CN109344454B - 一种基于本体规则描述的基准体系合理性自动检验方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于计算机辅助公差设计（CAT）技术领域，具体涉及一种基于本体规则描述的基准体系合理性自动检验方法，由以下步骤组成：（1）构建基准体系合理性本体；（2）建立SWRL推理规则；（3）提取相关的公差信息；（4）提取几何要素的自由度信息；（5）构建检验基准体系合理性的断言公理集；（6）推理确定基准体系的合理性，输出合理性检验的推理信息。本发明采用OWL语言描述推理信息，SWRL语言描述推理规则，利用本体强大的表达能力和推理能力对基准体系的合理性进行自动检验，具有简易、高效及智能等优点，它满足公差信息在异构CAX系统之间有效共享和顺畅传递的需求，符合设计者自顶向下的思维习惯，有较强的适用性，保证了与计算机的兼容性。

Description

一种基于本体规则描述的基准体系合理性自动检验方法

技术领域

本发明属于计算机辅助公差设计（CAT）技术领域，具体涉及一种基于本体规则描述的基准体系合理性自动检验方法。

背景技术

基准是用来确立被测要素的几何位置关系的一个几何理想要素，基准体系则是由两个或三个独立的基准构成的基准组合。基准体系在零件的装配和实际零件表面的测量中有十分重要的作用。现有的计算机辅助公差设计中，几何公差的标注在一定程度上依赖于基准体系的建立，但是由于基准体系中各个基准之间存在一定的基准顺序，并且在选择基准的过程中需要遵循基准体系的建立原则，使得基准体系的建立过程相对复杂，且容易出现基准顺序不规范和基准冗余的情况。为确保几何公差标注的正确性，有必要研究一种用于自动检测基准体系是否符合基准顺序和基准体系建立原则的通用方法，为CAD软件中几何公差标注自动检验模块的开发奠定基础。这里的基准体系是否符合基准顺序和基准体系建立原则就是基准体系的合理性。

本体作为一种共享概念模型的明确形式化规范说明，其最突出的优点是能够实现真正意义上的信息共享、应用集成、语义互操作及知识重用，利用本体对基准体系合理性的检验过程进行表示，有利于其检验规则及判定算法在异构系统之间的传递，增加与计算机的兼容性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是给出了一种基于本体规则描述的基准体系合理性自动检验方法，该方法可用于构建基准体系合理性本体及相应的检验规则，从而通过JESS推理引擎对基准体系的自由度信息进行自动推理，以实现基准体系合理性的自动检验问题，目的是为计算机辅助公差设计（CAT）中基准体系合理性的自动检验提供一种有效的解决办法。为了解决上述问题，本发明是通过以下方案来实现的。

步骤1：构建基准体系合理性本体。对基准体系合理性的领域知识进行分析，通过网络本体语言OWL描述其结构化知识，将其中的概念及关系转换成对应的类、对象属性和数据属性，构建基准体系合理性本体。

步骤2：建立SWRL推理规则。以步骤1中构建的类和属性为基础，通过语义网规则语言SWRL描述其检验过程，构建基准体系合理性检验的推理规则。

步骤3：提取相关的公差信息。根据CAD图纸，确定要检验的基准体系所在的公差标注框，并根据框中的内容，提取相关的公差信息，包括公差项目、基准特征、几何要素等。

步骤4：提取几何要素的自由度信息。根据几何要素的空间关系，建立对应的空间直角坐标系，提取各个几何要素在该坐标系下的自由度情况。

步骤5：构建检验基准体系合理性的断言公理集。根据步骤3提取到的公差信息和步骤4中的自由度情况，将其转化为本体信息，构建检验基准体系合理性的断言公理集。

步骤6：推理确定基准体系的合理性，输出合理性检验的推理信息。以步骤5中构建的检验基准体系合理性的断言公理集作为输入，利用本体编辑工具Protégé建立个体实例，进而将网络本体语言OWL描述的结构化知识转换为Jess事实，然后将语义网规则语言SWRL描述的推理规则转换成Jess规则，最后利用Jess推理引擎对其进行自动推理，生成合理性检验的推理信息，并将其以数值的形式输出到对应的数据属性中。

本发明采用OWL语言描述推理信息，SWRL语言描述推理规则，利用本体强大的表达能力和推理能力对基准体系的合理性进行自动检验，具有简易、高效及智能等优点，它满足公差信息在异构CAX系统之间有效共享和顺畅传递的需求，符合设计者自顶向下的思维习惯，有较强的适用性，保证了与计算机的兼容性。

附图说明

图1，基准体系合理性自动检验流程图。

图2，基准体系合理性检验实例的几何公差标注图。

图3，基准体系合理性的领域知识。

图4，基准体系合理性本体的类定义。

图5，基准体系合理性本体。

图6，基准体系合理性检验实例的个体定义。

图7，推理生成的数据属性。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实例对本发明的技术方案作进一步详细的说明。

图2中被测要素C的位置度公差的基准体系满足基准的完备性，但其基准A冗余；被测要素D的位置度公差的基准体系不满足基准的完备性，且其基准A和基准E都存在冗余。本发明是以图2中被测要素D的位置度公差所在的基准体系进行实施的，具体实施情况如下。

步骤1：构建基准体系合理性本体；

基准体系合理性的检验属于公差领域，通过分析其所涉及的专业术语，对基准体系合理性的领域知识进行结构式分层，自顶而下可分为公差类型、基准体系、基准、几何要素、自由度5个层次，如图3所示。

通过对图3中各个层次所涉及的专业术语进行细致划分，利用网络本体语言OWL对其进行描述，定义了如图4所示的基准体系合理性本体的类。

根据图3中层与层之间的上下级关系，利用网络本体语言OWL对该关系进行描述，定义了如表1所示的基准体系合理性本体的对象属性，其中对象属性has_DS、has_Datum、has_DE、has_ME分别表示公差类型与基准体系之间、基准体系与基准之间、基准与基准要素之间、公差类型和被测要素之间的归属关系，has_restriction_to则表示基准要素对被测要素的约束关系：

根据图3中的基准层和自由度情况层，定义了如表2所示的基准体系合理性本体的数据属性，各个数据属性中的“（）”均可用Tx、Ty、Tz和Rx、Ry、Rz替换，分别对应沿坐标轴的三个平动和绕坐标轴的三个转动。value_of_（）_DOF表示几何要素在空间直角坐标系下的自由度情况，value_of_TC_（）_DOF表示公差类型对被测要素的理论自由度约束值，value_of_NC_（）_DOF表示被测要素的实际自由度约束值，value_of_control_（）_DOF表示基准要素对被测要素的自由度有效控制值，value_of_comment_（）_DOF表示第二、第三基准对被测要素的自由度约束冗余值，value_of_Datum_ Number表示基准体系的基准数目的值，value_of_effectiveness表示基准的有效值，value_of_redundancy表示基准的冗余值，value_of_completeness表示基准体系的完备值，Rz_DOF_to_Space表示被测要素绕z轴的旋转对空间关系的影响值。上述数据属性的数据类型均为int型，并限定其数值仅为0和1，不满足条件时赋值0，反之赋值1：

利用定义的类、对象属性和数据属性，根据其关系，构建了如图5所示的基准体系合理性本体。

步骤2：建立SWRL推理规则；

在基准体系合理性本体的基础上，利用SWRL语言对基准体系合理性的检验规则进行描述。基准体系合理性检验的核心思想是确定被测要素中实际需要被约束的自由度，进而将其与基准的自由度约束能力进行比对，以此判断基准体系是否合理，现有的关于计算基准几何自由度的数学方法中，鲍强伟等人在《基于公差变动域的几何公差转化技术》一文中针对基准冗余性和完备性的判别制定了相应的自由度计算表达式，以此为基础，通过将其表达式SWRL化，建立了相应的推理规则，部分规则的说明如下。

规则1：单基准的定向公差理论上仅约束被测要素绕x、y轴的旋转自由度（详见表3中的R1-1）。

规则2：定位公差理论上约束被测要素的全部六个自由度（详见表3中的R2-1）。

规则3：被测要素有沿x轴的平移自由度且公差项目对其有约束要求时该自由度才是需要被约束的，否则该自由度不需要被约束（详见表3中的R3-1）。

规则4：当基准的某种自由度为非恒定度时才能对被测要素相应的自由度变化进行度量和约束（详见表3中的R4-1）。

规则5：下级基准需要拥有能够独立约束自由度的能力，该自由度不可与上级基准重复（详见表3中的R5-1）。

规则6：基准若能够约束被测要素中有实际约束需求的自由度，则该基准是有效的（详见表3中的R6-1）。

规则7：若下级基准中不存在与上级基准重复约束的自由度，且能够独立约束上级基准无法约束的自由度，则该基准是不冗余的，反之冗余（详见表3中的R7-1）。

规则8：若被测要素中有约束需求的自由度全部能够被基准体系的各个基准所约束，则基准体系是完备的，否则不完备（详见表3中的R8-1）。

由于完整的SWRL规则过于冗长，上述各条规则的SWRL转化仅展示了部分，SWRL规则中的问号是一种语法，表示对于任意个体，该规则都适用，如在推理规则R1-1中，在类Directional_Tolerance的个体变量x前加问号，表示对于任意的类Directional_Tolerance的个体，该规则都适用。

步骤3：提取相关的公差信息；

根据图2中被测要素D的位置度公差标注框，提取相关的公差信息，其中公差项目为位置度公差 pos ₁，被测要素D为孔的轴线 ml ₁，该公差项目的基准体系设置有3个基准，第一基准B为凸台轴线 dl ₁，第二基准A和第三基准E均为平面（ dpl ₁和 dpl ₂）。

步骤4：提取几何要素的自由度信息；

根据步骤3提取的几何要素的空间关系，建立对应的空间直角坐标系，如图2所示，各个几何要素在该坐标系下的自由度情况如表3所示，其中恒定度表示该自由度的变动不影响几何要素的方向与位置。

步骤5：构建检验基准体系合理性的断言公理集；

根据步骤3提取到的公差信息和步骤4中的自由度情况，将其转化为本体信息。利用基准体系合理性本体中定义的类以及属性，将公差信息及自由度情况转化为OWL断言，例如：该公差项目为位置度公差，且其被测要素为一轴线，则构建类断言Position( pos ₁)、M_Line( ml ₁)以及对象属性断言has_ME( pos ₁, ml ₁)，定义 pos ₁为一个位置度， ml ₁为一被测直线，且 ml ₁是 pos ₁的被测要素；其中被测直线 ml ₁沿x轴的平移自由度为有效自由度，则构建数据属性断言value_of_Tx_DOF( ml ₁,1)对其进行表示。根据步骤3和步骤4的信息，构建了如下的检验基准体系合理性的断言公理集：

As={Position( pos ₁),Datum_System( ds ₁),PrimaryDatum( pd ₁),Secondary_Datum( sd ₁),Tertiary_Datum( td ₁),D_Line( dl ₁),D_Plane( dpl ₁),D_Plane( dpl ₂),M_Line( ml ₁),has_DS( pos ₁, ds ₁),has_Datum( ds ₁, pd ₁),has_Datum( ds ₁, sd ₁),has_Datum( ds ₁ ,td ₁),has_DE( pd ₁, dl ₁ ),has_DE( sd ₁, dpl ₁),has_DE( td ₁, dpl ₂),has_ME( pos ₁, ml ₁),value_of_Datum_Number( ds ₁,3),value_of_Tx_DOF( dl ₁,1),value_of_Ty_DOF( dl ₁,1),value_of_Tz_DOF( dl ₁,0),value_of_Rx_DOF( dl ₁,1),value_of_Ry_DOF( dl ₁,1),value_of_Rz_DOF( dl ₁,0),value_of_Tx_DOF( dpl ₁,0),value_of_Ty_DOF( dpl ₁,0),value_of_Tz_DOF( dpl ₁,1),value_of_Rx_DOF( dpl ₁,1),value_of_Ry_DOF( dpl ₁,1),value_of_Rz_DOF( dpl ₁,0),value_of_Tx_DOF( dpl ₂,0),value_of_Ty_DOF( dpl ₂,0),value_of_Tz_DOF( dpl ₂,1),value_of_Rx_DOF( dpl ₂,1),value_of_Ry_DOF( dpl ₂,1),value_of_Rz_DOF( dpl₂,0),value_of_Tx_DOF( ml ₁,0),value_of_Ty_DOF( ml ₁,0),value_of_Tz_DOF( ml ₁,1),value_of_Rx_DOF( ml ₁,1),value_of_Ry_DOF( ml ₁,1),value_of_Rz_DOF( ml ₁,0),Rz_DOF_to_Space( ml ₁,1)}。

步骤6：推理确定基准体系的合理性，输出合理性检验的推理信息；

以步骤5中构建的检验基准体系合理性的断言公理集作为输入，利用本体编辑工具Protégé建立了实例信息在本体中所对应的个体，如图6所示；通过将该个体实例的OWL断言转换为Jess事实，然后将语义网规则语言SWRL描述的推理规则转换成Jess规则，最后利用Jess推理引擎对其进行自动推理，生成了如下的合理性检验的推理信息，该信息以数值的形式输出在图7中的数据属性中。

{Primary_Datum( pd ₁),value_of_effectiveness( pd ₁,1)}

{Secondary_Datum( sd ₁),value_of_effectiveness( sd ₁,1),value_of_redundancy( sd ₁,0)}

{Tertiary_Datum( td ₁),value_of_effectiveness( td ₁,1),value_of_redundancy( td ₁,0)}

{Datum_System( ds ₁),value_of_completeness( ds ₁,0)}

上述推理结果中Primary_Datum( pd ₁)、Secondary_Datum( sd ₁)、Tertiary_Datum( td ₁)的数据属性value_of_effectiveness的值均为1，表明该公差标注中的三个基准都是有效的；Secondary_Datum ( sd ₁)的数据属性value_of_redundancy的值为0，表明该公差标注中的第二基准冗余，同理，第三基准也冗余；Datum_System( ds ₁)的数据属性value _of_completeness的值也为0，表明该公差标注的基准体系中基准不完备；自动检验结果与事实一致。

Claims (3)

1.一种基于本体规则描述的基准体系合理性自动检验方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：构建基准体系合理性本体；对基准体系合理性的领域知识进行分析，通过网络本体语言0WL描述其结构化知识，将其中的概念及关系转换成对应的类、对象属性和数据属性，构建基准体系合理性本体；

步骤2：建立SWRL推理规则；以步骤1中构建的类和属性为基础，通过语义网规则语言SWRL描述其检验过程，构建基准体系合理性检验的推理规则；

步骤3：提取相关的公差信息；根据CAD图纸，确定要检验的基准体系所在的公差标注框，并根据框中的内容，提取相关的公差信息，包括公差项目、基准特征、几何要素；

步骤4：提取几何要素的自由度信息；根据几何要素的空间关系，建立对应的空间直角坐标系，提取各个几何要素在该坐标系下的自由度情况；

步骤5：构建检验基准体系合理性的断言公理集；根据步骤3提取到的公差信息和步骤4中的自由度情况，将其转化为本体信息，构建检验基准体系合理性的断言公理集；

步骤6：推理确定基准体系的合理性，输出合理性检验的推理信息；以步骤5中构建的检验基准体系合理性的断言公理集作为输入，利用本体编辑工具Protégé建立个体实例，进而将网络本体语言0WL描述的结构化知识转换为Jess事实，然后将语义网规则语言SWRL描述的推理规则转换成Jess规则，最后利用Jess推理引擎对其进行自动推理，生成合理性检验的推理信息，并将其以数值的形式输出到对应的数据属性中；

利用本体强大的表达能力和推理能力对基准体系的合理性进行自动检验，包括：

(1)基准体系合理性的领域知识的结构式分层，自顶而下分为公差类型、基准体系、基准、几何要素、自由度5个层次；

(2)利用网络本体语言0WL对基准体系合理性的领域知识进行描述，定义基准体系合理性本体的对象属性；

(3)根据基准层和自由度情况层，定义基准体系合理性本体的数据属性；

(4)在基准体系合理性本体的基础上，利用SWRL语言对基准体系合理性的检验规则进行描述，定义推理规则。

2.如权利要求1所述的基于本体规则描述的基准体系合理性自动检验方法，其特征在于：步骤4具体为：将几何要素在空间直角坐标系下的自由度情况细分为恒定度与自由度。

3.如权利要求1所述的基于本体规则描述的基准体系合理性自动检验方法，其特征在于：步骤5具体为：利用基准体系合理性本体中定义的类以及属性，将公差信息及自由度情况转化为0WL断言，构建检验基准体系合理性的断言公理集。

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