基于知識工程的機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)計與研究

周 浩，朱文華，陳 鵬

(上海大學(xué) CIMS與機(jī)器人中心，上海 200072)

0 引言

現(xiàn)代機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)計與制造是傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)計和制造與計算機(jī)等相關(guān)先進(jìn)技術(shù)和理論相結(jié)合的產(chǎn)物，是先進(jìn)制造技術(shù)的體現(xiàn)，涉及到CAD等一系列關(guān)鍵技術(shù)[1,2]。

早期的CAD技術(shù)用于標(biāo)準(zhǔn)件的設(shè)計，只是注重如何創(chuàng)建幾何繪圖等基本的設(shè)計功能。零件之中尺寸連接缺乏相關(guān)性，零件局部的修改可能意味著整個零件的重新設(shè)計，從而導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)庫零件開發(fā)效率低，庫零件使用不便等缺陷。

隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，參數(shù)功能的使用已經(jīng)成為CAD系統(tǒng)的重要趨勢。在參數(shù)化CAD中，以幾何約束來表達(dá)產(chǎn)品模型的尺寸特征，使之成為任意調(diào)整的變量。修改這些變量，并修改由這些變量與之相關(guān)聯(lián)的一些公式計算出來并發(fā)生變動的其它相關(guān)尺寸，就可得到不同大小尺寸、但形狀類似的零件模型。這種由幾何尺寸的約束關(guān)系作為驅(qū)動力的參數(shù)化設(shè)計可以降低系統(tǒng)資源消耗和提高模型生成以及修改效率。擁有參數(shù)化設(shè)計功能的CAD系統(tǒng)大大方便了那些結(jié)構(gòu)或功能上相似，只需做局部修改的產(chǎn)品開發(fā)。

但是，這種參數(shù)化設(shè)計也存在零件的特征無法修訂、自變量之間無法建立函數(shù)關(guān)系、不能對自變量進(jìn)行約束等缺陷。

單單使用參數(shù)化設(shè)計的CAD系統(tǒng)總存在這樣那樣的問題。引入知識工程能夠捕捉過往的設(shè)計知識，讓參數(shù)化設(shè)計上升到知識的再利用。

1 知識工程在CAD軟件中的運(yùn)用

知識工程這個術(shù)語最早是由美國斯坦福大學(xué)計算科學(xué)系教授費(fèi)根鮑姆于1977年在第五屆國際人工智能聯(lián)合大會上提出。其最基本的含義就是人工智能在知識信息處理方面的發(fā)展，利用網(wǎng)絡(luò)平臺和計算機(jī)系統(tǒng)，完成知識的采集、整理、加工、制作、存儲和發(fā)送。知識工程解題的過程，首先運(yùn)用已掌握的知識進(jìn)行啟發(fā)式的解題，在解題中不斷修正舊知識，獲取新知識，從而不斷豐富和深化已有的知識，并在更高的層次上再次運(yùn)用被豐富和深化知識求解問題，如此循環(huán)往復(fù)，不斷疊加，螺旋式上升，直到把問題解決為止[3]。

知識工程有著及其廣闊的運(yùn)用領(lǐng)域。1998年，美國學(xué)者首先提出了知識工程在機(jī)械CAD系統(tǒng)中的應(yīng)用，在產(chǎn)品設(shè)計過程中把涉及產(chǎn)品的所有信息集合起來，組成產(chǎn)品的知識庫，使設(shè)計者從設(shè)計初期大量的重復(fù)性工作中解脫出來，使機(jī)械CAD系統(tǒng)能利用網(wǎng)絡(luò)平臺或計算機(jī)延伸以創(chuàng)造性思維為核心的人類專家的設(shè)計能力，盡可能地實現(xiàn)了設(shè)計過程的自動化[4,5]。

知識工程主要是采用以下兩種方法來解決了當(dāng)前參數(shù)化設(shè)計的不足。一方面，建立產(chǎn)品的特征庫和產(chǎn)品的特征關(guān)聯(lián)，在知識工程的設(shè)計過程中實現(xiàn)了特征尺寸的修訂，通過建立尺寸關(guān)聯(lián)庫，使得產(chǎn)品的特征和尺寸的關(guān)聯(lián)信息更為明晰。另一方面，根據(jù)現(xiàn)有的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，引入校驗，不僅對某些變量進(jìn)行約束，同時在變量與變量之間建立函數(shù)約束關(guān)系，組成一個設(shè)計校驗庫。當(dāng)產(chǎn)品違反設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，立刻提示相應(yīng)的出錯警示，以便設(shè)計人員及時修改，從而有效地增強(qiáng)了參數(shù)化設(shè)計的可靠性，以期獲得最佳的產(chǎn)品[6]。

知識工程應(yīng)用于工程領(lǐng)域和科研領(lǐng)域都取得一些卓有成效的成果。在國外美國美洲虎（Jaguar）集團(tuán)運(yùn)用知識工程系統(tǒng)于賽車領(lǐng)域，美國福特公司認(rèn)為知識工程是21世紀(jì)用于信息處理的關(guān)鍵技術(shù)之一[7]，新加坡南洋理工大學(xué)Zhang等基于知識工程思想建立了智能仿真系統(tǒng)[8]，美國華盛頓大學(xué)Calkins教授認(rèn)為知識工程與CAD技術(shù)緊密結(jié)合將有助于標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)計，軟件開發(fā)，有助于明確產(chǎn)品設(shè)計、分析和制造的工程準(zhǔn)則[9]。

國內(nèi)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)林琳[10]等基于知識工程的思想進(jìn)行了產(chǎn)品的概念設(shè)計。湖南大學(xué)賀斌[11]等基于知識工程進(jìn)行了汽車覆蓋件模具模塊化設(shè)計技術(shù)研究。武漢理工大學(xué)熊志勇[12]等基于知識工程對產(chǎn)品創(chuàng)新關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)進(jìn)行研究。武漢大學(xué)曹生榮[13]等基于知識工程進(jìn)行了水庫調(diào)度系統(tǒng)的研究。

2 基于知識工程參數(shù)化CAD設(shè)計框架

2.1 設(shè)計框架

基于知識工程參數(shù)化產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)的框架如圖1 所示，它把知識工程與參數(shù)化設(shè)計有機(jī)地結(jié)合起來。設(shè)計師運(yùn)用用戶應(yīng)用程序界面模塊的輸入設(shè)計要求（參數(shù)化設(shè)計、裝配設(shè)計、結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化設(shè)計）、產(chǎn)品工程參數(shù)等。知識庫模塊是系統(tǒng)的核心, 存儲著大量的標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)、實例、工程數(shù)據(jù)、領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗、知識和使用這些知識的規(guī)則[14]。它通過管理系統(tǒng)調(diào)整產(chǎn)品的形狀、尺寸、結(jié)構(gòu)和特征，實現(xiàn)尺寸驅(qū)動和特征驅(qū)動。判斷設(shè)計方案，檢驗設(shè)計方案是否符合要求。同時通過NX/KF模塊可以不斷修正設(shè)計模塊和豐富知識庫模塊。

2.2 Knowledge Fusion模塊

圖1 基于NX/KF 的產(chǎn)品設(shè)計框架

NX 是CAD/CAE/CAM一體化的高端軟件，它可應(yīng)用于產(chǎn)品從概念設(shè)計到實際產(chǎn)品的開發(fā)全過程。其知識工程已經(jīng)成為NX軟件系統(tǒng)的核心技術(shù)之一，它使得工程專業(yè)人員能夠高效的獲得最優(yōu)的設(shè)計方案，從而創(chuàng)造出更大的利潤。基于知識工程思想NX開發(fā)出了NX/Knowledge Fusion模塊。

Knowledge Fusion模塊具有下列優(yōu)點(diǎn)：

1）物件導(dǎo)向程式語言，易學(xué)易懂；

2）提供模型物理量函數(shù)，如重心、慣性矩等；

3）使用者定義對話框(UI Styler)建構(gòu)容易；

4）可讀入外部資料作為建模依據(jù)；

5）控制參數(shù)拉桿可動態(tài)建模；

6）可進(jìn)行模型最佳化設(shè)計。

Knowledge Fusion被緊密集成到了NX數(shù)字產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)中，與傳統(tǒng)的KBE技術(shù)相比，Knowledge Fusion的技術(shù)優(yōu)勢十分明顯。Knowledge Fusion允許創(chuàng)建強(qiáng)大的應(yīng)用軟件，它綜合了各種設(shè)計理論和知識處理技術(shù)，在已有的知識、標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，通過知識的表達(dá)、中用和挖掘，對產(chǎn)品設(shè)計提供最優(yōu)的設(shè)計方案。

3 運(yùn)用零件族法和Knowledge Fusion模塊進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)計

3.1 零件族法設(shè)計承重梁

零件族法首先必須建立一個零件模板，然后對零件的尺寸參數(shù)化并建立參數(shù)化表達(dá)式，參數(shù)變量添加到電子表格參數(shù)表內(nèi)。當(dāng)用戶使用標(biāo)準(zhǔn)件時，只需調(diào)入零件模板并在對話框中輸入自定義的尺寸和外形變量，相應(yīng)的零件模型就生產(chǎn)了。零件族法是基于參數(shù)化思想的CAD技術(shù)的典型運(yùn)用。基于零件族的承重梁設(shè)計框架如圖2所示。

圖2 基于零件族的承重梁設(shè)計框架

用戶界面在UG/NX任務(wù)欄中的重用庫如圖3所示。

圖3 零件族法設(shè)計的承重梁用戶界面

3.2 Knowledge Fusion模塊設(shè)計承重梁

Knowledge Fusion采用面向?qū)ο蟮木幊谭绞? 以NX/Open API作為二次開發(fā)的工具。利用Knowledge Fusion模塊設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)件要遵循以下三個原則；1）為標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)立一個中心；2）盡可能的減少特征數(shù)；3）建立各個標(biāo)準(zhǔn)零件之間的尺寸關(guān)聯(lián)。基于Knowledge Fusion模塊設(shè)計的承重梁設(shè)計框架如圖4所示。

圖4 基于Knowledge Fusion的承重梁設(shè)計框架

完成用戶界面設(shè)計后需要進(jìn)行添加一個操作菜單，如圖5所示。

3.3 比較

零件族法是建立標(biāo)準(zhǔn)件最常用的方法，其突出的優(yōu)點(diǎn)是便于操作，創(chuàng)建后的標(biāo)準(zhǔn)件可作為子裝配零件進(jìn)行整體裝配。缺點(diǎn)是人工輸入數(shù)據(jù)到電子表格效率低下，同時容易造成錯誤。其次，零件族法固定了幾何特征。細(xì)微的錯誤都有可能帶來重新建模的風(fēng)險。再次，使用零件族法約束的模型并非完全約束。如果輸入的參數(shù)與設(shè)計值有較大偏差，有可能造成模型結(jié)構(gòu)變形。甚至出現(xiàn)約束信息丟失，模型懸空這樣的嚴(yán)重錯誤。

運(yùn)用零件族法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)計，是采用幾何尺寸的約束關(guān)系作為驅(qū)動力，而運(yùn)用 Knowledge Fusion所建立的標(biāo)準(zhǔn)件，知識是驅(qū)動力，構(gòu)型和工程規(guī)則則驅(qū)動幾何。與零件族法相比，Knowledge Fusion方法方便、高效，同時又能減少出錯率，不僅可以隨時調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)件的尺寸和外形，而且可以隨時調(diào)整產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和特征，即實現(xiàn)了尺寸驅(qū)動，又實現(xiàn)了特征驅(qū)動。同時Knowledge Fusion所建立的標(biāo)準(zhǔn)件必須經(jīng)過知識庫的檢驗，是否符合設(shè)計要求。Knowledge Fusion模塊這種基于知識工程的參數(shù)化CAD設(shè)計從設(shè)計方法、設(shè)計手段和設(shè)計可靠性確保獲得高品質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)件。

4 結(jié)束語

Knowledge Fusion方法所建立的標(biāo)準(zhǔn)件，不同于常用的其它一些設(shè)計方法，具有使用簡單、無需編譯、 出錯率低等特點(diǎn)。基于Knowledge Fusion所建立的標(biāo)準(zhǔn)件庫文件將有助于設(shè)計人員繁瑣的重復(fù)建模中解放出來，提升產(chǎn)品的開發(fā)質(zhì)量和效率，最大程度上縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，從而提升企業(yè)的市場反應(yīng)能力，最終提升企業(yè)的競爭力。隨著CAD技術(shù)日趨完善，相信在不久的將來，基于知識工程機(jī)械產(chǎn)品參數(shù)化構(gòu)型設(shè)計在標(biāo)準(zhǔn)件開發(fā)中將會得到更為廣泛而成熟地應(yīng)用。

[1] W.F.Sally,W.K.Adelaide,J.M.Sarah,et al.Beyond products:new strategic imperatives for developing competencies in dynamic environments[J].Journal of Engineering and Technology Management,2000,17:357-377.

[2] J.J.Cristiano,J.K.Liker,C.C.White.Customer-driven product development through quality function deployment in the U.S.and Japan[J].Journal of Product Innovation Management, 2000,17:286-308.

[3] 史忠植.知識工程[M].北京:清華大學(xué)出版社,1988.

[4] B.Knight,S.Taylor,M.Petridis,et al.A knowledge-based system to represent spatial reasoning for fire modelling[J].Applications of Artificial Intelligence,1999,12(2):213～219.

[5] 楊琳珊,齊德星.基于知識的可視化產(chǎn)品概念設(shè)計系統(tǒng)的實現(xiàn)[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),1999,27(8):37-40.

[6] 顧曉華,仲梁維.基于知識工程的參數(shù)化設(shè)計[J].機(jī)械設(shè)計與制造工程,2001,30(4):17-19.

[7] N Sighn,S Ding.R Jagirdar.A knowledge engineering frame work for rapid design[J].Computer Ind.Engng.1997,33:345-348.

[8] W Y Zhang,S B Tor,G A Britton.Automated functional design of engineering systems[J].Journal of Intelligent Information systems,2002,19(3):303-318.

[9] D Calkins.Learning all about knowledge based engineering[J].Intelligence,1996.

[10]林琳,鐘詩勝,千知行.基于知識的產(chǎn)品概念設(shè)計[J].高技術(shù)通訊,2004,5:55-59.

[11]賀斌.基于知識工程的汽車覆蓋件模具模塊化設(shè)計技術(shù)研究[D].湖南大學(xué),2008.

[12]熊志勇.基于知識工程的產(chǎn)品設(shè)計支持技術(shù)研究[D].武漢理工大學(xué),2007.

[13]曹生榮.基于知識工程和Agent理論的水庫調(diào)度系統(tǒng)研究[D].武漢大學(xué),2007.

[14]賴朝安.基于XML與Web的產(chǎn)品設(shè)計知識表示與知識庫系統(tǒng)[J].計算機(jī)工程,2005,31(16):26-29.

[15]酈洪源,李世國,張偉國.UG/KF 環(huán)境下的產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)研究[J].機(jī)械設(shè)計與制造,2007,8:68- 70.