知识工程在CAD中的应用

知识工程在CAD中的应用赵利陈志英（北京航空航天大学能源与动力工程学院航空推进系北京100083）摘要：知识工程与CAD技术的结合已成为先进制造与自动化技术研究的热点。UG/KF是介于CAD技术和知识工程KBE技术之间新出现的边缘技术。本文用UG/KF为工具开发了航空发动机敷管系统，并给出了实例验证了该方法的实用性和操纵性。关键词：知识工程知识融合管路敷设中图分类号：V233.2+4文献标示码：ATheApplicationofKnowledge-basedEngineeringinCADZhaoLi,ChenZhi-ying(SchoolofJetPropulsion,BeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Beijing,100083,China)Abstract:Nowadays,thecombinationofknowledge-basedengineering(KBE)andCADisafocusedproblemonthefiledofadvancedmanufacturing.UG/KFisanewtechnologybetweenCADandKBE.ThispaperdevelopsthePipingSystemofaeroenginewithUG/KF,andgivesanexampletoverifyitspracticalityandusability.Keywords:knowledge-basedengineeringknowledgefusionpipe-laying1．引言参数化设计方法是CAD系统所采用的关键技术之一,能否实现参数化已成为评价CAD系统优劣的重要技术指标。目前,商用CAD软件多采用特征参数化设计方法,通过零件族等方式来参数化特征的形状与尺寸,同时影响与之发生联系的特征,从而得到不同的零件模型。但是,参数化技术要求全约束,约束方程的建立和求解依赖特征构建的顺序,参数求解只能顺序求解,这样导致零部件不能随心所欲地构建和拆卸;此外,对于复杂零件,参数化所需的某些尺寸与约束可能暂时难以确定,工程参数如质量、载荷、力等设计参数也不能直接约束管理,给工程实际应用中带来很大的局限性。因此,在参数化方法的基础上,提出了变量化设计方法。变量化设计方法允许在欠约束的条件下进行几何设计,且不需考虑约束设置的顺序,具有更好的灵活性和自由度;而且参数通过联立求解几何约束和工程约束方程组来获得,因而功能更为强大。但是,变量化设计方法往往涉及到大型非线性方程组的求解,其求解的效率和稳定性不如参数化设计。以几何模型为主的CAD系统无法将工程领域的设计原理、工程知识、同类设计及专家经验等融入几何模型中去。因此,无法实现领域知识的重复利用，设计工程师仍需进行大量的重复性设计工作，无法集中精力和时间进行创新工作。通过对参数化和变量化设计方法的研究,将知识工程的概念引入航空发动机管路敷设的参数化设计中,运用知识工程强大的工程处理能力,实现对管路特征参数的知识驱动,并结合特征造型理论与工程数据库技术,从而实现管路的智能参数化设计。2．知识工程KBE技术知识工程是一种存储并处理与产品模型有关的知识，且基于产品模型的计算机软件系统。其技术内涵可总结为：①知识工程是关于设计、制造等的处理过程；②知识工程是领域专家知识的总结和集成的过程；③知识工程是CAD/CAM/CAE技术与AI技术的综合与集成过程。从本质看，知识工程的目的是“技术再利用”，即将知识创造性地应用到一个工业产品的设计开发及生产制造过程中，充份利用各种实践经验、专家知识及其有关的信息，产生以知识驱动为基础的工程设计新思路。这些“知识”可能以很多种形式存在，如：①电子计算表格(Spreadsheets)；②手册；③工程计算公式；④专用软件；⑤设计人员的主观判断和经验。知识工程的意图是构建工程自动化系统。当解决方案需要产品配置(Configuration)、工程演算(Engineering)、几何模型构建(Geometry)三方面组合起来时，知识工程就是最有效的方案。在知识工程中，知识是驱动力，几何模型构建是由产品配置和工程演算规则驱动的。3.KBE与其它设计系统的比较2.1KBE与CAD系统的比较当前KBE系统与通用CAD系统的差别主要集中在领域知识的运用上。传统CAD系统的对象是纯粹的几何实体，对其进行建模和几何处理，对象之间的关系也只是几何体之间的装配关系。而KBE的知识可以随时更新、补充和维护，并能够把CAD系统中的几何模型引入KBE系统中作为产品对象，进行参数传递。因此，KBE优越于CAD就在于它能够将成熟的设计经验直接固化于系统中，从而使设计师把更多的精力放在产品设计上，而非几何模型的处理上。图1说明传统CAD系统与具有知识融合CAD系统的比较，在传统的CAD建模系统中，以人为的工程知识决定模型的几何尺寸，其已完成的CAD模型需进行设计变更时，无法再次直接将设计阶段的工程知识应用于决定几何模型尺寸是否满足工程需求，其工程知识与CAD模型间有一不可跨越的围墙。但应用具有知识融合的CAD系统，其模型几何尺寸是直接由工程规则所驱动，因此于设计变更的阶段仍可将“知识再利用”，快速完成工作。图1传统CAD与UG/KF的比较3.2KBE与专家系统的比较①专家系统一般只解决某一领域的知识，而知识系统是多领域知识的集成化；②专家系统要求存在统一的知识表示语言，而知识系统从追求效果的目的出发，有多种表达方式拓宽了专家系统的应用范围；③专家系统一般不具备能力，只能用放在系统中的知识解决问题，而无法满足创新的需要，知识工程可自我更新积累，从而扩宽了获取知识的途径。面对知识工程的广泛应用前景，国外著名的CAD、CAM系统开发商,如EDS(Unigraphics)、Dassault(CATIA)等均开展基于知识的工程设计系统的开发，主要在于建立基于产品的几何和非几何特征模型，使工程师在设计时能得到基于产品领域知识的帮助,从而提高产品的设计和创新能力。其中Unigraphics集成了Intent语言,并在几何处理方面加以拓展，推出知识熔接模块UG\KF，是当前较为活跃的知识工程系统开发工具。用户可利用UG\KF创建、获取和重用知识规则，从而驱动几何体的生成。4．基于知识工程的航空发动机敷管系统本文以建立“基于知识的航空发动机敷管系统”为例，基于UG平台，通过KBE在UG中的集成——知识熔接技术（knowledgefusion,简称KF）来实现对管路的知识驱动。4.1管路敷设规则结合国军标中对管路敷设的基本要求，以及对航空发动机生产厂的调查研究情况，我们得出了以下几条在管路敷设过程中需要遵守的规则：1.管路敷设国军标规定导管接嘴处不能直接弯管，需要有一直线段，该直线段长度为2倍弯曲半径。传统的CAD系统执行工程知识规则人为工程知识驱动几何尺寸CAD几何模型建模执行CAD建模历史过程CAD模型判断模型完成满意不满意NX知识融合（knowledgefusion)CAD系统执行工程知识规则CAD几何模型建构执行CAD建模历史过程CAD模型完成判断模型满意不满意2.粗管不易弯曲，尽量走直，少拐弯，以减轻重量，减少流体损失。3.同一批次任务中先敷粗管，后敷细管。细管沿着粗管敷设，并用卡箍固定在粗管上。4.导管敷设尽量紧凑，管路应成束敷设。5.为了便于管路固定和外形美观，管路应尽可能地沿发动机的轴向和周向敷设。6.交叉的导管应分布在不同的空间层，周向导管应该更靠近机匣。7.周向路径用单段的直线组合来代替光滑的圆弧线，直线的长度为4倍的最小弯曲半径。8.所有管路在敷设时，尽量做到由内层向外层敷设。9.敷管时，要防止大管径的导管成交叉敷设。10.尽量先敷设管路密集区域。4.2系统基本架构发动机敷管系统以推理机为核心，构建于UG/KF基础上的推理机完美地与原有的UG三维造型系统结合在一起，用户通过人机交互接口和数据输入输出接口引导系统进行设计。知识库系统包括实例库、规则库、数据库。图2为管路敷设系统结构图。图2管路敷设系统结构图其中，实例库存放着以往设计中成功的设计案例，用户可以参考以往的设计结构，为新的设计提供灵感；规则库则是对管路设计的KF语言描述，用于驱动管路的各控制参数；数据库存放各种设计过程所需的数据，包括有关的设计手册、产品标准和企业规范。系统通过知识库管理系统与其它模块相连，从而实现知识的重用或扩充。4.3敷管系统的实现敷管设计系统采用UG传统的用户可视化界面，用户通过在下拉菜单中选择管路不同的输出和输入接口，通过输入的设计要求和工程参数来确定管路的几何参数，其整个设计流程如图3所示：用户人机交互接口数据输入输出接口推理机CAD应用系统知识库管理系统知识获取实例库规则库数据库1图3管路敷设系统设计流程图最终得到的管路模型可以作为设计实例动态地添加到知识库中，对知识库进行扩充和更新，以备下次设计和维护时再利用。图4显示了最终生成的管路模型。图4航空发动机管路模型5．结论知识工程实现了工程设计与CAD系统的无缝连接，业已成为未来CAD技术与先进制造业技术发展的核心。它可以很好地继承各种专家知识和经验，增加非几何的工程设计能力，实现通过修改规则来直接影响几何模型。本文基于知识熔接技术，实现了通过知识和规则直接生成管路模型，提高了设计效率。参考文献[1]刘华春，黄亚宇.基于KBE的齿轮减速器CAD设计研究[J].机械研究与应用，2005，18（5）：101—102.[2]UnigraphicsSolutionsInc.王刚译.UG知识熔接技术培训教程[M].北京：清华大学出版社，2000.[3]航空发动机管路系统通用技术要求，中华人民共和国国家军用标准，GB3816—99.输入机匣几何尺寸数据生成发动机电子样机创建机匣附件和管路管接头输入管路起点、终点坐标生成管路路径沿路径生成管路进行干涉检查设计定型删除管路和路径合格不合格[4]张玥，陈东帆.UGKF和UGMoldWizard在非球面镜片上的应用[J].机电产品开发与创新，2006，19（2）：77—79.[5]董正卫，田力中，付宜利.UG/OPENAPI编程基础[M].北京：清华大学出版社，2002.[6]景旭，李莉敏，唐文献.基于UG/KDA的广义知识库系统的研究与实现[J].计算机工程，2003，29（4）：124-126.注：本文的研究没有基金资助作者简介赵利（1980.12-），男，硕士生。研究方向：航空发动机结构设计、CAD和并行工程。陈志英（1960-），男，教授，博士。联系信息地址：北京市海淀区学院路37号北京航空航天大学北配电楼403室单位：北京航空航天大学能源与动力工程学院航空推进系邮政编码：100083固定电话：[phone]手机：[phone]E-mail:[e-mail]