知識(shí)工程在CAD中的應(yīng)用.doc

知識(shí)工程在CAD中的應(yīng)用趙利陳志英（北京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院 航空推進(jìn)系 北京 100083）摘要：知識(shí)工程與CAD技術(shù)的結(jié)合已成為先進(jìn)制造與自動(dòng)化技術(shù)研究的熱點(diǎn)。UG/KF是介于CAD技術(shù)和知識(shí)工程KBE技術(shù)之間新出現(xiàn)的邊緣技術(shù)。本文用UG/KF為工具開發(fā)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)敷管系統(tǒng)，并給出了實(shí)例驗(yàn)證了該方法的實(shí)用性和操縱性。關(guān)鍵詞：知識(shí)工程知識(shí)融合管路敷設(shè)中圖分類號(hào)：V233.2+4文獻(xiàn)標(biāo)示碼：AThe Application of Knowledge-based Engineering in CAD Zhao Li, Chen Zhi-ying(School of Jet Propulsion, Beijing University of Aeronautics and Astronautics , Beijing, 100083,China)Abstract: Nowadays, the combination of knowledge-based engineering (KBE) and CAD is a focused problem on the filed of advanced manufacturing. UG/KF is a new technology between CAD and KBE. This paper develops the Piping System of aeroengine with UG/KF, and gives an example to verify its practicality and usability.Keywords: knowledge-based engineeringknowledge fusionpipe-laying1引言參數(shù)化設(shè)計(jì)方法是CAD系統(tǒng)所采用的關(guān)鍵技術(shù)之一,能否實(shí)現(xiàn)參數(shù)化已成為評(píng)價(jià)CAD系統(tǒng)優(yōu)劣的重要技術(shù)指標(biāo)。目前,商用CAD 軟件多采用特征參數(shù)化設(shè)計(jì)方法,通過零件族等方式來參數(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)用中帶來很大的局限性。因此,在參數(shù)化方法的基礎(chǔ)上,提出了變量化設(shè)計(jì)方法。變量化設(shè)計(jì)方法允許在欠約束的條件下進(jìn)行幾何設(shè)計(jì),且不需考慮約束設(shè)置的順序,具有更好的靈活性和自由度;而且參數(shù)通過聯(lián)立求解幾何約束和工程約束方程組來獲得,因而功能更為強(qiáng)大。但是,變量化設(shè)計(jì)方法往往涉及到大型非線性方程組的求解,其求解的效率和穩(wěn)定性不如參數(shù)化設(shè)計(jì)。 以幾何模型為主的CAD 系統(tǒng)無法將工程領(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，無法集中精力和時(shí)間進(jìn)行創(chuàng)新工作。通過對(duì)參數(shù)化和變量化設(shè)計(jì)方法的研究, 將知識(shí)工程的概念引入航空發(fā)動(dòng)機(jī)管路敷設(shè)的參數(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)管路特征參數(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)庫技術(shù),從而實(shí)現(xiàn)管路的智能參數(shù)化設(shè)計(jì)。2 知識(shí)工程KBE技術(shù)知識(shí)工程是一種存儲(chǔ)并處理與產(chǎn)品模型有關(guān)的知識(shí)，且基于產(chǎn)品模型的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)。其技術(shù)內(nèi)涵可總結(jié)為：知識(shí)工程是關(guān)于設(shè)計(jì)、制造等的處理過程；知識(shí)工程是領(lǐng)域?qū)＜抑R(shí)的總結(jié)和集成的過程；知識(shí)工程是CAD /CAM /CAE 技術(shù)與AI 技術(shù)的綜合與集成過程。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)開發(fā)及生產(chǎn)制造過程中，充份利用各種實(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：電子計(jì)算表格(Spreadsheets)；手冊(cè)；工程計(jì)算公式；專用軟件；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)三方面組合起來時(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。3. KBE與其它設(shè)計(jì)系統(tǒng)的比較2.1 KBE與CAD系統(tǒng)的比較當(dāng)前KBE系統(tǒng)與通用CAD系統(tǒng)的差別主要集中在領(lǐng)域知識(shí)的運(yùn)用上。傳統(tǒng)CAD系統(tǒng)的對(duì)象是純粹的幾何實(shí)體，對(duì)其進(jìn)行建模和幾何處理，對(duì)象之間的關(guān)系也只是幾何體之間的裝配關(guān)系。而KBE的知識(shí)可以隨時(shí)更新、補(bǔ)充和維護(hù)，并能夠把CAD系統(tǒng)中的幾何模型引入KBE系統(tǒng)中作為產(chǎn)品對(duì)象，進(jìn)行參數(shù)傳遞。因此，KBE優(yōu)越于CAD就在于它能夠?qū)⒊墒斓脑O(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)直接固化于系統(tǒng)中，從而使設(shè)計(jì)師把更多的精力放在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上，而非幾何模型的處理上。圖1 說明傳統(tǒng)CAD 系統(tǒng)與具有知識(shí)融合CAD 系統(tǒng)的比較，在傳統(tǒng)的CAD 建模系統(tǒng)中，以人為的工程知識(shí)決定模型的幾何尺寸，其已完成的CAD 模型需進(jìn)行設(shè)計(jì)變更時(shí)，無法再次直接將設(shè)計(jì)階段的工程知識(shí)應(yīng)用于決定幾何模型尺寸是否滿足工程需求，其工程知識(shí)與CAD 模型間有一不可跨越的圍墻。但應(yīng)用具有知識(shí)融合的CAD 系統(tǒng)，其模型幾何尺寸是直接由工程規(guī)則所驅(qū)動(dòng)，因此于設(shè)計(jì)變更的階段仍可將“知識(shí)再利用”，快速完成工作。圖1 傳統(tǒng)CAD 與UG/KF 的比較3.2 KBE與專家系統(tǒng)的比較專家系統(tǒng)一般只解決某一領(lǐng)域的知識(shí)，而知識(shí)系統(tǒng)是多領(lǐng)域知識(shí)的集成化；專家系統(tǒng)要求存在統(tǒng)一的知識(shí)表示語言，而知識(shí)系統(tǒng)從追求效果的目的出發(fā)，有多種表達(dá)方式拓寬了專家系統(tǒng)的應(yīng)用范圍；專家系統(tǒng)一般不具備能力，只能用放在系統(tǒng)中的知識(shí)解決問題，而無法滿足創(chuàng)新的需要，知識(shí)工程可自我更新積累，從而擴(kuò)寬了獲取知識(shí)的途徑。面對(duì)知識(shí)工程的廣泛應(yīng)用前景，國外著名的CAD、CAM系統(tǒng)開發(fā)商,如EDS (Unigraphics) 、Dassault ( CATIA )等均開展基于知識(shí)的工程設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開發(fā)，主要在于建立基于產(chǎn)品的幾何和非幾何特征模型，使工程師在設(shè)計(jì)時(shí)能得到基于產(chǎn)品領(lǐng)域知識(shí)的幫助,從而提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力。其中Unigraphics 集成了Intent 語言,并在幾何處理方面加以拓展，推出知識(shí)熔接模塊UGKF，是當(dāng)前較為活躍的知識(shí)工程系統(tǒng)開發(fā)工具。用戶可利用UGKF 創(chuàng)建、獲取和重用知識(shí)規(guī)則，從而驅(qū)動(dòng)幾何體的生成。4基于知識(shí)工程的航空發(fā)動(dòng)機(jī)敷管系統(tǒng)本文以建立“基于知識(shí)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)敷管系統(tǒng)”為例，基于UG平臺(tái)，通過KBE在UG中的集成知識(shí)熔接技術(shù)（knowledge fusion,簡(jiǎn)稱KF）來實(shí)現(xiàn)對(duì)管路的知識(shí)驅(qū)動(dòng)。4.1 管路敷設(shè)規(guī)則結(jié)合國軍標(biāo)中對(duì)管路敷設(shè)的基本要求，以及對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠的調(diào)查研究情況，我們得出了以下幾條在管路敷設(shè)過程中需要遵守的規(guī)則：1.管路敷設(shè)國軍標(biāo)規(guī)定導(dǎo)管接嘴處不能直接彎管，需要有一直線段，該直線段長度為2倍彎曲半徑。2.粗管不易彎曲，盡量走直，少拐彎，以減輕重量，減少流體損失。3.同一批次任務(wù)中先敷粗管，后敷細(xì)管。細(xì)管沿著粗管敷設(shè)，并用卡箍固定在粗管上。4.導(dǎo)管敷設(shè)盡量緊湊，管路應(yīng)成束敷設(shè)。5.為了便于管路固定和外形美觀，管路應(yīng)盡可能地沿發(fā)動(dòng)機(jī)的軸向和周向敷設(shè)。6.交叉的導(dǎo)管應(yīng)分布在不同的空間層，周向?qū)Ч軕?yīng)該更靠近機(jī)匣。7.周向路徑用單段的直線組合來代替光滑的圓弧線，直線的長度為4 倍的最小彎曲半徑。8.所有管路在敷設(shè)時(shí)，盡量做到由內(nèi)層向外層敷設(shè)。9.敷管時(shí)，要防止大管徑的導(dǎo)管成交叉敷設(shè)。10.盡量先敷設(shè)管路密集區(qū)域。4.2 系統(tǒng)基本架構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)敷管系統(tǒng)以推理機(jī)為核心，構(gòu)建于UG/KF基礎(chǔ)上的推理機(jī)完美地與原有的UG三維造型系統(tǒng)結(jié)合在一起，用戶通過人機(jī)交互接口和數(shù)據(jù)輸入輸出接口引導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。知識(shí)庫系統(tǒng)包括實(shí)例庫、規(guī)則庫、數(shù)據(jù)庫。圖2為管路敷設(shè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖2 管路敷設(shè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖其中，實(shí)例庫存放著以往設(shè)計(jì)中成功的設(shè)計(jì)案例，用戶可以參考以往的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，為新的設(shè)計(jì)提供靈感；規(guī)則庫則是對(duì)管路設(shè)計(jì)的KF語言描述，用于驅(qū)動(dòng)管路的各控制參數(shù)；數(shù)據(jù)庫存放各種設(shè)計(jì)過程所需的數(shù)據(jù)，包括有關(guān)的設(shè)計(jì)手冊(cè)、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)規(guī)范。系統(tǒng)通過知識(shí)庫管理系統(tǒng)與其它模塊相連，從而實(shí)現(xiàn)知識(shí)的重用或擴(kuò)充。4.3 敷管系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)敷管設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用UG傳統(tǒng)的用戶可視化界面，用戶通過在下拉菜單中選擇管路不同的輸出和輸入接口，通過輸入的設(shè)計(jì)要求和工程參數(shù)來確定管路的幾何參數(shù)，其整個(gè)設(shè)計(jì)流程如圖3所示：圖3 管路敷設(shè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖最終得到的管路模型可以作為設(shè)計(jì)實(shí)例動(dòng)態(tài)地添加到知識(shí)庫中，對(duì)知識(shí)庫進(jìn)行擴(kuò)充和更新，以備下次設(shè)計(jì)和維護(hù)時(shí)再利用。圖4顯示了最終生成的管路模型。圖4 航空發(fā)動(dòng)機(jī)管路模型5結(jié)論知識(shí)工程實(shí)現(xiàn)了工程設(shè)計(jì)與CAD系統(tǒng)的無縫連接，業(yè)已成為未來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)通過修改規(guī)則來直接影響幾何模型。本文基于知識(shí)熔接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了通過知識(shí)和規(guī)則直接生成管路模型，提高了設(shè)計(jì)效率。參考文獻(xiàn)1劉華春，黃亞宇.基于KBE的齒輪減速器CAD設(shè)計(jì)研究J.機(jī)械研究與應(yīng)用，2005，18（5）：101102.2Unigraphics Solutions Inc. 王剛譯. UG知識(shí)熔接技術(shù)培訓(xùn)教程M. 北京：清華大學(xué)出版社，2000.3航空發(fā)動(dòng)機(jī)管路系統(tǒng)通用技術(shù)要求，中華人民共和國國家軍用標(biāo)準(zhǔn)，GB381699.4張玥，陳東帆.UGKF和UGMold Wizard在非球面鏡片上的應(yīng)用J.機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2006，19（2）：7779.5董正衛(wèi)，田力中，付宜利. UG/OPEN API編程基礎(chǔ)M.北京：清華大學(xué)出版社，2002.6景旭，李莉敏，唐文獻(xiàn).基于UG/KDA的廣義知識(shí)庫系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)J.計(jì)算機(jī)工程，2003，29（4）：124-126.