（机械设计及理论专业论文）基于本体的虚拟零件智能识别方法研究与应用.pdf

基于本体的虚拟零件智能识别方法研究与应用 摘要 由于装配技术的滞后发展，产品装配已成为实现企业制造自动化 的瓶颈，虚拟现实技术的发展给产品装配提供一个新的工作方式。本 文针对虚拟装配技术应用的不足，从提高虚拟装配系统智能化水平的 角度出发，对多层次的虚拟装配模型进行语义信息的分析，实现了本 体装配模型的形式化表示、本体逻辑推理、虚拟环境下零件智能识别 等，从而突破了产品装配的一些关键技术。本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 分析了虚拟现实技术和本体方法论在机械装配领域的研究状 况，并指出虚拟装配技术的不足和有待提高的方面，在此基础上提出 了基于本体的虚拟零件智能识别的方法。 ( 2 ) 在对传统c a d 系统装配设计方法的分析的基础上，建立了 一种基于虚拟装配环境的多层次装配模型，分析了装配语义信息的提 取过程，其中包括空间位置关系、配合特征、装配特征、装配工程关 系的提取等。 ( 3 ) 对本体的概念、构造准则方法以及本体语义语法进行了分析， 建立了本体装配模型，给出了机械装配的本体词汇及概念层次关系， 并采用o w l ( w e bo n t o l o g yl a n g u a g e ) 对其进行了描述。 ( 4 ) 在分析本体常用推理方法不足的基础上，提出了o w ld l 与 s w r l ( s e m a n t i cw e br u l el a n g u a g e ) 相结合的推理方法，进而给出 推理方案的总体实现，其中，o w ld l 的推理使本体有更好的层次结 构的同时确保了由本体产生的定义和概念相互间没有冲突；而基于 s w r l 的推理实现了本体知识同推理规则相结合产生的推理。 ( 5 ) 在实验室自主研发的3 d v r c a p p 虚拟装配系统中，对本文 提出的智能识别方法进行了实现，增加了虚拟零件智能识别模块，从 而验证了文中所提出的方法的实用性和可行性。 关键词：本体，虚拟装配，o w l ，s w r l ，智能识别 o n t o l o g y b a s e d r t u a l p a r ti n t e l l i g e n tr e c o g n i t i o nm e t h o d r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n a b s t r a c t d u et ot h ed e l a y e dd e v e l o p m e n to fa s s e m b l yt e c h n o l o g y ，t h e p r o d u c ta s s e m b l yh a sb e c o m et h eb o t t l e n e c kf o re n t e r p r i s e sa c h i e v i n g m a n u f a c t u r i n ga u t o m a t i o n t h ed e v e l o p m e n to fv i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g y p r o v i d e san e ww a yo fw o r k i n gf o rp r o d u c ta s s e m b l y t a k i n g i n t o c o n s i d e r a t i o nt h ed e f i c i e n c i e so ft h ea p p l i c a t i o no fv i r t u a la s s e m b l y t e c h n o l o g ya n df o c u s i n go nt h ep o i n to fi m p r o v i n gt h el e v e lo fi n t e l l i g e n t o ft h ev i r t u a la s s e m b l ys y s t e m ，t h i sp a p e rf i r s ta n a l y s e st h es e m a n t i c i n f o r m a t i o no fm u l t i l a y e rv i r t u a l a s s e m b l ym o d e l ，a c h i e v e st h e f o r m a l i z a t i o no fo n t o l o g ya s s e m b l ym o d e l ，t h eo n t o l o g yl o g i c a l r e a s o n i n g ，i n t e l l i g e n ti d e n t i f i c a t i o ni nt h ev i r t u a le n v i r o n m e n ta n ds oo n m a i nr e s e a r c hw o r ka n da c h i e v e m e n t sc a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 b ya n a l y z i n g t h e s t u d yo fv i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g ya n d o n t o l o g i c a lm e t h o d o l o g yi nt h ef i e l do fm e c h a n i c a la s s e m b l y ，p o i n t i n g o u tt h ed e f i c i e n c i e so fv i r t u a l a s s e m b l yt e c h n o l o g y ，p r o p o s e o n t o l o g y - b a s e dv i r t u a lp a r ti n t e l l i g e n tr e c o g n i t i o nm e t h o d 2 t h r o u g ha n a l y z i n gt r a d i t i o n a lc a ds y s t e ma s s e m b l yd e s i g n m e t h o d ，t h i sd i s s e r t a t i o np r o p o s e st h em u l t i - l a y e ra s s e m b l ym o d e lb a s e d o nv i r t u a l a s s e m b l ye n v i r o n m e n t ，a n dt h e n e x t r a c t st h es e m a n t i c i n f o r m a t i o nf r o mi t ，i n c l u d i n gs p a t i a lr e l a t i o n s h i p ，m a t i n gf e a t u r e ， a s s e m b l yf e a t u r e ，a s s e m b l ye n g i n e e r i n gr e l a t i o n 3 a n a l y z et h ec o n c e p t ，c o n s t r u c t i n g m e t h o d sa n ds e m a n t i c g r a m m a rf o ro n t o l o g y b u i l dt h eo n t o l o g i c a la s s e m b l ym o d e l g i v et h e o n t o l o g yv o c a b u l a r yi nt h ef i e l d o fm e c h a n i c a l a s s e m b l ya n d t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nd i f f e r e n tc o n c e p t i o nl e v e l s ，d e s c r i b et h ec o n c e p t u s i n go w l ( w e bo n t o l o g yl a n g u a g e ) 4 b yg i v i n gt h ed e f i c i e n c i e so fc o m m o n l yo n t o l o g yr e a s o n i n g ，i t p r o p o s e st h er e a s o n i n gm e t h o db a s e do no w l d l ( d e s c r i p t i o nl o g i c ) a n ds w r l ( s e m a n t i cw e br u l el a n g u a g e ) ，a n dt h e nd e s i g nt h eo v e r a l l a r c h i t e c t u r eo ft h er e a s o n i n g t h eo w ld l r e a s o n i n gi sa i m e da tm a k i n g s u r et h at h ee s t a b l i s h e d o n t o l o g yh a sb e t t e rs t r u c t u r a ll e v e l s ，a n d s i m u l t a n e o u s l ye n s u r e st h e r ei s n ta n yc o n t r a d i c t i o ni nt h ed e f i n i t i o n sa n d c o n c e p t i o n s ；t h er e a s o n i n gb a s e do ns w r li s u s e dt or e a l i z et h e r e a s o n i n gw h i c hi sb a s e do nt h ec o m b i n a t i o no fo n t o l o g yk n o w l e d g ea n d r e a s o n i n gr u l e s 5 a c h i e v et h ei n t e l l i g e n tr e c o g n i t i o nm e t h o dp r o p o s e db yt h i sp a p e r a n da d dt h ev i r t u a lp a r ti n t e l l i g e n tr e c o g n i t i o nm o d u l i nt h e3d v r c a p p s y s t e mw h i c hr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e di n d e p e n d e n t l yb yo u rl a b o r a t o r y t ov i r t i f yt h ep r a c t i c a l i t ya n df e a s i b i l i t yo ft h em e t h o d k e y w o r d s ：o n t o l o g y ，v i r t u a la s s e m b l y ，o w l ，s w r l ，i n t e l l i g e n t r e c o g n i t i o n i i i 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：垒勉壅日期：! 么壑：么 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位 本人签名： 导师签名： 适用本授权书。 日期： 竺翌：理：丝 日期： 竺2 ：丝：么 北京邮电大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第一章绪论 装配是产品生产周期的最终环节，并且是最具影响力的环节之一。 近年来，各种先进制造技术的发展，极大地提高了产品的设计效率和加工自 动化水平。相比之下，由于装配设计和装配生产还很落后，使之与产品开发过程 中的其他环节集成化程度很低。各种先进制造技术的迅速发展导致产品装配问题 成为产品设计、制造过程中的一个瓶颈，装配问题已成为许多企业成本居高不下 的直接或间接原因。 虚拟装配技术的出现为传统的装配技术提供了一种新的工作方式。虚拟装配 技术使设计人员在产品设计阶段即能顾及到产品的可装配性，并在设计阶段就尽 可能解决装配中可能存在的问题，从而提高装配效率、降低装配成本，保证产品 的质量。但是，现阶段的虚拟装配系统存在两方面的问题：一方面，在从前端 c a d 系统获取虚拟装配模型过程中会丢失大量的设计信息，这将大大影响装配 工艺设计的有效性，并且由于目前主流的各三维c a d 系统对装配信息表示方式 不一致、应用的文件格式不一致，使得知识的共享与重用难于实现；另一方面， 由于目前的虚拟装配的研究更多地关注对现实产品的三维可视化仿真，并没有提 供必要的装配工艺信息，对于复杂零件的装配操作，要求用户必须具备丰富的装 配经验，才能在虚拟环境中获得理想的装配结果【l 】。因此，如何引入新的技术解 决虚拟装配中的知识重用和智能装配问题，是当前研究的重要任务。 本体在解决知识重用等问题上有着得天独厚的优势，并且是近年来的研究热 点，它具有以下特点： ( 1 ) 支持异构系统互操作：在异构主体之间对交流的结构化信息达成共识， 这是本体开发的一个主要目标； ( 2 ) 支持知识复用：通过本体复用、映射和集成等方式实现领域知识复用， 这是本体研究的主要动力之一； ( 3 ) 易于领域认定修正：利用本体表示方法描述领域，当领域知识发生变 化时，对应的领域认定的改变也相对比较容易； ( 4 ) 应用简便：易于实现领域知识的应用和管理； ( 5 ) 领域知识与操作性知识相分离。 因此，应用本体的方法实现虚拟装配中的知识共享、提高虚拟装配系统的智 1 北京邮电大学硕十学位论文 能程度已成为必然趋势，对发展虚拟装配技术有着重要意义。 1 2 相关技术国内外研究现状 1 2 1 虚拟装配技术的研究现状 根据虚拟装配技术的侧重点与应用的不同，可以把虚拟装配技术的研究分为 以下两类： 一类是对虚拟装配系统中硬件的研究。华盛顿州立大学和美国国家标准技术 研究所【2 】合作开发研制了一个名为“虚拟装配设计环境 ( v a d e ) 的虚拟装配设 计系统。d e w a r ，r g 掣3 】提出了在虚拟环境中辅助进行手工装配的方法。s i d d i q u e 提出【4 】了基于虚拟现实系统研究零件拆卸的方法。中科院的程成、戴国忠等，北 航的吴威、隋爱娜等也有类似这方面的研究【5 羽。这方面的研究对硬件要求比较 高，花费很大。 另一类是对虚拟环境中的装配算法的研究o l 。在产品的三维模型基础上， 通过计算机仿真，人们可以对产品零部件进行装配，分析得到比较合理的装配顺 序。国内在这方面的研究比较多，也取得了一定的成果。本实验室也自主开发了 一套3 d v r c a p p 虚拟装配系统，该系统对虚拟设备的要求不高，但却能很好地 模拟产品的装配过程，并在实际的生产应用中也取得良好的效果。但虚拟现实在 这方面的应用遇到一个共同的问题是：由于每一个顺序都是由人机交互的方式产 生，即当零件过于复杂的时候，需要人机交互的次数会大大增加，大大影响了虚 拟装配的效率。因此，带有智能化是虚拟装配系统发展的必然趋势，也是虚拟装 配技术又一个研究的热点。 虚拟装配技术作为现代制造技术与制造系统发展的必然趋势，有着其他系统 不可比拟的优势，但其自身仍存在许多不足与有待发展的地方【1 1 】。 1 ) 标准化尚未实现。工业领域内各种技术的发展，总会经历一个从非标准 化到标准化的发展过程。如果没有统一的标准，必将影响虚拟装配技术的应用范 围，这一过程也是虚拟现实技术发展的必经阶段。 2 ) 集成化仍然不成熟。国内外虚拟装配系统基本上都是从c a d 系统中获 取产品的模型信息和装配关系，这一过程比较繁杂，而且虚拟装配过程获得的优 化结果不能很好地反馈到c a d 系统中。要充分发挥虚拟装配系统的功能，使其 2 北京邮电大学硕士学位论文 应用范围更广泛，需要一种中间的模型来实现虚拟装配系统与c a d 系统之间的 友好兼容。 3 ) 缺乏智能化。完全利用计算机算法来实现装配规划不可避免会遇到组合 爆炸的问题，随着人工智能技术的发展，实现人机协同工作，在虚拟装配环境下 既能充分发挥人的创造性，又能充分发挥计算机智能的合理推断，是虚拟现实系 统发展的又一趋势。 1 2 2 本体方法论在国内外研究状况 本体方法论的研究与应用尚处于摸索阶段，该领域的研究体系还没有规范 化。但由于本体方法论在知识( 信息) 共享和形式化描述上所体现出的显著优点， 使它一直成为国内外学者研究的重点。 本体论在机械信息化领域的应用主要有基于本体的产品建模、基于本体的计 算机辅助工艺设计、基于本体的智能搜索等方面。 1 2 2 1 产品建模领域 华盛顿大学的s u d a r s a n 和c m u 的f e n v e s 等人，为支持产品生命周期管理 ( p r o d u c tl i f e c y c l em a n a g e m e n t ，f l m ) 各个方面的信息需求，以本体为表示工 具，开发了一种产品信息模型框架【1 2 】。该框架以n i s t 的核心产品模型( t h en i s t c o r ep r o d u c tm o d e l ，c p m ) 及其3 个扩展版本：开放式装配模型( o p e n a s s e m b l y m o d e l ，o a m ) 、设计分析集成模型( d e s i g ea n a l y t i ci n t e r g r a t e dm o d e l ，d a i m ) 和产品族进化模型p f e m 作为基础。这4 个模型都具有通用语义的抽象模型，可 以针对特定领域的具体应用，将具体的领域语义嵌入到这些模型中。该框架具有 以下特点： ( 1 )以形式化语义为基础，通过采用合适的本体就能进行自动推理； ( 2 ) 概括性强：它描述的是概念实体( 制造和特征) ，而不是针对具体的 某种产品( 发动机、泵等) ； ( 3 ) 提供了产品全方位的丰富信息； ( 4 ) 致力于促进新的应用和过程的开发，避免由于环境中信息的不齐备阻 碍新应用的实现； ( 5 ) 可在产品级上作为不同系统间互操作的转换与接口。 为实现产品信息语义的互操作，密歇根大学p a t i l 等人开发了一个产品本 体作为语义交换的标准中介，即产品语义表示语言( p r o d u c ts e m a n t i c r e p r e s e n t a t i o nl a n g u a g e ，p s r l ) 。p s r l 本体以n i s t 的核心产品模型c p m 为基 3 北京邮电大学硕士学位论文 础，采用u s h o l d 的骨架法作为开发方法论，以描述逻辑d l 实现p s r l 的语义编码， 句法结构采用d a m l + o i l 语言规范。p s r l 的核心概念和核心关系是典型的基于 特征的造型系统的标准术语，这些核心概念可以进一步组合成新概念，进而可以 对典型c a d 系统的特征集合进行语义建模。p s r l 还允许定义新的核心概念和关 系，以保证该本体具有足够的可扩展性和实用性。p s r l 已成为产品信息语义交 换的中间语言和方法论基础。 浙江大学现代制造工程研究所的顾巧祥，祁国宁等人【1 4 】针对产品全生命周 期管理的特点，将元数据建模技术与本体相结合，建立产品元本体，提出了基于 元数据的产品概念模型和面向产品全生命周期的产品数据模型。这种方法能够有 效地保证数据的安全性和一致性，可以方便地进行模型集成和信息共享，而且还 能够很好地满足产品全生命周期中各个阶段以及各个部门对产品数据的需求。 清华大学孙刚，王继龙等【1 5 】为解决协同产品开发中的知识共享问题开发了 t o n e 本体模型，并通过严格区分术语的内涵和外延，提出绝对化属性差，建立 了概念内涵二叉树，使概念内涵的定义明确化和清晰化。该模型使本体中的基本 元素、术语的意义得到统一，为知识的交流和共享提供了支持。 浙江大学的郭鸣，李善平等人【l6 】针对产品信息建模在企业大规模知识处理 中遇到的s t e p ( 产品数据交换标准) 系列标准之间、应用协议之间的语义不一 致的问题，提出了基于本体论及语义w e b 的产品信息建模的观点，建立了对象封 装、中间件、企业应用的产品信息模型层次化结构，通过引入中间件层，增强产 品信息语义一致性，提高了模型的互操作性。 北京理工大学的郑轶，宁汝新等对基于装配特征本体表达的虚拟产品建模理 论与方法进行了研究【l 。7 1 。在借鉴元对象工具( m e t a - o b j e c tf a c i l i t y ，m o f ) 层次 模型思想的基础上，给出了装配特征本体表达的框架结构。该框架结构可以对装 配特征的语义信息进行详尽地描述，而且基于该框架结构可以实现异构信息的交 换与集成。并且，在装配特征本体表达框架结构的基础上，提出了面向虚拟产品 的全息语义模型，该模型充分考虑了公差和物理属性信息，为基于物理属性和公 差的虚拟装配奠定了基础。他们将装配模型表达中的装配树层次结构与装配特征 关系模型分开，保证由装配特征具体实例所体现出来的装配关系仅有一个层次， 使得维护相对简单，而且能够保证一致性。该模型便于扩展，并能够与其他表达 方法进行信息交换，蕴含了丰富的语义信息，为实现逻辑层推理奠定了基础。 1 2 2 2 计算机辅助工艺设计领域 天津大学的李文杰，冯志勇等人【1 8 】针对c a p p 系统领域的当前发展需求，把 本体论及其相关技术引入到c a p p 系统，在分析现有的四种表达方式( 分类编码、 4 北京邮电大学硕士学位论文 知识表示、描述语言和形状特征) 的基础上，提出基于本体的零件描述模型以及 零件描述模型的三层体系架构，并对系统架构中的零件特征描述模型及其结构进 行详细介绍。针对c a p p 应用系统中零件信息的描述和组织问题，采用基于本体 理念及其技术的零件描述模型，可以更加合理有效地表达领域本体知识库中的零 件信息。本体论的引入将会为c a p p 领域知识在最大程度上实现共享与复用提供 有力的保障。 同济大学的朱文博等通过把冲压工艺知识抽象为冲压工艺领域本体，将本体 思想引入冲压工艺知识表示中，以利于知识的共享和重用【1 9 】。针对冲压工艺的 特点，提出了基于概念、关系、属性、规则和实例五要素的冲压工艺领域本体的 形式化定义，采用b n f 范式对领域本体进行统一的描述和表达，实现了b n f 范式 与关系数据库之间的转换。通过构建冲压工艺领域本体，完成冲压工艺的知识表 示。 西北工业大学的丘宏俊，陶华高晓兵等人【2 0 】以建立飞机部件装配工艺知识 模型为目标，以本体论为指导思想，收集并深入分析了飞机装配工艺设计领域的 专家知识，研究了对装配知识的内容和组织结构的表示。对有关领域知识进行转 换、重构的概念化处理，形成了6 个可用计算机描述的概念化领域术语，并确立 了它们之间的关系，构建了飞机装配工艺设计领域知识的本体模型，初步解决了 装配知识在计算机中描述的问题，为人工智能在飞机装配领域的应用奠定了基 础。 北京航空航天大学的张瑜【2 l 】以实现有效的工艺知识检索为目标，通过工艺 知识本体来组织工艺的上层知识，利用本体定义知识间的相互关系，在此基础上， 设计了一个基于本体的工艺知识检索系统，使用户可以准确、快速、有效地找到 所需要的知识。 1 2 2 3 智能搜索领域 浙江大学现代制造工程研究所的郭剑锋、顾新建等人【2 2 1 提出了零件库中基于 本体的智能搜索引擎，设计了一种智能搜索引擎的系统架构，利用本体克服由于 零部件信息描述不一致引起的信息共享的障碍。他们建立了面向零件信息描述的 4 层本体模型，即领域层、事件层、目录层和概念层。在此基础上设计了用以建 立用户接口的六元智能查询模型和查询逻辑流程。此搜索引擎相对一般高级搜索 有如下特点： 1 ) 智能搜索引擎中的零部件信息采用非结构化本体数据描述和存储，其存 储的静态数据间具有语义标识以供系统识别使用。 2 ) 在智能搜索引擎中，用户的查询描述和查询结果有语义级别的对应，当 5 北京邮电大学硕士学位论文 查询描述发生局部改变时，可以根据语义直接调整查询结果的本体描述，快速生 成新的查询结果，提高系统的查询能力。 3 ) 智能搜索引擎中的查询接口采用自然语言的陈述式描述，而不是僵化的 条件布尔运算描述，这更符合用户的思维习惯。 高鹏、林兰芬、蔡铭等人瞄】以机械产品配置为背景，针对系统对用户需求理 解的不足之处，利用本体作为信息转换和知识映射的媒介，提出了一种基于本体 映射的用户需求知识向产品配置知识自动转换的方法。他们讨论了用户需求本体 和产品配置本体，给出了基于本体的用户需求模型和产品配置模型，建立了本体 映射规则，提出了以本体映射、知识映射、模型映射三层映射模式为核心的产品 配置模型建模框架，并给出了产品配置模型获取算法。此种知识转换的方法消除 了用户需求域和产品配置域之间的交流鸿沟，从而实现了产品配置模型的自动获 取。 针对w e b 零件库存在零件异构性而导致的零件检索的查询率偏低、零件表示 不一致、知识难以共享、重用等问题，许多学者做了大量相关的研究。杨志雄、 祁国宁等人【2 4 】采用关联本体来对零件库中零件的各种信息进行描述，并对各种 零件命名进行规范处理，给出了一个零件本体的多层次检索模型。但是，这些描 述在语义和语法层次上比较粗糙，检索效率不理想。马军等人【硎采用基于数据 字典p l i b 本体元模型，从语义和语法层次上对零件各种信息进行规范，解决了 中心零件库中的本体异构问题，但对外部零件库中的本体异构问题无能为力。此 后，张太华、吴永祥等人f 2 6 】给出特性本体映射算法来解决零件本体异构问题， 提高了搜索的查全率和查准率。 总的来说，本体论在机械领域的研究与应用还处在初级阶段，成果不多，其 主要研究多集中在利用本体构建产品模型的问题上，对基于本体的推理技术和方 法的研究还有待深入，智能化程度不高。因此如何在虚拟装配的研究中，利用本 体实现知识共享、重用以及产品装配的智能化推理是亟待解决的问题，也是本文 主要研究内容。 1 3 本文研究内容 基于以上对虚拟装配、本体论应用与研究的现状分析，并结合本实验室自主 研发的3 d v r c a p p 虚拟装配系统，本文针对虚拟装配技术应用的不足，提出基 于本体的虚拟零件智能识别方法的思想，从提高虚拟装配系统智能化水平的角度 出发，将对多层次的虚拟装配模型进行语义信息的分析，讨论研究本体装配模型 的形式化表示、本体逻辑推理、虚拟环境下零件智能识别等相关技术与方法，为 本体在虚拟装配领域的应用做出探索性的研究。 6 北京邮电大学硕士学位论文 本文的内容主要包含以下几个方面： 首先，分析传统c a d 软件建模方法和产品模型信息的组织结构，在此工作 基础上提出一种基于虚拟装配环境的多层次装配模型，并对其装配语义进行提 取，其中装配语义信息将包括空间位置关系、配合特征、装配特征、装配工程关 系等。 然后，从本体构造的角度，对本体的概念、构造准则方法以及本体语义语法 进行分析，建立本体装配模型，并给出机械装配的本体词汇及概念层次关系，最 后采用o w l 语言对其进行描述。 在以上工作的基础上，进一步给出智能推理的总体实现方案，以o w ld l 推理与s w r l 推理相结合的方法，弥补0 1 ld l 推理方面的不足。其中，o w ld l 推理是为了使本体有更好的层次结构，同时确保由本体产生的定义和概念间不相 冲突；而基于s w r l 的推理将实现本体知识与规则知识相结合的推理。 最后，在实验室自主研发的3 d v r - c a p p 虚拟装配系统中，本文将对提出的 智能识别方法进行实现，在上述系统中增加虚拟零件智能识别模块，验证文中所 提出的方法的实用性和可行性。 7 北京邮电大学硕士学位论文 第二章多层次装配模型中的语义信息分析 机械零件是产品的最基本的单元，生产零件的目的是使其装配后的产品能够 实现预期的功能要求。装配模型是分析研究机械零件装配的一种重要的手段，建 立产品装配模型的目的是为了给产品的装配设计提供信息来源和存取机制。装配 模型的好坏对产品装配自动化设计的实现程度以及产品装配精度有直接影响，进 而对产品的功能产生影响。本章首先对传统c a d 软件建模方法进行分析，接着 提出一种基于v r m l ( v i r t u a lr e a l i t ym o d e l i n gl a n g u a g e ) 格式的自顶向下的多 层次虚拟装配模型，最后在此基础上进行语义的分析提取，为下一步模型的本体 表示提供语义基础。 2 1 虚拟装配环境下多层次装配模型 在现实生产过程中，产品是由用户的需求驱动的，即生产出来的产品必须具 有满足用户需求的功能。因而，产品的装配模型的建立是从分析用户功能需求开 始的，设计人员首先根据用户的总的需求，进行总体功能设计，再根据实际的生 产情况对总体功能进行分解、细化，形成一个又一个能够由零部件实现的功能。 从某种意义上说，产品的设计过程是产品功能分析过程，而产品的分析过程是一 个逐步、渐进的分解过程。如图2 1 所示，功能分解过程就是将用户的需求转变 成产品功能，并分解成多个产品子功能，然后再将子功能向下进一步分解，最终 分解为一个个不能再分解的元功能。 图2 - 1 产品的功能分解示意图 8 北京邮电大学硕士学位论文 由上可以看出，实际的产品设计过程是一个自顶向下的过程，而传统的c a d 通常使用的一种设计过程，是先设计好各个零件，如零件的基本尺寸、主要结构 形式、重量、位置参数等，然后在设计好的零件基础上进行装配。如果在装配过 程中发现某些零件不符合要求，如零件与零件之间产生干涉、零件与零件装配尺 寸不一致等，就对零件进行重新设计、重新装配、再发现问题、再进行修改，如 图2 2 所示，传统c a d 的设计过程由于事先没有一个很好的规划，设计阶段重复 工作很多，造成了劳动力和时间的很大的浪费，工作效率低。这种自底向上的设 计过程是从零件设计到总体装配设计，既不支持产品从概念设计到详细设计，又 不支持零件设计过程中的信息传递，特别是零部件之间的装配关系。传统的c a d 模型的自底向上的设计思路与实际的生产设计过程是相反的，这不符合设计人员 实际的设计思路。 产品功铯设计 l 田白青生备斗 ll 拯哥生【 用尸刀秉瞳日 rl 臀嘎万莱 |一 蛳c 钟a 壅 计l | 1 l 个8 1 i ”“”厂 l 总体装配设计 j 设计分析 _ j c a d 支持过程 图2 - 2 传统c a d 严品设计过程 近年来许多学者对产品建模方法进行深入研究。如上海交通大学的宋丽萍、 武殿梁等，按照“化整为零”的思想，将复杂模型分为产品级、装配模块级、子 装配级和零件级4 个装配级别【2 刀；北京理工大学的杨洪君、宁汝新等，采用基于 特征的思想把模型分为产品装配体层、零件层、特征层和几何层【2 引。 v r m l 是描述虚拟场景的一种标准，是目前网络上通用的用于描述三维物体 和场景的标准文件格式，目前大部分流行的c a d 软件都支持v r m l 文件格式，利 用它可以方便地在h t e m e t 上建立交互式三维虚拟场景2 9 删。因为v r m l 具有以下 特点： ( 1 ) 平台无关性：v r m l 语言与硬件平台无关，用该语言编写的程序不需 9 北京邮电大学硕士学位论文 要经过任何编辑、链接等处理，只要系统提供能够解释v r m l 的浏览器，就可以 浏览在网络上传输的虚拟场景。 ( 2 ) 易扩展性：v r m l 除了提供有基本的几何造型节点和组节点来建立简 单立体的造型外，还可以使用d e f 来定义用户自己想要重复使用的节点，减少了 v r m l 源代码的编写量，节省了v r m l 文件的存储空间。为了满足软件开发的需 要，v r m l 还可以创建用户新节点和外部节点，以使v r m l 世界更加丰富。 ( 3 ) 在低带宽上具有良好的运行能力：与其它语言比较，v r m l 更适合在 网络上传输。在文件格式上，v r m l 文件本身是a s c i i 码格式的文本文件，所占 据的存储空间小，用其它工具创作的场景文件的长度要比使用v r m l 格式的文件 要大得多。当v r m l 文件完全传输到客户端后，由客户端的浏览器负责解释运行。 ( 4 ) 交互性强：v r m l 提供了基于事件的交互方式，包含有与j a v a 等语言交 互的接口，使用户的行为能够实时作用于场景，人机交互方便，实时性强。 因此，本文在前人研究的基础上，通过改进，提出了基于v r m l 格式的多细 节层的装配模型建模方法。如图2 3 所示，根据产品信息的抽象程度不同，本文 将产品模型分为：装配体层、零件层、特征层、显示层。 ，磊_ ? ，一一、，、 i 、急，j i 7 万飞、j 、j 二重彩。，倾 ，一上、 ，一 一、 一f 7 两两、j 一一、 ，一_ - (载?、，二一，、 i 、一一，( 特鼍晨 一t 羹配伴之一的装配语史姜l一一一一一羹嘶薯目的纳束差摹 t 晨发同量誊赡射 _ _ _ - _ - ，肇t 停层与零件层、零件层与特 嘱矾与量被曲均囊_ 咐 图2 - 3 虚拟产品装配模型 ( 1 ) 装配体层：以产品为根节点，以元零件或子装配体为基本节点。该层 节点信息包括子装配体的标识代号、子装配体的属性信息、子装配体的装配约束 关系。该层节点间的关系主要以子装配体间连接件装配语义描述的装配关系来表 1 0 北京邮电大学硕士学位论文 现。 ( 2 ) 零件层：以子装配体为父节点，以元零件为基本节点。零件节点信息 包括零件的标识代号、所属子装配体的代号、物理属性。节点间的关系以子装配 体内元零件的装配关系来表现。 ( 3 ) 特征层：以特征为基本节点。特征节点的信息包括特征类型、特征名 称、特征标识符、特征参数、特征定位等。特征层是整个模型层中最关键的一层， 形状特征包含了零件的形状信息，很好地弥补了州l 格式丢失的形状信息，装 配特征隐含了装配件间的装配关系。特征层将是本文讨论的重点。 ( 4 ) 显示层：以v r m l 格式的零件模型为基本节点。该层主要用于显示， 主要记录三角面片的颜色属性、光照属性、三角面片的数量等。 由上可知，特征层是最关键的一层，它隐含着装配体大量的装配信息。下文 开始阐述基于特征层的语义信息提取。 2 2 装配语义信息的分析 装配语义定义为【3 l 】是对装配零部件间装配关系的抽象描述，该描述蕴涵了 装配零部件间存在的定位约束、装配规则与装配动作。装配语义表达装配关系的 方式更贴近工程师的自然语言习惯。装配语义具有表达的抽象性和应用域的相 关。简单地说，装配语义信息描述了装配体之间的装配关系，装配关系是指组件 到组件的约束，它包含两层含义：一为被装配的装配件；二为装配件的连接关系。 其中，连接关系表示组件是如何连接的。例如，两块金属板a 和b 通过焊接h 的方 式进行装配连接，则可以说a 和b 的连接方式为焊接h 。 如上所说的，零件的特征信息包含了装配零件间的装配语义关系，例如孔轴 连接的孔轴配合、键与键槽之间的键配合连接等都属于装配语义的范畴。如何根 据装配语义的定义，对装配过程加以合理的归纳与概括，提炼出恰当合理的装配 语义是本文下面的工作。 为了完整的描述该装配体信息，本文的装配体的装配语义信息提取分为以下 四个步骤：空间位置关系说明，配合特征提取，装配特征提取，装配工程关系语 义提取，如图2 4 所示。 1 1 北京邮电大学硕士学位论文 图2 - 4 装配语义提取过程 2 2 1 空间位置关系 本文的空间位置关系指通过设定装配件的约束关系来表述装配件之间最终 的位置状态【3 2 3 3 1 。空间位置关系不仅仅定义了装配件的空间位置，同时也隐含了 设计者的设计意图。空间位置关系约束了配合对象之间的自由度( d e g r e eo f f r e e d o m ，d o f ) 。物体的自由度定义为完全确定一个物体在空间位置所需要的 独立坐标数目。本文为了更好的描述对象间的位置关系，达到易于推理的目的， d o f 进行以下分类，如表格2 1 所示： 表2 - 1 零件自由度d o f 的分类 d o f 类型：类型解释： l i nn 沿轴n 运动 r o tn绕轴n 旋转 c l rn做圆周运动，其中轴n 经过该圆心的法向量 p l a n e _ n 沿平面运动 c y l _ n 沿圆柱面运动 s p h _ n 沿球面运动 零件的d o f 可理解为该零件相对与之配合零件的相对d o f ，即在配合局部坐 标系下的d o f 。为了能更好地与其他配合件的d o f 相兼容，上述d o f 也存在一定 的转换关系【3 4 1 。例如，p l a n ez a 可以转化为在平面z 。上，沿着两个相互垂直的l i nx ， l i n 诲动。若引入新的d o f 为p l a n ez b ，则剩余的d o f 为p l a i l ez a 与p l a n ez b 交集。 需要注意的是，只有平面z 。和z b 存在关联关系才有意义。例如，c i r c l en 是p l a n e a 和c y ! n ( 或者s p hn ) 相交的结果。若 与相交，如果。和同轴，则新 r o tz ar o tz bz z b 的d o f 为r o tz 。或者r o tz b 。由于简化规则不是本文重点，本文不对简化规则做进 一步的说明与介绍，图2 5 给出常见的空间位置关系与自由度的关系。 1 2 # 京电大学硬学位* 女 警坠龟 ( a ) 对齐( a l i g n ) p i ： t i u _ z ：r o t _ z p 2 ： l l n _ z ：r o t _ z ( b ) 贴台( a g a h a s t ) p i ： p l a n ez ：r o t _ x , r o t _ z p 2 ： c y l _ x ：l i n ev , r o tz ) ( c ) 夹角( a n g l e ) p i ： p h n ez ：l i nz , r o u z p 2 ： # a a e _ z * ：l i n _ z * , r o tz 釜誓簟_ 幽 ( d ) 平行偏移( p a r a l - o f f s e t )( e ) 夹角偏移( a 吐鼬日b d ) p i ：( p l a n e _ z ：r o t _ z ) p l ：( p l a n e _ z ：r o t _ z j ) p 2 ：( p l a n c _ z ：m l z ) p 2 ：( p l a n e z ：r o t _ z 3 ) 囤2 - 5 空间位王与d o f 关系示意圉 设计人员通过设定空间位置关系来把组件组成装配体，由此也可推出各个组 件的d o f 。每一个空间关系可以看作对特征d o f 的限制，即任何零件只能沿着空 间关系允许的自由度的方向运动。在用三维c a d 软件进行产品建模过程中，通 过提取设计者给定的装配件空间位置关系，进一步确定该装配件间 拘d o f 。 通过进一步分析可以得出，装配间的空间位置关系本质上都能够归结为点、 线、面之问的关系，本文将上述关系分为以下6 类： ( i ) 直线边与直线边的位置关系： 贴台a g i a n s t ( m a t e ) 对齐a l i g n 夹角a n g l e 平行p a r a l l e l 垂直p e r p e n d i c u l a r 共线c o l i n e a r 偏移o 堆e t ( 距离d i s t a n c e ) ( 2 ) 直线边与平面的位置关系： 平行p a r a l l e l 夹角a n e j e 垂直p e c p c n d i c u l a r 偏移o f f s e t 北京邮电大学硕士学位论文 ( 3 ) 平面与平面的位置关系： 贴合a g a i n s t 对齐a l i g n 平行p a r a l l e l 夹s a n g l e 垂直p e r p e n d i c u l a r 偏移o f f s e t ( 4 ) 旋转面与旋转面的位置关系： 共轴c o n c e n t r i c 相切( 轴线平行或垂直) t a n g e n t 平行p a r a l l e l ( 5 ) 直线与柱面的位置关系： 平行p a r a l l e l 重合( 直线和轴线重合) c o i n c i d e n t 夹