KBE技術(shù)在UG中的應用

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

為了使設計者集中精力進行創(chuàng)新性工作,CAD系統(tǒng)應幫助設計者從重復性的工作中解脫出來,因此下一代的機械CAD系統(tǒng)應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計能力,盡可能地實現(xiàn)設計過程的自動化。這才是真正意義上的設計工具。

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,對整體設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)(從概念設計、結(jié)構(gòu)設計、詳細設計到工藝設計和數(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)域設計原理和知識、同類設計以及專家經(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,設計者仍然需要進行大量的重復性設計工作。在產(chǎn)品設計初期,這種情況影響了設計者的創(chuàng)新性工作。

為了使設計者集中精力進行創(chuàng)新性工作,CAD系統(tǒng)應幫助設計者從重復性的工作中解脫出來,因此下一代的機械CAD系統(tǒng)應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計能力,盡可能地實現(xiàn)設計過程的自動化。這才是真正意義上的設計工具。人類專家進行設計的過程取決于專家對知識的掌握、處理和應用,沒有知識就無法進行分析、判斷和決策,因此設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,如設計原理的體現(xiàn)、約束是否沖突、如何在設計階段進行產(chǎn)品估價、設計制造是否可行以及設計的最終產(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大學認為KBE是一種設計方法學,將與下一代CAD技術(shù)緊密結(jié)合。它使用啟發(fā)式的設計規(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)品如何設計、分析和制造的工程準則。

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)設計原則。要想從設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,這種行為對應于一定的輸入,可以引用各種形式的知識庫,并按照對應的邏輯條件產(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,當應用知識規(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)將重復的設計和工程任務自動化,縮短了產(chǎn)品開發(fā)時間,將設計、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)多學科優(yōu)化,并確切地進行可行性評估,應用標準和實踐經(jīng)驗來提高產(chǎn)品的質(zhì)量,對設計實踐、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、重復使用工程知識并用來驅(qū)動、建立、選擇和裝配相應的幾何模型的系統(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導航器(Knowledge Fusion Navigator)。用戶可利用導航器創(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 ,在預設置中指定boss.dfa文件的路徑。

(3) 在VIEW菜單下選擇Knowledge Fusion Navigation。KF導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)用其他應用程序。

四、結(jié)論

UG提供的知識驅(qū)動自動化模糊了設計、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準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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