中 華 大 學 碩 士 論 文

中 華 大 學

碩 士 論 文

機車 CAD/KBE 輔助設計系統

The CAD/KBE system for the Motorcycle

系 所 別：機械工程學系碩士班 學號姓名：E09508005 楊武雄 指導教授：徐 永 源 博士

中華民國 九十九 年 八 月

中華大季碩士班研究生 論文口試委員曾審定書

械ェ 碩士班揚式生君所提之論文機圭

，経本委員曾審議、符合 碩士資格標準。

論文口試委員曾召集人 委員

糸主任 4塗午牛…

中華民園九十九年七月ニ十九日

摘 要

由於傳統的機車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，如何提高機車的設計智能化將是機車設計 CAD 領域研究的重點。

本論文的研究目的是建立「機車 CAD/KBE 輔助設計系統」。將知識工 程(Knowledge Based Engineering，KBE)技術導入機車設計程序過程，有效提升產 品開發效率及可靠度，並利用 UG 軟體的二次開發工具 UG/KF 語言，開發以產 品知識庫為中心的機車專業化 CAD 建模系統，此系統具機車車架輔助設計流程 方案、快速建構出各種機車作動模式、法規數據的導入分析工具、機車基本規格 輸出工具、機車油箱容積最佳化計算。在設計過程中所有建構的機車之設計參 數、定位資訊、體積規格及各國法規等相關參數皆可有效儲存於數據庫，從而實 現設計知識的累積及重用，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，透過以機車的知識建模與最佳化設計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機車模型，以便快速反應市場的需 求，提升企業競爭力。

關鍵詞：機車、知識工程、最佳化

Abstract

The process of traditional motorcycle design is time-consuming and labor-intensive in the calculations and drawing and is highly-dependent on the experience of the designers and the technique of mould workers. The works in designing and drawing would largely slow down the efficiency of designing. Therefore, applying intelligent tools of CAD to improve the designing of motorcycle is a feasible method.

In this study, Knowledge Based Engineering (KBE) is introduced into motorcycle design, utilizing the UG/KF language of a secondary development tool from Unigraphics (UG) software to develop a professional CAD mould-building system with a Product Knowledge Database as the core. This system with multi-motorcycle frames design procedures, motion analysis, distance check between objects, import enactments data to analysis, and output basic specifications of motorcycle. This system will be able to realize a novel way of designing with a knowledge base, accelerating the work of designers; it will further shorten the product development cycles for enterprises and improve their high-technology innovation abilities.

In summary, by establishing knowledge base mould construction with optimal design, this study proposes an ideal method for motorcycle design, hoping to cut down the time required for contour design and the manufacture process of the motorcycle. This will increase the response time to market demand and improve the competitive ability of enterprises.

Keywords: Motorcycle, Knowledge based engineering, Optimization.

誌 謝

承蒙恩師徐永源博士四年來細心的指導與栽培，使學生養成邏輯思考與解決 問題的能力，並於學術之餘，對本論文給予寫作上的指導與意見，使本論文得以 順利完成，在此謹致由衷的感激與謝意。同時感謝口試委員徐永源博士、黃國饒 博士以及蔡有藤博士對本論文的不吝指教，並提供許多寶貴的意見與指正，使本 論文益臻完善，在此亦致上萬分謝意。

在研究與學習過程期間感謝研究所同學長同學建誠、俞帆、在研究上所給予 的協助與支持。

最後僅將本文獻給我最敬愛的父親與母親，老婆、二個兒子，感謝他們不斷 的關心、鼓勵與精神上的支持，使我能夠無後顧之憂的專心讀書與研究，在此願 與他們共同分享這份榮耀和喜悅。

目錄

摘要 ...Ⅰ Abstract ...Ⅱ 誌謝 ...Ⅲ 目錄 ...Ⅳ 圖表目錄 ...Ⅶ

第一章 緒論 ...1

1-1 引言 ...1

1-2 機車在台灣發展的狀況 ...1

1-2-1 機車在台灣的演變 ...1

1-2-2 機車載台灣的發展現狀 ...2

1-2-3 未來願景 ...2

1-3 CAD 發展狀況 ...3

1-3-1 CAD 現狀的應用 ...3

1-3-2 CAD 技術發展現況 ...4

1-4 KBE 知識工程 ...5

1-5 課題來源 ...6

1-6 課題目的 ...7

第二章 UG 軟體 ...8

2-1 UG 軟體的源起 ...8

2-1-1 UG 軟體介紹 ...8

2-1-2 UG 主功能描述 ...8

2-2 UG 二次開發技術 ...11

2-2-1 UG/OPEN GRIP ...11

2-2-2 UG/OPEN API ...12

2-2-3 UG/OPEN MenuScript ...12

2-2-4 UG/OPEN Knowledge Fusion ...12

2-2-5 UG/OPEN UIStyler ...13

第三章 機車設計流程 ...14

3-1 草圖設計 ...14

3-2 油土造型 ...15

3-3 逆向工程 ...15

3-4 CAD 設計 ...18

3-5 模型驗證 ...19

第四章 機車 CAD/KBE 輔助設計系統架構 ...22

4-1 油土法規評估系統 ...23

4-1-1 法規簡介 ...23

4-1-2 法規導入規劃 ...23

4-1-3 油土確認位置 ...26

4-1-4 資料庫建立 ...27

4-1-5 設計檢核系統 ...28

4-2 車架輔助建構系統 ...30

4-2-1 系統架構 ...30

4-2-1-1 對話框模組 ...30

4-2-1-2 知識工程模組 ...30

4-2-2 系統開發流程 ...31

4-2-3 初步車架建立 ...32

4-3 油箱容積最佳化 ...35

4-3-1 油箱容積最大化 ...36

4-3-2 油箱容積最佳化 ...39

4-3-2-1 設計變數 ...39

4-3-2-2 約束條件 ...40

4-3-2-3 目標函數 ...40

4-3-2-4 最佳化設計的數值計算方法 ...41

4-3-2-5 機車油箱容積最佳化 ...43

第五章 系統初步實際測試結果 ...45

5-1 機車法規的系統測試 ...46

5-2 機車車架快速建立系統測試 ...52

5-3 機車油箱容積最佳化程式測試 ...53

5-3-1 油箱容積最大化 ...53

5-3-2 油箱容積最佳化 ...54

第六章 結論 ...57

參考文獻 ...59

圖表目錄

圖表 1-1 KBE 系統架構圖………6

圖表 2-1 KBE 系統架構圖………9

圖表 2-2 UG CAE 主要功能………10

圖表 2-3 UG CAM 主要功能 ………10

圖表 2-4 UG 二次開發工具主要功能 ………11

圖表 3-1 概念構想草圖 ………14

圖表 3-2 等比例油土模型 ………15

圖表 3-3 零件掃描同步顯示 ………16

圖表 3-4 STL 輸出到 UG 圖示………17

圖表 3-5 掃描資料線架構型態 ………17

圖表 3-6 可行性評估………18

圖表 3-7 CAD 設計 ………18

圖表 3-8 CNC 數值加工成品+表面研磨+底漆塗裝零件………19

圖表 3-9 雷射樹脂積層成品………19

圖表 3-10 雷射粉末燒結成品 ………20

圖表 3-11 矽膠模具及成品 ………20

圖表 3-12 鋅鋁合金試作模具 ………21

圖表 3-13 機車模型驗證 ………21

圖表 4-1 系統架構………22

圖表 4-2 法規範例………25

圖表 4-3 法規範例………26

圖表 4-4 配合法規規劃之油土位置………27

圖表 4-5 法規燈類範例 Excel 文件 ………27

圖表 4-6 法規檢核系統對話框………28

圖表 4-7 點選項提示………29

圖表 4-8 輸出規格表及法規判定………29

圖表 4-9 系統架構圖………30

圖表 4-10 系統開發架構 ………31

圖表 4-11 車架基本架構 ………32

圖表 4-12 車架建構主目錄 ………33

圖表 4-13 輪胎避震最大行程檢測 ………34

圖表 4-14 轉彎時輪胎最大範圍檢測 ………35

圖表 4-15 油箱容積最大化邊界畫面 ………36

圖表 4-16 油箱實體 ………37

圖表 4-17 油箱邊界說明 ………37

圖表 4-18 油箱最大化 ………38

圖表 4-19 設計變數說明 ………39

圖表 4-20 約束條件說明 ………40

圖表 4-21 迭代流程 ………42

圖表 4-22 機車油箱容積最佳化對話框 ………44

圖表 5-1 Vietnam SYM-Enjoy 車型 ………45

圖表 5-2 Vietnam SYM-Enjoy 規格表 ………45

圖表 5-3 法規檢測系統主選單 ………46

圖表 5-4 法規檢測系統執行畫面 ………48

圖表 5-5 法規檢測系統執行畫面 ………49

圖表 5-6 法規檢測系統執行畫面 ………51

圖表 5-7 SYM-Enjoy 車架結構………52

圖表 5-8 車架轉向模擬畫面………53

圖表 5-9 油箱容積最大化模擬畫面………54

圖表 5-9 設計變數及約束條件輸入………55

圖表 5-10 油箱容積最佳化………56

第一章 緒論

1–1、 引言：

隨著國內經濟的起飛，各類交通工具已成為極為重要的運輸工具，而交通工 具的開發，因其需要各式各樣零件，相對的也帶動著各類工業的蓬勃發展，而如 今機車工業已經發展至可獨立的自行設計開發，進入 21 世紀初期，機車業的發 展已不再侷限於國內市場，爲了積極開拓國際市場卻也同時面臨國際機車工業的 巨大壓力和衝擊。因此，國內機車業者也多方尋求生存發展的道路，是故，本研 究計畫的主要目的是應用 CAD 軟體的二次開發環境，建立「機車 CAD/KBE 輔助設 計系統」。

1–2、 機車在台灣的發展現況：

1-2-1 機車在台灣的演變

台灣機車工業的發展從日據時代迄今經歷了許多的變革與發展，國內機車技 術啟蒙主要來自於日本，而期間機車自製率的規定實施，實為日後台灣機車工業 發展的最大功臣。而其演進過程約可分為下列階段：

1、 萌芽期 – 日據時代到民國 50 年 2、 戰國時期 － 民國 51 年到民國 63 年 3、 成長茁壯期 一 民國 64 年到民國 79 年 4、 跨上國際舞台 一 民國 80 年以後

萌芽期：機車從進口組裝銷售，發展至自行開發車體進行組裝銷售。

戰國時期：工業快速發展，加入機車製造的廠商暴增，機車的年銷售也成跳 躍式的成長，政府自製率的制定，也為其週邊產業注入強心針，但由於擴展過 速，多數品牌也在這的時期，從加入戰局到消逝。

成長茁壯期：為了扶植國內機車工業，提出自製率規定，機車自製率提高到 90%，對該業是個很嚴酷的考驗，但卻對部分與外商技術合作的廠商帶來了契 機，挾著品牌、技術、行銷等的種種優勢，多數技術合作廠商在這一段時期不斷 的成長茁壯。

跨上國際舞台：進入八十年代，機車銷售量又開始穩定的成長，其中尤以外 銷的成長堪稱絕無僅有，每年二位數以上的成長，非但是過去轉口貿易全盛時期 所無法比擬，也是機車發展史上僅見，此舉意義非凡，代表著過去少數人口中的 夕陽工業，已成功轉型為潛力無窮的外銷明星產業。

1-2-2 機車在台灣的發展現況

民國 50 年前國內的機車工業，初期僅限於整車進口，慢慢因政府政策的改 變，逐漸由整車進口改為進口零件組裝，更進一步的於民國 51 年成立國內第一 家機車製造公司，並與日本本田技術合作，所以國內機車技術啟蒙主要來自於日 本，而期間機車自製率的規定實施，實為日後台灣機車工業發展的最大功臣。

隨著機車工業的多元化、國際化，技術來源也不僅止於日本，從 30%的自製 率至如今大部分的廠商都能 95%的自製，與日本的差距也逐漸縮小當中。

1-2-3 未來願景

現行機車已經在台灣發展超過 50 年的歷史，除了深耕台灣的市場，也逐漸 的開拓出國外的市場，近年來也慢慢穩定的成長，國內外的整個銷售體系漸漸成 型。

但是，隨著銷售量的成長，進而突顯出台灣廠商產品線的不足，無法滿足所 有消費者的需求，所以在未來機車產業的發產上，慢慢的拓展商品線，從小 c.c.

數到大 c.c.數以至於重型機車、全地形車的發展，必然是不可或缺的。

另一方面，就零件品質水準而言，國產零件雖然大多數已達國際水平，但是 目前仍有少數約 5%無法取代日本原廠零件，這仍是國內機車生產廠的一大憾事，

卻也突顯出國內機車業不管在機車生產上，或是機車零件的製造，仍有相當大的 改進空間。

1–3、CAD 發展狀況

電腦輔助設計簡稱 CAD(Computer Aided Design)，早在 20 世紀 1960 年 代初期，國外的航空工業及汽車工業的製造需求，因而開始了 CAD 系統的 研究發展，並將其運用在工業設計及製造上，隨著電腦軟硬體的快速發 展，CAD 開發及運用也更加的多元性。

CAD 發展初期，主要是因應航空工業及汽車工業的發展需求，而 CAD 的起步，僅僅有簡單的線架構，由於缺乏形體表面的特徵，遠遠不足 以表達出飛機及汽車的複雜性，1970 年代航空工業與汽車工業的蓬勃發 展，創造出 CAD 系統的發展契機，開發出以表面特徵建構出 3D 曲面，進 而推出了第一套 CATIA 3D CAD 系統，能夠以 3D 曲面描述物品的表面特 徵，完整展現零件的外觀形狀，使得 CAD 的發展取得重大的突破。

但是也因為 3D 曲面只能表現出形體表面，無法準確表達出零件的各 種特性，如密度、質量、重心，慣性矩等屬性，對於 CAE 分析十分不利，

SDRC 公司於 1979 年開發了第一套以實體特徵表現零件特徵的 CAD 系統 I-DEAS，可以精確的表現出零件的所有特性，對於 CAE 有著不可抹滅的 貢獻。

1980 年代中期， 美國的 Computer Vision 公司，CAD 建構技術有了突 破性的發展，推出了全新觀念的「參數化設計」，透過特徵進行全尺寸的 約束，相關數據得以將參數進行修改，但由於參數化設計幾乎是推翻傳統 CAD 設計方式，終於在 1980 年代末期，由美國參數科技公司(Parametric Technology Corp. PTC)推出了 Pro/E，促使 CAD 設計進入另一個里程 碑。

國內於 CAD 應用也有近 30 年左右的歷史了。CAD 是改造傳統設計 方式的關鍵技術，是一種透過科技、效益整合的系統工程。CAD 技術能有 效的縮短設計開發周期、降低生產成本和提高產品品質。

1-3-1 CAD 現狀的應用

CAD 的初期發展，以 AutoCAD 的使用爲普遍開始，進行輔助設計和製圖，

AutoCAD 的快速與便利，吸引著越來越多的人放棄傳統的設計製圖方式。而隨著 時間的改變，漸漸的輔助設計製圖已經無法滿足於工程師的需求，而廠商也順勢 推出了許多 3D 設計系統，例如有泛用的 Autodesk Inventor、CATIA、

Pro/Engineer、Unigraphics、、、，工程設計用的 Solid Work、Solid

Edge、、、，電路設計用、逆向工程用的，建築設計用、室內設計用、景觀設計 用、廣告設計用、動畫設計用、、、、、等等，各式各樣的軟體出現，軟體種類 繁多，除了滿足各種行業的需求，這些軟體明顯地提高了輔助設計的能力，更加 接近工程師的設計思維。

1-3-2 CAD 技術發展現況

早在 1997 年，安德森(Anderson)及派恩(Pine)即提出大量客製化訂製 產品設計方法的基本架構及思路，並認定此一生產模式將會是 21 世紀中最 重要、最具競爭優勢的生產方式。因此，現代企業如何在此一大規模訂製 下，仍能敏捷的進行產品的開發與製造，並同時達到品種多樣化及低成本 的目標，將會是現代企業面臨的重大課題。

在產品設計的全生命周期過程而言，傳統的 CAD 系統及技術長期處於 單獨開發及應用狀態。隨者市場經濟的發展，迫切需要高效能的整合設計 系統，其整合項目包括:

1、 系統整合:此包括軟體及硬體的整合，硬體可採用區域網路 架構將不同的電腦有效連結，並使用同一資料庫。軟體的整 合主要是將各種不同的軟體系統，依不同的功能有效的結 合，用統一的執行控制程序來組織各種資訊的傳遞，確保系 統內資訊的通暢，並協調各子系統的有效運作。

2、 知識的整合:智慧的設計是基於知識的設計工作，對於知識 的整合來說，是透過各種知識庫(資料庫、模型庫、規則方 法庫、圖形庫及文字庫等)及共享知識的整合、知識的統一

管理通用知識的智慧通道等方式來實現知識的整合、管理及 控制。

3、 方法的整合:藉由方法庫將各種知識的智慧型設計方法，如 最佳化設計、基於推理的設計、基於資料探勘的設計、基於 滿足的設計、基於實例的設計、基於原型的設計、物件導向 的設計、物件智慧型體的設計、協同設計、資訊流的設計及 虛擬設計方法等整合。

但就現代產品開發技術及過程而言，最核心的技術是 CAD，但傳統的 CAD 本質上是一個幾何領域的系統，而工程的技術核心為設計理念、設計 方法及過程處理，這些仍需依靠人腦才能達成。因此，我們會說 CAD 只是 一個輔助工具，亦即工程的開發過程仍需大量依賴使用者的技術能力與經 驗，而不只是 CAD 系統。這是因為 CAD 系統不能識別設計與製造過程中 的變化，即在設計與製造的過程中不能有效的應用電腦的能力，進行零件 的設計製造與產品的總體性能評估，而使用者的需求與 CAD 系統不具內在 的關連性，導致 CAD 系統對技術創新、方案最佳化、綜合評估等須要應用 知識工程領域的問題顯得無能為力，此為當前 CAD 系統發展的瓶頸。

為解決上述的問題，打開一條通路，可將知識工程(KBE)與 CAD 技術 加以結合。因此，當今的趨勢是 CAD 系統朝向智慧型方向發展，藉由吸收 KBE 的成果(理念、方法及模式)，融入知識工程(KBE)技術，開始造就新 一代的 CAD 系統。

1–4、KBE 知識工程：

在工程技術上，專家知識一般來自於該領域專家的經驗累積，具有很強的經驗 性、模糊性及不確定性。這對知識的交流及繼承帶來很大的阻礙，發展 KBE 技 術就是希望藉由知識處理的一系列技術獲取該領域的專家知識(知識獲取)，以便 將專家知識能應用於整個設計、製造、銷售、管理及維護中(知識應用)。KBE 的

應用將有利於專家知識的累積及繼承，以提高實際解決問題的能力及設計開發的 品質，實現現代製造短週期(Time)，高品質(Quality)、低成本(Cost)及優質服務 (Service)的目標。

KBE 的主要特點如下:

1.它是一種與 CAX 系統整合，用於解決工程問題的電腦輔助系統。

2.它明確定義知識的問題，並將知識用於特定的工程問題的求解上。

3.它能深入各領域的核心問題，又能處理具體問題中的各個細節。

4.它採用模型鑑定，基於規則 (Rule)及基於實例(Intance)等方法進行知識的推 理。

由此可見，KBE 系統將該領域專家的知識及經驗加以整合，形成規則，存入電腦 系統，建立知識庫，然後採用合適的知識處理策略，根據特定的產品模型進行智 慧推理，做出設計決策，以人類的專家的能力來解決該領域技術的問題，圖 1-1 是 KBE 系統的架構圖。它採用物件導向的產品模型，以整合性 CAX 系統及 KBE 工具為平台，實現智慧型設計、製造及維護。

圖 1-1 KBE 系統架構圖

1–5、課題來源：

隨著機車市場的成長，製造商競相投入，機車的需求已經漸漸的從供給者市 場轉變成為需求者市場，市場競爭隨著需求亦趨變的激烈，傳統的設計開發流

程，傳統的製造流程，已經無法在市場上佔有一席之地，勢必要有一些改變，才 能在市場上生存。

1–6、課題研究目的：

本研究計劃主要目的是建立「機車規劃 KBE 系統」。多年來，工業界企盼如何 能將知識工程(Knowledge-Based Engineering, KBE)與 CAD 系統有效結合，以整合 性 CAX(CAD/CAM/CAE/CAPP)系統及 KBE 工具為平台，實現智慧型設計、規 劃、組裝、製造及維護等。即根據特定的產品模型進行智慧推理，做出設計決 策，以人類的專家能力來解決該領域技術的問題。因此，此研究將以快速規劃最 佳的機車佈置，快速建構試作 CAD，以期在最短的時間內完成 RP(RAPID

PROTOTYPING)為目標，嘗試將 KBE 技術有效導入及整合於 CAD 系統中，達成 知識驅動自動化(Knowledge Driven Automation, KDA)系統的建構。

以下將針對 CAD/CAM 技術發展現況、知識工程(KBE)、機車設計規劃等技術發 展現況及 KBE 開發工具平台進行詳細說明。

第二章 UG 軟體

2-1 UG 軟體的源起

UG軟體起源於美國，1911年11月並入美國電子資訊系統公司(Electronic Data Systems Corp：EDS)。演變至今UG已慢慢發展成一個全方位的CAD/CAE/CAM系 統，如今已廣泛應用於航空、汽車、家電、機械及模具等領域，許多的國際著名 公司均採用UG做為其產品研究發展的系統，例如：波音飛機製造公司(Boeing Company)、美國通用汽車公司(General Motors Corp.)、貝爾直昇機製造公司(Bell Helicopter Textron Company)、英國龐巴迪宇航公司(Bombardier Aerospace

Company)、蘋果電腦公司(Apple Computer, Inc.)、諾基亞手機製造公司。隨著這 些火車頭工業的發展，相對的帶動其週邊衛星工業對UG軟體的需求，UG已在現 今的CAD系統中，成為一代的佼佼者。

2-1-1 UG軟體介紹

UG是一套涵蓋電腦輔助設計簡稱CAD（Computer Aided Design）/電腦輔助製 造簡稱CAM（Computer Aided Manufacturing）/CAE（Computer Aided）的高階 CAD軟體，

2-1-2 UG主功能描述

CAD基於無參數、半參數、全參數的設計基礎下，利用特徵建構模型，其主 要功能如下圖2-1所示：

藉由各種模組間的功能，可設計出各式各樣的產品模型。

模 具 設 計 模 組

特 徵 設 計 模 組

自 由 曲 面 模 組 實

體 設 計 模 組

工 程 繪 圖 組

立 模 組

鈑 金 設 計 模 組 塑 型 分 析 模 組

軌 道 設 計 模 組

鋼 架 設 計 模 組 管

路 設 計 模 組 轉 檔 模 組

視 覺 輸 出 模 組 自 訂 特 徵 模 組 進

階 組 立 模 組

UG CAD

圖 2-1 UG CAD 主要功能

CAE提供設計工程師得以更深入地瞭解產品效能，然後視情況修正數位設 計，而且不必具備 FEA 專家背景就能執行這些工作。

包含：

1.進行標準分析，包括線性靜力、模態、挫屈、接觸和穩態熱傳

2.將各種條件直接套用至設計幾何上 (不需要進行任何資料轉換)，即能取得真 實狀況下的效能資料

3.快速而自動的解決方案整合機制，能夠準確地對映至基礎的 CAD 幾何；支援協力廠商的求解器輸出

4.在設計的同時模擬各種設計變體的結果，藉以強化創新能力 主要功能如下圖2-2所示：

UG

線 性 分 析

UG

運 動 分 析

UG

有 限 元 素 前 處 理

UG CAE

圖2-2 UG CAE主要功能

CAM提供各式的加工能力，在圖形方式下觀測刀具沿軌跡運動的情況、進行 圖形化修改：如對刀具軌跡進行延伸、縮短或修改等、點位加工編程功能，用於 鑽孔、攻絲和鏜孔等、按用戶需求進行靈活的用戶化修改和剪裁、定義標準化刀 具庫、加工工藝參數樣板庫使初加工、半精加工、精加工等操作常

用參數標準化，以減少使用培訓時間並優化加工工藝。

主要功能如下圖2-3所示:

UG CAM

資 料 庫 連 結 模 組 車

床 加 工 模 組

後 處 理 模 組 加

工 界 面 模 組

加 工 模 擬 模 組

固 定 軸 向 銑 削 模 組

高 速 加 工 模 組 五

軸 加 工 模 組

線 切 割 模 組

圖 2-3 UG CAM 主要功能

2-2 UG 二次開發技術

UG 軟體提供了 CAD/CAE/CAM 業界最先進的外部編輯工具，不僅解決了一 般通用軟體針對性不強的問題，及重複性的工作，以滿足用戶的不同需求，縮短 企業產品的開發週期，提升企業的市場競爭力，此二次開發工具統稱為

UG/OPEN，用戶可以在其平台上開發出自己需要的 CAD 功能，如圖 2-4。

GRIP

API

MenuScript Knowledge Fusion

對話框編輯器

UG 對話式語言編輯器 用戶畫面編輯器 UG 專用程式編譯器

C 語言程式編譯器

User Interface Styler UG/OPEN

圖2-4 UG 二次開發工具主要功能

2-2-1 UG/OPEN GRIP

早期 GRIP(Graphics Interactive Programming)語言能夠完成在 UG 下的部分操 作，如實體建模、工程製圖、製造加工、系統參數控制、文件管理、圖形修改 等。GRIP 語言與一般程式語言相同，但因為 GRIP 是以 UG 為基礎的程式語言，

所以大部分為 UG 既有功能，需透過編輯、鏈結、編譯等工作才可由 UG 軟體讀取 執行，一般程序如下說明：

1. 編寫原始碼：利用文件編輯器編寫程式碼，儲存為.grs 的檔案格式。

2. 鏈結程式碼：將*.grs 利用鏈結器，鏈結為 gri 的檔案格式。

3. 編譯程式碼：將 grs 編譯成 UG 可直接讀取的 grx 語言格式。

4. 執行：UG 可直接讀取 grx 檔案或通過 UG 對話框方式執行。

2-2-2 UG/OPEN API

API(Application Programming Interface)語言在 UG 初期運算功能不足，因此特 別開發了 UG 與 C 語言的程式介面，它能提供 GRIP 所沒有的功能，充分利用 C 語言的強大的計算能力，彌補 UG 泛用軟體的不足。

其主要得的應用範圍有：

1. 製作客制化的用戶功能及介面。

2. 開發與其他軟體的接口程式。

3. 利用其強大的計算分析能力，回傳計算的數值與結果。

2-2-3 UG/OPEN MenuScript

UG/OPEN MenuScript 主要是UG用來控制主選單及工具列的使用，通過他可 以改變主選單及工具列的佈置，也可以增加UG/OPEN GRIP、UG/OPEN API、

MARCO 等開發的客制化程式於主選單或工具列中。

使用 UG 定義的特殊語法，通過一般文字編輯器，即可建立修改 *.men 或

*.tbr 格式之檔案，不需經過編譯處理，重新運行 UG 即可顯示出新增、刪除、修 改之選單，充分滿足使用者對客制化選單及工具列的需求。

2-2-4 UG/OPEN Knowledge Fusion

Knowledge Fusion 為UG提供的知識與工程融合模組，他可藉由知識解決工 程上的問題，有效促使知識規則與CAD的結合，將各種知識規則利用KF描述規則 間的邏輯關係，使設計人員可以不需要豐富的工程背景，也可以設計出客戶所需 的產品。

KF為非程序性語言，不需通過編譯即可在UG環境下執行，而且一般通用的文 字編輯器即可進行，瀏覽、設計、修改等工作，非常適用於客戶自行開發客制化 的系統。

2-2-5 UG/OPEN UIStyler

UG OPEN UIStyler 提供了使用者自行快速架構選單，通過滑鼠進行點選、

放置、調整、屬性設定、、、、、等UG內置功能，即可建立其所需求的選單及 對話框，減少使用者於程式設計時，投入大量的人力物力進行選單及對話框。

其主要功能有：

1. 內建UG選單，使用者可透過滑鼠選擇，即可取得希望的控制界面，

進而減少程式開發時間。

2. 在變數項屬性設定時，可採用拉BAR式控制，讓變數項可直接隨同拉 BAR變化而進行動態模擬。

第三章 機車設計流程

機車設計的挑戰非一般產品設計所能比擬，從分析市場的未來趨勢、設 計概念發想、概念構想草圖、比例油土模型、等比例油土模型、掃描工程、

可行性分析(結構、空間、零件、作動)、造型要望回饋、曲面建構、CAD 機構設計、RP 設計確認、設計驗證、圖面發行、、、、、、等，每個環節 相互緊扣，週邊的各項輔助設備更是不勝枚舉，龐大的規模、複雜的流程，

其動輒千萬的投資能否成功，對生產決策者一直是極大的挑戰。

以下介紹主要的設計步驟：

3-1 草圖設計

圖 3-1 概念構想草圖

3-2 油土造型

圖 3-2 等比例油土模型

3-3 逆向工程

造型定案後，逆向工程是設計得以產品化的重要關鍵。大多數以點為建 構的參考資料，其量測設備依其結構可作以下區分：

量測探頭：分為接觸式(觸發探頭、掃描探頭)與非接觸式（雷射位移探 頭、雷射干涉儀探頭、線結構光及 CCD 掃瞄探頭）。接觸式僅 能針對造型特性線，或局部斷面進行掃描，唯獨無法準確描

述油土細節，且速度較慢。非接觸式可快速掃描出表面細部 造型，以大量的資料群顯示出造型的細節，準確地取得模型 輪廓座標。

量測機台：有三次元量測儀、多軸專用機台、多軸關節式機械臂、、、等。

資料處理：一般掃描系統內附的資料處理軟體，可即時同步處理掃描的資 料，將其雜訊濾除、細線化、曲線建構、曲面建構、曲面修改、

內插補點等。如圖 3-3 所示。

圖 3-3 零件掃描同步顯示

圖 3-2 等比例油土模型，經過逆向掃描工程處理後，也可將龐大的點群 資料，以國際標準的三角網格檔案格式(STL)輸出到其他軟體進行處理，如圖 3-4。

圖 3-4 STL 輸出到 UG 圖示

由於 STL 資料過於龐大，需佔用高效能電腦方可計算，故一般均轉換為 線架構進行可行性分析及曲面建構的基礎，如圖 3-5 所示。

圖 3-5 掃描資料線架構型態

3-4 CAD 設計

利用掃描的資料，造形設計人員透過 CAD 系統進行曲面建構，而機構工程師 即開始進行可行性評估(如圖 3-6)、拆件方式及 3D CAD 設計(如圖 3-7)。

圖 3-6 可行性評估

圖 3-7 CAD 設計

3-5 模型驗證

機車設計過程需特別的嚴謹，為追求高品質，將設計工程師所設計的 CAD 模型，進行實物化，而一般首件樣品製作工法有﹕

CNC 數值加工(Computer Numerical Control CNC)，加工零件如圖 3-8。

快速原型(Rapid Prototyping)技術，常見的工法有。

雷射樹脂積層 (Stereo Lithography apparatus SLA)，加工零件如圖 3-9。

雷射粉末燒結(Selective Laser Sintering SLS) ，加工零件如圖 3-10。

、、、、、、等等。

圖 3-8 CNC 數值加工成品+表面研磨+底漆塗裝零件

圖 3-9 雷射樹脂積層成品

圖 3-10 雷射粉末燒結成品

但是不論是 CNC 數值加工或快速原型技術，有較大形物件時，都會有原材料尺寸 及加工機具的限制，所以常會有需要將零件在 CAD 分割為數塊，再進行零件加 工，最後通過黏合來取得首件樣品。

當試驗需求數量較多時，因為原型製作成本高，取得首件模型後，即會利用 首件模型，採用矽膠模具成型技術(如圖 3-11)，來進行零件複製的動作，零件與 首件並無太大差異

圖 3-11 矽膠模具及成品

當試驗有強度及耐久需求時，須滿足真實材料及工法，例如﹕排氣管飾蓋須 進行耐久試驗時，一般試作工法因材質耐熱不足且經過黏合造成強度不足並無法

滿足測試需求，所以此時就必需開發鋅鋁合金的試作模具(如圖 3-12)，來取得試 作零件進行測試。

圖 3-12 鋅鋁合金試作模具

試作完成後，將試作品進行裝配、實物作動模擬，等進行實車驗證(如圖 3- 13)，能讓專案參與者更準確判斷每一個細微的設計環節，

圖 3-13 機車模型驗證

第四章 機車 CAD/KBE 輔助設計系統

應用知識工程技術的機車 CAD/KBE 輔助設計系統是在 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。透過與造型師與機車設計工程師的經驗交流，將各國法規、各種 典型機車的車架、機車油箱加以歸納與描述，並運用 KF 語言於機車幾何模型中 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 的機車設計過程(如圖 4-1)。設計人員可透過所建構的對話框，將對應的尺寸參數 輸入，進而修改或調用來建立機車幾何模型，從而實現機車 CAD/KBE 輔助設計 系統的知識驅動。

圖 4-1 系統架構

4-1 油土法規評估系統

4-1-1 法規簡介

機車已然成為本世紀密度最高的交通工具，這近五十年的期間，因機車使用 量增加快速，所以道路狀況、交通法令及駕駛常識等皆需配合民眾普遍使用機車 的情況而訂定，以免造成交通混亂。故各國政府為改善交通秩序，加強管理機車 行車安全，與管理因機車造成的空氣、噪音污染、能源的大量耗費，所以各國政 府在這些需管理的面向，訂定了許多法規與管理條例。

如歐規簡稱 ECE (Economic Commission for Europe) 美規簡稱 FMVSS (Federal Motor Vehicle Safety Standards) 日規簡稱 JIS (Japanese Industrial Standards)、

JASO (Japan Automobile Standards Organization) 中國 GB (Guo Biao)

4-1-2 法規導入規劃

而法規的主要項目，因各國政府所制定的需求不同，所制定的內容也有差 異，但是主要方向均大同小異，以下略為描述各主要項目：

1、Whole Vehicle Type Approval(整車認證) 2、Speedometer(速率錶)

3、Brake(剎車)

4、Tell-Tales(顯示面板標示符號) 5、Audible Warning Device(喇叭) 6、Stands(腳架)

7、Passengers Hand Hold(後座扶手) 8、Uunauthorized Use(防盜性) 9、Statutory Mmarkings(註冊標籤)

10、 Arrangement Of Light(燈具排列方式) 11、 Masses And Dimenssions(重量、尺寸)

12、 Space For Mounting Rear Registration Plate(後牌照空間) 13、 Max. Design Speed, Max. Torque And Max. Net Engine

Power(最高速率, 最大扭力及最大淨馬力) 14、 tyres(輪胎)

15、 Lighting And Light-Signalling Devices(燈光及信號裝置) 16、 External Projections(外觀突出部品)

17、 Rear View Mirror(後視鏡) 18、 Eexhaust Emission(廢氣排放) 19、 Fuel Tank(油箱)

20、 Aanti-Tampering(防改裝)

21、 RIS -- EMI / EMC(無線電干擾抑制裝置) 22、 Noise Emission(噪音)

多數的法規項目，因相關性能、排污、煞車、噪音、、、等項目，無法於 CAD 中得到具體數據，必須經由實驗室及實車上的測試才能取得，所以並非所有 項目均得已以 CAD 進行確認(如圖 4-2)。

例如：

圖 4-2 法規範例 項目 1、機車需>50cc 最大時速需大於 45km/h 項目 2、速度刻劃：每 1, 2, 5, or 10 km/h

速度數字標記：每 20 km/h or 以下 (極速<200km/h) or 每 30 km/h or 以下(極速>200km/h)

COP (量產品一致性) 標準：0 ≦ Vs - Vt ≦ Vt/10 + 8 km/h

等數據並無法運用於 CAD 系統中進行確認，所以並不適合導入以 CAD 系統來進 行驗證的工作(如圖 4-3)。

而部分例如：

圖 4-3 法規範例

此部分有明確的數據得以帶入 CAD 系統進行檢證，資料在進行整理歸類 後，如何將資料導入 CAD 進行確認則是本項專案研究的方向之一。

4-1-3 油土確認位置

在數據具體化後，即可確認出造型油土的相對位置，如圖 4-4 所示。

圖 4-4 配合法規規劃之油土位置

4-1-4 資料庫建立

為了滿足各國法規所訂製的規範，因此必須將各國法規重新整理歸類，以下 特別將法規中機車燈類的位置數據化，將燈類依排列的規則、位置等數值整理列 表。

如圖 4-5 所示。

圖 4-5 法規燈類範例 Excel 文件

逆向工程所得到的資料與資料庫直接連結進行比對，透過讀取表格中不同的 欄位，尺寸參數會對應到不同的數值，達到與資料庫比對的目的。

4-1-5 設計檢核系統

為減少輸入過程發生錯誤，需將 3D 進行前處理，也就是說 CAD DATA 中各個座標如頭燈位置，方向燈位置，地線位置、、、、、、等等，需先以 CAD 系統建立各點的座標點，再透過初期法規檢核系統對話框，為了讓設計人員能夠 容易的使用與操作，因此採用了圖形介面的方式，設計人員直接透過畫面提示，

依指示輸入提示部位，如圖 4-6 所示。

圖 4-6 法規檢核系統對話框

透過對話框的輸入項目，採取點的輸入選項，如圖 4-7，選擇前作業中所建 立的座標點，可以將各個點座標以 x、y、z 存入系統中，建立前後車輪接地點的 線段，我們稱之為地線，將地線與各個座標點的 z 座標進行距離分析，例如台灣 法規中的頭燈高度為地面高度 500-1300mm 之間，只要在 CAD 取得的頭燈 Z 座 標資料能滿足台灣法規中的要求高度，即可初判頭燈位置在高度項目可滿足台灣 法規，與資料庫資料進行比對，進而可得到整車的產品規格，以及油土逆向工程 的取得之資料是否能滿足銷售地域的法規，如圖 4-8 所示。

圖 4-7 點選項提示

圖 4-8 輸出規格表及法規判定

4-2 車架輔助建構系統

4-2-1 系統架構

使用者

UIStyler可視化介面

參數輸出輸入窗口

知識庫管理系統

UG/KF建模

U G 軟 體 平 台

幾 何 模 型

幾 何 資 料 訊 息

對話框模組

知識工程模組

幾何模組

數據庫 設計規則庫

圖 4-9 系統架構圖

4-2-1-1 對話框模組

主要是利用 UG 軟體所提供的 UIStyler 可視化介面，訂置完全 UG 風格的對話 框，給設計人員提供方便、直觀的人機交互介面，用於參數輸入、修改及標準件 的 Excel 表格數據選取等。

4-2-1-2 知識工程模組

為機車車架快速建立系統的核心，是由知識庫和知識庫管理系統構成。知識庫 中儲存著機車車架設計過程中所需的各種知識與規則，主要由數據庫及設計規則 庫所組成。其中數據庫是儲存標準件的規格、尺寸參數等數據和相關索引，因此 數據庫可以說是標準件的基礎；設計規則庫則儲存著 KF 語言描述的參數化驅 動、工程演算規則及外部數據庫連結等。系統透過知識庫管理系統與其他模組相 連結，從而實現知識的重用與擴充。

4-1-3 幾何模組

為知識系統與 CAD 軟體系統的整合化模組，系統透過重用知識庫中的各種知 識和規則來驅動、選擇及裝配相應的機車車架幾何模型，此時機車車架幾何模型 被賦予各種屬性資料。在選定機車車架樣式與參數輸入後，便可經由 UG 自動生 成三維實體模型，使設計人員能直接快速的觀測到設計結果，並可即時性的進行 修改，直至滿意為止。

4-2-2 系統開發流程

機車車架快速建立系統主要是由車架快速建立，如圖 4-10 所示。其系統開發 流程為：設計者以輸入車體部分規格值如輪胎規格、避振器行程、把手轉向角度 等資訊，再利用資料庫中材料規格，用以快速建立出車架結構，以提供結構分 析、初期干涉檢證、油土規劃及先期試作等目的，藉以縮短設計日程。

圖 4-10 系統開發架構

4-2-3 初步車架建立

車架建立主要是 HANDLE、TIRE、FRAME BODY、CUSHION 等結構所構 成，如圖 4-11 所示。

圖 4-11 車架基本架構

圖 4-12 車架建構主目錄

如右圖車架建立主畫面所示，設定左右轉向角，車架管徑大小，避震器長 度

如設計者輸入避震器行程，利用公式:

X=COS(90-把手前傾角)*前避震器長度，

Y=0，

Z=SIN(90-把手前傾角)*前避震器長度，

透過參數修改的方式，即可在避震器伸縮方向，快速模擬出避震器潰縮位置，如 圖 4-13 示。

(Child) stoke_fr_tire: { Class, ug_extract_body;

Object_Name, fr_tire_Blend:;

referenceframe, FrameXY(point(COS(90-handle_angle:)*fr_cushion_stoke:,0,SIN(90- handle_angle:)*fr_cushion_stoke:),vector(1,0,0),vector(0,1,0));

UpdateAtTimeStamp, TRUE;

};

圖 4-13 輪胎避震最大行程檢測

設計者輸入機車左右轉彎最大角度，系統即可快速計算出把手左右轉彎後 的位置，同時也會計算出輪胎於轉彎時避震器的最大行程位置，快速建立出 CAD 模型，以供設計者進行初步 LAYOUT 檢測，如圖 4-14 所示。

圖 4-14 轉彎時輪胎最大範圍檢測

4-3 油箱容積最佳化

由於現代的產品具有複雜性與不確定性，傳統的 CAD 設計技術已經無法滿足 快速多變的市場需求，因此本研究將利用 UG 軟體所提供的二次開發工具知識溶 接(Knowledge Fusion，KF)，開發一套結合知識工程(KBE)的「機車油箱容積最佳 化建模系統」，使其具備有專家能力，可快速有效的設計出所需的機車油箱外 型，快速反應市場的需求，提昇企業競爭力。運用知識工程原理對智能化設計方 法進行研究，獲取產品設計人員的設計經驗和領域專家的知識，並採用知識工程 語言將其表達出來，使之成為電腦可操控的對象，從而讓設計人員在確保設計效 率的同時，遵循最佳設計途徑，以達到智能化設計的目的。就其研究的理論基礎 而言，主要包括「設計變數」、「約束條件」、「目標函數」和「最佳化設計」

等。本章將針對這油箱設計再這四方面做進一步的探討。

4-3-1 油箱容積最大化

油箱容積初期在估算的時候，常常會因為車架變更或安全距離因條件有所變 化而影響間隙變更，所以利用油箱與各周邊物件的間隙調整，產生最大的油箱容 積。如圖 4-15 所示，系統啟動時畫面。

圖 4-15 油箱容積最大化邊界畫面

選取圖 4-16 的油箱實體，再依續選擇第各邊界物件，選則油箱實體的相對 檢測面，並設定各邊界的間隙值，各邊界的間隙須依實際各物件邊界的條件有不 同的定義。各邊界說明如圖 4-17。

圖 4-16 油箱實體

圖 4-17 油箱邊界說明

例如﹕物件邊界為油箱鎖附物件時，可僅留最小邊界約 3-5mm ，如車架。

物件邊界為可能產生震動異音時，須保留約 5-8mm ，如座墊。

物件邊界為可能動態運動物件時，須確保最大作動範圍並預留約 12- 15mm ，如車輪。

依提示輸入 第一邊界 7mm，

第二邊界 5mm，

第三邊界 15mm，

第四邊界 3mm，

第五邊界 3mm，

第六邊界 15mm，完成後，確定即可得到此油箱體的最大容積。如 圖 4-18。

圖 4-18 油箱最大化

4-3-2 油箱容積最佳化 4-3-2-1 設計變數

設計變數是產品進行最佳化過程中希望改變的參數，藉由此變量的改變，其目 標(Objective)結果會相應有所改變。在選擇的過程中設計變數是變數，然而一旦 這些變數確定後，則設計對象也就完全確定。設計變數的設計變量通常設定在一 個範圍值內，應用最佳化運算器使其自動進行設計變數值的改變，進而使目標函 數的結果值改變，使其達到設定的目標，而完成設計變數的最佳化設計。設計變 數所代表的是可以控制、改變影響設計性能表現的因素。因此在進行機車油箱最 佳化之前，必須選擇對目標函數最具影響的參數，將其定義為設計變數。

在進行最佳化設計中，設計變數越多，則代表計算過程愈趨複雜，同時具有 兩個變數，則稱為二維設計問題，二維設計變數有 與 兩個變數值，同時具 有三個設計變數，則為三維設計問題，設計變數越多，設計的自由度就越大，可 提供的選擇方案就越多，但是難度也就相對的提升。

X1 X₂

一般而言，容積的基本運算為長*寬*高，所以在機車油箱容積參數設計時，

參考機車油箱的長寬高為設計變數，通過油箱容積最佳化系統對話框，將機車油 箱高度定為設計變數，通過機車油箱高度的變化，來達到容積變化的需求，如圖 4-19 所示。

圖 4-19 設計變數說明

4-3-2-2 約束條件

在許多實際問題中，設計變數的取值範圍具有限制或必須滿足特定的條件。

在最佳化設計中，對於設計變數取值的限制，稱之為約束條件。限制形式可能是 對某個或某組設計變數直接限制。例如某設計產品在最佳化設計中必須將油箱與 座墊間的距離限制在(h) mm 以上，此就構成直接限制；除此之外，亦可對某個或 是某組設計變數的間接限制，如圖 4-20 所示。

圖 4-20 約束條件說明

4-3-2-3 目標函數

在最佳化過程中，目標是希望達到的結果。即在設計中，設計者總是希望所 設計的產品或工程設施具有最好的使用性能(性能指標)、最小質量或最緊湊的體 積(結構指標)、最少的製造成本及最大的經濟效益(經濟指標)。在最佳化設計中，

可將所追求的設計目標(最佳指標)用設計變數的函數形式表達出來，此一過程則 稱為建立目標函數。

在最佳化設計問題中，若目標函數只有一個時，稱之為單目標函數。若在同 一設計中需提出多個目標函數時，則稱之為多目標函數的最佳化問題。在一般的 機械最佳化設計中，多目標函數的情況較多，但目標函數越多，設計的綜合效果 越多，問題的求解亦越複雜。

在本研究中，經由機車油箱容積最佳化建模系統所設計出的機車油箱是透過 設計變數油箱高度的調動來達到所需的幾何外型，以指定之機車油箱容量為目標 函數，進行目標函數的求解。

4-3-2-4 最佳化設計的數值計算方法

數值計算是一種數值近似計算方法，主要是透過目標函數的變化規律，並且 以適當的步長沿著目標函數值下降的方向，逐步的朝向目標函數值的最佳點進行 搜尋，逐步的逼近目標函數的最佳點。UG/KF 所提供的最佳化類指令，對於解最 佳化模型為迭代(Iteration)形式的數值方法。

迭代法簡單的說就是步步逼近，最後達到目標函數的最佳點。數值計算的迭 代方法具有以下幾項特性：

(1) 以數值計算的方法並非數學分析方法。

(2) 具有簡單的邏輯結構並且能夠進行重複相同的計算。

(3) 計算後所得到的值為逼近精確解的近似解。

一般迭代形式包括給定初始值、迭代定義(Iteration definition)以及中止要件 (Termination condition)三個部份，此三部份的關係如圖 4-21 所示。使用各種數值 計算方法時，初始值的給定相當重要，若初始值越接近最佳點時，收斂的速度越 快。因此，必須了解數值計算方法的收斂性質屬於區域收斂(Local convergence)，

並非全域性收斂(Global convergence)，表示初始值若不在某特定區間之內，或者 無法滿足要求，則該演算法不會收斂。

給定初始設計點

設計點是否滿足計算精度

根據迭代定義，取 得下一個設計點

終止搜尋 是

否

圖 4-21 迭代流程

透過迭代法求解最佳化的步驟可歸納成下列幾項：

(1) 進行最佳化求解過程中，必須先選擇初始點X^{( )0} ，接著由此初始點X^{( )0} 搜尋 接近目標函數的方向以及初始步長，得到X 點。 ^{( )1}

取得X^{( )1}

(

點之後再選擇一個使新的函數值接近目標函數的方向以及步長，得到

)

X2 點，依此類推，一步一步的搜尋與重覆計算，直到目標函數的最佳點，

在迭代過程中，每進一點後必須與原來的點相減，檢查此點與原來點相差的值是 否 滿 足 預 定 的 計 算 精 度ε ， 若 滿 足 則 表 示 目 前 函 數 值 已 達 到 精 度 要 求 ， 否 由線性代數得知，對於任何一個迭代公式進行計算，不一定可以得到逼近目 標的近似解，若此迭代公式進行計算後得到逼近目標的近似解，則此迭代公式為 收斂，反之則為發散。

理論上，每個迭代公式都能產生無窮點的設計方案。因此，只能進行有限次 的修改設計，直到取得適當近似解後應當停止。而設計方案不斷的修改直到目標 函數的最大值才停止計算，但是對於工程設計問題往往很難判斷其目標函數的最 大值。因此，必須使用的中止要件。中止與收斂並不相同，事實上在許多狀況 下，中止並不代表數值計算法已經收斂至理論最佳值。當數值計算法滿足中止要 件時，表示此設計點在預設的容許範圍內為滿足設計，或者是到達每次迭代之間

的變化已經非常小，而沒必要再迭代下去。因此，中止要件只能根據計算中的具 體情況進行判斷。此判斷方式有下列四種形式：

(1) 當目標函數在相鄰兩點的相差值小於計算精度時，中止迭代。

(2) 設計變數在相鄰兩點迭代的比值，小於相對收斂公差，則進行收斂。

(3) 理論上，當最佳化運算器進行運算時，若違反約束條件，即使得到最佳化的 結果，最佳化運算器仍不考慮將此一最佳化結果及其相應的設計變數。但實 務的應用上有時並非如此嚴謹。因此，有些約束條件，只是希望限制在某一 約束條件內，但即使超出此一約束限制少量，並不致於對整個最佳化系統有 太大的影響。因此，使用者可應用此一參數，設定最佳化過程最大允許約束 差異值，在最佳化過程中，即使違反約束限制量，但在此一設定值內，若有 最佳化結果，則仍視其結果為可接受的最佳化結果。

(4) 迭代次數。在每項數值計算法都會包含此項中止要件，此中止要件的目的在 於最佳化模型有錯誤時，或者數值計算法無法收斂的情況下，使數值計算法 不會無窮盡地迭代。若對最佳化模型進行測試，則可將迭代次數設定少一 些，節省計算資源。若迭代次數超過最大迭代次數而中止，則表示運算失 敗，所得到的結果可能是發散的，甚至不可行的設計點。

4-3-2-5 機車油箱容積最佳化

在機車油箱容積最佳化對話框的部份，為了讓設計人員能夠容易的使用與操 作，因此採用了圖形介面的方式，把建構油箱幾何模型所需要用到的邊界及相關 設計變數用選項方式及調整方式標示在對話框中，使設計人員能夠快速且直觀的 進行設計變更。如圖 4-22 所示。

圖 4-22 機車油箱容積最佳化對話框

設計變數：現行設定為油箱高度。

約束條件：座墊底部到油箱的距離。

目標函數：油箱容積-設計人員以希望值輸入在油箱容積。

依據上述條件，在經過油箱容積最佳化後，及可得到最適的目標油箱容積

第五章 系統初步實際測試結果

本研究 Case1 是採用 Vietnam SYM-Enjoy 車型進行本系統的測試，其車輛外 型如圖 5-1。規格詳如圖 5-2。

圖 5-1 Vietnam SYM-Enjoy 車型 該車型於越南實際發售之規格，規格詳如圖 5-2。

圖 5-2 Vietnam SYM-Enjoy 規格表

本章主要針對第四章的系統架構，提出其可行性之驗證。第一節將介紹法規 測試，第二節將驗證車架快速設計的可行性，第三節將油箱容積最佳化系統的可 行性

5-1 機車法規的系統測試

車長： 1890mm。

車寬： 683mm。

車高： 1097mm。

頭燈離地高： 998mm。

前方向燈離地高： 691mm， 雙燈間距：269mm。

位置燈離地高： 691mm。

後方向燈離地高： 655mm， 雙燈間距：231mm。

尾燈離地高： 643mm。

煞車燈離地高： 643mm。

藉由前一章節的資訊收集技巧和研究方法，所取得的 4-3 圖表的數 據，進行比對，可發現前後方向燈的雙燈間距並無法滿足台灣、美國及歐洲 法規。

在啟動系統後，會出現如圖 5-3 之畫面，依畫面順序輸入油土資訊，輸 入完成後，選擇數據分析按鍵，即可得到下圖 5-4 資訊，輸出現行油土燈類位 置資料與各區域法規的吻合情況，與我們所分析的狀況相同。

圖 5-3 法規檢測系統主選單

圖 5-4 法規檢測系統執行畫面

為測試系統的正確性，我們刻意修改機車 CAD 前方向燈的兩燈間隔距離，

將原本前方向燈兩燈間距 269mm，改為 230mm，由於台灣法規兩燈最小間距為 240mm，美國法規兩燈最小間距為 406mm，歐洲法規兩燈最小間距為 240mm，

明顯小於法規中規定的兩燈最小間距，並以系統進行測試，測試結果如圖 5-5 所 示。

圖 5-5 法規檢測系統執行畫面

我們再嘗試以另外一種傳統的跨座車型摩托車進行測試，

以下為車體資訊：

車長： 2020mm。

車寬： 755mm。

車高： 1250mm。

頭燈離地高： 855mm。

前方向燈離地高： 850mm， 雙燈間距：396mm。

位置燈離地高： 855mm。

後方向燈離地高： 730mm， 雙燈間距：315mm。

尾燈離地高： 870mm。

煞車燈離地高： 870mm。

圖 5-6 法規檢測系統執行畫面

5-2 機車車架快速建立系統測試

圖 5-7 SYM-Enjoy 車架結構

系統測試，目前已可藉由程式將主車架建構完成，通過變數修改即可促使車 架管徑變更、前輪轉向模擬、前後避震器潰縮模擬、、、等動態修改，減少設計 人員於 CAD 建立及修改上所花費的時間，可投入更多的時間再整車的佈置及細 部的規劃，如圖 5-8 所示。

圖 5-8 車架轉向模擬畫面

5-3 機車油箱容積最佳化程式測試

一般油箱在設計時，有兩種設計基礎，一是油箱容積最大化、一是指定油箱 容積，在油箱最佳化的控制項中，即依此兩種需求進行操控。

5-3-1 油箱容積最大化

本機車油箱的實驗基礎為一般速可達車型置物箱後側的後置油箱設計，若是 依傳統的設計方式，通常設計人員都是等到車架大致底定後，再依實際的空間進 行油箱設計。但是為爭取日程，車架主結構完成後，立即進行油土造型的規劃，

當發現油箱空間與實際企劃規格差異過大時，需馬上調整車架設計，相對的規劃 中的造型也隨之變動，造成設計工時的延宕。

在主車架規劃的階段中，設定油箱的上下左右前後各方向與對手件邊界的最 小間距，即可將模型編輯至最大，估算油箱容積。

依提示輸入 第一邊界與檢測面最小間距 7mm，

第二邊界與檢測面最小間距 5mm，

第三邊界與檢測面最小間距 15mm，

第四邊界與檢測面最小間距 3mm，

第五邊界與檢測面最小間距 3mm，

第六邊界與檢測面最小間距 15mm，

可得到油箱最大容積為 5867c.c.。如圖 5-9 所示。

圖 5-9 油箱容積最大化模擬畫面

5-3-2 油箱容積最佳化

當油箱容積與目標差異過大時，就須藉由系統通過不斷的建立修改油箱高度 變數，並檢測約束條件，以滿足其油箱容量接近企劃規格。

目標函數：求解方式選擇目標體積，目標值設為 5800c.c. 。

設計變數：選取選擇變化曲面，點選油箱頂部平面為設計變數，同時設定油 箱高度的變數範圍，Offset Max 20mm，Offset Min -20mm。

約束條件：選取選擇補正曲面邊界，點選座墊底部平面為約束條件，並設定

邊界最小間距 7mm。如圖 5-10 所示。

圖 5-10 設計變數及約束條件輸入

體積最佳化求解，依據設定的目標油箱容積，設計變數、約束條件，點選最 體積最佳化求解，系統會通過設計變數的調整，進行迭代計算，檢測約束條件，

直到符合之油箱容積 5800c.c.之需求，如圖 5-11 所示。

圖 5-11 油箱容積最佳化

第六章 結論

本文以機車輔助設計為研究對象，使用 UG 軟體並以該平台的二次開發工具 UG/KF 語言，將知識工程技術與 CAD 系統相互結合，以快速規劃最佳的機車佈 置，快速建構試作 CAD，以期在最短的時間內完成 RP(RAPID PROTOTYPING)為 目標，嘗試將知識工程技術與 CAD 系統相互整合，達成知識驅動自動化

(Knowledge Driven Automation, KDA)系統的建構。

由於我國機車設計仍以傳統的經驗設計方法進行，並過度依賴設計人員的經 驗，設計人員的疏忽，隨時造成產品設計錯誤隱憂、產品的開發週期長等問題，

嚴重影響了產品設計的速度與工作效率。為了解決此類問題，本研究開發機車 CAD/KBE 輔助設計系統，並取得了初步的研究成果，如下所示：

(1) 機車法規的規則性可透過資料的整理及歸納，將部份可具體化之數值與 CAD 系統的向量資料進行比對，減少設計人員經驗不足及人員疏失的過失。

(2) 研究如何將知識工程技術運用到 CAD 系統，透過快速建模系統，可使得開發 初期可快速的規劃機車佈圖，設計人員在產品設計知識的驅動下，實現機車 車架幾何模型的知識驅動及變更結構設計。

(3) 應用知識工程技術，並藉由三維的 CAD 模型、約束條件、工程演算規則來取 得機車油箱容積的最佳化設計。

本研究已大致規劃出其系統架構，由於時間精力有限，目前僅進行了初步的 探討與應用，其系統細部之架構與規劃尚未完成。因此尚有許多課題需要完成，

預期如下：

(1) 機車法規項目繁複，本研究僅基於燈類位置之相關法規，進行知識工程與 CAD 技術的融合，未來還有相當多的資料、數據須再進行資料的分類、整理 與規納，才能將機車法規完整的融入 CAD 系統，進而獲得新知識及知識庫的 重用。

(2) 進一步完整的建立機車車架幾何模型的知識驅動，逐步建立各種車架種類的 資料庫，及各式機車車架所需要的支架家族，並加強部分作動模擬檢測功

能，使得設計人員可快速的透過系統，驅動產品的工程知識，輕易的取得幾 何相關的模型的較佳的機車車架規劃。

(3) 目前機車油箱容積的最佳化設計僅針對容積部分考量，未來可再細部規劃機 車油箱模型的細緻化、機車油箱成型知識的建立，減少設計人員在經驗傳承 的不足、設計能力的缺乏及設計疏失引發的錯誤。

參考文獻

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