（航空宇航制造工程专业论文）基于知识的cad技术及其在航空管件设计中的应用.pdf

南京航窝航天大学硕士学伉论文 一m _ m ”m 一一 摘要 在磋鼗产鑫设诗懿识帮逶矮c a d 系统融台豹基獭上，磷变嚣袭蕊两行渣黎 典溅产品的c a d 系统，从而实现设计知识的莛用，是企业缩短产品开发周期、 提离技术饿凝缝力鹃蓬醚。 根据设计知识的几何相茨性+ 将对产品设计知识的处避分为几何相关知识 熬熊瑾窝凡鹰无关翔谖瓣凳瑾嚣邦分；死鼹糕关辩识浆楚理露据：缡写工程溪 则，建立工程规则与产品几何模型的联系，从而实现产品几何模型的知识驱动； 逶媳不嚣类翟蘑户藏定义特程茨谖添，不莰霹疆实璃产要翳参数纯设诗，逐可 以实现产晶的变结构设计；通过数据库连接和与e x c e l 表格的交互，实现不同 存继方式熟谖蕊重鼹。+ 晁簿无关辩谈懿楚遵袋曩寰藏产品臻惫攘壁滋愚葱，藏 予产品各种具有工糨意义的非几何知识，以满足产晶设计箨阶段对几何无关知 浚静需求。 基于上述方法，围绕豳家型号工程，往u g 平台上开发了基于知识的航空 罄符设嚣系统。蘧避u g x 擎语言缡写蓊王程簌刘，实现了靛空警 牛摸望备尼 何参数的知识驱动以及法兰类型的蹙结构设计：同时，通过几何无关知识的处 褒，实褒了掭嚣是谨寒熬囊动提取。该系统邑莲或飞公暑l 应露，取褥了襄持簿 效粜。一 ” 关链谗：计冀撬辖助设诗，姬谈王稷，参数倦，耀户鑫定义特征，靛空警譬# 垦! 型望塑! 垒里壁查墨苎鱼堕皇萱! ! 垦生! 堕堕塑 a b s t r a c t b a s e do nt h er e s e a r c ho ft h ef u s i o no fp r o d u c td e s i g nk n o w l e d g ea n dc a d p a c k a g e ，ak n o w l e d g e b a s e dc a dp a c k a g e ，o r i e n t i n gt r a d ea n dt y p i c a lp r o d u c t ，i s d e v e l o p e dt o r e a l i z et h er e u s eo fd e s i g nk n o w l e d g e ，i ti st h ef o u n d a t i o nf o r c o r p o r a t i o n s t os h o r t e nt h e d e v e l o p m e n tp e r i o d o fp r o d u c ta n d i m p r o v e t h e c a p a b i l i t yf o rt e c h n o l o g yi r m o v m i o n a c c o r d i n g t ot h eg e o m e t r y a s s o c i a t i v i t yo f d e s i g nk n o w l e d g e ，t h ek n o w l e d g e m a n a g e m e n t o f p r o d u c td e s i g n s i sd i v i d e di n t o m a n a g e m e n t o ft h e g e o m e t r y r e l m i v ek n o w l e d g e a n d m a n a g e m e n t o ft h e g e o m e t r y i r r e l a t i v e k n o w l e d g e t h em a n a g e m e n t o f g e o m e t r y - r e l a t i v ek n o w l e d g ei n c l u d e s ：g e o m e t r i c a l m o d e lc a r lb ed r i v e nb y k n o w l e d g e ，t h r o u g hb u i l d i n ge n g i n e e r i n gr u l e sa n dr e l a t i n g t h e mt op r o d u c tg e o m e t r i c a l m o d e l ；p r o d u c t n o to n l yc a r lb ed e s i g n e db y p a r a m e t e r , b u ta l s oc a r lb ed e s i g n e db ys t r u c t u r et h r o u g ht h et r a n s f e ro f d i f f e r e n tu s e r - d e f i n e d f e a t u r e s ；d i f f e r e n tk i n d so fk n o w l e d g ec a nb er e u s e dt h r o u g hc o n n e c t i n gw i t hd a t a l i b r a r ya n de x c e ls h e e t s t h em a n a g e m e n to ft h eg e o m e t r y i r r e l a t i v ek n o w l e d g e a d o p t s t h e c o n c e p t i o n o f p r o d u c t i n f o r m a t i o n m o d e l ，a n d a l lk i n d so f g e o m e t r y i r r e l a t i v ek n o w l e d g ea r es u p p l i e dt om e e tt h ed e m a n df o rk n o w l e d g ei n e v e r yp h a s eo f p r o d u c td e s i g n o nt h eb a s i so fa b o v ew a y , ak n o w l e d g e b a s e dd e s i g np a c k a g ef o ra e r o n a u t i c t u b ei sd e v e l o p e do nt h eu g p l a t f o r m t h r o u g ht h ee n g i n e e r i n gr u l e sc o m p i l e db y u g k fl a n g u a g e ，t h ep a r a m e t e r so fa e r o n a u t i ct u b ec a l lb ed r i v e nb y k n o w l e d g e , a n dt h ef l a n g ec a nb ed e s i g nb ys t r u c t u r e a tt h es a m e t i m e ，t h ei n f o r m a t i o nf o rt i t l e b l o c kw i l lb ef i l l e di na u t o m a t i c a l l yt h r o u g ht h e m a n a g e m e n t o f g e o m e t r y i r r e l a t i v e k n o w l e d g e t h i sp a c k a g eh a sb e e na p p l i e da n du s e dw e l li nt h e c h e n g f e i c o r p o r a t i o n k e y w o r d s ： c o m p u t e r - a i d e dd e s i g n ， k n o w l e d g e b a s e de n g i n e e r i n g ， p a r a m e t m i z a t i o n ，u s e r - d e f i n e df e a t u r e ，a e r o n a u t i ct u b e 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：堕垫 日期： 趔：i 南京航空航大人学硕十学倪论文 注释表 c a d ：c o m p u t e r - a i d e dd e s i g n ，计算机辅助设计 k b e ：k n o w l e d g e b a s e de n g i n e e r i n g ，知识工程 k f ：k n o w l e d g ef u s i o n ，知识熔接 u d f ：u s e r - d e f i n e df e a t u r e ，用户自定义特征 u c d c s ：u gc h i n ad a t ac r e a t i o ns t a n d a r d ，u g 中国数据创建标准 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 计算机辅助设计( c o m p u t e r - a i d e dd e s i g n ，c a d ) 是一种利用计算机硬、 软件系统辅助人们对产品或工程进行设计的方法和技术，包括三维实体造型设 计、二维绘图技术、工程分析与文档制作等内容，是一项集计算机图形学、数 据库、网络通讯等计算机技术和相关应用领域知识于一体的高新技术；是先进 制造技术重要的组成部分；也是提高产品设计水平、缩短设计周期、增强企业 及其产品在市场上的竞争力的一项关键技术。c a d 技术的发展与应用水平业已 成为衡量一个国家工业现代化水平的重要标志之一。 1 1c a d 技术的发展概述 源于2 0 世纪5 0 年代后期的c a d 技术经过几十年的发展，已日趋成熟， 并广泛应用于机械、电子、汽车、航空等各个领域。从产品开发的角度来看， c a d 技术在工程设计中主要经历了基于图纸、基于特征、基于过程以及基于知 识四个发展阶段。 基于图纸阶段：在这个阶段，c a d 仅仅被诠释为计算机辅助制图，主要以 二维c a d 系统为主，设计人员借助c a d 系统来摆脱繁琐、费时、低精度的手 工绘图方式。但是，二维c a d 系统，包括随后出现的三维线框c a d 系统都是 将工程图纸看成是“点、线、圆、弧、文本”等几何元素的集合，不能有效的 表示几何数据间的拓扑关系，捕捉产品设计意图。 基于特征阶段：基于特征的造型是着眼于更好地表达产品完整的功能和生 产管理信息，使得产品的设计工作在更高的层次上进行，使c a d 系统摆脱了 基于几何拓扑的低层次交互设计方法。在产品设计中，特征的直接引用体现了 设计意图，使产品模型更容易被理解和组织生产。 基于过程阶段：c a d 系统为设计人员提供设计过程的向导、实现步骤的逻 辑顺序以及其它相关的设计信息。它融合了工程设计的实践经验、相关标准和 实施准则，引导设计人员按步骤完成预定的某类产品的设计。这样实际上近似 程序化的设计方法，在提倡创造性设计的今天，存在着很大的局限性。 基于知识阶段：这是目前正在经历的阶段。基于知识的c a d 将产品设计 蔓王塑望塑! 垒里垫查垦苎垄塾窒笪壁垦! 主塑壁旦 一 延伸到其全生命周期的各个阶段，对各领域设计经验、专家知识以及产品配置 知识等加以理解、描述，生成相应的工程规则。在基于知识的c a d 系统中， 知识是几何模型生成等的驱动力。并行化、智能化、网络化等是c a d 技术的 发展趋势，而基于知识的c a d 系统正是其必然的实现途径。 1 2 基于知识的c a d 技术研究的意义和现状 1 2 1 研究意义 目前，参数化、特征造型等技术在c a d 系统中的大量应用，大大地提高 了产品的设计效率和水平、缩短了新产品的开发周期，但是它们也有许多固有 的局限性，如参数化往往是在保证产品图形模型拓扑关系不变的情况下，对产 品模型的几何尺寸进行参数化控制；参数化对象局限于几何参数，如材料、强 度、重量、载荷、力等具有工程意义的设计参数不能直接参与驱动，给工程实 际应用中带来很大的局限性。特征造型技术提供的产品信息不完备，难以满足 后续设计环节对信息的要求。随着c a d 技术应用的不断深入，这些主要从描 述零件几何特征出发的设计方法，己难以满足工业界进一步提高产品设计效率 和封装专业知识的要求，具体体现在以下几个方面： ( 1 ) 随着c a d 技术不断研究和广泛应用，产品设计己远远超出单纯几何造 型的范畴，已延伸到了产品全生命周期的各个环节【2 1 ( 从概念设计、结构设计、 详细设计到工艺设计、数控编程等) ，但现阶段传统c a d 设计的产品中往往只 有描述几何特征的数据，缺乏描述产品的结构化信息，如管理信息、材料信息、 表面处理信息以及工艺信息等，这种信息的不完备性不符合产品集成化设计制 造的要求，已难以满足产品设计的各个阶段对信息的需求，如实现标题栏信息 的自动提取和明细表的自动输出等。 ( 2 ) 产品设计是一种复杂的、富于创造性的活动，需要大量的领域专业知识、 丰富的实践经验，而以几何建模为主的c a d 系统无法将领域专业设计原理和 知识、同类设计以及专家经验等融入到几何模型中去，因此无法实现知识型资 源的重用，使得设计者需要进行大量的重复性设计工作，降低了产品的设计效 率，同时也影响了产品的创新性设计。 ( 3 ) 在生产实际中零件信息( 包括几何信息和非几何信息) 往往都是有一定 的标准可依的，这使得设计人员要查找大量的设计手册和企业标准，使设计效 南京航空航天大学硕士学位论文 率大为降低，因此需要构建一个知识库来实现零件信息的自动赋予；此外随着 c a d 技术的发展和市场对产品要求的日益提高，许多新的c a d 技术不断出现， 如并行工程、基于网络的c a d 技术等，迫切需要建立能绘其提供支持的知识 库以实现数据共享。 为了解决上述问题，弥补当前传统c a d 技术存在的一些不足，将知识工 程的概念融入到c a d 技术中1 3 一】，构建基于知识的c a d 系统，结合特征造型理 论和工程数据库技术，实现几何模型的知识驱动和变结构设计；同时，产品除 了记录描述零件的几何数据外，还需赋予各种具有工程意义的属性知识，以满 足产品设计的各阶段对零件信息的需求。 1 2 2 国内外研究现状 基于知识的c a d 技术的研究多是和知识工程( k n o w l e d g e b a s e d e n g i n e e r i n g ，k b e ) 的研究是结合在一起的。知识工程在c a d 系统中的应用最 早由美国人于1 9 9 8 年提出的 5 】，e d s 公司对知识工程进行了研究和开发，并在 u g l 7 0 版本中推出了u g k n o w l e d g ef u s i o n 知识工程应用模块。目前，国外许 多著名的大学和跨国公司都成立了专门的k b e 研发部门，开展k b e 方面的研 究。k b e 已有很多成功的应用实例，如英国航空公司( b r i t i s h a e r o s p a c e ，b a e ) 就使用k b e 应用开发工具i c a d 来设计机翼，如果使用传统的c a d 软件进行 设计，a 3 4 0 6 0 0 的所有翼脚设计将耗费整整一年( 一个工作人员) 的时间：而 如果利用i c a d 的话，即使其他条件都相同，却只需要l o 个小时! j a g u a r c a r s 应用了k b e 技术，原来2 个月的设计任务只要2 个小时就完成了。 国内也对这方面进行了研究，徐啸峰等f 6 】从c a d 设计人员的角度出发，提 出了一个符合设计人员思维习惯，便于软件开发实现的知识体系结构；钟佩思 等 7 1 论述了设计子目标与子知识库间的联系，构建了基于元知识控制的分层框 架引导的层次化知识表示与知识库模型，提出了基于概念与或树模型的智能化 多级领域知识获取策略。在工程应用也进行了一些尝试，如彭岳华等【8 】运用知 识工程理论构建了变速箱设计专家系统，考虑了弯曲疲劳强度、接触疲劳强度 等工程因素对齿轮设计的影响，实现齿轮的优化设计；陈靖芯等 9 j 通过对c a t i a 知识工程顾问模块的开发，结合系列化模具设计实例，探讨了实现智能化设计 的基本方法和一般步骤：王斌等【1 0 】以轿车车门为对象，利用u g k f 语言编写 工程规则调用铰链u d f ，实现了轿车车门的快速设计。 基于知识的c a d 技术及其在航空管件设计中的应用 1 3 项目来源和研究内容 i 3 1 项目来源 本课题来源于与成都飞机工业( 集团) 有限责任公司合作的“基于知识的 型号工程专用机床夹具c a d 系统的研究与开发”项目。长期以来，该公司的产 品设计依赖设计人员的个人设计水平，设计周期长，规范性差，设计人员的任 务重，效率低；此外，由于有经验的设计人员工作岗位变化或离退体，而年轻 的设计人员又不能迅速的继承和发扬他们宝贵的经验知识，造成设计质量的不 稳定。而且产品设计已延伸到产品全生命周期的各个阶段，零件除了记录几何 特征的数据外，还应记录面向工程绘图、制造，质保等阶段的非几何信息，以 满足各阶段对零件信息的需求。依靠手工来实现零件信息的赋予，影响了产品 设计的质量和效率。基于知识的航空管件设计系统的开发就是在这样的背景下 开展的。 基于知识的型号工程专用机床夹具c a d 系统是依托于u g 和c a t i a 大型c a d 软件平台，由实用工具集来实现它的专用设计的目标，本文的基于知识的航空 管件设计系统是知识驱动的夹具c a d 系统下的实用设计工具之一。通过基于知 识的航空管件设计系统，使航空管件设计能继承和共享先前积累的经验知识， 实现航空管件的知识驱动和法兰的变结构设计，提高设计效率：同时，给航空 管件模型赋予各种具有工程意义的非几何知识，以满足产品设计各阶段对几何 无关知识的需求，减少由于手工输入和查找设计手册等所消耗的时间，提高产 品设计的质量，缩短设计周期。 1 、3 2 研究内容 本文的主要研究内容包含在以下几个问题及其解决方案中。 研究问题l ：如何实现知识驱动的航空管件参数化设计? 解决方案：构建一个可以重用的知识库，包括典型的管件模型、法兰u d f 、 k _ b e 语言描述的用于驱动管件参数的工程规则以及设计参数等，根据输入的规 划和约束调用已存在的管件设计实例，添加、修改相应的工程规则，建立工程 规则与管件模型几何参数的联系，从而实现管件模型的知识驱动。通过对不同 用户自定义特征的调用，不仅可以实现航空管件模型几何参数的知识驱动，还 实现了法兰类型的变结构设计。在设计过程中获得的工程规则，可以作为这次 南京航空航天大学硕士学位论文 设计过程积累的经验知识保存到知识库中，供下次产品设计或维护时使用，这 样就实现了知识库的动态扩充。 研究问题2 ：如何实现知识的调用? 鼹决方案：在航空管件的设计过程中引用了多方面的知识，由于知识的多 样性和各个企业的实际情况，这些知识的存储方式也存在多样性，如数据库文 件、e x c e l 表格文件等。针对数据库文件，运用k b e 语言中的专用类实现了与 o d b c 的连接，实现数据库中数据的调用：e x c e l 表格文件不能与u g 软件实现 直接的交互，即u g 软件不能直接捕捉e x c e l 表中的选取信息，因此，本文采 用中间件的方式间接的实现e x c e l 表格和u g 软件的数据交互，实现在u g 系 统环境下对e x c e l 表格数据的选取和e x c e l 设计文档的自动生成。 研究问题3 ：如何实现航空管件的全息设计? 解决方案：为了满足产品全生命周期各阶段对零件信息的需求，航空管件 模型中除了描述其几何特征的数据外，还应记录各种具有工程意义的属性信息， 如材料信息、表面处理、公差等，即实现管件模型的全息设计。为此，本文通 过赋予材料、属性输入等模块，以手动输入、自动获取、数据库调用等方式实 现对管件模型各种属性信息的赋予，使属性信息能在管件设计的各阶段得到共 享，如实现标题栏信息的自动提取等。 研究问题4 ：如何构建基于知识的航空管件设计系统? 解决方案：当代设计技术的有效实施离不开计算机技术的支持。为此我们 选用u g 软件为造型工具，在该平台上进行二次开发，根据软件工程的思想和 方法，利用u g k f 、u g 0 p e n 以及v c + + 等工具，编写功能模块并与u g 集成。该 系统已在成飞公司应用，并取得了良好的效果。 1 4 论文结构 本文各个章节的内容如下： 第一章：绪论 本章主要论述了c a d 技术的发展趋势以及基于知识的 c a d 技术的研究意义，并在此基础上提出了本文的研究内容、解决方案等。 第二章：基于知识的c a d 系统的构建分别从产品设计中几何相关知 识和几何无关知识两个方面对基于知识的c a d 系统进行了研究，其中包括支 持产品设计的知识库、产品模型的知识驱动以及产品模型几何无关知识的处理 等。 基于知识的c a d 技术及其在航空管件设计中的应用 第三章：基于知识的c a d 系统实现的关键技术本章主要论述了基于 知识的航空管件设计的系统实现过程中所采用的关键技术，包括工程规则的表 示和调用、用户自定义特征的调用和驱动、u g 系统与o d b c 的连接以及与e x c e l 表格文件的交互、零件非几何信息的赋予及其标题栏信息的自动提取等。 第四章：基于知识的航空管件设计系统实现在u g 平台上开发了基于 知识的航空管件设计系统，实现管件模型的知识驱动和法兰变结构设计；通过 赋予材料、属性输入模块赋予管件模型各种零件属性信息，实现标题栏信息的 自动提取。 第五章：总结和展望本章总结了本文的主要研究工作和成果以及还存 在的问题，并对下步的研究工作提出了展望。 全文的章节安排如图所示： 面森磊磊百_ - - 1 基于知识的c d 技术研究意义i 卜本文研究内容、解决方案及章节安排j 工程规则的表示和调用 用户自定义特征的调用和驱动 u g 系统与e x c e l 表格文件的交互 零件非凡何知识的赋予及其应用 图11 论文的内容结构 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章基于知识的c a d 系统的构建 2 1i ( b e 技术概述 知识工程( k n o w l e d g e b a s e de n g i n e e r i n g ，k b e ) 是人工智能在知识信息 处理方面的发展，它主要研究如何计算机表示知识，进行问题的智能求解j 。 知识工程与c a d 技术的结合是先进制造技术发展的必然趋势，通过对知识型 资源的重用，使设计者从设计初期大量的重复性工作中解脱出来，使机械c a d 系统能利用计算机延伸以创造性思维为核心的人类专家的设计能力，来尽可能 地实现设计过程的自动化1 1 2 j ”。由于k b e 技术的开放性，到目前为止尚未有一 种公认的完整的定义。英国c o v e n t r y 大学的k b e 中心认为k b e 是一种存储并 处理与产品模型有关的知识，并基于产品模型的计算机系统；是目前促进工程 化、实用化产品开发的最值得注意的软件方法；u g s 公司指出，k b e 是可以记 录和重用工程设计规则的系统、是可以记录和重用工程设计公式的表单、选择 和装配相关零件的系统。 综上所述，k b e 的内涵可概括为：翻拒是领域专家知识的继承、集成、创 新和管理，是c a x ( 包括c a d 、c a m 、c a p p 、c a e ) 技术、p d m 技术和a i ( a r t i f i e i a li n t e l l i g e n c e ) 技术的集成【14 1 。通过与专家的信息交流，对设计领域 知识、专家经验进行归纳总结，构建专业知识库，并通过知识库的管理和引用 来实现知识重用；自动地诱导产品设计人员进行产品的设计活动，如规划、造 型和评价等，从而使设计人员能具备专家设计水平。同时，设计人员在当前设 计中获得相应的工程规则，这些规则可以作为本次设计中积累的经验知识存放 到知识库中，供下次的开发和维护时再利用，这样就实现了知识库的动态的更 新和扩充【l “。 知识工程应用的范围非常的广泛，在工业领域中主要体现在航空、汽车、 船舶等，使用的软件平台也各有不同，主要有u g 、p r o e 、c a t i a 等，k b e 技 术的优越性正日益得到体现。 基于知识的c a d 技术及其在航空管件设计中的应用 2 2 产品几何模型的知识驱动 在产品设计中应用k b e 技术，主要从知识获取、知识表示、知识推理以及 糸n i , r 应用几个步骤来实现的，图2 1 表示了k b e 技术在产品设计中一般的实现 路线。 成 产 领各 熟品域种 ，2 产 功 产设专工品品能 品计家程布结分 设标经数置构析 计准验据 ；? 黧够骖啦， 知识库 推理 6 其中： ：= i ：= a n d ( a n d ) 】 o r 【( 0 r ) 】 ：= i ：一- - - ( 变量列表) 应用产生式表示法构建知识库时，通过u g k f 把知识存储于d f a 文件中， 例如： ( s t r i n 曲w i d g e t p a r t n u m b e r ：i f w i d g e t s i z e ：= lt h e n “w 8 0 0 0 1 ” e l s ei f w i d g e s i z e ：= 2t h e n “w 8 0 0 0 2 ” e l s ei f w i d g e s i z e ：= 3t h e n “w s 0 0 0 3 ” e l s e “w 8 0 0 0 - n e w ”； ( c h i l d ) w i n d o w ： c l a s s ，i f b l o c k w i n d o w ? ：t h e nu g _ _ b l o c ke l s en u l l d e s i g n ； 产生式表示法非常适合对一些模糊性知识的描述，在建立规则时，在“规 则”关系中增加规则的可信度c f 属性，用于表示在该规则前提成立的条件下， 规则结论的可信程度，下面描述采用产生式规则来表示模糊性知识。 r u l e = ( r u l en l l i t l e ，p ，q ，t ，c f ，w ) 其中r u l en a m e 规则名 q 、p 吩别表示规则的前提和结论 t 规则的应用阈值 c f 觑则的可信度 墨王塑塑塑竺垒里垫查墨茎垄塾窒筻堡堡生! 塑堡旦 w 规则各子前提的权重，w = ( w ”w ：，w 。) 故加权模糊规则可以用下面形式表示： w l q i a w 2 q 2 a a w n q n _ p ( c f ，t ) 分别用t ( q ) 和t ( p ) 表示前提和结论的真度，则有： t ( p ) = c f + ( 墨w i t ( q 。) ) 通过该方法使知识库不仅可以处理确定的知识，也可以处理在产品设计过 程中遇到的大量的经验知识，其中的大部分都是不确定的模糊知识。目前，大 量的实用专家系统中经常采用产生式规则来表示启发性信息。 ( 2 ) 利用面向对象表示法构建规则库 “面向对象”是一抽象的概念，它完整地反映实体的静态属性和动态属性， 把实体和它的行为作为一个整体进行考虑，用一组数据描述实体特征，并支持 一组对它施加的操作( 事件或方法) 2 0 1 。面向对象的知识表达方式借鉴了面向 对象程序设计技术中“类”、“对象”、“封装”、“继承”等概念，具有模块性强， 结构化程度高等特点。在c a d 系统的开发过程中，面向对象表示法非常适合 于对产品实例以及有装配关系的零件间相互关系等知识的描述。该方法中，类、 子类、对象构成了一个层次结构，并通过类之间的继承、派生关系和多态性等 反映对象之间的相互关联。用类描述语言( c l a s s d e s c r i p t i o nl a n g u a g e ，c d l ) 描述知识的一般形式【2 1 为： c l a s s ： 】 】 p r o p e r t i e s m e t h o d s r e s t r a i n t e n d 其中， ：用于描述对象的属性知识，如管件设计中 的管件的结构参数、材料参数； ：用于描述过程性知识、 控制性知识。可以是实现对对象相应操作所需的规则定义； ：指出该类所应满足的限制条件。由于u g k f 语言本身是一种面向对象 的编程语言，通过它可以很方便地采用面向对象表示法实现对知识的描述，使 大量的产品实例、工程规则、专家经验等知识无缝地融入到产品设计过程中去。 南京航空航天大学硕士学位论文 面向对象的知识表示方式实际上是集传统的产生式、框架、过程等表示方 法为体的种混合表示方法，具有强大的知识表达能力，且符合常人般的 思维方式，从而便于给用户一个统一的易于理解和接受的认识界面，并用统一 的形式来表达相关领域的各种知识。此外，对象的许多特征如数据封装机制、 继承机制等，与数据库存储技术相结合可以方便地实现对知识的推理和维护。 面向对象的知识表示方式因其强大的知识表达功能和与现实的相似性，表现出 越来越明显的优越性。 2 2 1 3 知识推理 推理就是按某种策略由已知判断推出另一判断的思维过程。知识推理阻】机 制主要实现两个任务，一是知识的运用，即从已掌握的与求解问题有关的知识 及有关的己知事实中推导出所需要的结论和知识；二是控制搜索过程，即确定 知识库中规则的扫描顺序，决定在每个控制信息下要触发的规则。知识推理的 方法一般可分为：正向推理( 又称数据驱动、前向链推理和自底向上推理) 、反 向推理( 又称目标驱动、后向链推理和自顶向下推理) 和混合推理( 正向推理 和反向推理相结合) 等方法。在本文中采用正向推理方法，其推理原理是：用 户将求解问题的已知条件与知识库中存储的知识或规则的前提条件进行匹配， 若某条知识或规则匹配成功，则该知识或规则的结论就是问题的解。 2 2 4 知识应用 知识的应用就是各种知识和规则在产品设计中实现重用和共享的过程。在 本文的产品设计中，主要是在v c + + 6 0 环境下，利用u g 二次开发技术与数据 库应用技术相结合的方法将知识应用的产品设计的各个环节。其具体实现路线 为：利用c + + 语言开发数据访问模块，对知识库进行访问，也可以通过专门 的知识工程语言如u g k f 提供的工具实现知识库的访问；利用u g 二次开发技 术将这些模块与产品设计模块结合。 2 3 产品设计知识库 2 3 1 知识库 产品设计知识库存储着产品设计时所需的各种知识和规则，主要由模板实 例库、设计规则库以及工程数据库等组成，如图2 2 所示： 董王塑塑塑兰垒旦丝查墨苎垄些窒笪竺垦生! 塑幽一 知识库 模板实例库 工程规则库 工程数据库 标准件组合件库 经典设计实例 用户自定义特征库( u d f ) 兰兰兰竺! l 兰竺呈要 产品标准和企业规范等 图2 2 产品设计知识库的主要构成 其中，模板实例库用于存放各种产品设计实例、模板设计文件以及控制结 构等。产品设计实例包括标准件库、组合件库、用户自定义特征库以及经典设 计实例等；模板设计文件可以是一个参数化设计模块模板，通过对模板的约束 求解派生出所需的模型实例，也可以是各种输出文件的模板文件，如工程图纸 模板文件、e x c e l 模板文件等；控制结构往往用于驱动设计结构中总体设计参 数，通过几个设计变量来实现对产品设计总体结构、尺寸的控制。 工程规则库用于存放各种支持产品设计的工程规则，包括设计规则库、布 置规则库以及约束校验库等。设计规则库主要包括产品构型规则、工程规则和 几何造型规则盼】等，这些规则往往是些数学公式或条件语句，通过组台来确定 产品的结构和几何参数进而实现产品的几何造型；布置规则库用于设定产品的 布置方式，如用户自定义特征的定位等；约束校验库用来定义在产品参数化设 计过程中变量的取值范围和函数间的约束关系，对变量超出其限制范围或与其 它变量取值冲突提出警告，此外函数闻的相互制衡使得在产品设计时能实现产 品的优化设计。 釜飘 南京航空航天大学硕士学位论文 工程数据库用于存储各种产品设计所需的工程数据，包括产品的设计参数 库、零件信息库以及产品标准和企业规范等。工程数据类型多样、结构关系复 杂，因此必须根据数据类型、数据结构的复杂程度以及用户需求等来确定各类 工程数据的存储方式，如常用o d b c 数据库来存储产品的设计参数，在很多企 业中往往用e x c e l 电子表格实现对各种零件信息的存储等。工程数据存储方式 的多样性决定了在知识的调用过程中也必须定义相应的调用方式来实现知识的 共享和重用。 2 3 2 知识库管理系统 知识库管理系统是实现知识管理的工具，主要负责知识的查询、添加、删 除、修改等操作。由于知识库中知识的多样性，使得对知识的管理也各有不同， 本文中知识库的管理主要是对实例库和工程数据库的管理。实例库的管理主要 是对用户自定义特征( u d f ) 的管理，包括u d f 的添加、删除、修改和查看有 关信息等功能；工程数据库的管理根据数据类型的不同分为a c c e s s 数据库管理 和e x c e l 电子表格数据管理，其中a c c e s s 数据库管理可利用v c 的数据库管理 功能和a c c e s s 本身功能实现添加、删除、编辑和更新记录等操作，e x c e l 电子 表格数据管理则开发专用模块用于对e x c e l 表格数据的管理。 2 4 产品几何无关知识的处理 通过引入k b e 技术，实现了产品几何模型的知识驱动，但是面向产品全生 命周期的产品设计不仅要求记录几何信息，还应记录各种非几何知识以满足产 品全生命周期各阶段对几何无关知识的需求。本文通过集成产品信息模型口4 i 来 实现各种非几何知识的提供。 2 4 1 集成产品信息模型概述 当今的产品设计不只是单纯的几何造型，已延伸到了产品全生命周期的各 个阶段，包括装配、图纸设计、工程分析、。质保等，因此单用产品的形状特征 已不足以完整的表达产品信息。集成产品信息模型是综合了产品全生命周期各 个阶段中的各种信息的集成化模型，以制造系统中的产品为研究对象，目的是 为了实现产品设计、加工、制造等的自动化提供完备的信息。本文中引用了集 成产品信息模型的概念，将产品信息划分成三个抽象层次，即零件层、特征模 基于知识的c a d 技术及其在航空管件设计中的应用 型层、几何层，其中特征模型层中除了形状特征模型外，还包括管理特征模型、 材料特征模型、技术特征模型和装配特征模型等2 5 1 ，其总体结构如图2 3 所示： 霉件 ，l 、 ! t 形l i s t 心竺! 管理特征横型精度特征模型形状特征模型 材料特征模型装配特征模型 i l e p r e f i s t r e f 、 ， 几何拓扑 零件层 特 征 模 型 层 几何层 翻2 3 产品信恿模型总体结构图 i s 卜从属关系r e 卜引用关系 零件一特征一几何拓扑三级模式的产品信息模型提供了多层次的产品信息，从 而满足了多方面的应用系统( c a p p 、数控加工、仿真等) 对产品数据的需求。 下文以工程图纸中标题栏信息的自动填写所需的零件信息为例，阐述了零件信 息模型的数据结构。 2 4 2 产品信息模型的数据结构 ( 1 ) 形状特征：用于描述具有一定工程意思的几何形状信息。根据构造 零件形状、满足零件功能的不同，可分为基特征和辅特征，其具体 结构如图2 4 。 图2 4 形状特征结构 ( 2 ) 管理特征：主要用于描述零件的总体信息和标题栏信息，如零件名 称、零件图号、零件类型、设计者、质量等，其数据结构见表2 1 ： 南京航空航天犬学硕士学位论文 一一 表2 1 管壤特征的数稍结构 霉 牛类型零 牛名称 零 牛圈号厦量国标号 设计考设计鑫期其它 es sss ss ( 3 ) 材料特征：主要用于描述零件的材料信息，包搔艇飘名称、艘号、 撬格、状态、标准代号良菠密度等，其数摇结稳如图2 5 所示： 苣1 垂 圈2 5 材料特征的数据结构 r - - r e a l 型数撼 ( 4 ) 技术特征：主簧用于接述对零件的技术要求等，对予不阚躲企业、 不嗣瓣零件膏蔫不同的格式莉内容，因越很滚用统一的模型来撼述。 2 4 3 产晶售感的赋孥 本文采用主模型的思想实现对产翕售息的赋予。产品主模型【2 4 1 是产品信 息觞核心，建瘦用领域主要信患来源以及交换、传递信息的中心媒夯，在产晶 全生命周期中用戳协诵全硒，傈证数镭共事和数据全局一致馁的信息模型。在 u g 平螽中，主模型的结构如躅2 , 6 所示： 圈2 5 产蘸主模型缩构示意莲 基于知识的c a d 技术及其在航空管件设计中的应用 各应用领域根据自身特点构建产品应用模型，为各应用领域提供专用信息， 其信息可以是从产品主模型中提取的对该领域有意义的信息并以合适的形式组 织：同时，产品应用模型根据其各自领域的特点，从不同方面对主模型进行修 改、补充、完善。通过主模型和各应用领域信息的相互交换，实现了产品信息 模型对产品设计各阶段的指导作用，也保证了产品数据的致性。 2 5 本章小结 构建基于知识的c a d 系统，并根据设计知识的几何相关性，将对产品设 计知识的处理分为几何相关知识的处理和几何无关知识的处理两部分。 ( 1 ) 将知识工程的概念融入到产品设计当中，获取各种经典的设计实例和 产品的配置知识，构建一个支持产品设计的知识库，利用k b e 语言生成的工程 规则，建立工程规则与管件模型几何参数的联系从而实现产品的知识驱动。 ( 2 ) 利用集成产品信息模型实现对产品各种非几何知识的赋予，主要包括 三方面的内容：零件特征一几何拓扑三级模式的产品信息模型、产品信息模 型的数据结构和产品主模型。产品主模型是产品信息模型的核心，以其为媒介， 用以解决与各应用领域的信息交换、保证数据一致性等问题。 南京航空航天大学硕士学位论文 第三章基于知识的c a d 系统实现的关键技术 3 1u g 二次开发技术 u g o p e n 2 7 l 是u g 软件为用户或第三方开发人员提供的二次开发工具集， 利用该工具集用户可对u g 系统进行用户化剪裁和开发，满足用户广泛的开发 需求。u g o p e r l 主要有以下几部分构成： ( 1 ) u g o p e na p i 又称u s e r f u n c t i o n ，是u g 系统与外部应用程序之间的 接1 ：2 1 ，封装了近2 0 0 0 个u g 操作的函数，可以用来实现大部分的u g 操作， 如查询、修改u g 对象模型，用户与u g 界面的交互等； ( 2 ) u g o p e nu i s t y l e r 用于可视化界面的开发，利用u g 软件提供的u g 标准可视控件，定制完全u g 风格的对话框： ( 3 ) u g o p e nm e n u s c r i 口t 是一套用于定制u g 菜单的脚本语言，通过对 菜单脚本的操作，使得无须编程即可实现对u g 菜单的修改或在u g 界面中集 成用户自定制的菜单。 此外，u g 软件还提供了知识工程语言一k f 语言。设计人员可以用k f 语 言在产品模型中以规则的形式增加工程知识，从而实现其设计意图。 根据模块化设计的思想，将系统分成功能相对独立的模块，并以动态链接 库( d l l ) 等方式与u g 系统集成，这样方便系统的并行开发和后期维护