基于知识工程的参数化设计顾晓华,仲梁维(上海理工大学CAD中心,上海　200093)摘要:提出了一种基于知识工程的参数化设计方法,这种参数化设计方法通过为产品建立一个产品知识库,不仅能完成参数化设计的尺寸驱动和特征驱动,而且能实时地检验设计,提出设计建议,进行人机对话,是一种智能化CAD。

它将有效地方便我们在许多行业中进行产品设计,提高设计效率。

通过CA TIA知识工程顾问模块实现该参数化设计,并结合设计实例探讨这种参数化设计方法在产品设计中的应用情况。

关键词:CAD;CA TIA;知识工程;参数化设计中图分类号:TH12;TP391172 文献标识码:A 文章编号:1007-9483(2001)04-0017-02The Parametric Design Oriented to K now ledge B aseGU Xiao-hua,ZHON G Liang-wei(Shanghai University of Science&Technology,Shanghai,200093,China)Abstract:It discusses a kind of parametric design based on knowledge.By setting up a knowledge library for product,this method can realize the parametric and feature driving,design checking and advice.With this kind of intellectualized computer aided de2 sign,the product design in many fields may be convenient efficient.This method is realized by CA TIA Knowledge Advisor mod2 ule.The paper gives an example to explain its application.K ey w ords:CAD;CA TIA;Knowledge Engineering;Parametric Design CAD/CAM技术发展至今,已经历了二维绘图、线框模型、自由曲面造型、三维实体造型、特征造型等重要的发展阶段,其间又有参数化、变量化等辅助技术的出现。

参数化设计是CAD技术在实际设计应用中被提出来、并得到发展的、有着强大实用价值的技术。

知识工程是一门新兴的边缘学科,它以研究知识信息处理为主,并提供开发智能系统的技术,是人工智能、数据库技术、数理逻辑、认知科学、心理学等学科交叉发展的结果[1]。

本文探讨运用知识工程原理指导产品的参数化设计,将产品知识融于设计过程。

CA TIA知识工程顾问模块能让开发人员把产品的设计知识用知识工程原理表达出来,方便地指导设计人员完成产品创新,并体现最佳的设计实践,最终实现智能化CAD。

1　参数化设计和知识工程原理参数化设计不仅可以使CAD系统具有交互式绘图的功能,还可以使其具有自动绘图的功能。

利用参数化设计开发出来的专用的产品设计系统,可以使设计人员从大量繁琐的绘图工作中解脱出来,可以大大提高设计速度,并减少信息的存储量。

因而研究和提高参数化设计技术,是CAD技术应用领域内的一个重要的任务。

以往的参数化设计经常利用原有设计,提取一些主要的定形、定位或装配尺寸作为自定义变量,修改这些变量的同时由一些简单公式计算出并变动其它相关尺寸,即可得到所需的新的设计产品。

但是传统的参数化设计明显有以下不足。

(1)自定义变量只能驱动几何尺寸,即通过一些公式来修改零件的几何尺寸,而零件的形状已基本明确,即零件的特征基本给定,几乎不能改变。

(2)自定义变量之间相互独立,不便建立任何函数关系,也不便对每个变量做约束。

这使得当某些变量的修改量比较大时,某些特征出现严重变形,甚至使该特征和与它相关联的其它特征失去约束,出现悬空状态的特征,造成信息的丢失。

知识工程是人工智能在知识信息处理方面的发展,它主要研究如何由计算机表示知识,进行问题的智能求解。

知识工程的研究使人工智能的研究从理论转向了应用,从基于推理的模型转向基于知识的模型,是新一代计算机的重要理论基础。

它的根本目的是在研究知识的基础上,开发人工智能系统,补充和扩大大脑的功能,开创人机共同思考的时代。

知识表示、知识利用、知识获取构成了知识工程的基础[1]。

可以考虑在参数化设计中引入知识工程,结合特征造型理论,来弥补当前参数化设计的不足。

面向对象的技术已被深入应用于特征的描述,这使得特征本身已包含了参数化变动尺寸值所需的成员变量和成员函数,特征的尺寸值均可作为其变量,随时作适当改变。

在这个基础上,进一步使特征以及特征之间的依附关系能随一定的条件改变,即可实现参数化特征。

因而在产品设计过程中把涉及产品设计的所有信息集合起来,包括行业设计标准、产品的尺寸关联、尺寸约束、特征关联和工艺顺序等,组成一个产品的知识库。

由此可以采用以下办法来解决上述参数化设计的收稿日期:2001-03-16;修订日期:2001-05-21作者简介:顾晓华(1977-),男,江苏无锡人,上海理工大学在读研究生,主要从事机械CAD软件的应用研究与开发。

71・设计与研究・ 顾晓华　仲梁维　基于知识工程的参数化设计不足。

(1)建立产品的特征库和产品的特征关联、尺寸关联库。

由于一个特征是用一个对象来描述的,我们为特征设置一个属性Activity 。

当该属性值为true 时,该特征被激活;当该属性值为false 时,该特征隐藏,不出现在设计中。

这样我们就可以通过自定义变量值的范围、特征之间的依附关系等方法来确定某些特征是否被激活,是否出现在设计中。

这也就意味着在参数化设计过程中实现了特征驱动。

同时尺寸关联库的建立更能很好的组织和明确各特征的尺寸、特征间的位置关系。

这样产品的特征和尺寸的关联信息将更明确、清晰。

(2)引入一些校验。

有些变量在设计过程中有一定的范围限制或受一些标准的约束,有些变量与变量之间存在一定的函数约束关系。

可以把它们列出,定义好其范围或函数约束关系,并设置好相应的报错信息和推荐建议,组成一个设计检验库。

在参数化设计过程中,一旦有些变量的改变引起其它变量违反其允许值的范围,即违反了某一校验,则立即提示出相应的报错信息,同时给出一定的更正方案推荐给设计人员,设计人员可以及时修正设计。

设计人员也可以通过学习算法将好的设计经验写入设计检验库,或由设计检验库通过学习算法自动学习知识。

这一方法有效地增强了参数化设计的可靠性,并能积累优秀的设计经验,以扩充产品知识库,在设计时就能得到产品的最佳设计。

在建立产品数据库的基础上进行参数化设计的基本构架如图1所示。

这种基于产品知识的参数化设计把知识工程与参数化设计有机地结合起来,它用知识工程原理来组织产品数据,表达成产品的知识库。

它用较完整的面向对象的高级语言来描述特征,并在特征造型中使用参数化的同时,又利用结构化的高级语言参数化地变动尺寸和特征。

图1　基于知识的参数化设计示意图它不仅可以随时调整产品形状和尺寸,而且可以随时调整产品的结构和特征,同时实现尺寸驱动和特征驱动。

它又能实时地监督设计过程,检验设计是否符合要求,并提出适当的建议,与设计人员进行人机对话。

通过学习算法,设计人员可以不断丰富产品的知识库,更有助于未来的设计。

这样的参数化设计极大地方便了产品的修正和改良,对缩短产品设计周期、节省产品设计成本有着巨大的实际意义,从而使产品设计变得更加灵活、高效、智能。

拥有产品工艺库的产品知识库,则能进一步帮助和指导设计人员制定产品的工艺流程。

2　在CA TIA 知识工程顾问中实现参数化设计的方法CA TIA 是大型CAD/CAM 应用软件,已被广泛应用于航天、汽车等行业的设计中。

而CA TIA 知识工程顾问模块,就是一个基于知识工程的模块。

它能有效地把产品的知识库结合到产品的开发设计中去,能使设计人员在确保提高设计效率的同时,遵循最佳的设计实践。

CA TIA 知识工程顾问模块能将隐含的设计实践嵌入整个设计过程,并转化为明确的知识。

设计人员可以把在产品设计中涉及的行业设计标准、尺寸关联、尺寸约束、特征关联等信息,用CA TIA 知识工程顾问模块提供的公式(Formulas )、规则(Rules )和检查(Checks )等方法表达成模块化的面向对象的高级语言代码,其中Formulas 选项中可以通过函数公式表示待定变量与自定义变量和其它一些参数之间的关系,即借助函数公式驱动尺寸值。

Rules 选项可以通过编写程序代码,有条件地改变尺寸的值,有条件地激活或隐藏特征,从而实现尺寸驱动和特征驱动。

Checks 选项可以着重标明在校验过程中涉及的参数,从而方便地确认图2　CA TIA 知识工程模块实现参数化设计开发的简单流程图违反了哪一条行业设计标准或违反了哪一条设计约束,并立即提示设计人员出错,需修改设计。

若设计人员没有及时修改设计或修改仍未符合设计标准和设计约束,该检查将始终显示警示图标,直至设计人员修改符合校验条件。

这样CA TIA 知识工程顾问就使设计人员把产品设计中相关联的信息集成起来,有效地表达成为详细的知识,从而实现了包含尺寸驱动和特征驱动的参数化的产品开发。

在CA TIA V5R5中利用CA TIA 知识工程顾问模块实现开发设计的步骤如图2所示。

另外在CA TIA V5R5的知识工程顾问模块中设计应注意以下几点。

(1)特征树中,检查是否有Parameters 和Relations 两项,若没有则在Option 对话框中打开Tools →Options →Me 2chanical Design →Part Design →Display →Parameters 、Relations 和Tools →Options →G eneral →Parameters →Knowledge →With Value 、With Formula 。

(2)在Parameters 中添加变量应恰当。

在产品设计中,应根据实际的设计要求和产品结构选择那些对产品的结构、形状和装配位置等起决定作用的尺寸定义为变量,且数目不宜过多。

定义适当的变量后,产品的其它尺寸就可以由它们和其它相关参数之间的关系通过Formulas 确定出。

这样当修改一些变量时,系统立即自动根据与它们相关的函数公式计算出相应的尺寸值,并修改设计。

(3)在产品设计过程中,产品的知识被设计开发人员表达为编写在Formulas 、Rules 、Checks 中的代码语言。