知识工程在模具标准组件建模中的应用研究

黄红辉 王凌云

（上海工程技术大学制造工程系，上海 200437）

当前，以几何模型为主的三维CAD软件建模的应用，仍然是以构建三维模型为主。CAD软件的辅助设计功能远未开发出来，而自动设计功能也仅仅才起步。问题的关键在于现在的商用CAD软件多采用特征参数化设计方法，通过零件族等方式来参数化特征的形状与尺寸，同时影响与之发生联系的特征，从而得到不同的零件模型。但是，参数化技术要求全约束，约束方程的建立和求解依赖特征构建的顺序，参数求解只能顺序求解，这样导致零部件不能随心所欲地构建和拆卸;此外，对于复杂零件，参数化所需的某些尺寸与约束可能暂时难以确定，工程参数如质量、载荷、力等设计参数也不能直接约束管理，给工程实际应用中带来很大的局限性;自定义变量只能驱动几何尺寸，即通过一些公式来修改零件的几何尺寸，而零件的形状已基本明确，即零件的特征基本给定，几乎不能改变，而无法做变形设计。自定义变量之间相互独立，不便建立任何函数关系，也不便对每个变量做约束。这使得当某些变量的修改量比较大时，某些特征出现严重变形，甚至使该特征和与它相关联的其它特征失去约束，出现悬空状态的特征，造成信息的丢失。

以几何模型为主的CAD系统还无法将工程领域的设计原理、工程知识、同类设计及专家经验等融入几何模型中去。因此，无法实现领域知识的重复利用，设计工程师仍需进行大量的重复性设计工作，无法集中精力和时间进行创新工作。目前，KBE技术是解决这一问题最有前途的方案。本文作者通过对参数化和变量化设计方法的研究，将知识工程的概念引入模具参数化设计中，运用知识工程强大的工程处理能力，实现对模具特征参数的知识驱动，并结合特征造型理论与工程数据库技术，从而实现模具设计的智能参数化设计。智能化知识化是下一代CAD系统发展的必然趋势。

1 知识工程（KBE）概述

知识工程KBE（Knowledge Based Engineering）是通过知识的驱动和繁衍对工程问题和任务提供最佳解决方案的计算机集成处理技术。它使用启发式的设计规则，将涵盖构件、装配和系统的开发。KBE系统存储产品模型包含几何、非几何信息以及描述产品如何设计、分析和制造的工程准则。KBE的内涵可以概括为:KBE是领域专家知识的继承、集成、创新和管理，是CAX技术与AI技术的集成。KBE系统框架如图1所示。

从本质看，知识工程的目的是“技术再利用”，即将知识创造性地应用到一个工业产品的设计开发及生产制造过程中，充分利用各种实践经验、专家知识及其有关的信息，产生以知识驱动为基础的工程设计新思路。这些“知识”可能以很多种形式存在，如:①电子计算表格（Spreadsheets）;②手册;③工程计算公式;④专用软件;⑤设计人员的主观判断和经验。

知识工程的意图是构建工程自动化系统。当解决方案需要产品配置（Configuration）、工程演算（Engineering）、几何模型构建（Geometry）3方面组合起来时，知识工程就是最有效的方案。在知识工程中，知识是驱动力，几何模型构建是由产品配置和工程演算规则驱动的。

2 识熔接技术UG/KF

知识熔接是一种基于知识工程的系统嵌入式准则评估引擎，提供了完备的知识驱动自动化解决方案（Knowledge Driven Automation，KDA），它支持捕获和再利用设计意图和用户智能，智能控制变化的繁衍，能够消除传统知识系统与产品数字化开发设计、制造系统之间的障碍，模糊了设计、工程、几何和编程之间的界线，它可以吸取许多经典的产品开发工具中最优秀的特点，获取工程规则，通过知识来驱动几何体生成。其目标是实现知识和相关资源的重复利用，在提高效率的前提下减少重复和类似设计中人的参与，避免重复的错误，从而加快设计速度和生产力的增长。

UG/KF将KBE技术集成到UG系统，将知识工程完全内嵌于CAD软件。实现了设计规则和CAD模型的有机结合。利用KF，使设计人员可以借助纯几何体以外的工程规则来开发应用和控制UG的对象，使CAD设计不再是单纯的几何设计，这些工程规则包括非几何的物理特性、分析结果、优化方案、目标搜索、美学等。

参数化的本质是模型内部几何对象（点、线、面）间的相互约束，即当参数变化时，根据参数间的约束关系，驱动模型发生相应的变化。参数化模型的参数约束有两个功能:一是确定模型的拓扑结构和尺寸大小，不同的约束定义不同功能和尺寸的模型;二是当参数变化时，确定模型的变化方法。UG交互方式下的参数化建模，只能实现固定拓扑结构模型的参数化，使用KF，将知识（规则）融合到参数化中来，能够实现变拓扑结构的参数化建模，从而形成一个更大的产品族。UG/KF所建立的特征之间的关联，不仅能够实现尺寸驱动的参数化设计，而且其关联是通过规则的方式建立起来的，因此能够实现变拓扑结构的参数化设计。

UG/KF技术提供了一种规则描述语言，UG/KF语言是一种面向对象的语言，它建立在Intent语言基础之上。Intent语言是一种业界公认的完全基于规则的知识编程语言，主要用类来描述，其应用程序无需编译即可执行。用户可使用一般的文本编辑器来浏览和修改KBE程序，从而实现了程序的开放性，使工程知识随时得到更新、补充和维护。UG/KF用“规则”（Rule）来表示产品的不同几何参数和工程属性之间的相互关系。用户使用KF语言建立自己的规则，利用规则方便地添加知识。因为这种语言是声明型，因此规则不存在先后顺序，UG/KF系统自动根据规则之间的关系来判断执行顺序。利用这些规则来计算工程参数对产品几何参数的影响，从而驱动最终的几何模型。另外，这种语言可以访问外部知识源，如数据库或电子表格，并提供了与分析和优化模块等其他应用程序模块的接口。

UG/KF运用知识表示法中面向对象的设计技术，将产品建模看成是由特征模型经过一系列的特征操作后形成零件，再由零件组装成具有一定独立功能的部件，最后形成产品的一个过程。整个设计过程的知识完整封装于最终的产品模型中。

3 冲压模具浮动模柄设计

60%以上的模具零件是标准件，设计工作存在很大的重复性。然而常用的CAD软件只能提供有限的帮助，并不能使设计人员从繁琐的工作和浩瀚的手册数据中脱离出来，因此，迫切需要建立标准件库，以减少工装设计中的重复劳动，提高设计效率，缩短产品研制周期。

如图2所示冲压模具浮动模柄，UG/KF对其知识的使用，有两种方法来建立规则:一是通过KF导航器的可视化界面直接添加规则，最后生成dfa文件，以便知识的调用;二是通过几何采用机制。本例就是基于几何采用方式实现设计开发。具体设计思路如图3所示。

先利用UG的建模功能建立冲压模具浮动模柄锥面压圈模型，如图4所示。然后通过UG/KF采用模型特征，启动用户自定义向导在自定义库中生成特征和确定控制参数，定义用户参数，定制对话框。最后列出规则，编辑生成dfa文件。该零件的相关参数存储在UG自带的电子表格中，该电子表格可与EXCEL实现无缝衔接（表1）。

表1 锥面压圈参数

（1）特征（Features）模型:以UG的三维特征建模为基础进行特征分类，如块、圆柱、凸台特征等。每个特征定义为一个类，其具体形状由类的相关属性及属性值表示。如沉孔的dfa程序:

（2）零件（Components）模型:由前面定义的特征模型经过对特征的并、交和差操作形成，零件模型继承特征类的所有属性。零件知识模型类的定义如下:

（3）部件（Parts）模型:部件由不同零件装配而成，因此将零件作为部件的子类，再结合相应的定位方式就形成部件。其定义方式可描述为:

（4）产品（Products）模型:产品由部件或零件装配构成，产品模型定义为一个父类，它将部件或零件作为自己的子类，其定义方式与部件类似。

对于一个由几个标准零件装配在一起而组成的标准部件，要注意建立标准部件内各个标准零件之间的参数值传递，即建立各个标准零件之间的尺寸链接关系，并用一个主要的标准零件去控制和约束其它次要的标准零件。对于主参数不同而引起的结构变化，可以通过相应的规则来完成建模。如锥面压圈在规格参数D1≤100时，其一端面有4个等分螺纹孔，当规格参数D1＞100时，等分螺纹孔的数量就变为6个，作如下处理:

解决了同一零件由于参数变化而引起的形状不同的问题，而用零件族法和UG/OPEN API开发解决此问题则要复杂的多。

零件间的约束及装配体间的约束通过相似的方法来实现。UG/KF的约束不仅包括了几何约束，而且也包括了规则和知识的约束。

对单个零件来说，控制表达式值即可实现参数化设计。而对装配件来说，装配结构的零件之间的形状和尺寸相互配合，因此零件之间配合部位的尺寸存在一定函数关系的关联性。在基于UG装配结构的上下文参数化设计和编辑过程中，需要保证具有尺寸关联的零件之间尺寸的一致性，当一个零件的几何尺寸参数变更后，相关零件的几何尺寸参数若能自动适应，便可以提高设计的效能，避免因疏忽造成的失误。对此，可以通过零件之间的关联表达式（Inter－Part Expression）将装配中的零件之间的几何尺寸参数相互关联，达到自适应变更的目的。

其它可以重复利用已有模型的零件的变形都可以使用表达式类结合部件间表达式实现，零件及子部件的建模完成后利用ug_component类即可完成产品或部件的装配（图5）。

4 结语

把KBE应用于模具设计制造领域，能进一步提高模具设计的智能化水平。知识工程实现了工程设计与CAD系统的无缝连接，已成为未来CAD技术与先进制造业技术发展的核心。它可以很好地继承各种专家知识和经验，增加非几何的工程设计能力，实现通过修改规则来直接影响几何模型。本文作者研究的基于知识熔接技术，实现了通过知识和规则直接生成模具标准组件模型，提高了设计效率。

［1］邵健，吕震．基于KBE的模具型腔设计系统［J］．计算机辅助设计与图形学学报，2006，18（6）:781 －786．

［2］Unigraphics Solutions Inc．UG知识熔接技术培训教程［M］．北京:清华大学出版社，2002．

［3］娄臻亮，刘来英．注塑模模架设计KBE系统及其智能关键技术［J］．上海交通大学学报，2002，36（4）:487 －490．

［4］蒋亚军，娄臻亮．基于知识的注塑模顶出设计［J］．上海交通大学学报，2004，38（7）:1109 －1112．

［5］于德江，杜平安，岳萍．基于KBE的智能方法研究［J］．机械设计与制造，2007（9）:178－190．

［6］王玉，邢渊，阮雪榆．机械产品设计重用策略研究［J］．机械工程学报，2002，38（5）:145 －148．

［7］翁海平，董星涛．UG/KF和UDF技术在圆柱弹簧参数化设计中的应用［J］．轻工机械，2006（9）:55－57．

［8］张进成，李开林．基于知识工程的UG二次开发［J］．计算机工程与设计，2008（5）:2390－2392．

［9］洪如瑾．NX知识工程应用技术—CAD/CAE篇［M］．北京:清华大学出版社，2006．

［10］PENOYER J A，BUMETT G，FAWCETT D J，et al．Kowledge based porduct life cycle systems:principles of integration of KBE and C3P［J］．Computer－ Aided Design，2000，32（5 －6）:311 －320．