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(shí)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)化

一、引言

CAD技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個(gè)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(jì)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(dòng)的三維模型,并以此為基礎(chǔ),對(duì)整體設(shè)計(jì)和部件進(jìn)行有限元分析、運(yùn)動(dòng)分析、裝配的干涉檢查和NC自動(dòng)編程等,以保證設(shè)計(jì)符合實(shí)際工程需要。但這時(shí)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(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)到工藝設(shè)計(jì)和數(shù)控編程)間進(jìn)行轉(zhuǎn)換,支持集成的、并行的產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(jì)開始階段就考慮產(chǎn)品從概念形成到產(chǎn)品報(bào)廢處理的所有因素,包括質(zhì)量、成本、進(jìn)度計(jì)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(jì)原理和知識(shí)、同類設(shè)計(jì)以及專家經(jīng)驗(yàn)等融入到幾何模型中去,因此無法實(shí)現(xiàn)知識(shí)型資源的重用,設(shè)計(jì)者仍然需要進(jìn)行大量的重復(fù)性設(shè)計(jì)工作。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期,這種情況影響了設(shè)計(jì)者的創(chuàng)新性工作。

為了使設(shè)計(jì)者集中精力進(jìn)行創(chuàng)新性工作,CAD系統(tǒng)應(yīng)幫助設(shè)計(jì)者從重復(fù)性的工作中解脫出來,因此下一代的機(jī)械CAD系統(tǒng)應(yīng)該利用計(jì)算機(jī)延伸以創(chuàng)造性思維為核心的人類專家的設(shè)計(jì)能力,盡可能地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程的自動(dòng)化。這才是真正意義上的設(shè)計(jì)工具。人類專家進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程取決于專家對(duì)知識(shí)的掌握、處理和應(yīng)用,沒有知識(shí)就無法進(jìn)行分析、判斷和決策,因此設(shè)計(jì)自動(dòng)化就是對(duì)知識(shí)的自動(dòng)化處理。目前,KBE(Knowledge Based Engineering ,基于知識(shí)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(jì)原理的體現(xiàn)、約束是否沖突、如何在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行產(chǎn)品估價(jià)、設(shè)計(jì)制造是否可行以及設(shè)計(jì)的最終產(chǎn)品是否符合外觀要求等,同時(shí)提供優(yōu)化方案。KBE系統(tǒng)所要達(dá)到的目的是使產(chǎn)品信息在整個(gè)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(shí)的驅(qū)動(dòng)和繁衍對(duì)工程問題和任務(wù)提供最佳解決方案的計(jì)算機(jī)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(rèn)的完整定義。英國Coventry大學(xué)的KBE中心認(rèn)為KBE系統(tǒng)是一種存儲(chǔ)并處理與產(chǎn)品模型有關(guān)的知識(shí),并基于產(chǎn)品模型的計(jì)算機(jī)系統(tǒng);美國Washington大學(xué)認(rèn)為KBE是一種設(shè)計(jì)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(jì)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(chǔ)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(jì)、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(shí)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(gè)階段的相關(guān)設(shè)計(jì)原則。要想從設(shè)計(jì)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(gè)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(shí)的利用——方便地訪問知識(shí)數(shù)據(jù)庫

知識(shí)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(shí)數(shù)據(jù)庫,因此,KBE系統(tǒng)的開放性非常重要。

(2) 知識(shí)的表示——?jiǎng)?chuàng)建和應(yīng)用知識(shí)規(guī)則

知識(shí)規(guī)則是知識(shí)的一種表示法。知識(shí)表示就是描述世界的一組約定,是知識(shí)的符號(hào)化,這種方法方便地把人類知識(shí)表示成計(jì)算機(jī)能接收并處理的知識(shí)結(jié)構(gòu)。知識(shí)表示法既要考慮知識(shí)的存儲(chǔ),又要考慮知識(shí)的使用。知識(shí)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(duì)應(yīng)于一定的輸入,可以引用各種形式的知識(shí)庫,并按照對(duì)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(jì)算、指定種類的選擇或是違反約束時(shí)產(chǎn)生警告等。

知識(shí)規(guī)則在工程生命周期內(nèi)的任何時(shí)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(shí)規(guī)則與其相關(guān)的對(duì)象一直保持相關(guān)性。例如,當(dāng)應(yīng)用知識(shí)規(guī)則建立一個(gè)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(jì)者可以利用這個(gè)規(guī)則編輯這個(gè)幾何體,也可再生成一個(gè)新的幾何體。如果沒有這種相關(guān)性,再次使用這個(gè)規(guī)則就只能重新生成另一個(gè)幾何體,而第一個(gè)幾何體的信息與這個(gè)規(guī)則完全無關(guān),這樣整個(gè)生命周期就成為了一個(gè)嚴(yán)格串行的過程,不可能實(shí)現(xiàn)并行工程。

(3) 知識(shí)的獲取——具有知識(shí)的繁衍機(jī)制

KBE系統(tǒng)具有“自我生成”的知識(shí)繁衍機(jī)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(shí)工程師手工獲取專家知識(shí),效率較低。主要原因是專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的專家對(duì)系統(tǒng)缺乏了解,不知如何提供全面的知識(shí);而系統(tǒng)工程師對(duì)專家知識(shí)領(lǐng)域了解也不深,不能有效地深入到問題的實(shí)質(zhì),這種情況造成專家系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值不高。KBE系統(tǒng)提供了繁衍知識(shí)的手段,拓寬了獲取知識(shí)的途徑,允許用戶利用KBE提供的工具添加自己的獨(dú)特知識(shí),從而對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展。

KBE系統(tǒng)將重復(fù)的設(shè)計(jì)和工程任務(wù)自動(dòng)化,縮短了產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間,將設(shè)計(jì)、分析、制造集成起來實(shí)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(shí)現(xiàn)多學(xué)科優(yōu)化,并確切地進(jìn)行可行性評(píng)估,應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來提高產(chǎn)品的質(zhì)量,對(duì)設(shè)計(jì)實(shí)踐、過程經(jīng)驗(yàn)等知識(shí)信息進(jìn)行數(shù)字化獲取和重用,從而提高自動(dòng)化過程的效率。

三、UG的知識(shí)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)化

UG作為一個(gè)CAD/CAM/CAE的集成軟件,致力于從概念設(shè)計(jì)到功能分析、工程圖紙生成、數(shù)控代碼生成及加工的整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)過程。UG提供了知識(shí)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)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(gè)能夠記錄、重復(fù)使用工程知識(shí)并用來驅(qū)動(dòng)、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(shí)融合)和一系列過程向?qū)А?/P>

過去的KBE系統(tǒng)往往是單獨(dú)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(gè)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(shí)現(xiàn)對(duì)各種知識(shí)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(jì)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(rèn)的完全基于規(guī)則的知識(shí)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(shí)現(xiàn)了程序的開放性,使工程知識(shí)隨時(shí)得到更新、補(bǔ)充和維護(hù)。

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(shí)。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(dòng)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(jì)算工程參數(shù)對(duì)產(chǎn)品幾何參數(shù)的影響,從而驅(qū)動(dòng)最終的幾何模型。另外,這種語言可以訪問外部知識(shí)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(shí),UG提供了豐富的KF類。KF類是指能實(shí)現(xiàn)某個(gè)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(gè)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(shí)規(guī)則,從而驅(qū)動(dòng)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(shí)例)、編輯子規(guī)則(編輯實(shí)例中的參數(shù))、添加屬性(為實(shí)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(duì)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(duì)象。這樣,在創(chuàng)建對(duì)象時(shí)就實(shí)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(jī)制(Adoption)將知識(shí)與CAx系統(tǒng)融合。特別是吸納機(jī)制解決了從現(xiàn)有的成熟產(chǎn)品與實(shí)踐中總結(jié)和反求知識(shí)的問題。使用Adoption可以為一個(gè)已存在的UG對(duì)象建立規(guī)則,使這個(gè)UG對(duì)象與規(guī)則相關(guān)。因?yàn)橛肒F語言建立復(fù)雜造型過于繁瑣,所以可以用交互方式進(jìn)行幾何建模。對(duì)象建立后,使用Adoption,系統(tǒng)自動(dòng)生成相應(yīng)的規(guī)則,這個(gè)對(duì)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(duì)象。因此,通過利用Adoption ,UG/KF可將CAD系統(tǒng)高效建模的優(yōu)點(diǎn)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(gè)塊特征并為它生成相應(yīng)的規(guī)則。

用創(chuàng)成機(jī)制建立一個(gè)UG對(duì)象的步驟如下:

(1) 首先用KF語言建立一個(gè)文本文件boss.dfa,實(shí)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(gè)對(duì)象樹,每一個(gè)對(duì)象節(jié)點(diǎn)都代表了一個(gè)類的實(shí)例和一個(gè)類實(shí)例的屬性。現(xiàn)在從右鍵菜單選擇Add child rules,彈出Add child rules對(duì)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(shí)生成一個(gè)長方體。在KF導(dǎo)航器中,打開my_block節(jié)點(diǎn),可以看到生成了子節(jié)點(diǎn)block1。Attribute節(jié)點(diǎn)是由系統(tǒng)根據(jù)相應(yīng)規(guī)則自動(dòng)生成的,有時(shí)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(duì)象。這時(shí)在導(dǎo)航器中同樣可以看到系統(tǒng)自動(dòng)為特征生成了Attribute 節(jié)點(diǎn)。

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(shí)例創(chuàng)建規(guī)則。除了上述利用規(guī)則建立幾何模型、表達(dá)式和UDF對(duì)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(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)等。

UG/KF可訪問存儲(chǔ)在零件文件中的電子表格。用戶可對(duì)電子表格中的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫。UG/KF提供了類ug_spreadsheet。首先為這個(gè)類創(chuàng)建一個(gè)實(shí)例,然后使用其中的方法進(jìn)行讀寫。

用戶可以在KF規(guī)則的控制下建立裝配件。每一個(gè)UG零件文件都有一個(gè)KF環(huán)境,這個(gè)環(huán)境將規(guī)則與UG對(duì)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(duì)于裝配件來說,不存在超越單個(gè)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(gè)函數(shù)可以用于裝配件中的所有部件。

UG/KF有一個(gè)內(nèi)嵌的ODBC接口,允許在Windows NT平臺(tái)上訪問ODBC數(shù)據(jù)庫。當(dāng)數(shù)據(jù)庫改變時(shí),用戶必須將UG/KF模型進(jìn)行更新。對(duì)數(shù)據(jù)庫的操作是通過類ug_odbc_base 和ug_odbc_recordset來實(shí)現(xiàn)的,這兩個(gè)類提供了對(duì)ODBC數(shù)據(jù)庫進(jìn)行讀寫的機(jī)制。

UG /OPEN API中提供了對(duì)UG/KF創(chuàng)建的規(guī)則和數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問的接口。但不允許直接對(duì)UG/KF語言編寫的代碼進(jìn)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(shí)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)化模糊了設(shè)計(jì)、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(shí)解決方案。利用UG/KF可以將設(shè)計(jì)獨(dú)特的知識(shí)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(yàn)。以往要解決的知識(shí)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(fèi)大量的資金和時(shí)間來解決,只需利用知識(shí)融合的方法,就可以盡可能地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

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