基于知識(shí)工程及二次開發(fā)技術(shù)的試制模型骨架設(shè)計(jì)

聞達(dá)，李夢(mèng)楠

1.一汽-大眾汽車有限公司 長(zhǎng)春 130000

2.吉林省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院 長(zhǎng)春 130000

知識(shí)工程的概念和技術(shù)由美國(guó)斯坦福大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系費(fèi)根鮑姆教授于1977年第五屆國(guó)際人工智能聯(lián)合大會(huì)上第一次提出，最基本的含義就是人工智能在知識(shí)信息處理方面的發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，采用“規(guī)則”的形式，完成知識(shí)的采集、整理、構(gòu)造、維護(hù)和應(yīng)用的工作。二次開發(fā)是以工程軟件為載體，對(duì)其功能進(jìn)行定制開發(fā)，以滿足用戶的特定需求，對(duì)于提高設(shè)計(jì)效率與質(zhì)量具有重要作用。

作為領(lǐng)先的CAD/CAE/CAM一體化軟件，Catia被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、造船及電子電器等行業(yè)。Catia的通用模塊雖然適用于各種產(chǎn)品的設(shè)計(jì)需求，但也存在著針對(duì)性不強(qiáng)、難以應(yīng)對(duì)不同用戶在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)方面的差異及不便于進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的短板。知識(shí)工程和二次開發(fā)技術(shù)能很好地解決這些問(wèn)題，在提高Catia的專業(yè)性及應(yīng)用效率，充分發(fā)揮軟件的使用效益方面具有十分重要的意義。

試制模型簡(jiǎn)介

在汽車開發(fā)流程的不同節(jié)點(diǎn)，需要通過(guò)試制各類實(shí)體模型對(duì)造型數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查確認(rèn)[1]。試制模型通常由骨架和外覆蓋件組成，骨架作為內(nèi)部核心和裝配本體，通過(guò)支撐裝載內(nèi)外飾樹脂樣件來(lái)真實(shí)體現(xiàn)造型表面的數(shù)據(jù)狀態(tài)。模型骨架一般由方鋼焊接而成，表面覆蓋安裝鋼板，如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)控制模型方鋼骨架

模型骨架雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但具有規(guī)律性，不同車型的模型骨架設(shè)計(jì)原理基本一致，區(qū)別主要在于全周尺寸的變化，方鋼型號(hào)及具體排列不同，安裝鋼板的尺寸形狀及分布位置差異。因此，可根據(jù)骨架自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用知識(shí)工程和二次開發(fā)技術(shù)定制開發(fā)專業(yè)的特征插件及設(shè)計(jì)模板，優(yōu)化骨架的設(shè)計(jì)方式。

知識(shí)工程在模型骨架設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

1.骨架基礎(chǔ)元素特征模板的創(chuàng)建

模型骨架的主體結(jié)構(gòu)由方鋼搭建而成，可以考慮將方鋼作為基礎(chǔ)元素，通過(guò)指定邊界條件將特定規(guī)格的方鋼插入到需要的位置，并預(yù)留輸入接口，方鋼規(guī)格及與邊界條件的距離參數(shù)可調(diào)。通過(guò)不斷調(diào)用特征插件插入方鋼，最終完成骨架主體的創(chuàng)建，不需要額外建模設(shè)計(jì)?；诖朔N理念，可以使用產(chǎn)品知識(shí)模塊（PKT）開發(fā)參數(shù)化的方鋼特征模板。

首先，分析方鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及邊界條件。方鋼的截面為矩形，包括長(zhǎng)寬邊，且自身有一定的壁厚，這三個(gè)尺寸決定了方鋼的具體規(guī)格，設(shè)為可調(diào)參數(shù)。其次，如果想通過(guò)一些邊界條件把方鋼直接插入到某個(gè)特定位置，可以歸納出很多種組合。比如“前后左下”“前后右下”“前后左右下”“前后左右上”等。雖然邊界條件的設(shè)置很靈活，但是確定邊界條件的原則要基于正常的設(shè)計(jì)邏輯和設(shè)計(jì)習(xí)慣，只有符合要求的邊界條件才是最優(yōu)的，是最便于調(diào)取使用特征模板的。

此處，選擇“前后左下”作為邊界條件，且方鋼與四個(gè)邊界的距離均設(shè)為可調(diào)參數(shù)，默認(rèn)狀態(tài)下數(shù)值為0。調(diào)整接口的設(shè)置就是為了實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)，帶參數(shù)設(shè)計(jì)可以對(duì)方鋼特征進(jìn)行快速調(diào)整，通過(guò)參數(shù)值的變化自動(dòng)改變方鋼規(guī)格、長(zhǎng)度及位置，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)更新，不需要人為介入手動(dòng)修改。

特征模板包括超級(jí)副本、用戶特征和文檔模板三種形式。這里以超級(jí)副本為例，最終的形式如圖2所示。

圖2 方鋼特征超級(jí)副本

模型骨架的安裝鋼板等其他元素也可以通過(guò)類似方式創(chuàng)建特征模板，這里不再贅述。最終，可以將組成骨架的基礎(chǔ)元素的特征模板集成到目錄瀏覽器中，就構(gòu)成了特征插件，如圖3所示。

圖3 方鋼骨架特征插件

2.方剛骨架設(shè)計(jì)模板的創(chuàng)建

分析骨架整體結(jié)構(gòu)，根據(jù)骨架全周邊界設(shè)計(jì)一系列參考平面，作為方鋼插入的定位條件，如圖4所示。

圖4 骨架邊界參考曲面

同時(shí)，為了保證單一邊界調(diào)整時(shí)，其他邊界不會(huì)隨動(dòng)，參考平面彼此間要相互獨(dú)立（可以統(tǒng)一以絕對(duì)坐標(biāo)系作為偏移基礎(chǔ)），正常狀態(tài)下互不影響。參考平面的偏移值通過(guò)公式定義為調(diào)整參數(shù)，對(duì)于左右對(duì)稱的平面，可將右側(cè)參數(shù)直接綁定左側(cè)參數(shù)，以左側(cè)參數(shù)為統(tǒng)一輸入接口，如圖5所示。

圖5 骨架邊界參數(shù)及公式定義

將參考平面作為定位條件依次插入方鋼特征，逐步搭建出主體框架，如圖6所示。完成后，即可通過(guò)“骨架邊界參數(shù)”實(shí)現(xiàn)對(duì)全周尺寸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)。主體框架作為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，針對(duì)具體模型，需要在局部區(qū)域增加或刪減方鋼特征。應(yīng)該注意的是，不論是基礎(chǔ)框架還是后期追加的方鋼，在插入時(shí)要盡量選擇參考平面作為邊界條件，目的就是為了在細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)階段，涉及到去除不需要的方鋼時(shí)，不會(huì)造成連鎖反應(yīng)，影響到其他方鋼的現(xiàn)有位置，造成骨架結(jié)構(gòu)變化。

(一)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代下的大數(shù)據(jù)發(fā)展是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，即便數(shù)據(jù)已滲透于各個(gè)行業(yè)中，但人們還未能正確的認(rèn)識(shí)到新事物的發(fā)展?fàn)顟B(tài)。以致于數(shù)據(jù)并不能充分的實(shí)現(xiàn)其價(jià)值?？偠灾?，人們對(duì)大數(shù)據(jù)現(xiàn)有的認(rèn)知還存在一些誤區(qū)，專業(yè)知識(shí)還較匱乏，認(rèn)識(shí)過(guò)于碎片化，還無(wú)法使其適應(yīng)新時(shí)期的種種要求。

圖6 方鋼骨架主體框架

3.方剛骨架設(shè)計(jì)模板的程序控制

前文已經(jīng)提到，為了消除彼此間的影響，參考平面要相互獨(dú)立。但這種做法也帶來(lái)了一些問(wèn)題，如果對(duì)模板不了解或者無(wú)意間輸入了不合理參數(shù)（例如，當(dāng)前端平面的參數(shù)值大于后端平面時(shí)），骨架無(wú)法更新，設(shè)計(jì)模板會(huì)直接報(bào)錯(cuò)甚至癱瘓。這點(diǎn)對(duì)于新手或者初次使用者來(lái)說(shuō)是很不友好的，因?yàn)椴涣私饽０宓膭?chuàng)建思路，也就很難排查報(bào)錯(cuò)原因。所以，需要對(duì)各個(gè)參考平面的參數(shù)設(shè)置一系列規(guī)則、約束，通過(guò)程序控制來(lái)限制參數(shù)的不合理輸入。這時(shí)，就可以使用知識(shí)工程顧問(wèn)模塊（KWA）來(lái)達(dá)到以上目的。以下是一個(gè)規(guī)則控制的應(yīng)用舉例。

正常狀態(tài)下，“前端左邊界”參數(shù)是小于“左邊界”參數(shù)的，可以制定這樣一個(gè)規(guī)則：當(dāng)錯(cuò)誤輸入時(shí)，設(shè)計(jì)模板會(huì)自動(dòng)識(shí)別并通過(guò)既定程序輸出一個(gè)修復(fù)結(jié)果，避免報(bào)錯(cuò)，同時(shí)向使用者提示相關(guān)錯(cuò)誤信息，而且在錯(cuò)誤更正之前，提示會(huì)一直出現(xiàn)。程序語(yǔ)句示例如下：

在前面兩個(gè)邊界的基礎(chǔ)上，再考慮第三個(gè)邊界——“中部左邊界”。正常狀態(tài)下，“前端左邊界”“左邊界”“中部左邊界”三者的關(guān)系為“‘前端左邊界’<‘左邊界’<‘中部左邊界’”，當(dāng)輸入的“前端左邊界”大于最外側(cè)的“中部左邊界”時(shí)，經(jīng)過(guò)內(nèi)部程序計(jì)算，更新后的效果如圖7所示。

圖7 方程骨架邊界的規(guī)則控制

應(yīng)該注意的是，此時(shí)設(shè)計(jì)模板雖然可以繼續(xù)正常使用，但實(shí)際生成的是一個(gè)修復(fù)后的結(jié)果，此時(shí) “前端左邊界”與“左邊界”顯示的參數(shù)與實(shí)際綁定的參考平面偏移值并不一致，通過(guò)程序的糾錯(cuò)功能，將參考平面的偏移值強(qiáng)行定義成了可供調(diào)整的正確范圍內(nèi)的極限值。如圖7所示，由“前端左邊界”和“左邊界”定位的方鋼與最外層的方鋼（由“中部左邊界”定位）緊緊貼合在了一起。

以上程序示例只是最基本的條件語(yǔ)句，事實(shí)上，由于骨架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，參考平面眾多，為了實(shí)現(xiàn)精細(xì)穩(wěn)定控制，參考平面不僅要考慮平行方向上的制約關(guān)系，還要同時(shí)考慮另外兩個(gè)垂直方向上的限制要求。因此，控制程序需要大量的多層條件語(yǔ)句的嵌套，涉及到許多基礎(chǔ)方鋼特征的激活和取消，理清其中的邏輯關(guān)系非常關(guān)鍵。

Catia二次開發(fā)在模型骨架設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

Catia的二次開發(fā)主要包括兩種方式，Automation API和CAA C++。Automation API是使用自動(dòng)化應(yīng)用接口的宏，應(yīng)用VB Script作為編輯工具，是一種交互式的定制。該方式不僅可以錄制宏，記錄用戶的操作過(guò)程，自動(dòng)生成代碼，也可以使用Visual Basic語(yǔ)言自主編寫程序。Automation API具備了與任何OLE所兼容的平臺(tái)進(jìn)行通信的能力。CAA C++是基于組件的定制開發(fā)，具有強(qiáng)大的交互、集成和用戶特征定義的功能，可以做精致的交互命令，并擁有一套自己的體系架構(gòu)。本文主要介紹基于Automation API方式的骨架設(shè)計(jì)模板交互界面的開發(fā)。

通過(guò)知識(shí)工程技術(shù)的應(yīng)用，方鋼骨架設(shè)計(jì)模板已經(jīng)具備了完整的參數(shù)化設(shè)計(jì)功能，通過(guò)參數(shù)修改、基礎(chǔ)元素的調(diào)用和規(guī)則程序的控制，即可快速生成滿足要求的骨架結(jié)構(gòu)。但是在應(yīng)用的過(guò)程中，由于邊界參數(shù)眾多（就本文所述設(shè)計(jì)模板來(lái)說(shuō)，就有20多個(gè)），且只是簡(jiǎn)單地羅列在結(jié)構(gòu)樹上，設(shè)計(jì)者必須清楚地知道參數(shù)與參考平面的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這點(diǎn)對(duì)于新手或初用者來(lái)說(shuō)需要花時(shí)間了解。同時(shí)，在自動(dòng)更新的條件下，每次只能修改一個(gè)參數(shù)，不能實(shí)現(xiàn)多參數(shù)聯(lián)合調(diào)整。所以，設(shè)計(jì)模板的實(shí)際操作體驗(yàn)欠佳，缺少對(duì)邊界參數(shù)的集成和指引。一個(gè)很好的解決辦法，就是通過(guò)二次開發(fā)為骨架模板定制一個(gè)清晰直觀的人機(jī)交互界面。

人機(jī)交互界面要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)目標(biāo)：一是將所有邊界參數(shù)集成到一個(gè)界面上，提供指示說(shuō)明并支持同時(shí)修改；二是在界面窗口打開時(shí)，通過(guò)初始化程序自動(dòng)讀取骨架模板結(jié)構(gòu)樹上對(duì)應(yīng)的邊界參數(shù)值。另外，如若界面中某些參數(shù)被修改并最終執(zhí)行，結(jié)構(gòu)樹上的參數(shù)值也要自動(dòng)更新，也就是說(shuō)，界面窗口的參數(shù)值與結(jié)構(gòu)樹上的參數(shù)值要始終保持一致。雖然推薦使用交互界面，但不排除個(gè)別使用者偶爾會(huì)直接修改結(jié)構(gòu)樹參數(shù)。只有結(jié)構(gòu)樹參數(shù)值和界面參數(shù)值一一對(duì)應(yīng)，才不會(huì)在二者存在交叉修改的情況下，產(chǎn)生參數(shù)錯(cuò)亂，導(dǎo)致骨架出現(xiàn)意料之外的結(jié)構(gòu)變化。

骨架設(shè)計(jì)模板的人機(jī)交互界面如圖8所示。其中，“確定”按鈕是指在完成參數(shù)修改后，點(diǎn)擊可驅(qū)動(dòng)骨架自動(dòng)更新；“還原”按鈕是指如若輸入錯(cuò)誤或者對(duì)修改后的參數(shù)不滿意，可點(diǎn)擊恢復(fù)到初始數(shù)值；“取消”按鈕的功能是取消本次操作并關(guān)閉窗口，參數(shù)未做任何改動(dòng)。

圖8 骨架設(shè)計(jì)模板人機(jī)交互界面

關(guān)于程序語(yǔ)句的編寫，以“確定”按鈕為例，推薦一個(gè)比較簡(jiǎn)單的形式，代碼示例如下：

對(duì)于其他功能，包括初始化程序、“還原”按鈕、“取消”按鈕及參數(shù)框的格式要求（只能為數(shù)字且不能為空）等都可以通過(guò)代碼控制。其中，初始化程序和“還原”功能的代碼大部分相同，只是調(diào)用的函數(shù)不同，篇幅所限，這里不過(guò)多敘述。

應(yīng)用Automation API方式，基于Catia內(nèi)置的VB環(huán)境編寫程序，開發(fā)直觀友好的人機(jī)交互界面，不僅可以大大提升骨架模板應(yīng)用的體驗(yàn)感，給設(shè)計(jì)帶來(lái)便利，同時(shí)提高模板的使用效率，初用者也可以直接上手。對(duì)Catia的二次開發(fā)可以定向滿足設(shè)計(jì)者需求，配合知識(shí)工程技術(shù)充分發(fā)揮軟件的使用效益。

結(jié)語(yǔ)

知識(shí)工程與二次開發(fā)技術(shù)是提升Catia用戶化和專業(yè)化的有效手段，可以定向匹配不同領(lǐng)域、不同用戶的設(shè)計(jì)需求和使用習(xí)慣。在熟練掌握Catia軟件功能的前提下，結(jié)合自身實(shí)際需要，為典型產(chǎn)品開發(fā)參數(shù)化的設(shè)計(jì)模板、特征插件和人機(jī)交互界面，既是對(duì)現(xiàn)有知識(shí)資源的梳理總結(jié)，也有助于規(guī)范設(shè)計(jì)流程，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)工作，對(duì)提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率具有重要意義。在實(shí)際工作中，設(shè)計(jì)者要善于識(shí)別同類產(chǎn)品的內(nèi)在聯(lián)系，找到其中規(guī)律，將產(chǎn)品自身的典型結(jié)構(gòu)進(jìn)行模塊化分解，創(chuàng)建個(gè)性化的特征插件和設(shè)計(jì)模板。同時(shí)，也要充分利用Catia提供的二次開發(fā)接口和開放式的內(nèi)部命令集合，完善設(shè)計(jì)模板的功能，讓其在使用過(guò)程中更人性化，更好地為用戶服務(wù)。