基于本體幾何誤差提取方案的自動生成

黃美發 裴永琪 唐哲敏 劉振輝

1(桂林電子科技大學機電工程學院 廣西 桂林 541004) 2(廣西制造系統與先進制造技術重點實驗室 廣西 桂林 541004)

0 引 言

新一代產品幾何技術規范(Geometrical Product Specification,GPS)中,提取是用來獲得離散輪廓點以數字化表達零件表面輪廓特征,而提取方案影響提取點的位置分布[1],其規范選取是保證整個提取工程規范合理的重要基礎。然而,測量者往往根據自身經驗或通過查詢相關計量手冊來確定提取方案,其對工程圖樣上幾何公差語義的差異化理解將會導致測量方法的不統一、測量過程的不規范和測量結果的多樣性,新GPS標準難以在工程實際中得到有效體現。

從CAD系統中獲取零件的測量信息,對公差的工程語義統一規范化表達,讓語義信息被計算機讀取、理解、共享和推理,是解決設計信息和檢測信息不統一的重要途徑。針對公差的語義信息依然難以在異構CAD系統之間進行交換的問題,產品數據模型交換標準[2](Standard for the Exchange of Product model data,STEP)被廣泛應用,該方法采用的EXPRESS公差信息表示語言可以建立語法一致的公差信息表示模型,但無法顯式地表示公差信息的語義,也就無法滿足公差信息語義表示和交換的需求[3]。為滿足公差信息語義表示和交換的需求,本體技術被應用到計算機輔助公差規范設計中,通過建立一個層次式的公差規范信息表示模型,并以此為基礎設計一種基于本體的公差規范智能設計方法[4],實現公差信息上升到被計算機可識讀且可解釋的語義層面,為公差語義的交換奠定基礎。在基礎上,將本體技術應用于幾何誤差提取方案的自動生成,使產品模型中的工程語義信息被有效讀取和表達,最終實現誤差測量中提取方案的智能推理,保證計算機輔助公差檢測符合新GPS標準要求。

1 幾何誤差提取方案本體的構建

幾何誤差提取方案自動生成的前提是提取方案領域知識的信息化處理和表示。本體在信息共享、知識表示、語義互操作、智能推理方面具有突出優勢,是共享概念模型的形式化規范說明[5]。本文將本體技術運用到幾何誤差提取方案的自動生成中,通過構建幾何誤差提取方案本體,運用SWRL規則來建立相應的推理規則,利用Jess推理引擎,生成規范合理的幾何誤差提取方案。

1.1 獲取提取方案領域知識

根據新一代GPS規定的幾何誤差提取方案標準以及國內外學者的相關研究,該領域知識可概括如下:

(1) 基于CAD系統中零件圖樣標注,可以獲取零件幾何公差規范信息及幾何要素與幾何特征之間的依附關系信息[3],將幾何誤差提取方案信息表示模型表示為幾何公差規范層、幾何特征層和提取方案層。

(2) 零件標注信息中往往包含若干個幾何公差規范,一個幾何公差規范由被測要素、幾何公差類型、基準要素(若需要)及公差值四個主要部分組成[6]。點、線、面等幾何要素(簡稱“要素”)構成了零件的幾何特征[7],典型幾何要素有球心(Ball)、軸線(Axis)、素線(TessellationLine)、圓(Circle)、矩形平面(Orthogon)、圓形平面(RoundFlat)、圓柱面(CylSurface)、圓環面(Torus)等。

(3) 新一代GPS將零件幾何特征分為圓柱、球、平面、回轉體、棱柱、復合體、螺旋體[8]。任何一個零件都可視為由一個或幾個恒定類特征按照一定的約束構成,幾何要素與對應幾何特征存在依附關系[1]。

表1 恒定類與提取方案之間的映射關系

1.2 構建幾何誤差提取方案本體

在眾多構建本體的方法中,七步法應用最為廣泛,該方法包含三個重要的步驟,即定義類及其層次關系、定義屬性、定義屬性的限制[10]。其中,每個類表示一個概念,具有一定的層次關系;屬性表示個體之間的關系或者個體與數據類型之間的關系,有對象屬性和數據屬性兩種;屬性限制指定義屬性的定義域和值域。本體的構建需要合理的構建工具,斯坦福大學開發的本體構建工具Protégé可提供可視化的圖形界面和用戶交互的本體開發環境,能夠很好地定義類、屬性及其限制,具有很好的可擴展性[11]。本文采用七步法構建幾何誤差提取方案本體,選擇本體構建工具Protégé5.2編輯該本體,由于篇幅限制,這里只對其類、屬性及限制三個方面進行介紹。

(1) 定義類及其層次關系。根據上文所獲得的幾何誤差提取方案領域知識,將重要術語定義為類,構建類的層次關系,如圖1所示。其中:GTS表示幾何公差規范;TF表示被測要素;TT表示幾何公差類型(其子節點表示15種公差類型);TV表示公差值;Part表示零件;Datum表示基準(其子節點FD、SD、TD分別表示第一基準、第二基準、第三基準);GF表示幾何要素,其子節點分別為8種典型的幾何要素;GC表示幾何特征,其子節點為七個恒定類特征,Spherical表示球、Cylindrical表示圓柱、Planar表示平面、Helical表示螺旋體、Revolute表示回轉體、Complex表示復合體、Prismatic表示棱柱。

圖1 提取方案本體的類層次關系及其對象屬性

(2) 定義屬性。類及其層次關系定義結束,需要對類與類之間的關系進行定義,對象屬性及其層次關系如圖1所示。其中:hasGTS表示零件具有幾何公差規范;hasTF、hasTT、hasTV、hasDatum分別表示幾何公差規范具有被測要素、公差類型、公差值、基準;isTFof表示幾何要素屬于被測要素;isTFof表示幾何要素屬于基準要素;hasAR表示幾何要素與幾何特征之間具有的依附關系;hasES表示幾何要素與幾何特征選取的提取方案,其子節點hasBirdCage表示采用鳥籠法提取方案,其余10種提取方案表示類似。

(3) 定義屬性的限制。根據提取方案自動生成的需要,對象屬性的定義域和值域進行限制,如表2所示。

表2 對象屬性的定義域和值域

1.3 提取方案元本體模型

經過上文的研究,定義了幾何誤差提取方案本體中的類、屬性及其限制,并在此基礎上構建出幾何誤差提取方案元本體模型,如圖2所示。

圖2 幾何誤差提取方案元本體模型

本體描述語言OWL可以將元本體模型進行形式化表示,為后續數據實例化、智能推理等提供合理、一致的語言規范標準[12]。提取方案本體OWL文件中的部分代碼如下:

……

……

……

……

2 提取方案的自動生成

2.1 提取方案的生成規則

語義網絡規則語言(Semantic Web Rule Language,SWRL)具有很強的通用性能,能在Web本體語言(Web Ontology Language,OWL)的基礎上按照OWL類和屬性表示本體知識庫規則,具有很強的邏輯表達能力和智能推理能力[13]。SWRLTab是Protegé中的一個插件,運行于ProtégéOWL Plugin中,它遵循SWRL的所有語法,方便用戶在不同編輯環境下進行切換和規則編寫。因此,基于上文幾何要素與幾何特征之間的依附關系以及幾何特征與提取方案的映射關系,采用SWRL來表示幾何誤差提取方案的生成規則,在SWRLTab中進行編寫、調試,部分規則及其注釋如下:

R01-1: GF(?x)^ Spherical(?y)^ hasAR(?x,?y)->

hasOrthogonal(?x,?y);

表示幾何要素與球幾何特征存在依附關系時,對其可用矩形法;

R02-1: GF(?x)^ Cylindrical(?y)^ hasAR(?x,?y)->

hasBirdCage(?x,?y);

表示幾何要素與圓柱幾何特征存在依附關系時,對其可用鳥籠法。

其他規則表示類似,部分規則如圖3所示。

圖3 SWRLTab編輯界面建立的SWRL規則

2.2 提取方案的推理引擎

Jess推理引擎是一個采用Java語言編寫的腳本環境,具有強大的腳本語言能力,可為用戶提供所有的Java的API,而且非常小巧、靈活、運行快捷[11]。

基于SWRL規則進行幾何誤差提取方案的自動生成時,需要將建立的OWL本體化知識和SWRL規則映射成為Jess推理機可識別且可處理的形式[14]。經過OWL2Jess將OWL本體轉化為Jess事實,將SWRL規則經過SWRL2Jess轉化為Jess規則。例如,將2.1節中的OWL類FD的實例A轉換成如下Jess事實:

Jess facts

(assert (owl:Thing (name A)))

(assert (Datum (name A)))

(assert (FD (name A)))

將2.1節中SWRL規則R01-1轉換成如下Jess規則:

Jess rule

(defrule R01-1

(GF (name ?x)) Spherical (name ?y))

(hasAR ?x?y)

=>

(assert(R01-1_hasOrthogonal?x?y)))

綜上所述,本文采用Jess推理引擎對幾何誤差提取方案進行推理,基于Jess推理引擎,可設計出幾何誤差提取方案自動生成知識庫系統的底層框架,如圖4所示。

圖4 幾何誤差提取方案自動生成知識庫系統

2.3 提取方案的自動生成算法

基于本體的幾何誤差提取方案的自動生成,在實際工程應用中需要同其他技術方法結合起來使用,具體步驟如圖5所示。

圖5 基于本體的提取方案自動生成流程

(1) 構建零件模型,提取零件測量信息。在CAD系統中按照規范進行零件工程圖樣設計,并標注正確的尺寸和公差信息。然后,采用CAD二次開發技術從CAD軟件中提取零件所標注的幾何公差規范信息、幾何要素與幾何特征之間的依附關系信息。

(2) 構建表示零件幾何公差規范信息的斷言公集AGTS。根據提取到的零件幾何公差規范信息和定義的零件幾何公差規范矩陣MGTS[3],運用OWL斷言公式構建表示零件幾何公差規范信息的斷言公式集AGTS。

(3) 構建表示幾何要素與幾何特征依附關系的斷言公式集AAR。根據提取到的幾何要素與幾何特征依附關系信息和定義的依附關系矩陣MAR[3],運用OWL斷言公式構建表示幾何要素與幾何特征依附關系的斷言公式集AAR。

(4) 生成可選提取方案。以AGTS和AAR中的OWL斷言作為輸入,根據設計的幾何誤差提取方案本體知識庫系統和SWRL規則,在Jess推理機中進行推理,生成可選提取方案(記為集合ESC)。

3 實 例

為了說明基于本體的幾何誤差提取方案自動生成方法的可行性和高效性,以圖6所示的某零件圖為例。

圖6 UG NX10.0環境下某零件三維工程

(1) 構建零件模型,提取零件測量信息。在工程軟件UG NX10.0中構建該零件模型,采用UG二次開發工具UG/Open API[15],獲取所建立零件模型中的幾何公差規范信息、幾何要素信息、幾何特征信息,作為后續的數據基礎。

(2) 構建表示零件幾何公差規范信息的斷言公式集:AGTS={Part(p1),GTS(gts1),GTS(gts2),hasGTS(p1,gts1),hasGTS(p1,gts2),TF(tf1),Axis(gf1),isTFof(gf1,tf1),hasTF(gts1,tf1),Verticality(tt11),hasTT(gts1,tt11),RoundFlat(gf2),FD(A),isDFof(gf2,A),hasDatum(gts1,A),TV(t1),hasTV(gts1,t1),TF(tf2),hasTF(gts2,tf2),Circle(gf3),isTFof(gf3,tf2),Roundness(tt7),hasTT(gts2,tt7),TV(t2),hasTV(gts2,t2)},其中:p表示零件;gts表示幾何公差規范;gf表示幾何要素;tf表示被測要素;tt表示幾何公差類型;t表示公差值。

(3) 構建表示幾何要素與幾何特征依附關系的斷言公式集AAR={Planar(gc1),Cylindrical(gc2),Planar(gc3),Cylindrical(gc4),Planar(gc5),hasAR(gf1,gc2),hasAR(gf2,gc5),hasAR(gf3,gc3)},其中,gc表示幾何特征。

(4) 生成可選提取方案ESC,如圖7所示。

圖7 Protégé5.2環境下自動生成的提取方案

通過分析發現,該實例生成的幾何誤差提取方案與文獻[9]中對圓柱、圓、平面的提取方案選擇結果相一致,證明該推理結果符合相關研究和標準規范,說明本文方法具有可行性。提取方案的推理結果如圖8所示,成功將OWL本體和SWRL規則轉化為Jess所能識別的格式耗時857 ms,成功執行推理引擎耗時296 ms,并將推理結果轉換為OWL文件耗時30 ms,由此證明本文方法簡單、高效。

圖8 SWRLTab插件中幾何誤差提取方案推理結果

4 結 語

本文介紹一種基于本體的幾何誤差提取方案的自動生成方法,實現從CAD系統中獲取零件測量信息到其幾何誤差提取方案的自動生成,克服了過度依賴經驗造成的不確定性以及人工查詢帶來的效率低下問題,以實例驗證了本文方法的可行性、高效性,為指導新一代GPS標準在工程中的實際應用具有重要意義。在此研究基礎上,開發幾何誤差提取方案自動生成插件,實現與當今主流CAD系統和CAT(Computer Aided Testing)系統的集成,是接下來研究中需要開展的工作。