知識(shí)工程在模具標(biāo)準(zhǔn)組件建模中的應(yīng)用研究

黃紅輝 王凌云

（上海工程技術(shù)大學(xué)制造工程系，上海 200437）

當(dāng)前，以幾何模型為主的三維CAD軟件建模的應(yīng)用，仍然是以構(gòu)建三維模型為主。CAD軟件的輔助設(shè)計(jì)功能遠(yuǎn)未開(kāi)發(fā)出來(lái)，而自動(dòng)設(shè)計(jì)功能也僅僅才起步。問(wèn)題的關(guān)鍵在于現(xiàn)在的商用CAD軟件多采用特征參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，通過(guò)零件族等方式來(lái)參數(shù)化特征的形狀與尺寸，同時(shí)影響與之發(fā)生聯(lián)系的特征，從而得到不同的零件模型。但是，參數(shù)化技術(shù)要求全約束，約束方程的建立和求解依賴特征構(gòu)建的順序，參數(shù)求解只能順序求解，這樣導(dǎo)致零部件不能隨心所欲地構(gòu)建和拆卸;此外，對(duì)于復(fù)雜零件，參數(shù)化所需的某些尺寸與約束可能暫時(shí)難以確定，工程參數(shù)如質(zhì)量、載荷、力等設(shè)計(jì)參數(shù)也不能直接約束管理，給工程實(shí)際應(yīng)用中帶來(lái)很大的局限性;自定義變量只能驅(qū)動(dòng)幾何尺寸，即通過(guò)一些公式來(lái)修改零件的幾何尺寸，而零件的形狀已基本明確，即零件的特征基本給定，幾乎不能改變，而無(wú)法做變形設(shè)計(jì)。自定義變量之間相互獨(dú)立，不便建立任何函數(shù)關(guān)系，也不便對(duì)每個(gè)變量做約束。這使得當(dāng)某些變量的修改量比較大時(shí)，某些特征出現(xiàn)嚴(yán)重變形，甚至使該特征和與它相關(guān)聯(lián)的其它特征失去約束，出現(xiàn)懸空狀態(tài)的特征，造成信息的丟失。

以幾何模型為主的CAD系統(tǒng)還無(wú)法將工程領(lǐng)域的設(shè)計(jì)原理、工程知識(shí)、同類設(shè)計(jì)及專家經(jīng)驗(yàn)等融入幾何模型中去。因此，無(wú)法實(shí)現(xiàn)領(lǐng)域知識(shí)的重復(fù)利用，設(shè)計(jì)工程師仍需進(jìn)行大量的重復(fù)性設(shè)計(jì)工作，無(wú)法集中精力和時(shí)間進(jìn)行創(chuàng)新工作。目前，KBE技術(shù)是解決這一問(wèn)題最有前途的方案。本文作者通過(guò)對(duì)參數(shù)化和變量化設(shè)計(jì)方法的研究，將知識(shí)工程的概念引入模具參數(shù)化設(shè)計(jì)中，運(yùn)用知識(shí)工程強(qiáng)大的工程處理能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)模具特征參數(shù)的知識(shí)驅(qū)動(dòng)，并結(jié)合特征造型理論與工程數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)模具設(shè)計(jì)的智能參數(shù)化設(shè)計(jì)。智能化知識(shí)化是下一代CAD系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

1 知識(shí)工程（KBE）概述

知識(shí)工程KBE（Knowledge Based Engineering）是通過(guò)知識(shí)的驅(qū)動(dòng)和繁衍對(duì)工程問(wèn)題和任務(wù)提供最佳解決方案的計(jì)算機(jī)集成處理技術(shù)。它使用啟發(fā)式的設(shè)計(jì)規(guī)則，將涵蓋構(gòu)件、裝配和系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。KBE系統(tǒng)存儲(chǔ)產(chǎn)品模型包含幾何、非幾何信息以及描述產(chǎn)品如何設(shè)計(jì)、分析和制造的工程準(zhǔn)則。KBE的內(nèi)涵可以概括為:KBE是領(lǐng)域?qū)＜抑R(shí)的繼承、集成、創(chuàng)新和管理，是CAX技術(shù)與AI技術(shù)的集成。KBE系統(tǒng)框架如圖1所示。

從本質(zhì)看，知識(shí)工程的目的是“技術(shù)再利用”，即將知識(shí)創(chuàng)造性地應(yīng)用到一個(gè)工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)及生產(chǎn)制造過(guò)程中，充分利用各種實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、專家知識(shí)及其有關(guān)的信息，產(chǎn)生以知識(shí)驅(qū)動(dòng)為基礎(chǔ)的工程設(shè)計(jì)新思路。這些“知識(shí)”可能以很多種形式存在，如:①電子計(jì)算表格（Spreadsheets）;②手冊(cè);③工程計(jì)算公式;④專用軟件;⑤設(shè)計(jì)人員的主觀判斷和經(jīng)驗(yàn)。

知識(shí)工程的意圖是構(gòu)建工程自動(dòng)化系統(tǒng)。當(dāng)解決方案需要產(chǎn)品配置（Configuration）、工程演算（Engineering）、幾何模型構(gòu)建（Geometry）3方面組合起來(lái)時(shí)，知識(shí)工程就是最有效的方案。在知識(shí)工程中，知識(shí)是驅(qū)動(dòng)力，幾何模型構(gòu)建是由產(chǎn)品配置和工程演算規(guī)則驅(qū)動(dòng)的。

2 識(shí)熔接技術(shù)UG/KF

知識(shí)熔接是一種基于知識(shí)工程的系統(tǒng)嵌入式準(zhǔn)則評(píng)估引擎，提供了完備的知識(shí)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)化解決方案（Knowledge Driven Automation，KDA），它支持捕獲和再利用設(shè)計(jì)意圖和用戶智能，智能控制變化的繁衍，能夠消除傳統(tǒng)知識(shí)系統(tǒng)與產(chǎn)品數(shù)字化開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)、制造系統(tǒng)之間的障礙，模糊了設(shè)計(jì)、工程、幾何和編程之間的界線，它可以吸取許多經(jīng)典的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工具中最優(yōu)秀的特點(diǎn)，獲取工程規(guī)則，通過(guò)知識(shí)來(lái)驅(qū)動(dòng)幾何體生成。其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)知識(shí)和相關(guān)資源的重復(fù)利用，在提高效率的前提下減少重復(fù)和類似設(shè)計(jì)中人的參與，避免重復(fù)的錯(cuò)誤，從而加快設(shè)計(jì)速度和生產(chǎn)力的增長(zhǎng)。

UG/KF將KBE技術(shù)集成到UG系統(tǒng)，將知識(shí)工程完全內(nèi)嵌于CAD軟件。實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)規(guī)則和CAD模型的有機(jī)結(jié)合。利用KF，使設(shè)計(jì)人員可以借助純幾何體以外的工程規(guī)則來(lái)開(kāi)發(fā)應(yīng)用和控制UG的對(duì)象，使CAD設(shè)計(jì)不再是單純的幾何設(shè)計(jì)，這些工程規(guī)則包括非幾何的物理特性、分析結(jié)果、優(yōu)化方案、目標(biāo)搜索、美學(xué)等。

參數(shù)化的本質(zhì)是模型內(nèi)部幾何對(duì)象（點(diǎn)、線、面）間的相互約束，即當(dāng)參數(shù)變化時(shí)，根據(jù)參數(shù)間的約束關(guān)系，驅(qū)動(dòng)模型發(fā)生相應(yīng)的變化。參數(shù)化模型的參數(shù)約束有兩個(gè)功能:一是確定模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和尺寸大小，不同的約束定義不同功能和尺寸的模型;二是當(dāng)參數(shù)變化時(shí)，確定模型的變化方法。UG交互方式下的參數(shù)化建模，只能實(shí)現(xiàn)固定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型的參數(shù)化，使用KF，將知識(shí)（規(guī)則）融合到參數(shù)化中來(lái)，能夠?qū)崿F(xiàn)變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的參數(shù)化建模，從而形成一個(gè)更大的產(chǎn)品族。UG/KF所建立的特征之間的關(guān)聯(lián)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)尺寸驅(qū)動(dòng)的參數(shù)化設(shè)計(jì)，而且其關(guān)聯(lián)是通過(guò)規(guī)則的方式建立起來(lái)的，因此能夠?qū)崿F(xiàn)變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計(jì)。

UG/KF技術(shù)提供了一種規(guī)則描述語(yǔ)言，UG/KF語(yǔ)言是一種面向?qū)ο蟮恼Z(yǔ)言，它建立在Intent語(yǔ)言基礎(chǔ)之上。Intent語(yǔ)言是一種業(yè)界公認(rèn)的完全基于規(guī)則的知識(shí)編程語(yǔ)言，主要用類來(lái)描述，其應(yīng)用程序無(wú)需編譯即可執(zhí)行。用戶可使用一般的文本編輯器來(lái)瀏覽和修改KBE程序，從而實(shí)現(xiàn)了程序的開(kāi)放性，使工程知識(shí)隨時(shí)得到更新、補(bǔ)充和維護(hù)。UG/KF用“規(guī)則”（Rule）來(lái)表示產(chǎn)品的不同幾何參數(shù)和工程屬性之間的相互關(guān)系。用戶使用KF語(yǔ)言建立自己的規(guī)則，利用規(guī)則方便地添加知識(shí)。因?yàn)檫@種語(yǔ)言是聲明型，因此規(guī)則不存在先后順序，UG/KF系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)規(guī)則之間的關(guān)系來(lái)判斷執(zhí)行順序。利用這些規(guī)則來(lái)計(jì)算工程參數(shù)對(duì)產(chǎn)品幾何參數(shù)的影響，從而驅(qū)動(dòng)最終的幾何模型。另外，這種語(yǔ)言可以訪問(wèn)外部知識(shí)源，如數(shù)據(jù)庫(kù)或電子表格，并提供了與分析和優(yōu)化模塊等其他應(yīng)用程序模塊的接口。

UG/KF運(yùn)用知識(shí)表示法中面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)技術(shù)，將產(chǎn)品建?？闯墒怯商卣髂Ｐ徒?jīng)過(guò)一系列的特征操作后形成零件，再由零件組裝成具有一定獨(dú)立功能的部件，最后形成產(chǎn)品的一個(gè)過(guò)程。整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的知識(shí)完整封裝于最終的產(chǎn)品模型中。

3 沖壓模具浮動(dòng)模柄設(shè)計(jì)

60%以上的模具零件是標(biāo)準(zhǔn)件，設(shè)計(jì)工作存在很大的重復(fù)性。然而常用的CAD軟件只能提供有限的幫助，并不能使設(shè)計(jì)人員從繁瑣的工作和浩瀚的手冊(cè)數(shù)據(jù)中脫離出來(lái)，因此，迫切需要建立標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)，以減少工裝設(shè)計(jì)中的重復(fù)勞動(dòng)，提高設(shè)計(jì)效率，縮短產(chǎn)品研制周期。

如圖2所示沖壓模具浮動(dòng)模柄，UG/KF對(duì)其知識(shí)的使用，有兩種方法來(lái)建立規(guī)則:一是通過(guò)KF導(dǎo)航器的可視化界面直接添加規(guī)則，最后生成dfa文件，以便知識(shí)的調(diào)用;二是通過(guò)幾何采用機(jī)制。本例就是基于幾何采用方式實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。具體設(shè)計(jì)思路如圖3所示。

先利用UG的建模功能建立沖壓模具浮動(dòng)模柄錐面壓圈模型，如圖4所示。然后通過(guò)UG/KF采用模型特征，啟動(dòng)用戶自定義向?qū)г谧远x庫(kù)中生成特征和確定控制參數(shù)，定義用戶參數(shù)，定制對(duì)話框。最后列出規(guī)則，編輯生成dfa文件。該零件的相關(guān)參數(shù)存儲(chǔ)在UG自帶的電子表格中，該電子表格可與EXCEL實(shí)現(xiàn)無(wú)縫銜接（表1）。

表1 錐面壓圈參數(shù)

（1）特征（Features）模型:以UG的三維特征建模為基礎(chǔ)進(jìn)行特征分類，如塊、圓柱、凸臺(tái)特征等。每個(gè)特征定義為一個(gè)類，其具體形狀由類的相關(guān)屬性及屬性值表示。如沉孔的dfa程序:

（2）零件（Components）模型:由前面定義的特征模型經(jīng)過(guò)對(duì)特征的并、交和差操作形成，零件模型繼承特征類的所有屬性。零件知識(shí)模型類的定義如下:

（3）部件（Parts）模型:部件由不同零件裝配而成，因此將零件作為部件的子類，再結(jié)合相應(yīng)的定位方式就形成部件。其定義方式可描述為:

（4）產(chǎn)品（Products）模型:產(chǎn)品由部件或零件裝配構(gòu)成，產(chǎn)品模型定義為一個(gè)父類，它將部件或零件作為自己的子類，其定義方式與部件類似。

對(duì)于一個(gè)由幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)零件裝配在一起而組成的標(biāo)準(zhǔn)部件，要注意建立標(biāo)準(zhǔn)部件內(nèi)各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)零件之間的參數(shù)值傳遞，即建立各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)零件之間的尺寸鏈接關(guān)系，并用一個(gè)主要的標(biāo)準(zhǔn)零件去控制和約束其它次要的標(biāo)準(zhǔn)零件。對(duì)于主參數(shù)不同而引起的結(jié)構(gòu)變化，可以通過(guò)相應(yīng)的規(guī)則來(lái)完成建模。如錐面壓圈在規(guī)格參數(shù)D1≤100時(shí)，其一端面有4個(gè)等分螺紋孔，當(dāng)規(guī)格參數(shù)D1＞100時(shí)，等分螺紋孔的數(shù)量就變?yōu)?個(gè)，作如下處理:

解決了同一零件由于參數(shù)變化而引起的形狀不同的問(wèn)題，而用零件族法和UG/OPEN API開(kāi)發(fā)解決此問(wèn)題則要復(fù)雜的多。

零件間的約束及裝配體間的約束通過(guò)相似的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。UG/KF的約束不僅包括了幾何約束，而且也包括了規(guī)則和知識(shí)的約束。

對(duì)單個(gè)零件來(lái)說(shuō)，控制表達(dá)式值即可實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)。而對(duì)裝配件來(lái)說(shuō)，裝配結(jié)構(gòu)的零件之間的形狀和尺寸相互配合，因此零件之間配合部位的尺寸存在一定函數(shù)關(guān)系的關(guān)聯(lián)性。在基于UG裝配結(jié)構(gòu)的上下文參數(shù)化設(shè)計(jì)和編輯過(guò)程中，需要保證具有尺寸關(guān)聯(lián)的零件之間尺寸的一致性，當(dāng)一個(gè)零件的幾何尺寸參數(shù)變更后，相關(guān)零件的幾何尺寸參數(shù)若能自動(dòng)適應(yīng)，便可以提高設(shè)計(jì)的效能，避免因疏忽造成的失誤。對(duì)此，可以通過(guò)零件之間的關(guān)聯(lián)表達(dá)式（Inter－Part Expression）將裝配中的零件之間的幾何尺寸參數(shù)相互關(guān)聯(lián)，達(dá)到自適應(yīng)變更的目的。

其它可以重復(fù)利用已有模型的零件的變形都可以使用表達(dá)式類結(jié)合部件間表達(dá)式實(shí)現(xiàn)，零件及子部件的建模完成后利用ug_component類即可完成產(chǎn)品或部件的裝配（圖5）。

4 結(jié)語(yǔ)

把KBE應(yīng)用于模具設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域，能進(jìn)一步提高模具設(shè)計(jì)的智能化水平。知識(shí)工程實(shí)現(xiàn)了工程設(shè)計(jì)與CAD系統(tǒng)的無(wú)縫連接，已成為未來(lái)CAD技術(shù)與先進(jìn)制造業(yè)技術(shù)發(fā)展的核心。它可以很好地繼承各種專家知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，增加非幾何的工程設(shè)計(jì)能力，實(shí)現(xiàn)通過(guò)修改規(guī)則來(lái)直接影響幾何模型。本文作者研究的基于知識(shí)熔接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)知識(shí)和規(guī)則直接生成模具標(biāo)準(zhǔn)組件模型，提高了設(shè)計(jì)效率。

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