基于CATIA知识工程的标准件智能化设计

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0 引言

对市场需求的快速响应已成为制造业者生存发展的重要因素之一，传统的参数化标准件库已不能适应产品快速变型设计的要求，其调用装配过程繁琐，且不具备随关联部件自动变换型号的能力。将知识工程理论引入标准件的设计可以很好地解决这些问题，实现标准件的智能化设计。
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+ L7 _1 i# F( J. A- c& H9 l/ d1  CATIA知识工程的特点

所谓知识工程，其核心就是将有关的学科知识、相关设计标准及规范、设计参数选择规律、设计历史资料等建成知识库并嵌人到设计软件中，通过逻辑判断和推理，实现产品的智能化设计。

在CATIA软件中，知识工程原理通过知识工程模块(Knowledge ware)和嵌人各模块的知识工程语言包(Knowledge Language Packages)来体现。其核心是知识工程语言(EKL)，分4个等级，由低到高分别是数学工程语言(M-EKL )、核心工程语言(C-EKL)、高级工程语言(A-EKI.)和扩展工程语言(X-EKL) o前3类语言一般应用在公式、设计表、规则、检查、行为等知识工程工具中，而X-EKI.一般是在用户二次开发知识工程语言中应用.
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: t6 {& }. d( Q# A2 标准件智能化设计的实现方法
# N* }: q2 Y1 B+ |# x2 c* x由于标准件拥有严格的设计标准和明确的选择规律，完全符合应用知识工程原理的条件，因此如果将这些规律建成知识库嵌人其三维模型中，形成智能化的标准件库，再应用基于模板的二次开发技术开发应用于标准件库模板的界面，就可达到标准件设计智能化、自动化之目的。
2. 1 建立智能化标准件库模板
: L# W) Q* @3 z# \2 s& D# b% E" R8 F智能化标准件库是以功能套件为基本单元构成，套件的各组成零件由知识库驱动，并利用知识库定义套件的外部引用接口。以紧固件中的螺栓连接为例，它的功能套件是不同形式的螺栓、螺母、垫片组合的装配体模型。这些套件中包含了以设计标准构建的驱动零件尺寸的知识库和以选择规则编写的驱动套件外部接口的知识库。
! m+ _/ J% S- }! I" C/ N建立智能化的标准件库模板一般要遵从以下几个步骤:①根据国家标准明确功能套件的组成零件，将各零件参数化，并根据设计标准来建立驱动零件模型的数据表(Design Table)，将各组成零件模型装配成套件模型，并参数化装配约束关系，这一步要利用CATIA知识工程中的公式(Formula )和设计表(Design Table)工具，主要实现语言是数学工程语言(M-EKL)和核心工程语言(C-EK L );②依据设计标准，建立驱动零件参数表的知识库，其功能是将装配参数与零件参数联系起来，达到以装配参数驱动零件参数表的目的，这里依据功能套件所包含的知识容量不同，在CAT1A中用多种手段来表达这些规律，如规则(Rule )、检查( Check )、反应(Reactions )、动作(Actions)以及VBA脚本，此处将会使用到CATIA的高级工程语言(A-EKL) ;③通过分析选择规律，建立功能套件的选择规则知识库，其作用是由选择规则和外部关联元素来驱动装配参数，这一步对于标准件来说十分关键，因为标准件的参数变化都是离散的，只有建立好了选择这些离散数值的知识库，才能保证标准件模型能随产品模型自动变型，此知识库的建立将可能使用CATI A知识工程的所有手段。
2. 2 建立标准件库模板的自动应用界面
% n8 y' g' @# N: q5 e传统的CAD二次开发是利用API函数的开发来完成构造特殊三维几何模型功能的程序。而随着知识工程引人到CAD中，构造特殊三维模型的工作完全能够通过知识工程工具直观、高效地完成。因此，标准件智能化设计二次开发的重点是解决人机界面设计和标准件库模板调用的自动化问题。
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(1)其目标是建立友好的人机界面，使其能基于标准件库智能化的接口传递相应参数，不仅指数值参数，也包括点、线、面等参考
4 x2 C. }7 u& y. s9 D! O$ V(2)分析套件的装配关系可知，夹紧长度l和螺纹规格d是套件的主要装配参数。依据设计标准，由l和d建立驱动零件的形状参数表的知识库，并应用公式(Formula)工具参数化各零件的约束关系，建立参数化的装配模型。
(3)根据国标规定的l与螺栓公称长度l、安装孔直径D与d的关系表，利用规则(Rule)工具建立选择规则知识库，以使装配模型能根据外部条件自动选择合乎标准的零件，型号选择规则流程图见图2。

3 r+ F% Y- a' B9 s! b(4)建立智能化库文件的应用界面。通过分析实际应用环境，选择两个安装面和安装孔特征作为输人条件输人给应用界面程序。程序再将螺栓连接智能化库的套件实例化到应用环境，并将定位参数和驱动参几何元素)，并且能够尽量利用程序自动获取这些存在于调用环境里的参数。在实现过程中，关键要注意应用环境与标准件库之间的关系，必须根据应用环境设计产生参数的算法，以满足自动调用标准件库的需要。在CATIA中，可以利用VB或是CAA开发工具，通过扩展工程语言(X-EKI.)实现这些算法.
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3 应用实例
以钢结构用高强度大六角头螺栓联接智能化设计为例，简单说明应用上述方法实现标准件智能化设计的过程.
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(1)根据国标(GB-T 1228.GB-T 1229,GB-T1230,GB-T 1231)和使用情况可将该库划分为两个套件构成，一个套件是在螺栓头端与螺母端都加垫圈的安装方案，另一个是只在螺母端加垫圈的安装方案。将螺栓、螺母、垫圈由国标数据参数化并与设计表相关联，三维模型与部分设计表见图l.数传递给实例化后的三维模型。该模型再通过自带的选择规则知识库和驱动零件参数表知识库自动判断输人的参数条件，变型为适合安装环境的标准件型号.智能化螺栓联接库的应用结果见图3。
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5 r  J) b) b. S) z+ m8 Z一个智能化的螺栓联接库就此建立。应用此标准件库，可在友好的界面下快速地完成连接螺栓的智能化设计，并且实例化到应用环境中的螺栓连接套件会随关联部件的变化而自动变换型号。
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8 \+ E, V' }1 b# K; ?- p! z. x4 结论
研究了基于知识工程的标准件智能化设计方法，总结出标准件智能化设计的一般步骤，并以钢结构用高强度大六角头螺栓联接智能化设计为例，利用CATIA的知识工程语言实现了一个标准件库的智能化设计。这种基于知识工程的智能化设计是解决产品快速变型设计的有效手段，不仅能在标准件设计中应用，在其它存在规范和标准的机械产品设计中也值得尝试。