（机械制造及其自动化专业论文）基于参数化设计的智能cad开发平台的研究与开发.pdf

i 摘 要 随着 cad 软件的应用不断深化通用 cad 系统存在的不足逐渐暴露出来主要 体现在以下两个方面第一同类产品的设计过程中存在大量重复性工作另一方面 缺乏对产品设计过程中决策性工作的支持 为了解决以上问题本文研究和开发了基于参数化设计的智能 cad 技术和系统 该系统用于设计特定的产品它不但具有智能设计能力还具有自动生成图形的能力 前者能给产品设计过程中的决策工作提供支持后者则可以把设计人员从繁重的绘图 工作中解脱出来智能设计功能通过知识库系统实现知识库系统以知识库推理 机架构构建它应用知识推理技术进行推理从而实现智能设计其中知识库由 抽象化的产品设计知识构成推理机是通过调用知识库中的知识进行推理的机构图 形自动生成功能由专门的图形生成系统实现该系统采用根据模板生成图形和程序绘 图两种生成图形的方法实现所有设计文档的输出 为了缩短智能 cad 系统的开发周期建立了基于参数化设计的智能 cad 开发平 台利用该平台可以快速开发出针对特定产品设计的智能 cad 系统开发过程分为两 步首先根据用户需求归纳出产品设计知识并加入到知识库中然后完成图形生成 系统的开发使得系统能够输出用户要求的结果通过这种方法以该开发平台为基 础开发出了基于 kmcad2003 的哈空调管束智能 cad 系统hktcad 关键字cad 参数化 智能设计 知识推理 知识库 ii abstract as the application of cad software is deepened, the deficiency of the traditional cad system has been exposed gradually. first, a large amount of work is done repeatedly in the design process of the similar product; on the other hand, the support to design is insufficient in the design process of products. in order to solve the above problems, this thesis researches and develops an intellectual cad technology and system based on parametric design which is used for developing intellectual cad system for the design of a specific product. this intellectual cad system not only has ability of intelligent design but also has ability to produce the figure automatically. the former can provide support for designing products; and the latter can free the designer from the tedious repeat drafting operations. the function of intelligent design can be realized through using the knowledge base system which is structured on knowledge base + reasoning machine and carry on reasoning via knowledge reasoning technology for intelligent design. the knowledge base is comprised of abstract products design knowledge, and the reasoning machine is a mechanism carrying on reasoning in terms of the knowledge in the knowledge base. function of producing the figure automatically is realized by the special system which can produce all figures with two kinds of methods to produce figure, one of which is that figures are produced by revising templates, and the other is that figures are drawn through the procedure. in order to shorten the development cycle of intellectual cad system, a developing platform has been set up. based on the platform, an intellectual cad system for specific product design can be developed rapidly. the development process can be devided into two steps. firstly, summarizes the design knowledge of the products according to the users requirements and adds them to the knowledge base. then finishes development of the drawing generation system which can meet users demand pefectly.with the method, an intellectual cad system used to design the petroleum pipeline air conditioner system for air conditioner limited company of harbin(hktcad) has been developed. keyword: cad, parametric, intelligent design, knowledge reasoning, knowledge base 1 1 绪 论 1.1 课题的来源目的和意义 1.1.1 课题的来源 国内企业通过积极参与国家九五cad 应用推广普遍实现了甩图板两端对 齐工程在一定程度上提高了企业综合科技竞争力1 2实践证明 全面继续深化 cad 应用是实现提升传统产业目标的必由之路3 在这股企业信息化的浪潮中以开目 cad 为代表的国有自主版权的 cad 软件在 cad 市场占有比较大的市场份额然而 随着市场竞争的深入autocad 逐渐成为行业标准国产 cad 软件的市场份额越来 越小同时三维 cad 也逐渐被用户所接受经济实力雄厚的企业开始转向使用三维 cad这给以开目公司为代表的有自主版权的国产二维 cad 提供商带来了巨大困难 然而autocad 和三维 cad 软件价格昂贵国内许多资金不够雄厚的企业无力 购买 特别是许多中小型企业 这留给了国内 cad 厂商许多机会 为了让自己的 cad 产品被用户所接受可以采取以下两种有效方法第一种方法是遵循 autocad 的标 准开发可以保存*.dwg 格式文件的 cad 系统开目公司已经开发出这样的二维 cad 系统开目 cad2005另一种方法为针对特定用户开发设计效率高于三维 cad 系统的设计平台实现与二维 cad 系统的绑定销售 针对第二种方法开目公司拨出专项资金并成立课题组进行智能 cad 开发平 台的研究与开发 1.1.2 课题的目的 本课题的主要目的是研究并开发出一种基于开目cad系统的智能cad开发平台 并能以该平台为基础 根据特定需求快速开发出针对不同产品设计的专用智能 cad 系 统从而促进开目 cad 的市场推广 1.1.3 课题的意义 当用传统二维通用 cad 系统进行设计时对设计结果进行更新或修改需要重新 绘图尤其是设计多视图零件在修改设计时零件的表达和它的有关设计参数无法 完全放在一起当然也没有直接的关联这些技术资料的保存和更新都十分麻烦虽 然二维图形在 autocad 中有较方便的修改方法4但是由于是对表达图线的修改 2 而不是对设计概念的修改这种方法仍然是相当麻烦相当不可靠的5 而三维 c a d 系统对用户的知识和操作技巧要求较高掌握起来比较困难 如果有这么一种 c a d系统用它进行设计设计人员只需输入参数值系统就会 自动生成所有需要的装配图零件图以及其他设计文档则不仅设计人员无需绘图 而且系统操作起来非常方便还可以大大提高设计效率因此研究并开发出这样的 系统具有十分重要的意义 1把设计人员从费时费力的几何造型中解脱出来 利用本课题所要研究的 cad 系统进行设计设计人员只需简单地输入参数值而 不需要绘制任何图形所有绘图工作由计算机完成 2提高传统 cad 系统的设计能力 将知识推理技术引入到 cad 系统中增强了系统的知识处理能力有效地替代了 设计人员的部分工作这大大缩短了产品设计时间降低了设计人员的工作强度从 而提高了企业产品的竞争力 3探索了通用化的 cad 系统与专用 cad 系统的集成方法 通过几十年的发展通用 cad 技术日臻完善但通用 cad 系统没有针对性缺 乏对特定企业 或产品 专业设计能力 这需要基于通用 cad 系统来开发面向企业 或 产品的专用 cad 系统使专用 cad 系统具备较强的产品设计能力并有效地利用 了现存的通用 cad 技术本文讨论了如何将通用 cad 系统与专用 cad 系统有效集 成的方法通过此方法去开发专用 cad 系统能降低系统开发时间提高系统的稳定 性 4开发一种能快速开发出面向产品设计的智能 cad 的系统平台 采用了基于 windows 的组件复用技术进行模块化封装产品设计知识和出图操 作分别封装成一个模块推理引擎系统数据库底层绘图函数等公用部分也分别进 行模块化封装针对不同的产品设计只需进行产品设计知识模块和出图模块的开发 从而可以大大缩短 cad 系统的开发周期 1.2 cad 技术发展概况 20 世纪 70 年代后期以来 一个以计算机辅助设计技术为代表的新的技术改革浪潮 席卷了全世界它不仅促进了计算机本身性能的提高和更新换代而且几乎影响到全 部技术领域冲击着传统的工作模式以计算机辅助设计这种高技术为代表的先进技 3 术已经并将进一步给人类带来巨大的影响和利益计算机辅助设计技术的水平成了 衡量一个国家工业技术水平的重要标志6 计算机辅助设计 (computer aided designcad)是利用计算机强有力的计算功能 和高效率的图形处理能力辅助知识劳动者进行工程和产品的设计与分析以达到理 想的目的或取得创新成果的一种技术它是综合了计算机科学与工程设计方法的最新 发展而形成的一门新兴学科 按 cad 技术的功能特点划分cad 技术经历了曲面造型实体造型参数化造 型变量化(vgx, variational geometry extended)造型等四个阶段7 c a d 技术作为成熟的普及技术已在企业中广泛应用并已成为企业的现实生产力 围绕企业创新设计能力的提高和网络计算环境的普及 c a d 技术将围绕着标准化 开放 式集成化智能化网络化五个方面发展8 无论 c a d技术如何发展最终的目的仍然是提高产品设计效率降低产品开发成 本而设计结果仍然需要用二维工程图表达计算机辅助绘制二维图形常用的方法有 四种9 第一种是直接利用图形支撑软件提供的各种功能利用人机交互方式将图形一笔 一笔地画出来比较老式的 c a d系统都是采用这种方式主要缺点是速度慢绘图工 作量大 第二种是利用图形支撑软件提供的尺寸驱动方式进行绘图( 又称参数化绘图) 比 较先进的图形支撑软件都提供这种功能尺寸驱动一般是建立在变量几何原理上的 设计者可以采用h a n d f r e e 方式随手勾画出零件的拓扑结构然后再给拓扑结构添 加几何和尺寸约束系统会自动将拓扑结构按照给定的约束转换成零件的几何形状和 几何大小这种方式大大提高了绘图效率它也支持快速的概念设计 第三种是利用图形支撑软件提供的二次开发工具将一些常用的图素参数化并 将这些图素存在图库中绘图时根据需要从图库中按菜单调用有关图素并将之拼 装成有关的零件图形由于图素已经参数化可以方便地修改尺寸这种利用参数化 图素拼装成零件的绘图方法可以极大地提高绘图效率 第四种方法是采用三维造型系统完成零件的三维立体模型然后采用投影和剖切 方式由三维模型生成二维图形最后再对二维图形进行必要的修改和补充并标注尺寸 公差和其它技术要求目前比较先进的三维 c a d 系统都具有这种功能 1.3 当前 cad 平台存在的不足 4 根据不同的需求国内外的开发人员利用不同的二维图形生成方法开发出许多 cad 系统这些 cad 系统的一个共同特点是全都是具有图形输入界面的交互式系统 当用户用这样的 cad 系统进行设计时 需要利用系统的图形输入界面上提供的图元输 入接口绘制图形利用这种具有图形交互功能的 cad 系统设计人员可以按照自己的 绘图习惯把设计结果用图形的形式表达出来这样的系统适合于结构不定的产品的设 计可以满足不同的用户然而对于那些结构不变或者结构变化很小的产品的设计 用这样的系统绘制图形时会做许多重复性工作浪费大量时间 另外当前通用 cad 软件存在不少的问题和缺陷表现为软件功能侧重于对产 品结构的图形表达缺乏对产品设计过程中的决策工作的支持计算工作及数据查询 工作涉及较少事实上从具体的生产实际过程得出的结论是在产品设计的全生命周 期中从原理设计到结构设计这部分的工作量占到全部设计工作量的 70%以上因 此如果 cad 软件仅仅解决设计结果的图形表达是不够的1011 由于将 cad 软件的核心功能定位在产品结构的图形表达上这使 cad 技术发展 受到了限制许多 cad 应用单位也在考虑如何深化 cad 的应用进一步提升企业的 竞争力而 cad 厂商也在寻求新的支点以促进 cad 技术新一轮的发展在这种形势 下本文提出在现行的通用 cad 软件系统基础上开发的基于参数化设计的智能 cad 系统来提高 cad 系统的智能设计水平和图形自动生成能力从而提升企业综合科技 竞争力同时企业通过对 cad 技术的深化应用可建立企业级数据管理系统从而促 进了企业信息化工作的发展 1.4 本文的主要工作内容 本文的主要目的是研究基于参数化的智能设计技术提出一种可以实现按企业 需求快速开发的智能 cad 开发平台 解决目前国内许多中小型企业设计效率过低的问 题并以该平台为基础开发出一套面向管束设计的智能 cad 系统具体的工作内容 如下 1深入分析 cad 技术发展及应用现状以及国内机械制造企业发展现状提 出一种面向企业的智能 cad 系统开发平台根据企业需要应用该平台可以快速开发 出针对该企业某种产品设计的智能 cad 系统 2针对用通用 cad 系统进行设计时存在效率偏低的问题本文研究了基于全 参数化的智能设计技术该技术的主要思想是根据产品设计需要预先定义若干参数 用该系统设计时系统根据设计知识引导设计人员进入正确的参数输入页面设计人 5 员只需对应地输入参数值系统会自动生成所有所需的工程图以及设计文档整个设 计过程设计人员无需绘制任何图形 3封装若干公用绘图函数主要是在开目 cad 底层平台的基础上封装一些绘 图过程中用到的一些函数如尺寸标注块操作等函数 4针对管束智能 cad 系统的用户需求设计所需模板并按照分类结构关系 建立模板库模板是已经参数化了的图形包括工程图和图形块模板库的设计包括 两个方面模板文件名的定义图形绘制和结构尺寸的参数化 5根据管束设计知识完成知识库与推理机的开发由于各个企业设计知识的不 确定性并且许多设计知识逻辑性知识本系统采用知识库+推理机架构的知识推 理系统知识库由抽象了的产品设计知识组成包括两部分第一部分是说明性知识 这些知识有流程名流程控制函数名参数名参数计算函数名设计结果验证函数 名第二部分是规则性知识这些知识是长期积累的产品设计经验并分别封装为流 程控制函数参数计算函数设计结果验证函数推理机是根据说明性知识中的函数 名调用规则性知识中对应的函数实现的机构 6根据管束系统开发的需要完成管束设计图形生成系统的开发该系统负责 所有管束系统设计结果的输出 6 2 开发平台总体设计 2.1 引言 经过几十年的发展通用 cad 技术已较为成熟但通用 cad 软件不可能包罗各 行各业的设计知识因而表现出软件设计功能不强针对性弱的不足并且很多企 业的产品品种单一结构稳定用通用 cad 设计时设计人员不仅要频繁地查询企业 的设计手册和进行复杂的计算而且还要进行枯燥的有时不得不重复的绘图工作 浪费了大量时间 解决这个问题的有效方法之一就是把通用 cad 系统与企业设计知识 结合12让一些设计计算工作和所有的绘图工作由计算机完成基于参数化设计的智 能 cad 系统13 14可以实现这些功能 本章将结合基于参数化设计的智能 cad 系统对开发平台总体设计 系统主要部分 的介绍部分关键技术等多方面进行论述 2.2 平台设计要求及目标 基于参数化设计的智能 cad 系统开发平台是为了实现智能 cad 系统快速开发而 设计该平台的设计有以下几个要求 1开发该平台的目的之一是促进开目 cad 系统的销售这就需要利用该平台 开发的智能 cad 系统可以生成开目 cad 系统可识别格式的图形文件 2利用该平台开发的智能 cad 系统能够实现产品的智能设计即它可以引导 用户逐步输入设计结果可以根据产品设计知识实现设计参数之间的推导还可以对 设计结果进行校验 3利用基于该平台开发的智能 cad 系统进行设计时所有表示设计结果的图 形和其它文档全部由系统自动生成 4针对不同产品的设计利用该平台可以快速开发出能够实现特定产品智能设 计的 cad 系统开发时用户只需简单地在该平台中添加产品设计知识以及图形生成 代码即可而无需对平台作其它方面的修改 基于该平台开发的智能 cad 系统的最终设计目标是用该系统进行设计时产品 设计参数显示在界面的某一特定区域在该区域用户可以利用系统提供的参数输入 方法方便地输入参数值而且系统可以自动推导出参数的值和对设计结果进行验证 设计完成后输出图形以及所需文档时系统自动获取所输入的参数值绘制所有图形 7 和生成所需要的设计文档因此开发系统时需要把产品设计时所有需要输入数值 的结构尺寸或者其它变量定义为参数变量 然而并不是所有开发系统时定义的参数都需要在设计时输入设计数据需要输 入设计数据的只是对产品设计有用的参数如果把所有开发系统时定义的参数都显示 在界面中则会大大增加设计人员的工作强度为了方便设计人员使用系统开发系 统时只需把设计过程中需要输入设计数据的参数显示在界面中即可采用流程化设 计可以达到这一目的即把参数按照一定规律归入不同的设计流程设计时只有对 设计有用的设计流程才显示在界面中而且显示在界面中的设计流程下的参数都需要 设计人员输入设计数据设计流程的划分规则为设计同一零件或结构时同时需要用 户输入的参数放入相同设计流程中不同零件或结构划分在不同的设计流程中用系 统进行设计时系统可以根据已经输入的设计数据自动判断出当前设计流程的下一个 设计流程然后把该流程下的所有参数显示在界面中等待设计人员输入其设计数据 其中界面中显示的某一个参数称为一个设计数据项而同时显示在界面中的所 有参数的集合称为一个设计流程项 设计数据项总是依附于某个设据流程项设计数据项依据设计产品的产品结构树 被命名为产品结构树中的一个根节点其命名空间是整个设计过程如图 2 . 1 所示 零部件1 零部件1 _ 1 产品 零部件2 零部件3 零部件3 _ 1 零部件3 _ 1 _ 1 零部件3 _ 2 零部件3 _ 2 _ 1 零部件4 设计数据项 设计流程栈 设计流程1 设计流程2 设计流程3 设计流程4 设计流程5 图 2.1 设计数据项设计流程项和产品结构树的关系 设计流程项是设计数据项的父节点设计流程项间有推导关系并列关系和选择 关系的逻辑关系设计流程项间推导关系用树的节点的先后次序表示并列关系和选 择关系用树的节点分枝表示 容许通过设计数据项激活其所在的设计流程项更新设计即通过鼠标选择产品 结构树中的某一个设计数据项就可以激活该设计数据项所在的设计流程查看到该设 8 计流程下的所有设计数据项并能对设计数据进行修改当修改了某一个参数的值之 后欲进入下一个设计流程时表示该参数所在设计流程项以下的所有设计流程项以 及这些流程项中的所有设计数据项的节点都会从产品结构树中消失其原因是前面的 设计条件已经改变然后系统才会通过输入条件再次判断出下一个设计流程并在 产品结构树的对应位置生成相应的树结构 2.3 平台外部组织结构描述 为了缩短平台开发周期 同时也为了使利用该平台开发的智能 cad 系统能够生成 开目 cad 系统可以识别的图形文件(*.kmg) 15该平台在开目 cad 平台上进行二次开 发16 17它与开目 cad 平台的结构关系如图 2 . 2 所示该系统除了利用开目 cad 平 台的基本图形操作接口外还借用了它的打印中心进行图形的批量打印通过转换中 心把其它类型的文件转换为系统可以识别的格式的文件 绘图中心 接口 打印中心 接口接口 开目c a d 平台 智能c a d 系统 开目c a d 平台 智能c a d 系统 转换中心 图 2.2 基于参数化设计的智能 cad 系统与通用平台的调用关系图 2.4 平台总体结构 本平台主要由程序框架模块知识库数据库界面绘图程序系统引擎等等 部分组成各部分之间的关系如图 2 . 3 所示该平台采用了星型架构进行构建其中 数据库模块绘图模块界面模块知识库模块互相间完全独立系统引擎模块则依 赖于上述四个模块程序框架模块又依赖于系统引擎模块通过系统引擎将界面要素 句柄传递给界面模块该平台提供了三个开发接口在平台上开发智能 cad 系统时 只需通过这三个接口在平台中加入相应的内容就可以开发出所需的智能 cad 系统 通过知识库系统开发接口可以把产品设计知识按照知识库要求的格式添加到知识库 中通过两个图形生成开发接口进行绘制图形程序的开发模板文件库提供生成图形 9 时用到的定义了参数变量的模板文件而参数预览及说明文件库则提供参数预览需要 的图形文件以及保存有参数解释说明文字的文件 基于该平台的智能 cad 系统用于特定产品的设计 它能自动引导设计人员输入设 计数据并依据设计数据生成所有图册和其它设计文档当系统运行时首先程序 框架模块运行程序框架模块再启动系统引擎然后系统引擎启动设计数据操作模块 和界面生成与操作模块设计数据操作模块把设计数据文档读入到数据库中界面生 成与操作模块通过系统引擎把数据库中的设计数据显示在界面中当用系统进行设计 时系统可以自动调用系统引擎启动知识库系统进行推理实现智能设计当设计完 成后系统通过图形与设计文档生成模块把设计结果转化为信息完备的二维工程图和 其它设计文档 推理机 宏语言集 系统 引擎 程序绘图基本操作模块 图形与设计文 档生成 基于模板 出图 模板文件库 块符号文件库 通用c a d 底 层模块 界面生成与操 作模块 设计数据 文档 设计结果 文档 设计数据 操作模块 图形生成 开发接口 图形生成 开发接口 界面 知识库 开发接口 基于参数化设计的智能c a d 开发平台 数据库 参数预览及 说明文件库 程序框架 模块 知识库 知识库系统 图 2.3 基于参数化设计的智能 cad 系统开发平台结构图 下面分别介绍几个主要模块的用途 1系统引擎 10 系统引擎是知识库数据库界面绘图程序之间通信的桥梁系统通过它来协 调各个部分之间的运行 2界面生成与操作模块 该模块主要负责生成和操作界面 3知识推理模块 知识推理模块由知识库推理机和宏语言集三个部分组成负责流程控制设 计数据的计算和设计结果的校验 4设计数据操作模块 该模块的主要功能是把设计过程数据保存在数据库中以及对设计数据的读取修 改查找 5图形与设计文档生成模块 该模块主要负责图形以及其它设计文档的生成 6基本操作模块 基本操作模块提供了图形与设计文档生成过程中需要的基本操作函数这些函数 是在通用 cad 底层模块的基础上作的进一步封装 2.5 主要部件 2.5.1 知识库 在知识工程中知识库被阐述为为满足求解问题的需要按照一定的知识表示 方式在计算机系统中组织存储和使用的互相联系的知识集合它作为专家系统的有 机组成部分与具体的专家领域有关存储与该领域有关的规则和事实并与推理机相 辅相成使系统表现智能 18 知识库是智能 cad 系统与一般 cad 系统在构成上 的最主要区别 是智能与非智能的分水岭 它是数据库在知识处理领域的拓广与衍生19 20 在智能 cad 中知识库是实现产品智能设计的核心部分其知识是高度结构化的 符号数据在本系统中知识库中的知识是抽象化的产品设计知识它们由系统开发/ 维护人员录入并按一定格式保存在知识库中 2.5.2 数据库 数据库保存着所有设计数据包括设计过程数据和最后的设计结果数据其中设 计数据由系统引擎生成它也是设计过程中获取数据实现智能设计和图形生成时提取 11 设计数据绘制图形的数据仓库 2.5.3 系统界面 界面是人机交互的地方是设计人员输入设计数据的场所根据基于参数化设计 的智能 cad 系统的特点以及需要界面应该包括以下 4 个主要的区域设计参数结构 树区设计参数输入区参数说明示意图区参数解释区如图 2 . 4 所示 专家系统 状态栏提示信息 专家系统 管束 固定管箱 管束系统 管箱尺寸参数页面 管箱板件参数页面 浮动管箱 侧梁 总装图 零件 k m g 图纸 管箱辅助板件尺寸参数页面 页面显示区 参数解释区 产 品 结 构 树 区 查看编辑 设计进度 出图 参数说明示 意图区 图 2.4 系统界面示意图 设计参数结构树区在该区域以树的结构展示设计流程以及每个设计流程中的 参数 设计参数输入区即图 2 . 4中的页面显示区动态地列出当前页面中所有需要输 入的参数当选中设计参数结构数区中的某一个设计流程项中的一个设计数据项时 该区域显示选中该流程中所有参数等待输入当选中某一个参数时用户可以对该参 数进行修改 参数说明示意图区当选中某一个参数时该区域中会显示参数说明示意图 参数解释区该区域用文字的形式具体的解释参数的意义 通过参数示意图区和参数解释区就可以把参数的详细信息展现给用户 2.5.4 绘图程序 12 绘图程序由两部分组成 一部分是一组基本绘图 api 函数集合 是对通用 cad 平 台的底层函数进行的再一次封装的函数集和根据需要编写的一些基本绘图函数21 22 23 它大致实现以下功能 读取和存储图形文件 计算函数 在图形文件中定位添加删除修改和遍历实体 在图形文件中定位添加删除修改和遍历坐标系统 多图形文件的合并和布局 对图形文件进行无界面驱动 有些 api 函数集合需要借助辅助文件实现图形文件大致有以下辅助文件 实体 id 和自定义名称的映射表文件 坐标系统的内容及其和自定义名称的映射表文件 实体类型和样式的映射表文件 另一部分是调用基本绘图 api 函数进行最后的绘图操作函数集合包括绘制结构 变化很大的装配图和对已经参数化的图形进行少量修改生成设计后的图形的函数 2.6 部分关键技术 2.6.1 参数说明示意与参数解释 针对一个产品开发一套基于参数化设计的智能 cad 系统往往需要定义成千上百 个参数产品设计人员不可能熟知每一个参数的具体信息用参数示意和文字表达的 形式说明参数是解决解决这一问题的有效方法 图 2.5 参数说明示意图 13 参数说明示意采用形象化的图片表示当前设计参数的含义例如工程图中该参 数对应尺寸的位置当前设计参数是指设计参数输入区中当前被选中的参数示意图 是用一定格式保存的文件如图 2 . 5 所示是参数下弯板高度的说明示意图 该功能的实现方法为当选中某一个参数时读取对应的参数说明示意图显示在 参数说明示意图区参数说明示意图是按一定的规范保存的图形为了系统开发的方 便该规范应与参数在知识库中的名称有一定的关系比如管束系统_侧梁_下弯板 参数页面设计流程中的侧梁_下弯板高度设计参数对应的示意图为侧梁下弯板 参数页面下弯板高度.kmg 参数解释采用公式推导或者文字详细的解释说明当前设计参数的含义及其在系 统中的作用并以一定的格式保存在特定文件中如 658 /管丝板盖板端剖口宽度 e 计算公式 1) 低压管丝板盖板端剖口宽度 e盖板厚度 2) 高压 a.当管板(丝堵板)模板为模板 1 时 管丝板盖板端剖口宽度 e盖板厚度0.8 b.当管板(丝堵板)模板为模板 2 时 管丝板盖板端剖口宽度 e盖板厚度8 3) 不锈钢管丝板盖板端剖口宽度 e盖板厚度 658 其中658658为顺序号与参数在知识库中的顺序一致/对解 释内容的说明没有实际意义并不显示在参数解释说明区域内其余部分是解释说 明的实际内容 当选中某一参数时系统会读取对应的参数解释实际内容显示在参数解释区 2.6.2 设计数据的存放与提取 当用基于平台开发的系统进行设计时如果按照设计流程逐步输入设计数据直到 设计完成所有设计流程项和设计数据项都能在产品结构树中找到对应节点然而 设计并不会一直一帆风顺在有的设计中会出现已完成的设计不能满足设计要求的 情况需要修改已设计过的设计数据项的值而且有的修改会导致设计流程发生变 14 化以前经历过的设计流程将不会再出现因此最后的设计结果数据是所有输入参 数值的数据(称为设计过程数据)的子集 即设计过程数据设计结果数据其它设计数 据为了保存这种系统的设计数据需要分配两个链表24 25一个用于存放设计过程 数据称为过程数据链表另外一个用于存放设计结果数据称为结果数据链表过 程数据链表存放所有设计过程中出现的设计流程和设计参数信息其中参数值是其最 终值而结果数据链表存放产品结构树上显示的设计流程和设计参数信息设计完成 后结果数据链表中存放的数据是最终有效的设计流程和设计参数信息 然而输入完设计数据不是设计的结束最终的设计结果是用于生成直观的工程 图工程图生成时计算机调用设计结果绘制图形标注尺寸填写标题栏零部件 编号并生成明细表等生成具有完成信息的工程图对于智能 cad 系统设计数据不 仅仅用于工程图生成还需要用于实现系统的智能化设计功能即可以根据已有的设 计数据推断出设计流程推导出其它设计参数的值或者验证设计数据的有效性生成 工程图和智能化设计功能的实现首先需要获得参数的设计值参数值的设计值可以从 结果数据链表中提取具体实现步骤为首先通过参数名在链表中找到对应的参数数 据结构然后从参数数据结构中获得参数值 下面是查找参数名为总图_管箱高度的参数并提取其值的实现过程 cstring str = _t(总图_管箱高度); /查找参数名为总图_管箱高度的参数 bresultok = m_pdbmgr-findparameter(str, pparam); /如果找到了就提取参数值 if (!bresultok) return ; dvar152 = pparam-getresult().dblval; 2.6.3 知识推理技术 所谓推理是指从已有的知识推导出蕴涵着的未知知识或发现新的知识知识推理 技术是如何从给定的前提或假设推导出某种理论或在要求达到某种结论的情况下 去寻找什么样的前提才能导致给定的结论26知识推理是专家系统的核心任务之一 是设计实用专家系统的关键技术 知识推理技术多种多样有演绎和归纳单调和非单调确定的和不确定的等 其中对于确定的知识处理和演绎推理是基于知识推理的核心内容27 推理的方向有正向和逆向两种对于不同的推理方向往往有不同的控制策略 而在专家系统中我们要寻求的是那些功能强且能描述和解决一大类有用问题的通 15 在专家系统中我们要寻求的是那些功能强且能描述和解决一大类有用问题的通用 方法目前有关确定性的以演绎推理为基础的有效推理技术主要包括归结反演技 术规则演绎技术启发式技术和黑板技术等对于不确定的知识处理目前已经提 出了许多新方法这些方法大致可分为两大类一类是采用基于概率论和模糊集合论 的数值方法另一类是采用非数值的符号方法28 29 本文中研究的系统应用的知识是特定产品的设计知识由设计参数之间的逻辑关 系设计参数的取值范围等组成是确定的因此可以在知识库系统中使用规则演 绎技术应用这些知识从而使系统具有智能设计功能 2.6.4 基于参数化的图形生成技术 参数化设计是当前 cad 设计过程中常常采用的技术其过程是首先用具有参数 化设计功能的 cad 系统绘制出图形原型 并将已知条件及其他的随着产品规格而变化 的基本参数用相应的变量代替然后根据这些已知条件和基本参数由计算机自动查 询图形数据库或由相应的软件计算出绘图所需的全部数据由专门的绘图生成软件 在屏幕上自动地设计出图形来这种方法大大提高了绘制图形的效率然而它只适 合于拓扑结构不变的图形的生成而对于拓扑结构有变化的图形这种方法不能得到 满意的结果 而且 对于复杂结构的图形生成 这种方法也不能正确地生成所需图形30 31 用本文所要论述系统设计时图形生成完全由系统完成用户不需要绘制任何图 形只需按照设计步骤输入设计数据当设计完成后系统一次性生成所有图形这 些图形由系统的图形生成系统绘制完成并输出采用的技术是基于参数化的图形生成 技术即结构不变的图形通过修改某些尺寸标注被参数化了的模板图形生成而结构 变化的图形由程序调用输入的参数值绘制而成 2.7 本章小结 本章研究了基于参数化设计的智能cad技术 并应用该技术设计了一个智能cad 开发平台利用该平台可以快速开发出针对不同产品设计的智能 cad 系统 基于参数化设计的智能 cad 开发平台是基于通用 cad 平台二次开发的程序该 平台主要由程序框架模块系统引擎系统界面知识库模块数据库模块绘图模 块等五个组成其中数据库模块绘图模块界面模块知识库模块互相间完全独 立系统引擎模块则依赖上诉四个模块程序框架模块又依赖系统引擎模块通过系 16 统引擎将界面要素句柄传递给界面模块 知识库模块和图形生成模块是基于参数化设计的智能 cad 系统开发的重点 知识 库模块负责智能 cad 系统的智能化设计主要采用知识推理技术而图形生成模块负 责所有工程图的生成主要采用参数化的图形生成技术在平台的知识库模块和绘图 模块中分别提供了接口用于针对不同产品设计的智能 cad 系统的开发 为了方便用户使用系统设计产品该系统中还提供了参数说明示意和参数解释两 大功能使得用户可以更全面地了解参数信息 17 3 知识库系统模块设计 3.1 引言 传统 cad 系统由于缺乏设计工程师所具有的推理和决策能力 已经不能满足设计 过程自动化的要求而智能 cad 系统既具有传统 cad 系统的数值计算和图形处理能 力又有知识处理能力能够对设计的全过程提供智能化的计算机支持32 智能 cad 系统把机械设计知识和产品设计知识引入知识库系统 并应用这些知识 实现设计智能化33一个高效的知识库系统能够提高智能 cad 系统的性能 从而减少 设计人员的工作强度缩短产品设计周期而一个结构合理的知识库系统则可以缩短 系统开发周期方便知识库系统的维护因此知识库系统的设计非常重要 本章将从知识库系统设计目标和设计要求出发论述知识库系统的设计包括知 识库数据结构的定义知识库中知识的表示和推理机的设计 3.2 知识库系统设计目标 基于知识的智能化设计是一项将知识工程原理和计算机辅助设计理论相结合的综 合性技术它不仅能用实物的几何特征参数控制产品模型而且能将设计人员在设计 过中采用的设计思想准则原理等以显性的知识表达出来比传统产品建模技术更 能体现产品特征更适应现代设计的发展需要它的主要特点有34 1基于产品本身和整个设计过程的信息建立产品的工程模型 2用产品设计分析和制造的工程准则以及几何非几何信息等构成产品设计 知识联合驱动产品工程模型以知识为驱动力 3根据主动获取和集成的设计知识等自动修改模型提高设计对象的自适应能 力 4将产品和设计过程的设计经验规范思想等多领域和多种描述形式的设计 知识采用显性表达并储入知识库中成为显性知识以便再用基于知识的智能化设 计就是通过设计知识的获取组织表达集成和使用实现设计自动化 本系统基于知识的智能化设计主要体现在以下几个方面 1系统具有专家的设计能力利用该系统设计产品时系统能根据需求自动得 出设计数据还可以根据已输入的设计数据推导其它与之相关的设计数据而不用查 找产品设计手册 18 2系统可以控制设计流程系统能根据已经输入的设计数据自动判断当前设计 流程的下一个设计流程 3系统能自动验证设计结果的合理性设计是一个反复的过程通常情况下 设计结果不可能一次性满足设计要求传统设计都是在设计完成之后再对设计结果 进行检验如果设计结果不满足设计要求则需要对设计结果进行修改直到满足设 计要求而本系统能自动验证设计结果即完成当前流程后欲进入下一个流程进行 设计系统首先验证当前流程中所有参数的值是否符合设计要求只要存在一个参数 的值不满足设计要求系统就不会进入下一个流程而是提示用户修改不满足设计要 求的参数设计值直到该流程下所有参数的值都符合设计要求为止 以上三大功能可以大大提高系统设计能力降低设计人员工作强度缩短产品开 发周期为了实现这三大功能需要设计出结构合理的知识库系统 3.3 知识库系统设计要求 知识库系统设计平台的主要功能是创建某领域的专家知识库因此在创建知识库 系统设计平台之前应了解知识库系统的要求其要求及标准如下35 36 37 1要与工程设计的特点紧密结合能根据不同工程的设计特点准确地表达 储存及维护特定领域的各种知识 2知识库的组织应保证今后知识库与推理机的相互独立性使知识库内容的变 动不会引起知识处理机制的改变另外知识的组织要方便所选择的推理策略的实施 3知识库要具备良好的可扩展性 由于知识规则是一种符号性知识使用符号性知识的方式即为推理推理也是人 类进行问题求解的主要思维方法而一般的智能系统的推理工作是通过推理机来完成 的推理机的基本任务是在一定的控制策略指导下搜索知识库中可用的知识与数 据库匹配产生或论证新的事实38 概括起来推理机要完成两大任务即搜索与匹配对于一个性能良好的推理机 其基本要求如下 1高效率搜索和匹配机制 能在知识的引导下高效率地搜索和匹配能很快的处理各种知识和事实并能快 速地推理并得到问题的答案 2可控制性 系统的推理过程应该是可以控制的采用过程控制可以提高求解效率但应尽可 19 能避免过程化记忆因为这种方式不能灵活的处理知识 3可观测性(过程及状态的透明性) 推理的思想应易于为人们所理解知识的推理过程对用户而言应该是透明的这 样用户才能信赖推理的结论 3.4 知识库系统模块总体结构设计 根据知识库系统的设计要求知识库系统以知识库推理机的架构进行构建 其中知识库是按照一定格式保存产品设计知识的文件这些知识包括产品说明知识 和产品设计经验知识推理机是应用这些知识进行推理的机构知识库系统启动时 知识库文件被编译执行知识库中的知识通过系统引擎读入到内存数据库中推理时 系统引擎首先通过内存数据库中的知识在知识库中找到对应的规则性知识并送入推理 机中然后推理机运用这些知识进行推理根据这一设计思想知识库系统如图 3 . 1 所示架构进行设计开发 推理机宏语言集 接口 其它模块 推理 引擎 数据库 知识库 图 3.1 知识库系统结构图 图 3 . 1 中的宏语言集中定义了若干条宏这些宏可以应用于知识库中知识的表示 从而简化知识库的建构 3.5 知识库数据结构 应用该知识库系统的智能系统应具有 3 . 2 节中提到的系统所要实现的三大功能 这三大功能需要分别用三类逻辑推理规则来实现因此知识库中需要包括三类逻辑 推理规则知识实现的方式是针对每一个参数分别封装两个推理函数一个实现参 20 数值自动计算另一个实现参数设计结果的自动验证同时为每一个设计流程封装一 个推导下一个设计流程的流程控制函数为了使系统能够调用这些函数进行推理知 识库需要包括与每一个函数对应的函数名因此知识库中一个知识条目包括设计 流程名流程控制函数名和设计流程中的所有参数知识而一条参数知识又包括参数 名参数类型参数值参数值计算函数名设计结果验证函数名参数类别和参数 解释说明序列顺序号其中设计流程名标识知识条目便于知识条目的搜索流程 控制函数名所对应的函数能够推导出当前设计流程的下一个设计流程参数名标识参 数参数类型的定义是为了让用户正确输入参数值参数值是参数的数据在知识库 中其值通常为空参数值计算函数名对应的实现函数的作用是由当前已经输入的 参数的值计算出该参数的值根据是否需要用户设计输入参数值参数分为设计参数 和间接参数其中设计参数需要用户设计输入而间接参数不用用户输入它只是 直接计算设计参数或者方便其它推导计算的过渡型参数参数解释说明序列顺序号是 解释该参数的解释说明在参数解释说明序列中的顺序号通过该顺序号系统可以快 速找到对应的参数解释说明 因此知识库的知识可以用图 3 . 2 中的数据结构表示 设计流程项知 识数组 设计流程名 设计参数项知 识数组 流程控制函数 名 参数值 参数值计算函 数名 参数设计结果 验证函数名 参数解释说明 序列顺序号 参数类别 设计知识数据 设计数据知识 设计参数知识 参数名称 参数类型