基于本體的裝配公差值的自動(dòng)分配

夏雪 劉博

摘 要：為進(jìn)一步減少產(chǎn)品設(shè)計(jì)的不確定性，解決公差信息在異構(gòu)系統(tǒng)之間難以有效共享和順暢傳遞的問題，提出基于本體的裝配公差值的自動(dòng)分配方法。通過提取裝配公差分配過程中涉及的概念、關(guān)系、約束條件及分配經(jīng)驗(yàn)，采用七步法構(gòu)建裝配公差分配元本體。在此基礎(chǔ)上，采用網(wǎng)絡(luò)本體語言定義提取出的概念和關(guān)系，并采用語義網(wǎng)規(guī)則語言定義提取出的約束條件和分配經(jīng)驗(yàn)。通過將基于網(wǎng)絡(luò)本體語言的結(jié)構(gòu)化知識(shí)轉(zhuǎn)換成Jess事實(shí)，及將基于語義網(wǎng)規(guī)則語言的約束化知識(shí)轉(zhuǎn)換成Jess規(guī)則，在Jess推理引擎的基礎(chǔ)上構(gòu)建裝配公差分配知識(shí)庫系統(tǒng)。基于構(gòu)建的知識(shí)庫系統(tǒng)，開發(fā)裝配公差值的自動(dòng)分配原型系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)裝配公差值的自動(dòng)分配方法。

關(guān)鍵詞：裝配公差值；自動(dòng)分配；本體；知識(shí)庫系統(tǒng)

引言

為進(jìn)一步減少產(chǎn)品設(shè)計(jì)的不確定性，解決裝配公差信息在異構(gòu)系統(tǒng)之間難以有效共享和順暢傳遞的問題。本課題組已在裝配公差信息表示模型、基于本體的裝配公差類型的自動(dòng)生成及尺寸公差與形位公差的混合優(yōu)化分配等方面開展了研究工作。在前期工作的基礎(chǔ)上，文章將本體技術(shù)引入到對(duì)裝配公差值的自動(dòng)分配的研究中，構(gòu)建裝配公差分配元本體及知識(shí)庫系統(tǒng)，開發(fā)裝配公差分配原型系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)裝配公差值的自動(dòng)分配方法。

1 裝配公差分配概述

在機(jī)器裝配或零件加工過程中，由相互連接的尺寸形成的封閉尺寸組，稱為尺寸鏈。列入尺寸鏈中的每一個(gè)尺寸都稱為環(huán)，尺寸鏈中主要有以下幾類環(huán)：（1）封閉環(huán)；（2）組成環(huán)。全部組成環(huán)為不同零件設(shè)計(jì)尺寸時(shí)所形成的尺寸鏈稱為裝配尺寸鏈，其特點(diǎn)是尺寸鏈中的各個(gè)尺寸來自不同零件，它能表現(xiàn)出零件與零件之間的相互關(guān)系。

當(dāng)前常用的公差分配方法主要有六種：（1）等公差法；（2）等精度法；（3）相等影響法；（4）成比例影響法；（5）等工序能力法；（6）優(yōu)化分配法。在滿足封閉環(huán)精度要求的情況下分配的公差值使制造成本為最低的公差分配方法。

2 裝配公差分配元本體

元本體是特定概念（類）和這些概念之間的關(guān)系（屬性）的有限集合。裝配公差分配元本體模型即采用基于本體的方法定義裝配公差分配所需的概念和關(guān)系的元模型。文章采用七步法來構(gòu)建裝配公差分配元本體，構(gòu)建步驟如下：（1）確定本體的應(yīng)用領(lǐng)域；（2）考慮重用現(xiàn)有的本體；（3）列出本體中的重要術(shù)語；（4）定義類與類之間的層次關(guān)系；（5）定義屬性；（6）定義屬性的限制；（7）創(chuàng)建類的實(shí)例。至此，裝配公差分配元本體在理論上已構(gòu)建完畢，所構(gòu)建的元本體模型如圖1所示。

圖1 裝配公差分配元本體模型

3 裝配公差值的自動(dòng)分配

3.1 裝配公差分配知識(shí)庫系統(tǒng)

為了構(gòu)建裝配公差分配知識(shí)庫系統(tǒng)，首先應(yīng)在計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)裝配公差分配元本體，采用當(dāng)前最為常用的本體編輯工具Protégé來實(shí)現(xiàn)構(gòu)建的元本體。在Protégé-OWL所構(gòu)建的OWL類和OWL屬性的基礎(chǔ)上，裝配公差分配過程中涉及的約束條件及分配經(jīng)驗(yàn)均可用SWRL來表示。

由于SWRL是一種獨(dú)立于所有推理引擎的規(guī)則描述語言，故若要在計(jì)算機(jī)中真正使用定義的SWRL規(guī)則進(jìn)行推理，則需要將基于OWL的結(jié)構(gòu)化知識(shí)及基于SWRL的約束化知識(shí)轉(zhuǎn)換為某種推理引擎所能識(shí)別和處理的規(guī)則。為此，Jess推理引擎被應(yīng)用于裝配公差值的自動(dòng)分配過程中的推理。基于Jess推理引擎，可設(shè)計(jì)出裝配公差分配知識(shí)庫系統(tǒng)的底層框架（見圖2）。在設(shè)計(jì)的知識(shí)庫系統(tǒng)中，裝配公差分配專家知識(shí)生成引擎由以下三大模塊組成：OWL2JESS轉(zhuǎn)換器、SWRL2JESS轉(zhuǎn)換器及Jess推理引擎。通過事實(shí)庫中的事實(shí)與規(guī)則庫中相應(yīng)規(guī)則的前件的匹配，Jess推理機(jī)完成推理并生成相應(yīng)的專家知識(shí)。為了采用Jess推理引擎推理生成裝配公差分配專家知識(shí)，基于OWL的結(jié)構(gòu)化知識(shí)和基于SWRL的約束化知識(shí)必須分別轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的Jess事實(shí)和Jess規(guī)則，這些轉(zhuǎn)換工作分別由圖2中的OWL2JESS轉(zhuǎn)換器和SWRL2JESS轉(zhuǎn)換器來完成。

圖2 裝配公差分配知識(shí)庫系統(tǒng)

3.2 裝配公差分配原型系統(tǒng)

裝配公差分配原型系統(tǒng)主要由裝配公差分配知識(shí)庫系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、數(shù)學(xué)庫及Java應(yīng)用程序四個(gè)模塊組成，其中Java應(yīng)用程序模塊是系統(tǒng)的核心模塊，它是其余三個(gè)模塊與用戶交互的樞紐。知識(shí)庫系統(tǒng)主要有兩個(gè)作用：一是基于產(chǎn)品本體與用戶要求，以SWRL規(guī)則庫中包含的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)為依據(jù)，推理出用于該產(chǎn)品的公差分配專家知識(shí)；二是判斷公差分配的結(jié)果是否符合約束條件，如果不滿足知識(shí)庫中的SWRL約束條件，將會(huì)被視為無效結(jié)果且不寫入本體庫中。Java應(yīng)用程序通過OWL API讀取和寫入知識(shí)庫中的知識(shí)。數(shù)據(jù)庫主要用于存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)公差、基本偏差、公差帶及配合等數(shù)據(jù)，Java應(yīng)用程序通過JDBC API訪問數(shù)據(jù)庫。數(shù)學(xué)庫是裝配公差分配方法的集合，基中包含了所有常用的公差分配方法。

3.3 裝配公差值的自動(dòng)分配方法

基于開發(fā)的裝配公差分配原型系統(tǒng)，可設(shè)計(jì)裝配公差值的自動(dòng)分配方法，方法主要包含如下步驟：

Step1構(gòu)建產(chǎn)品的3D裝配模型。根據(jù)產(chǎn)品的功能要求及各零件的理想尺寸，使用SolidWorks構(gòu)建出產(chǎn)品的3D裝配模型。

Step2提取產(chǎn)品的裝配尺寸鏈。應(yīng)用Java應(yīng)用程序的裝配尺寸鏈提取模塊提取裝配體的裝配尺寸鏈。

Step3建立實(shí)例斷言。利用OWL API分別為裝配尺寸鏈信息與產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求建立實(shí)例斷言。

Step4構(gòu)建裝配公差分配規(guī)則。根據(jù)第1章中的約束條件和分配經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)建SWRL約束規(guī)則。

Step5確定裝配公差分配專家知識(shí)。在Java應(yīng)用程序中建立Jess推理機(jī)實(shí)例，將用戶對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求及裝配尺寸鏈信息讀入推理機(jī)進(jìn)行推理，生成公差分配專家知識(shí)。

Step6確定各組成環(huán)公差。基于step5所生成的裝配公差分配專家知識(shí)，采用數(shù)學(xué)庫中適合的公差分配方法進(jìn)行公差分配。在分配過程中對(duì)加工難度較大的尺寸給予更寬裕的公差，最終將分配結(jié)果寫入本體庫。

基于以上步驟，可實(shí)現(xiàn)裝配公差值的自動(dòng)分配，其流程如圖3所示。

4 結(jié)束語

提出了基于本體的裝配公差值的自動(dòng)分配方法，與常規(guī)的裝配公差分配方法相比，提出的方法中的所有步驟都是由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成，從而減少了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的不確定性；此外，采用本體表示裝配公差分配過程中涉及的知識(shí)，使得這些知識(shí)都能存儲(chǔ)在同一個(gè)OWL文件中，所有異構(gòu)系統(tǒng)訪問時(shí)只需支持訪問OWL文件的接口，從而有助于公差信息在異構(gòu)系統(tǒng)之間有效地共享和順暢地傳遞。基于本體研究裝配公差設(shè)計(jì)，并開發(fā)相應(yīng)的裝配公差設(shè)計(jì)軟件，是進(jìn)一步需要開展的研究工作。

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