KBE技術(shù)在UG中的應(yīng)用

2013-06-01 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

關(guān)鍵字:CAD KBE 知識驅(qū)動自動化

一、引言

CAD技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個階段:20世紀(jì)70年代,利用CAD技術(shù)生成數(shù)字化圖紙?zhí)岣吡死L制工程圖紙的效率,但并沒有真正起到輔助設(shè)計的作用。80年代,參數(shù)化建模技術(shù)利用基于特征的CAD技術(shù)建立全參數(shù)化驅(qū)動的三維模型,并以此為基礎(chǔ),對整體設(shè)計和部件進行有限元分析、運動分析、裝配的干涉檢查和NC自動編程等,以保證設(shè)計符合實際工程需要。但這時的CAD技術(shù)只是面向產(chǎn)品開發(fā)過程中的某一環(huán)節(jié)。90年代以來,基于過程的CAD技術(shù)使產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型能夠在全生命周期的不同環(huán)節(jié)(從概念設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、詳細設(shè)計到工藝設(shè)計和數(shù)控編程)間進行轉(zhuǎn)換,支持集成的、并行的產(chǎn)品設(shè)計及其相關(guān)的各種過程(包括制造過程和支持過程),幫助產(chǎn)品開發(fā)人員在設(shè)計開始階段就考慮產(chǎn)品從概念形成到產(chǎn)品報廢處理的所有因素,包括質(zhì)量、成本、進度計劃和用戶要求。但是,以幾何模型為主的CAD系統(tǒng)無法將領(lǐng)域設(shè)計原理和知識、同類設(shè)計以及專家經(jīng)驗等融入到幾何模型中去,因此無法實現(xiàn)知識型資源的重用,設(shè)計者仍然需要進行大量的重復(fù)性設(shè)計工作。在產(chǎn)品設(shè)計初期,這種情況影響了設(shè)計者的創(chuàng)新性工作。

為了使設(shè)計者集中精力進行創(chuàng)新性工作,CAD系統(tǒng)應(yīng)幫助設(shè)計者從重復(fù)性的工作中解脫出來,因此下一代的機械CAD系統(tǒng)應(yīng)該利用計算機延伸以創(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)設(shè)計過程的自動化。這才是真正意義上的設(shè)計工具。人類專家進行設(shè)計的過程取決于專家對知識的掌握、處理和應(yīng)用,沒有知識就無法進行分析、判斷和決策,因此設(shè)計自動化就是對知識的自動化處理。目前,KBE(Knowledge Based Engineering ,基于知識工程)技術(shù)是解決這一問題最有前途的方案。

KBE系統(tǒng)為解決傳統(tǒng)CAD系統(tǒng)存在的問題提出了方案,如設(shè)計原理的體現(xiàn)、約束是否沖突、如何在設(shè)計階段進行產(chǎn)品估價、設(shè)計制造是否可行以及設(shè)計的最終產(chǎn)品是否符合外觀要求等,同時提供優(yōu)化方案。KBE系統(tǒng)所要達到的目的是使產(chǎn)品信息在整個生命周期中都可得到應(yīng)用,從而獲得最優(yōu)化方案。

二、KBE的概念

KBE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)。由于KBE技術(shù)的開放性,到目前為止,尚未有一種公認的完整定義。英國Coventry大學(xué)的KBE中心認為KBE系統(tǒng)是一種存儲并處理與產(chǎn)品模型有關(guān)的知識,并基于產(chǎn)品模型的計算機系統(tǒng);美國Washington大學(xué)認為KBE是一種設(shè)計方法學(xué),將與下一代CAD技術(shù)緊密結(jié)合。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(zhǔn)則。

綜上所述,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。

要使KBE系統(tǒng)成為工程過程的中心,必須使之適用于產(chǎn)品各個階段的相關(guān)設(shè)計原則。要想從設(shè)計分析到制造都有效地利用KBE系統(tǒng),就要求KBE系統(tǒng)具有柔性、開放性、可重用性并可用戶化。KBE系統(tǒng)是深層內(nèi)嵌于CAx系統(tǒng)之中的,而不是簡單地添加到一個已存在的系統(tǒng)中,因此,KBE系統(tǒng)應(yīng)具有下面的基本功能。

(1) 知識的利用——方便地訪問知識數(shù)據(jù)庫

知識數(shù)據(jù)庫以多種形式存在,可以是持續(xù)性存在的數(shù)據(jù)庫或電子表格。KBE系統(tǒng)能夠方便地訪問這些知識數(shù)據(jù)庫,因此,KBE系統(tǒng)的開放性非常重要。

(2) 知識的表示——創(chuàng)建和應(yīng)用知識規(guī)則

知識規(guī)則是知識的一種表示法。知識表示就是描述世界的一組約定,是知識的符號化,這種方法方便地把人類知識表示成計算機能接收并處理的知識結(jié)構(gòu)。知識表示法既要考慮知識的存儲,又要考慮知識的使用。知識表示分為規(guī)則、謂詞邏輯和框架等。規(guī)則是指一種行為的文本描述,這種行為對應(yīng)于一定的輸入,可以引用各種形式的知識庫,并按照對應(yīng)的邏輯條件產(chǎn)生一定的結(jié)果,如特征造型、參數(shù)計算、指定種類的選擇或是違反約束時產(chǎn)生警告等。

知識規(guī)則在工程生命周期內(nèi)的任何時候都可建立。規(guī)則的形式具有柔性,可適用于多種學(xué)科。因此,規(guī)則可在產(chǎn)品生命周期的各階段使用。

知識規(guī)則與其相關(guān)的對象一直保持相關(guān)性。例如,當(dāng)應(yīng)用知識規(guī)則建立一個幾何體后,在其存在過程中,規(guī)則與幾何體一直保持相關(guān)性。設(shè)計者可以利用這個規(guī)則編輯這個幾何體,也可再生成一個新的幾何體。如果沒有這種相關(guān)性,再次使用這個規(guī)則就只能重新生成另一個幾何體,而第一個幾何體的信息與這個規(guī)則完全無關(guān),這樣整個生命周期就成為了一個嚴(yán)格串行的過程,不可能實現(xiàn)并行工程。

(3) 知識的獲取——具有知識的繁衍機制

KBE系統(tǒng)具有“自我生成”的知識繁衍機制。這是它與傳統(tǒng)的專家系統(tǒng)主要的不同之處。傳統(tǒng)的專家系統(tǒng)是依靠知識工程師手工獲取專家知識,效率較低。主要原因是專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的專家對系統(tǒng)缺乏了解,不知如何提供全面的知識;而系統(tǒng)工程師對專家知識領(lǐng)域了解也不深,不能有效地深入到問題的實質(zhì),這種情況造成專家系統(tǒng)的應(yīng)用價值不高。KBE系統(tǒng)提供了繁衍知識的手段,拓寬了獲取知識的途徑,允許用戶利用KBE提供的工具添加自己的獨特知識,從而對系統(tǒng)進行擴展。

KBE系統(tǒng)將重復(fù)的設(shè)計和工程任務(wù)自動化,縮短了產(chǎn)品開發(fā)時間,將設(shè)計、分析、制造集成起來實現(xiàn)并行工作。使用KBE建立模型可以將幾何造型與分析等結(jié)合起來,實現(xiàn)多學(xué)科優(yōu)化,并確切地進行可行性評估,應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)和實踐經(jīng)驗來提高產(chǎn)品的質(zhì)量,對設(shè)計實踐、過程經(jīng)驗等知識信息進行數(shù)字化獲取和重用,從而提高自動化過程的效率。

三、UG的知識驅(qū)動自動化

UG作為一個CAD/CAM/CAE的集成軟件,致力于從概念設(shè)計到功能分析、工程圖紙生成、數(shù)控代碼生成及加工的整個產(chǎn)品開發(fā)過程。UG提供了知識驅(qū)動自動化(Knowledge Driven Automation)解決方案,將KBE 系統(tǒng)與CAx軟件系統(tǒng)完全集成。KDA是一個能夠記錄、重復(fù)使用工程知識并用來驅(qū)動、建立、選擇和裝配相應(yīng)的幾何模型的系統(tǒng)。這套解決方案包括UG/KF(Knowledge Fusion,知識融合)和一系列過程向?qū)А?/P>

過去的KBE系統(tǒng)往往是單獨使用的,不能內(nèi)嵌到已存在的工程系統(tǒng)中,不能與已存在的應(yīng)用程序相關(guān)。UG/KF解決了這個問題。由于UG/KF是完全內(nèi)嵌的,用戶不需要了解什么是KBE、什么是UG/KF,只要使用他們熟悉的應(yīng)用程序就可實現(xiàn)對各種知識的重用。因此,UG/KF是面向大多數(shù)工程師的。這意味著工程人員和設(shè)計人員可以致力于產(chǎn)品開發(fā),而不用在KBE系統(tǒng)和產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)之間轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。

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的KDA方案用“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。由于這種語言是聲明型的,而不是過程型的,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。同時,UG提供了豐富的KF類。KF類是指能實現(xiàn)某個任務(wù)的KF規(guī)則的集合。用戶也可以用KF語言來創(chuàng)建自己的類。

UG提供了一個可視化的工具——KF導(dǎo)航器(Knowledge Fusion Navigator)。用戶可利用導(dǎo)航器創(chuàng)建、獲取和重用知識規(guī)則,從而驅(qū)動幾何體的生成。用戶可通過可視化的界面直接添加子規(guī)則(建立類的實例)、編輯子規(guī)則(編輯實例中的參數(shù))、添加屬性(為實例添加用戶定義屬性)和引用其他屬性等。
用戶自己創(chuàng)建的規(guī)則一定是可重用的,這是KBE系統(tǒng)的基本要求。KF技術(shù)將規(guī)則與UG對象連接起來,并且一直保持這種相關(guān)性,用戶利用規(guī)則來控制UG對象。這樣,在創(chuàng)建對象時就實現(xiàn)了其相關(guān)規(guī)則的重用。

UG中采用創(chuàng)成(Generative)和吸納機制(Adoption)將知識與CAx系統(tǒng)融合。特別是吸納機制解決了從現(xiàn)有的成熟產(chǎn)品與實踐中總結(jié)和反求知識的問題。使用Adoption可以為一個已存在的UG對象建立規(guī)則,使這個UG對象與規(guī)則相關(guān)。因為用KF語言建立復(fù)雜造型過于繁瑣,所以可以用交互方式進行幾何建模。對象建立后,使用Adoption,系統(tǒng)自動生成相應(yīng)的規(guī)則,這個對象的參數(shù)定義為規(guī)則的屬性。規(guī)則通過屬性來控制對象。因此,通過利用Adoption ,UG/KF可將CAD系統(tǒng)高效建模的優(yōu)點與KBE集成為一體。用戶可更為快速、方便地建立與應(yīng)用規(guī)則。

下面就利用上述工具建立一個塊特征并為它生成相應(yīng)的規(guī)則。

用創(chuàng)成機制建立一個UG對象的步驟如下:

(1) 首先用KF語言建立一個文本文件boss.dfa,實現(xiàn)塊特征的幾何建模。

#! UG/KBE 17.0
DefClass: MyBox (ug_base_part);
(number parameter) my_height: 84;
(number parameter) my_width: 36;
(number parameter) my_length: my_width:/12;
(child) block1:
{
class, ug_block;
length, my_length:;
width, my_width:;
height, my_height:;
color, 3;
};

(2) 然后打開UG ,在預(yù)設(shè)置中指定boss.dfa文件的路徑。

(3) 在VIEW菜單下選擇Knowledge Fusion Navigation。KF導(dǎo)航器顯示了一個對象樹,每一個對象節(jié)點都代表了一個類的實例和一個類實例的屬性?，F(xiàn)在從右鍵菜單選擇Add child rules,彈出Add child rules對話框。在name 欄中加入my_block,在類名的下拉列表框中選擇 MyBox。這時生成一個長方體。在KF導(dǎo)航器中,打開my_block節(jié)點,可以看到生成了子節(jié)點block1。Attribute節(jié)點是由系統(tǒng)根據(jù)相應(yīng)規(guī)則自動生成的,有時可以把Attribute看作規(guī)則。

用吸納法建立規(guī)則的步驟如下:首先直接用Modeling完成幾何造型,然后打開Tools→Knowledge Fusion→Adopt Existing Object,在彈出的類選擇器中選擇要生成規(guī)則的對象。這時在導(dǎo)航器中同樣可以看到系統(tǒng)自動為特征生成了Attribute 節(jié)點。

UG中許多應(yīng)用程序模塊都與UG/KF集成。用戶利用UG/KF提供的相關(guān)類為類實例創(chuàng)建規(guī)則。除了上述利用規(guī)則建立幾何模型、表達式和UDF對象外,還可以建立裝配體、訪問電子表格、訪問外部數(shù)據(jù)庫與進行優(yōu)化設(shè)計等。

UG/KF可訪問存儲在零件文件中的電子表格。用戶可對電子表格中的數(shù)據(jù)進行讀寫。UG/KF提供了類ug_spreadsheet。首先為這個類創(chuàng)建一個實例,然后使用其中的方法進行讀寫。

用戶可以在KF規(guī)則的控制下建立裝配件。每一個UG零件文件都有一個KF環(huán)境,這個環(huán)境將規(guī)則與UG對象相聯(lián)系。KF導(dǎo)航樹直觀地反映了零件的KF環(huán)境,用戶可以從中看到工作零件的規(guī)則和屬性。對于裝配件來說,不存在超越單個零件的KF環(huán)境。KF 利用函數(shù)ug_evaluateInpart在不同零件文件的KF環(huán)境中傳遞信息,這個函數(shù)可以用于裝配件中的所有部件。

UG/KF有一個內(nèi)嵌的ODBC接口,允許在Windows NT平臺上訪問ODBC數(shù)據(jù)庫。當(dāng)數(shù)據(jù)庫改變時,用戶必須將UG/KF模型進行更新。對數(shù)據(jù)庫的操作是通過類ug_odbc_base 和ug_odbc_recordset來實現(xiàn)的,這兩個類提供了對ODBC數(shù)據(jù)庫進行讀寫的機制。

UG /OPEN API中提供了對UG/KF創(chuàng)建的規(guī)則和數(shù)據(jù)進行訪問的接口。但不允許直接對UG/KF語言編寫的代碼進行調(diào)用。UG/KF API 提供了兩類函數(shù):一類可以創(chuàng)建調(diào)用UG/KF函數(shù)的用戶程序;另一類可以創(chuàng)建自己的KF函數(shù)。利用這些函數(shù)在UG/KF中調(diào)用其他應(yīng)用程序。

四、結(jié)論

UG提供的知識驅(qū)動自動化模糊了設(shè)計、工程、幾何建模與編程之間的界限,為KBE和CAx系統(tǒng)的融合開發(fā)出一套簡單的知識解決方案。利用UG/KF可以將設(shè)計獨特的知識融入系統(tǒng),而過程向?qū)t使領(lǐng)域內(nèi)的用戶充分利用行業(yè)內(nèi)的專家經(jīng)驗。以往要解決的知識重用和過程標(biāo)準(zhǔn)化問題不再需要專業(yè)的編程人員耗費大量的資金和時間來解決,只需利用知識融合的方法,就可以盡可能地實現(xiàn)自動化。

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