基于本体几何误差提取方案的自动生成

黄美发 裴永琪 唐哲敏 刘振辉

1(桂林电子科技大学机电工程学院 广西 桂林 541004) 2(广西制造系统与先进制造技术重点实验室 广西 桂林 541004)

0 引 言

新一代产品几何技术规范(Geometrical Product Specification,GPS)中,提取是用来获得离散轮廓点以数字化表达零件表面轮廓特征,而提取方案影响提取点的位置分布[1],其规范选取是保证整个提取工程规范合理的重要基础。然而,测量者往往根据自身经验或通过查询相关计量手册来确定提取方案,其对工程图样上几何公差语义的差异化理解将会导致测量方法的不统一、测量过程的不规范和测量结果的多样性,新GPS标准难以在工程实际中得到有效体现。

从CAD系统中获取零件的测量信息,对公差的工程语义统一规范化表达,让语义信息被计算机读取、理解、共享和推理,是解决设计信息和检测信息不统一的重要途径。针对公差的语义信息依然难以在异构CAD系统之间进行交换的问题,产品数据模型交换标准[2](Standard for the Exchange of Product model data,STEP)被广泛应用,该方法采用的EXPRESS公差信息表示语言可以建立语法一致的公差信息表示模型,但无法显式地表示公差信息的语义,也就无法满足公差信息语义表示和交换的需求[3]。为满足公差信息语义表示和交换的需求,本体技术被应用到计算机辅助公差规范设计中,通过建立一个层次式的公差规范信息表示模型,并以此为基础设计一种基于本体的公差规范智能设计方法[4],实现公差信息上升到被计算机可识读且可解释的语义层面,为公差语义的交换奠定基础。在基础上,将本体技术应用于几何误差提取方案的自动生成,使产品模型中的工程语义信息被有效读取和表达,最终实现误差测量中提取方案的智能推理,保证计算机辅助公差检测符合新GPS标准要求。

1 几何误差提取方案本体的构建

几何误差提取方案自动生成的前提是提取方案领域知识的信息化处理和表示。本体在信息共享、知识表示、语义互操作、智能推理方面具有突出优势,是共享概念模型的形式化规范说明[5]。本文将本体技术运用到几何误差提取方案的自动生成中,通过构建几何误差提取方案本体,运用SWRL规则来建立相应的推理规则,利用Jess推理引擎,生成规范合理的几何误差提取方案。

1.1 获取提取方案领域知识

根据新一代GPS规定的几何误差提取方案标准以及国内外学者的相关研究,该领域知识可概括如下:

(1) 基于CAD系统中零件图样标注,可以获取零件几何公差规范信息及几何要素与几何特征之间的依附关系信息[3],将几何误差提取方案信息表示模型表示为几何公差规范层、几何特征层和提取方案层。

(2) 零件标注信息中往往包含若干个几何公差规范,一个几何公差规范由被测要素、几何公差类型、基准要素(若需要)及公差值四个主要部分组成[6]。点、线、面等几何要素(简称“要素”)构成了零件的几何特征[7],典型几何要素有球心(Ball)、轴线(Axis)、素线(TessellationLine)、圆(Circle)、矩形平面(Orthogon)、圆形平面(RoundFlat)、圆柱面(CylSurface)、圆环面(Torus)等。

(3) 新一代GPS将零件几何特征分为圆柱、球、平面、回转体、棱柱、复合体、螺旋体[8]。任何一个零件都可视为由一个或几个恒定类特征按照一定的约束构成,几何要素与对应几何特征存在依附关系[1]。

表1 恒定类与提取方案之间的映射关系

1.2 构建几何误差提取方案本体

在众多构建本体的方法中,七步法应用最为广泛,该方法包含三个重要的步骤,即定义类及其层次关系、定义属性、定义属性的限制[10]。其中,每个类表示一个概念,具有一定的层次关系;属性表示个体之间的关系或者个体与数据类型之间的关系,有对象属性和数据属性两种;属性限制指定义属性的定义域和值域。本体的构建需要合理的构建工具,斯坦福大学开发的本体构建工具Protégé可提供可视化的图形界面和用户交互的本体开发环境,能够很好地定义类、属性及其限制,具有很好的可扩展性[11]。本文采用七步法构建几何误差提取方案本体,选择本体构建工具Protégé5.2编辑该本体,由于篇幅限制,这里只对其类、属性及限制三个方面进行介绍。

(1) 定义类及其层次关系。根据上文所获得的几何误差提取方案领域知识,将重要术语定义为类,构建类的层次关系,如图1所示。其中:GTS表示几何公差规范;TF表示被测要素;TT表示几何公差类型(其子节点表示15种公差类型);TV表示公差值;Part表示零件;Datum表示基准(其子节点FD、SD、TD分别表示第一基准、第二基准、第三基准);GF表示几何要素,其子节点分别为8种典型的几何要素;GC表示几何特征,其子节点为七个恒定类特征,Spherical表示球、Cylindrical表示圆柱、Planar表示平面、Helical表示螺旋体、Revolute表示回转体、Complex表示复合体、Prismatic表示棱柱。

图1 提取方案本体的类层次关系及其对象属性

(2) 定义属性。类及其层次关系定义结束,需要对类与类之间的关系进行定义,对象属性及其层次关系如图1所示。其中:hasGTS表示零件具有几何公差规范;hasTF、hasTT、hasTV、hasDatum分别表示几何公差规范具有被测要素、公差类型、公差值、基准;isTFof表示几何要素属于被测要素;isTFof表示几何要素属于基准要素;hasAR表示几何要素与几何特征之间具有的依附关系;hasES表示几何要素与几何特征选取的提取方案,其子节点hasBirdCage表示采用鸟笼法提取方案,其余10种提取方案表示类似。

(3) 定义属性的限制。根据提取方案自动生成的需要,对象属性的定义域和值域进行限制,如表2所示。

表2 对象属性的定义域和值域

1.3 提取方案元本体模型

经过上文的研究,定义了几何误差提取方案本体中的类、属性及其限制,并在此基础上构建出几何误差提取方案元本体模型,如图2所示。

图2 几何误差提取方案元本体模型

本体描述语言OWL可以将元本体模型进行形式化表示,为后续数据实例化、智能推理等提供合理、一致的语言规范标准[12]。提取方案本体OWL文件中的部分代码如下:

……

……

……

……

2 提取方案的自动生成

2.1 提取方案的生成规则

语义网络规则语言(Semantic Web Rule Language,SWRL)具有很强的通用性能,能在Web本体语言(Web Ontology Language,OWL)的基础上按照OWL类和属性表示本体知识库规则,具有很强的逻辑表达能力和智能推理能力[13]。SWRLTab是Protegé中的一个插件,运行于ProtégéOWL Plugin中,它遵循SWRL的所有语法,方便用户在不同编辑环境下进行切换和规则编写。因此,基于上文几何要素与几何特征之间的依附关系以及几何特征与提取方案的映射关系,采用SWRL来表示几何误差提取方案的生成规则,在SWRLTab中进行编写、调试,部分规则及其注释如下:

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

hasOrthogonal(?x,?y);

表示几何要素与球几何特征存在依附关系时,对其可用矩形法;

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

hasBirdCage(?x,?y);

表示几何要素与圆柱几何特征存在依附关系时,对其可用鸟笼法。

其他规则表示类似,部分规则如图3所示。

图3 SWRLTab编辑界面建立的SWRL规则

2.2 提取方案的推理引擎

Jess推理引擎是一个采用Java语言编写的脚本环境,具有强大的脚本语言能力,可为用户提供所有的Java的API,而且非常小巧、灵活、运行快捷[11]。

基于SWRL规则进行几何误差提取方案的自动生成时,需要将建立的OWL本体化知识和SWRL规则映射成为Jess推理机可识别且可处理的形式[14]。经过OWL2Jess将OWL本体转化为Jess事实,将SWRL规则经过SWRL2Jess转化为Jess规则。例如,将2.1节中的OWL类FD的实例A转换成如下Jess事实:

Jess facts

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

(assert (Datum (name A)))

(assert (FD (name A)))

将2.1节中SWRL规则R01-1转换成如下Jess规则:

Jess rule

(defrule R01-1

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

(hasAR ?x?y)

=>

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

综上所述,本文采用Jess推理引擎对几何误差提取方案进行推理,基于Jess推理引擎,可设计出几何误差提取方案自动生成知识库系统的底层框架,如图4所示。

图4 几何误差提取方案自动生成知识库系统

2.3 提取方案的自动生成算法

基于本体的几何误差提取方案的自动生成,在实际工程应用中需要同其他技术方法结合起来使用,具体步骤如图5所示。

图5 基于本体的提取方案自动生成流程

(1) 构建零件模型,提取零件测量信息。在CAD系统中按照规范进行零件工程图样设计,并标注正确的尺寸和公差信息。然后,采用CAD二次开发技术从CAD软件中提取零件所标注的几何公差规范信息、几何要素与几何特征之间的依附关系信息。

(2) 构建表示零件几何公差规范信息的断言公集AGTS。根据提取到的零件几何公差规范信息和定义的零件几何公差规范矩阵MGTS[3],运用OWL断言公式构建表示零件几何公差规范信息的断言公式集AGTS。

(3) 构建表示几何要素与几何特征依附关系的断言公式集AAR。根据提取到的几何要素与几何特征依附关系信息和定义的依附关系矩阵MAR[3],运用OWL断言公式构建表示几何要素与几何特征依附关系的断言公式集AAR。

(4) 生成可选提取方案。以AGTS和AAR中的OWL断言作为输入,根据设计的几何误差提取方案本体知识库系统和SWRL规则,在Jess推理机中进行推理,生成可选提取方案(记为集合ESC)。

3 实 例

为了说明基于本体的几何误差提取方案自动生成方法的可行性和高效性,以图6所示的某零件图为例。

图6 UG NX10.0环境下某零件三维工程

(1) 构建零件模型,提取零件测量信息。在工程软件UG NX10.0中构建该零件模型,采用UG二次开发工具UG/Open API[15],获取所建立零件模型中的几何公差规范信息、几何要素信息、几何特征信息,作为后续的数据基础。

(2) 构建表示零件几何公差规范信息的断言公式集: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表示几何公差规范;gf表示几何要素;tf表示被测要素;tt表示几何公差类型;t表示公差值。

(3) 构建表示几何要素与几何特征依附关系的断言公式集AAR={Planar(gc1),Cylindrical(gc2),Planar(gc3),Cylindrical(gc4),Planar(gc5),hasAR(gf1,gc2),hasAR(gf2,gc5),hasAR(gf3,gc3)},其中,gc表示几何特征。

(4) 生成可选提取方案ESC,如图7所示。

图7 Protégé5.2环境下自动生成的提取方案

通过分析发现,该实例生成的几何误差提取方案与文献[9]中对圆柱、圆、平面的提取方案选择结果相一致,证明该推理结果符合相关研究和标准规范,说明本文方法具有可行性。提取方案的推理结果如图8所示,成功将OWL本体和SWRL规则转化为Jess所能识别的格式耗时857 ms,成功执行推理引擎耗时296 ms,并将推理结果转换为OWL文件耗时30 ms,由此证明本文方法简单、高效。

图8 SWRLTab插件中几何误差提取方案推理结果

4 结 语

本文介绍一种基于本体的几何误差提取方案的自动生成方法,实现从CAD系统中获取零件测量信息到其几何误差提取方案的自动生成,克服了过度依赖经验造成的不确定性以及人工查询带来的效率低下问题,以实例验证了本文方法的可行性、高效性,为指导新一代GPS标准在工程中的实际应用具有重要意义。在此研究基础上,开发几何误差提取方案自动生成插件,实现与当今主流CAD系统和CAT(Computer Aided Testing)系统的集成,是接下来研究中需要开展的工作。