格一致的對話框，添加各類型的功能選項連結至各設計參數，透過所建構的對話框，將各功能選項的數值輸入用於驅動對應的尺寸參數，使編輯的程式能夠獲得完整的參數訊息，進而產生不同類型的玻璃瓶幾何模型。3.3數據庫在產品的設計過程中，有許多的規格、尺寸參數等數據是以表格的形式儲存在相關的文件或數據庫中。透過建立表中數據與幾何特徵參數的連結，並利用表格中的數據達到改變幾何尺寸的目的，從而實現表格驅動幾何模型和知識庫的重用[12]。該方法適用於系列化的產品零件與常用的標準件等。為了符合玻璃包裝協會GPI對玻璃瓶瓶口所訂制的規範，並加快瓶口的設計與減少重覆性的勞動，玻璃瓶專業化CAD建模系統在瓶口設計的過程中，將GPI規範所訂制的編號、尺寸參數等數值採用Excel文件的格式進行儲存並建立數據庫。在不同的型號時，尺寸參數會分別對應到不同的數值，因此當使用者選擇不同規格的瓶口時，系統會依照參數取不同的數值，以達到利用數據庫的連結來驅動幾何模型。Excel表格以其功能的多樣性、操作的簡易性、系統的智能等優點在工程上被廣泛使用。在企業中常用於產品規格、材料信息等知識的儲存，因此實現UG與Excel表格數據的資料流通在工程上是十分必要的。在UG環境下，有多種方式如入口電子表單、CSME-4487中國機械工程學會第二十四屆全國學術研討會論文集中原大學桃園、中壢中華民國九十六年十一月二十三日、二十四日論文編號：D19-00153建模電子表單等可以實現UG中part文件電子表格數據與Excel的連結，透過此類的方式可以輕易的實現對指定欄位中的數值、字串與符號等進行讀取與定義。這些方式雖然可以實現電子表單的自動調用，但是卻無法實現UG環境和Excel文件表格直接連結。為此，本研究將使用UG/KF中所提供的ug_excel函數來實現UG和Excel數據表格的直接連結，其好處在於當修改Excel表格中的數值時可直接把結果給UG環境所使用，並將更新後的結果反映到工作零件，以提高設計效率。4.系統架構與知識建模應用知識工程技術的玻璃瓶專業化CAD建模系統是在Windows環境下開發的應用軟體，其使用UG做為CAD系統，並應用該平台的二次開發工具UG/KF語言進行編輯。透過與玻璃瓶設計師及機械工程師的經驗交流，將各種典型玻璃瓶的瓶口、瓶身、瓶底與相關模具加以歸納與描述，並運用KF語言於玻璃瓶幾何模型中以符合工程規則及其相互關係的形式增加工程知識，從而實現由知識和規則驅動的玻璃瓶設計過程。設計人員可透過所建構的對話框，將對應的尺寸參數輸入，進而修改或調用Excel表格數據來建立玻璃瓶幾何模型，從而實現玻璃瓶建模系統的知識驅動。4.1系統架構玻璃瓶專業化CAD建模系統主要是由對話框模組、知識工程模組及幾何模組所構成，如圖二所示。根據模組化設計的思維，將系統分成功能相對獨立的模組並與UG系統整合，方便系統的並行開發與後期的維護。產生的文件依據類別分別存放在Application、Dfa、Startup等文件目錄下，如圖三所示。4.2初型模外型設計初型模外型設計是由瓶身設計、瓶底設計、瓶口設計及瓶容積計算等四個既獨立又相互關聯的子模組所組成，各子模組為了得到滿足客戶需求及反應市場變化的玻璃瓶產品，整理與歸納了幾種常用的形式加以實現其幾何模型。依序說明如下：1.初型模外型設計中的瓶身設計依照瓶身結構可細分解為如圖四所示之瓶頸、瓶肩與瓶身三個部份。建構初型模外型設計的瓶身幾何模