黃紅輝 王凌云

（上海工程技術(shù)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(yīng)用，仍然是以構(gòu)建三維模型為主。CAD軟件的輔助設(shè)計功能遠未開發(fā)出來，而自動設(shè)計功能也僅僅才起步。問題的關(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，對于復(fù)雜零件，參數(shù)化所需的某些尺寸與約束可能暫時難以確定，工程參數(shù)如質(zhì)量、載荷、力等設(shè)計參數(shù)也不能直接約束管理，給工程實際應(yīng)用中帶來很大的局限性;自定義變量只能驅(qū)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(shè)計。自定義變量之間相互獨立，不便建立任何函數(shù)關(guān)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(xiàn)嚴重變形，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)還無法將工程領(lǐng)域的設(shè)計原理、工程知識、同類設(shè)計及專家經(jīng)驗等融入幾何模型中去。因此，無法實現(xiàn)領(lǐng)域知識的重復(fù)利用，設(shè)計工程師仍需進行大量的重復(fù)性設(shè)計工作，無法集中精力和時間進行創(chuàng)新工作。目前，KBE技術(shù)是解決這一問題最有前途的方案。本文作者通過對參數(shù)化和變量化設(shè)計方法的研究，將知識工程的概念引入模具參數(shù)化設(shè)計中，運用知識工程強大的工程處理能力，實現(xiàn)對模具特征參數(shù)的知識驅(qū)動，并結(jié)合特征造型理論與工程數(shù)據(jù)庫技術(shù)，從而實現(xiàn)模具設(shè)計的智能參數(shù)化設(shè)計。智能化知識化是下一代CAD系統(tǒng)發(fā)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(qū)動和繁衍對工程問題和任務(wù)提供最佳解決方案的計算機集成處理技術(shù)。它使用啟發(fā)式的設(shè)計規(guī)則，將涵蓋構(gòu)件、裝配和系統(tǒng)的開發(fā)。KBE系統(tǒng)存儲產(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、分析和制造的工程準則。KBE的內(nèi)涵可以概括為:KBE是領(lǐng)域?qū)＜抑R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，知識工程的目的是“技術(shù)再利用”，即將知識創(chuàng)造性地應(yīng)用到一個工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)及生產(chǎn)制造過程中，充分利用各種實踐經(jīng)驗、專家知識及其有關(guān)的信息，產(chǎn)生以知識驅(qū)動為基礎(chǔ)的工程設(shè)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(shè)計人員的主觀判斷和經(jīng)驗。

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

2 識熔接技術(shù)UG/KF

知識熔接是一種基于知識工程的系統(tǒng)嵌入式準則評估引擎，提供了完備的知識驅(qū)動自動化解決方案（Knowledge Driven Automation，KDA），它支持捕獲和再利用設(shè)計意圖和用戶智能，智能控制變化的繁衍，能夠消除傳統(tǒng)知識系統(tǒng)與產(chǎn)品數(shù)字化開發(fā)設(shè)計、制造系統(tǒng)之間的障礙，模糊了設(shè)計、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)品開發(fā)工具中最優(yōu)秀的特點，獲取工程規(guī)則，通過知識來驅(qū)動幾何體生成。其目標是實現(xiàn)知識和相關(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)計中人的參與，避免重復(fù)的錯誤，從而加快設(shè)計速度和生產(chǎn)力的增長。

UG/KF將KBE技術(shù)集成到UG系統(tǒng)，將知識工程完全內(nèi)嵌于CAD軟件。實現(xiàn)了設(shè)計規(guī)則和CAD模型的有機結(jié)合。利用KF，使設(shè)計人員可以借助純幾何體以外的工程規(guī)則來開發(fā)應(yīng)用和控制UG的對象，使CAD設(shè)計不再是單純的幾何設(shè)計，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、目標搜索、美學等。

參數(shù)化的本質(zhì)是模型內(nèi)部幾何對象（點、線、面）間的相互約束，即當參數(shù)變化時，根據(jù)參數(shù)間的約束關(guān)系，驅(qū)動模型發(fā)生相應(yīng)的變化。參數(shù)化模型的參數(shù)約束有兩個功能:一是確定模型的拓撲結(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;二是當參數(shù)變化時，確定模型的變化方法。UG交互方式下的參數(shù)化建模，只能實現(xiàn)固定拓撲結(jié)構(gòu)模型的參數(shù)化，使用KF，將知識（規(guī)則）融合到參數(shù)化中來，能夠?qū)崿F(xiàn)變拓撲結(jié)構(gòu)的參數(shù)化建模，從而形成一個更大的產(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)動的參數(shù)化設(shè)計，而且其關(guān)聯(lián)是通過規(guī)則的方式建立起來的，因此能夠?qū)崿F(xiàn)變拓撲結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計。

UG/KF技術(shù)提供了一種規(guī)則描述語言，UG/KF語言是一種面向?qū)ο蟮恼Z言，它建立在Intent語言基礎(chǔ)之上。Intent語言是一種業(yè)界公認的完全基于規(guī)則的知識編程語言，主要用類來描述，其應(yīng)用程序無需編譯即可執(zhí)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(xiàn)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(guī)則”（Rule）來表示產(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語言建立自己的規(guī)則，利用規(guī)則方便地添加知識。因為這種語言是聲明型，因此規(guī)則不存在先后順序，UG/KF系統(tǒng)自動根據(jù)規(guī)則之間的關(guān)系來判斷執(zhí)行順序。利用這些規(guī)則來計算工程參數(shù)對產(chǎn)品幾何參數(shù)的影響，從而驅(qū)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(shù)據(jù)庫或電子表格，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運用知識表示法中面向?qū)ο蟮脑O(shè)計技術(shù)，將產(chǎn)品建?？闯墒怯商卣髂Ｐ徒?jīng)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(chǎn)品的一個過程。整個設(shè)計過程的知識完整封裝于最終的產(chǎn)品模型中。

3 沖壓模具浮動模柄設(shè)計

60%以上的模具零件是標準件，設(shè)計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)計人員從繁瑣的工作和浩瀚的手冊數(shù)據(jù)中脫離出來，因此，迫切需要建立標準件庫，以減少工裝設(shè)計中的重復(fù)勞動，提高設(shè)計效率，縮短產(chǎn)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(guī)則:一是通過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，以便知識的調(diào)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(xiàn)設(shè)計開發(fā)。具體設(shè)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?qū)г谧远x庫中生成特征和確定控制參數(shù)，定義用戶參數(shù)，定制對話框。最后列出規(guī)則，編輯生成dfa文件。該零件的相關(guān)參數(shù)存儲在UG自帶的電子表格中，該電子表格可與EXCEL實現(xiàn)無縫銜接（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(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(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(nèi)各個標準零件之間的參數(shù)值傳遞，即建立各個標準零件之間的尺寸鏈接關(guān)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(shù)不同而引起的結(jié)構(gòu)變化，可以通過相應(yīng)的規(guī)則來完成建模。如錐面壓圈在規(guī)格參數(shù)D1≤100時，其一端面有4個等分螺紋孔，當規(guī)格參數(shù)D1＞100時，等分螺紋孔的數(shù)量就變?yōu)?個，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題，而用零件族法和UG/OPEN API開發(fā)解決此問題則要復(fù)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(xiàn)。UG/KF的約束不僅包括了幾何約束，而且也包括了規(guī)則和知識的約束。

對單個零件來說，控制表達式值即可實現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計。而對裝配件來說，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)計和編輯過程中，需要保證具有尺寸關(guān)聯(lián)的零件之間尺寸的一致性，當一個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)若能自動適應(yīng)，便可以提高設(shè)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(guān)聯(lián)表達式（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式類結(jié)合部件間表達式實現(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

把KBE應(yīng)用于模具設(shè)計制造領(lǐng)域，能進一步提高模具設(shè)計的智能化水平。知識工程實現(xiàn)了工程設(shè)計與CAD系統(tǒng)的無縫連接，已成為未來CAD技術(shù)與先進制造業(yè)技術(shù)發(fā)展的核心。它可以很好地繼承各種專家知識和經(jīng)驗，增加非幾何的工程設(shè)計能力，實現(xiàn)通過修改規(guī)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(shù)，實現(xiàn)了通過知識和規(guī)則直接生成模具標準組件模型，提高了設(shè)計效率。

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