CN112926158A - 一种工业机械设计场景下基于参数微调的通用设计方法 - Google Patents

一种工业机械设计场景下基于参数微调的通用设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种工业机械设计场景下基于参数微调的通用设计方法，包括：对数据库中的历史设计方案分类，基于分类的设计方案，进行概念抽象；将抽象设计方案中零部件的可驱动参数与历史设计方案中的零件参数特征数据进行绑定；为现有设计场景匹配抽象设计方案；将抽象设计方案放置到现有设计场景中；基于可驱动参数构建预测值，并基于现有设计场景的目标值，构建预测值与目标值的损失函数，并基于抽象设计模型的零部件可驱动参数对预测值进行变换，获取损失函数的梯度值；求得损失函数的最优下降方向，更新抽象设计方案的可驱动参数值，反复迭代直至最小损失值，并将此时可驱动参数值作为抽象设计模型在当前场景下的最优机械设计方案。

Description

一种工业机械设计场景下基于参数微调的通用设计方法
技术领域
本发明涉及机械设计技术领域，特别涉及一种工业机械设计场景下基于参数微调的通用设计方法。
背景技术
在机械设计领域存在着大量的历史机械设计方案，当设计工程师拿到一个设计场景时，往往倾向于从历史机械设计方案中寻找一套与之类似或者部分满足设计需求的方案对其进行修改。一般的方法是通过设计工程师手动调整设计方案的尺寸参数使之符合设计需求，或是梳理这套方案的规则生成逻辑，通过编写一些针对这类方案的程序规则，生成符合当前的设计需求的最终方案。这类的方法至少存在以下缺点：
涉及到大量的修改工作，且通用性差，无法满足现代设计的高效运转的需求。
发明内容
为了克服现有技术存在的不足，本发明提供了一种工业机械设计场景下基于参数微调的通用设计方法，将满足设计场景的需求问题转换为一个通用的数学最优解问题，通过梯度更新的方式求解当前问题的最优解，从而得到符合当前设计需求的最优参数，生成对应场景的机械设计方案。所述技术方案如下：
本发明提供了一种工业机械设计场景下基于参数微调的通用设计方法，基于历史机械设计方案库生成待设计的方案，所述历史机械设计方案库中存储有多个历史设计方案，所述通用设计方法包括以下步骤：
S1、对历史机械设计方案库中的历史设计方案进行分类，得到不同种类的设计场景；
S2、基于划分得到的设计场景，对其相应的设计方案进行概念抽象，以构造对应的抽象设计方案，所述抽象设计方案包括多个零部件；
S3、将所述抽象设计方案中零部件的可驱动参数与历史设计方案中的零件参数特征数据进行绑定，并为所述抽象设计方案标定坐标系，所述坐标系包括坐标原点及三维坐标轴；
S4、根据待设计的现有设计场景特征，匹配对应的抽象设计方案；
S5、根据待设计的现有设计场景坐标系以及需要放置的坐标值，利用抽象设计方案与现有设计场景坐标系的对应关系，对抽象设计场景进行平移和/或旋转操作，将所述抽象设计方案放置到所述现有设计场景中；
S6、定义预测值与目标值的损失函数，其中，预测值为所述抽象设计方案对现有设计场景的执行区坐标值，目标值为现有设计场景的RPS点坐标值；并变换所述抽象设计方案中零部件的可驱动参数值以变换所述预测值，包括基于所述抽象设计方案的抽象模型对所述现有设计场景的尺寸参数进行变换、对所述抽象设计方案的零部件进行平移和/或旋转；
S7、基于变换前的预测值和变换后的预测值，获取所述损失函数的梯度值；
S8、根据所获取的梯度值，求得所述损失函数的最优下降方向，更新所述抽象设计方案中零部件的可驱动参数值，然后反复迭代直至损失值小于预设的阈值，并将此时的可驱动参数值作为该抽象设计方案在现有设计场景下的最优机械设计方案。
可选地，步骤S2中对设计方案进行概念抽象包括抽象为针对不同位置的设计场景、抽象为不同的放置位置、抽象为不同零部件尺寸参数的设计方案中的一种或多种，其中，所述放置位置为夹具与现有设计场景中RPS点的相对位置。
进一步地，步骤S6中，定义预测值为抽象设计夹具放置到设计场景中时夹紧点的坐标值，目标值为现有设计场景的RPS点坐标值，损失函数为抽象设计夹具的夹紧点与RPS点的距离，所述夹紧点与RPS点的距离包括欧氏距离、曼哈顿距离、倒角距离中的任意一种。
进一步地，步骤S3中利用工业软件将所述抽象设计方案中零部件的可驱动参数与历史设计方案中的零件参数特征数据进行绑定，包括对夹具的长度、夹具的高度、连接块的长度、连接块的高度、所述抽象设计方案的零部件与其他部件的相对位置关系中的一种或多种进行定义。
进一步地，步骤S3中还包括基于抽象模型方法将特定概念的方案抽象为包含不同参数的抽象零件组合，并对所述抽象零件组合标定坐标系。
可选地，步骤S8中利用SGD、Momentum、Adagrad、ADAM方法中的任意一种求得所述损失函数的最优下降方向以更新预测值的参数值。
进一步地，步骤S5还包括利用工业软件的二次开发接口或者基于抽象模型对现有设计场景的尺寸参数进行变换，从而得到更新尺寸参数后场景方案的RPS点坐标值。
进一步地，步骤S4中，将待设计的现有设计场景特征与历史机械设计方案库中的抽象设计方案的场景特征作比对，选取相似度最高的抽象设计方案作为匹配的抽象设计方案。
进一步地，步骤S1中分类的设计方案包括夹具单元设计方案，其对应的设计场景包括单点夹紧、单点压紧、单点支撑、多点夹紧、多点压紧和多点支撑中的一种或多种。
本发明提供的技术方案带来的有益效果如下：
a.将满足设计场景的需求问题转换为一个通用的数学最优解问题，通过梯度更新的方式求解当前问题的最优解，从而得到符合当前设计需求的最优参数，生成对应场景的机械设计方案；
b.通用性好，能够满足现代设计的高效运转的需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的工业机械设计场景下基于参数微调的通用设计方法的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的对单夹紧夹具的零部件参数进行概念抽象的软件界面示意图；
图3是本发明实施例提供的对单夹紧的特定概念进行抽象的方案的软件界面示意图；
图4是本发明实施例提供的针对双点夹紧的抽象设计方案标定坐标系的软件界面示意图；
图5是本发明实施例提供的基于抽象模型的双点夹紧场景方案的软件界面示意图；
图6是本发明实施例提供的待设计的现有设计场景的软件界面示意图；
图7是本发明实施例提供的将抽象场景方案放置到现有的场景方案中合适的位置后的场景软件界面示意图；
图8是本发明实施例提供的计算流程界面示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，更清楚地了解本发明的目的、技术方案及其优点，以下结合具体实施例并参照附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。需要说明的是，附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。除此，本发明的说明书和权利要求书中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本发明的一个实施例中，提供了一种工业机械设计场景下基于参数微调的通用设计方法，基于历史机械设计方案库生成待设计的方案，所述历史机械设计方案库中存储有多个历史设计方案，本实施例的通用设计方法如图1所示，下面对各个步骤进行详细的说明：
S1、对历史机械设计方案库中的历史设计方案进行分类，得到不同种类的设计场景。
具体地，以夹具单元设计方案为例，其对应的设计场景包括单点夹紧、单点压紧、单点支撑、多点夹紧、多点压紧和多点支撑中的一种或多种。以下以双夹紧点夹具设计为例，但本发明的技术方案可以应用于更一般化的机械设计场景中。
S2、基于划分得到的设计场景，对其相应的设计方案进行概念抽象，以构造对应的抽象设计方案，所述抽象设计方案包括多个零部件。
具体地，该双夹紧点夹具的设计方案可以抽象为针对不同位置的单个夹紧点，不同放置位置(即夹具与RPS点的相对位置)，不同零部件尺寸参数的单点夹紧夹具，在这里主要是对夹具的零部件参数进行概念抽象，如图2所示。
S3、将所述抽象设计方案中零部件的可驱动参数与历史设计方案中的零件参数特征数据进行绑定，并为所述抽象设计方案标定坐标系，所述坐标系包括坐标原点及三维坐标轴。
具体地，步骤S3中利用工业软件(例如CATIA)将所述抽象设计方案中的零部件可驱动参数与历史设计方案中的零件参数特征数据进行绑定，例如可以定义夹具上部的L块长度为UL1__L1，高度为UL1__H1，下部的L块长度为DL1__L1，高度为DL1__H1，上部的连接块高度为CL1__H1，长度为CL1_L1，下部的连接块高度为CL2__H1，长度为CL2_L1，支柱的高度为ZH_H1，如图4所示，形成一套针对双点夹紧的抽象设计方案，并标定原点和坐标系；还可以包括对所述抽象设计方案的零部件与其他部件的相对位置关系进行定义，所述其他部件可以为连接块、气缸或者是夹具的其他零部件，在定义了所述抽象设计方案的零部件与其他部件的相对位置关系的前提下，下文步骤S6中变换所述抽象设计方案中零部件的可驱动参数值的方式即可包括对所述抽象设计方案的零部件进行平移和/或旋转。
或者，如图3所示，基于抽象模型方法将单夹紧的特定概念的方案抽象为包含不同参数的抽象零件组合，并对所述抽象零件组合标定坐标系。
S4、根据待设计的现有设计场景的场景特征，匹配对应的抽象设计方案。
待设计的现有设计场景如图6所示，将待设计的现有设计场景特征与历史机械设计方案库中的抽象设计方案的场景特征作比对，如图4所示，选取相似度最高的抽象设计方案作为匹配的抽象设计方案，最终形成的抽象夹具(选取的匹配的抽象设计方案)如图5所示。
S5、根据待设计的现有设计场景坐标系以及需要放置的坐标值，利用抽象设计方案与现有设计场景坐标系的对应关系，对抽象设计场景进行平移和/或旋转操作，将所述抽象设计方案放置到所述现有设计场景中。
在碰到具体设计场景(如图6的车身模型)时，基于现有的场景特征获取到对应的抽象场景方案(如图5)，并基于现有设计场景和场景坐标系以及抽象场景方案的坐标原点和坐标系，将抽象场景方案平移和旋转最终将抽象场景方案放置到现有的场景方案中合适的位置，如图7所示，即基于车身模型的RPS点的坐标系以及抽象场景方案的坐标原点和坐标系，将抽象设计方案放置到距离车身和RPS点较近的一个位置。RPS全称reference pointsystem，为基准点系统，现有设计场景的RPS点由RPS系统自动确定位置坐标。
此时现有设计场景的设计需求便可转换为通用的数学求解问题，例如合理的夹具设计参数即是夹具零部件的某些特定点与现有设计场景的特定点的距离问题。具体可以利用工业软件的二次开发接口或者基于抽象模型对现有设计场景的尺寸参数进行变换，从而得到更新尺寸参数后场景方案的RPS点坐标值。
S6、定义预测值与目标值的损失函数，并基于抽象设计方案的零部件可驱动参数变换，其中，预测值为所述抽象设计方案对现有设计场景的执行区坐标值，目标值为现有设计场景的RPS点坐标值；并变换所述抽象设计方案中零部件的可驱动参数值以变换所述预测值。
具体地，基于抽象设计方案的零部件的可驱动参数构建预测值，并基于构建的预测值以及现有设计场景的目标值，来构建预测值与目标值的损失函数；
具体地，定义预测值为抽象设计夹具放置到当前设计场景时的夹紧点坐标值，目标值为现有设计场景的RPS点坐标值，损失函数为夹具的夹紧点与RPS点的距离，所述夹紧点与RPS点的距离包括但不限于欧氏距离、曼哈顿距离、倒角距离中的任意一种。若夹紧点的数量为多个，则损失函数为夹具的夹紧点与RPS点的距离总和。
所述变换所述抽象设计方案中零部件的可驱动参数值的方式具体包括但不限于基于所述抽象设计方案的抽象模型对所述现有设计场景的尺寸参数进行变换、对所述抽象设计方案的零部件进行平移和/或旋转。
本发明并不限定损失函数的具体类型，在不同的实际业务场景下可以选择不同的损失函数，比如有的时候会考虑是否碰撞，那么碰撞时的问题可以定义为分类问题，即发生碰撞和不发生碰撞，其对应的损失函数可以定义为交叉熵损失函数，等等。
S7、基于变换前的预测值和变换后的预测值，获取所述损失函数的梯度值。
具体地，基于抽象设计模型的零部件可驱动参数对预测值进行变换，得到变换前后的预测值，根据变换前后的预测值，来获取损失函数的梯度值。
S8、根据所获取的梯度值，求得所述损失函数的最优下降方向，更新所述抽象设计方案中零部件的可驱动参数值，然后反复迭代直至损失值小于预设的阈值，并将此时的可驱动参数值作为该抽象设计方案在现有设计场景下的最优机械设计方案。可选地，步骤S8中利用SGD、Momentum、Adagrad、ADAM方法中的任意一种求得所述损失函数的最优下降方向以更新预测值的参数值，然后反复迭代直到损失最小(小于预设的阈值)，此时的参数值即为最优解，整个计算流程如图8所示。需要说明的是，图2-图8均为软件界面截图，而非实物的轮廓，因此附图中存在一定的灰度，是软件界面的特征，附图2-8仅为与本发明公开的工业机械设计场景下基于参数微调的通用设计方法中包括概念抽象、抽象设计方案放置到现有设计场景中等步骤得到的软件界面，辅助本领域技术人员理解概念抽象设计方案、两个场景方案融合的概念。
本发明通过构造一个抽象化的场景方案，将设计需求转换为一个特定的数学问题，通过参数微调的方法，去解这个数学问题最终得到的参数即为最终的设计方案。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种工业机械设计场景下基于参数微调的通用设计方法，其特征在于，基于历史机械设计方案库生成待设计的方案，所述历史机械设计方案库中存储有多个历史设计方案，所述通用设计方法包括以下步骤：
S1、对历史机械设计方案库中的历史设计方案进行分类，得到不同种类的设计场景；
S2、基于划分得到的设计场景，对其相应的设计方案进行概念抽象，以构造对应的抽象设计方案，所述抽象设计方案包括多个零部件；
S3、将所述抽象设计方案中零部件的可驱动参数与历史设计方案中的零件参数特征数据进行绑定，并为所述抽象设计方案标定坐标系，所述坐标系包括坐标原点及三维坐标轴；
S4、根据待设计的现有设计场景特征，匹配对应的抽象设计方案；
S5、根据待设计的现有设计场景坐标系以及需要放置的坐标值，利用抽象设计方案与现有设计场景坐标系的对应关系，对抽象设计场景进行平移和/或旋转操作，将所述抽象设计方案放置到所述现有设计场景中；
S6、定义预测值与目标值的损失函数，其中，预测值为所述抽象设计方案对现有设计场景的执行区坐标值，目标值为现有设计场景的RPS点坐标值；并变换所述抽象设计方案中零部件的可驱动参数值以变换所述预测值，包括基于所述抽象设计方案的抽象模型对所述现有设计场景的尺寸参数进行变换、对所述抽象设计方案的零部件进行平移和/或旋转；
S7、基于变换前的预测值和变换后的预测值，获取所述损失函数的梯度值；
S8、根据所获取的梯度值，求得所述损失函数的最优下降方向，更新所述抽象设计方案中零部件的可驱动参数值，然后反复迭代直至损失值小于预设的阈值，并将此时的可驱动参数值作为该抽象设计方案在现有设计场景下的最优机械设计方案。
2.根据权利要求1所述的工业机械设计场景下基于参数微调的通用设计方法，其特征在于，步骤S2中对设计方案进行概念抽象包括抽象为针对不同位置的设计场景、抽象为不同的放置位置、抽象为不同零部件尺寸参数的设计方案中的一种或多种，其中，所述放置位置为夹具与现有设计场景中RPS点的相对位置。
3.根据权利要求1所述的工业机械设计场景下基于参数微调的通用设计方法，其特征在于，步骤S6中，定义预测值为抽象设计夹具放置到设计场景中时夹紧点的坐标值，目标值为现有设计场景的RPS点坐标值，损失函数为抽象设计夹具的夹紧点与RPS点的距离，所述夹紧点与RPS点的距离包括欧氏距离、曼哈顿距离、倒角距离中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的工业机械设计场景下基于参数微调的通用设计方法，其特征在于，步骤S3中利用工业软件将所述抽象设计方案中零部件的可驱动参数与历史设计方案中的零件参数特征数据进行绑定，包括对夹具的长度、夹具的高度、连接块的长度、连接块的高度、所述抽象设计方案的零部件与其他部件的相对位置关系中的一种或多种进行定义。
5.根据权利要求4所述的工业机械设计场景下基于参数微调的通用设计方法，其特征在于，步骤S3中还包括基于抽象模型方法将特定概念的方案抽象为包含不同参数的抽象零件组合，并对所述抽象零件组合标定坐标系。
6.根据权利要求1所述的工业机械设计场景下基于参数微调的通用设计方法，其特征在于，步骤S8中利用SGD、Momentum、Adagrad、ADAM方法中的任意一种求得所述损失函数的最优下降方向以更新预测值的参数值。
7.根据权利要求1所述的工业机械设计场景下基于参数微调的通用设计方法，其特征在于，步骤S5还包括利用工业软件的二次开发接口或者基于抽象模型对现有设计场景的尺寸参数进行变换，从而得到更新尺寸参数后场景方案的RPS点坐标值。
8.根据权利要求1所述的工业机械设计场景下基于参数微调的通用设计方法，其特征在于，步骤S4中，将待设计的现有设计场景特征与历史机械设计方案库中的抽象设计方案的场景特征作比对，选取相似度最高的抽象设计方案作为匹配的抽象设计方案。
9.根据权利要求1所述的工业机械设计场景下基于参数微调的通用设计方法，其特征在于，步骤S1中分类的设计方案包括夹具单元设计方案，其对应的设计场景包括单点夹紧、单点压紧、单点支撑、多点夹紧、多点压紧和多点支撑中的一种或多种。
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