知識工程在模具標準組件建模中的應用研究

黃紅輝 王凌云

（上海工程技術大學制造工程系，上海 200437）

當前，以幾何模型為主的三維CAD軟件建模的應用，仍然是以構建三維模型為主。CAD軟件的輔助設計功能遠未開發出來，而自動設計功能也僅僅才起步。問題的關鍵在于現在的商用CAD軟件多采用特征參數化設計方法，通過零件族等方式來參數化特征的形狀與尺寸，同時影響與之發生聯系的特征，從而得到不同的零件模型。但是，參數化技術要求全約束，約束方程的建立和求解依賴特征構建的順序，參數求解只能順序求解，這樣導致零部件不能隨心所欲地構建和拆卸;此外，對于復雜零件，參數化所需的某些尺寸與約束可能暫時難以確定，工程參數如質量、載荷、力等設計參數也不能直接約束管理，給工程實際應用中帶來很大的局限性;自定義變量只能驅動幾何尺寸，即通過一些公式來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，而無法做變形設計。自定義變量之間相互獨立，不便建立任何函數關系，也不便對每個變量做約束。這使得當某些變量的修改量比較大時，某些特征出現嚴重變形，甚至使該特征和與它相關聯的其它特征失去約束，出現懸空狀態的特征，造成信息的丟失。

以幾何模型為主的CAD系統還無法將工程領域的設計原理、工程知識、同類設計及專家經驗等融入幾何模型中去。因此，無法實現領域知識的重復利用，設計工程師仍需進行大量的重復性設計工作，無法集中精力和時間進行創新工作。目前，KBE技術是解決這一問題最有前途的方案。本文作者通過對參數化和變量化設計方法的研究，將知識工程的概念引入模具參數化設計中，運用知識工程強大的工程處理能力，實現對模具特征參數的知識驅動，并結合特征造型理論與工程數據庫技術，從而實現模具設計的智能參數化設計。智能化知識化是下一代CAD系統發展的必然趨勢。

1 知識工程（KBE）概述

知識工程KBE（Knowledge Based Engineering）是通過知識的驅動和繁衍對工程問題和任務提供最佳解決方案的計算機集成處理技術。它使用啟發式的設計規則，將涵蓋構件、裝配和系統的開發。KBE系統存儲產品模型包含幾何、非幾何信息以及描述產品如何設計、分析和制造的工程準則。KBE的內涵可以概括為:KBE是領域專家知識的繼承、集成、創新和管理，是CAX技術與AI技術的集成。KBE系統框架如圖1所示。

從本質看，知識工程的目的是“技術再利用”，即將知識創造性地應用到一個工業產品的設計開發及生產制造過程中，充分利用各種實踐經驗、專家知識及其有關的信息，產生以知識驅動為基礎的工程設計新思路。這些“知識”可能以很多種形式存在，如:①電子計算表格（Spreadsheets）;②手冊;③工程計算公式;④專用軟件;⑤設計人員的主觀判斷和經驗。

知識工程的意圖是構建工程自動化系統。當解決方案需要產品配置（Configuration）、工程演算（Engineering）、幾何模型構建（Geometry）3方面組合起來時，知識工程就是最有效的方案。在知識工程中，知識是驅動力，幾何模型構建是由產品配置和工程演算規則驅動的。

2 識熔接技術UG/KF

知識熔接是一種基于知識工程的系統嵌入式準則評估引擎，提供了完備的知識驅動自動化解決方案（Knowledge Driven Automation，KDA），它支持捕獲和再利用設計意圖和用戶智能，智能控制變化的繁衍，能夠消除傳統知識系統與產品數字化開發設計、制造系統之間的障礙，模糊了設計、工程、幾何和編程之間的界線，它可以吸取許多經典的產品開發工具中最優秀的特點，獲取工程規則，通過知識來驅動幾何體生成。其目標是實現知識和相關資源的重復利用，在提高效率的前提下減少重復和類似設計中人的參與，避免重復的錯誤，從而加快設計速度和生產力的增長。

UG/KF將KBE技術集成到UG系統，將知識工程完全內嵌于CAD軟件。實現了設計規則和CAD模型的有機結合。利用KF，使設計人員可以借助純幾何體以外的工程規則來開發應用和控制UG的對象，使CAD設計不再是單純的幾何設計，這些工程規則包括非幾何的物理特性、分析結果、優化方案、目標搜索、美學等。

參數化的本質是模型內部幾何對象（點、線、面）間的相互約束，即當參數變化時，根據參數間的約束關系，驅動模型發生相應的變化。參數化模型的參數約束有兩個功能:一是確定模型的拓撲結構和尺寸大小，不同的約束定義不同功能和尺寸的模型;二是當參數變化時，確定模型的變化方法。UG交互方式下的參數化建模，只能實現固定拓撲結構模型的參數化，使用KF，將知識（規則）融合到參數化中來，能夠實現變拓撲結構的參數化建模，從而形成一個更大的產品族。UG/KF所建立的特征之間的關聯，不僅能夠實現尺寸驅動的參數化設計，而且其關聯是通過規則的方式建立起來的，因此能夠實現變拓撲結構的參數化設計。

UG/KF技術提供了一種規則描述語言，UG/KF語言是一種面向對象的語言，它建立在Intent語言基礎之上。Intent語言是一種業界公認的完全基于規則的知識編程語言，主要用類來描述，其應用程序無需編譯即可執行。用戶可使用一般的文本編輯器來瀏覽和修改KBE程序，從而實現了程序的開放性，使工程知識隨時得到更新、補充和維護。UG/KF用“規則”（Rule）來表示產品的不同幾何參數和工程屬性之間的相互關系。用戶使用KF語言建立自己的規則，利用規則方便地添加知識。因為這種語言是聲明型，因此規則不存在先后順序，UG/KF系統自動根據規則之間的關系來判斷執行順序。利用這些規則來計算工程參數對產品幾何參數的影響，從而驅動最終的幾何模型。另外，這種語言可以訪問外部知識源，如數據庫或電子表格，并提供了與分析和優化模塊等其他應用程序模塊的接口。

UG/KF運用知識表示法中面向對象的設計技術，將產品建模看成是由特征模型經過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立功能的部件，最后形成產品的一個過程。整個設計過程的知識完整封裝于最終的產品模型中。

3 沖壓模具浮動模柄設計

60%以上的模具零件是標準件，設計工作存在很大的重復性。然而常用的CAD軟件只能提供有限的幫助，并不能使設計人員從繁瑣的工作和浩瀚的手冊數據中脫離出來，因此，迫切需要建立標準件庫，以減少工裝設計中的重復勞動，提高設計效率，縮短產品研制周期。

如圖2所示沖壓模具浮動模柄，UG/KF對其知識的使用，有兩種方法來建立規則:一是通過KF導航器的可視化界面直接添加規則，最后生成dfa文件，以便知識的調用;二是通過幾何采用機制。本例就是基于幾何采用方式實現設計開發。具體設計思路如圖3所示。

先利用UG的建模功能建立沖壓模具浮動模柄錐面壓圈模型，如圖4所示。然后通過UG/KF采用模型特征，啟動用戶自定義向導在自定義庫中生成特征和確定控制參數，定義用戶參數，定制對話框。最后列出規則，編輯生成dfa文件。該零件的相關參數存儲在UG自帶的電子表格中，該電子表格可與EXCEL實現無縫銜接（表1）。

表1 錐面壓圈參數

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

（2）零件（Components）模型:由前面定義的特征模型經過對特征的并、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，再結合相應的定位方式就形成部件。其定義方式可描述為:

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

對于一個由幾個標準零件裝配在一起而組成的標準部件，要注意建立標準部件內各個標準零件之間的參數值傳遞，即建立各個標準零件之間的尺寸鏈接關系，并用一個主要的標準零件去控制和約束其它次要的標準零件。對于主參數不同而引起的結構變化，可以通過相應的規則來完成建模。如錐面壓圈在規格參數D1≤100時，其一端面有4個等分螺紋孔，當規格參數D1＞100時，等分螺紋孔的數量就變為6個，作如下處理:

解決了同一零件由于參數變化而引起的形狀不同的問題，而用零件族法和UG/OPEN API開發解決此問題則要復雜的多。

零件間的約束及裝配體間的約束通過相似的方法來實現。UG/KF的約束不僅包括了幾何約束，而且也包括了規則和知識的約束。

對單個零件來說，控制表達式值即可實現參數化設計。而對裝配件來說，裝配結構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關系的關聯性。在基于UG裝配結構的上下文參數化設計和編輯過程中，需要保證具有尺寸關聯的零件之間尺寸的一致性，當一個零件的幾何尺寸參數變更后，相關零件的幾何尺寸參數若能自動適應，便可以提高設計的效能，避免因疏忽造成的失誤。對此，可以通過零件之間的關聯表達式（Inter－Part Expression）將裝配中的零件之間的幾何尺寸參數相互關聯，達到自適應變更的目的。

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

4 結語

把KBE應用于模具設計制造領域，能進一步提高模具設計的智能化水平。知識工程實現了工程設計與CAD系統的無縫連接，已成為未來CAD技術與先進制造業技術發展的核心。它可以很好地繼承各種專家知識和經驗，增加非幾何的工程設計能力，實現通過修改規則來直接影響幾何模型。本文作者研究的基于知識熔接技術，實現了通過知識和規則直接生成模具標準組件模型，提高了設計效率。

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