（机械制造及其自动化专业论文）基于知识的冲模cad系统开放性研究与实现.pdf

摘要 摘要 模具在现代工业生产中占有重要作用，6 0 - - - 9 0 的产品需要使用模具，其 中冲模有着广泛的应用。c a d 技术的普及提高了冲模设计的效率，但是随着产 品竞争的日趋激烈，企业需要在保证设计质量的前提下快速响应市场，以知识 工程的理念设计专业化的c a d 系统而不仅仅局限于传统的通用c a d 平台是合 理的解决方案。冲模设计是一个知识密集型的工作，基于知识的c a d 系统能显 著提高其设计质量并缩短设计周期，但是产生了新的矛盾设计系统的专业 化与柔性之间的冲突。传统的基于知识的冲模c a d 系统具有专业化的功能，但 设计规则、资源等知识都刚性地嵌入到程序内部，这样当知识随着产品发生更 新或变化时，系统就不具有足够的实用性，因此，开放性对知识系统具有重要 意义。 本文就如何实现基于知识的冲模c a d 系统的开放性做了相关研究。根据知 识表示的不同形式，将冲模设计中涉及的知识分为描述型和过程型两类，并分 别对涉及描述型知识和过程型知识的c a d 相关模块展开研究，以提高其开放性。 以总体结构设计模块作为描述型知识开放性的研究案例，实现动态地对典 型总体结构进行积累和重用的功能。对于常用标准件，用数据库尺寸驱动模板 文件的方式建库，并通过产生式装配规则实现自动装配功能；对于全新的常用 零件，以零件索引表实现该类零件的添加和管理，并以基于实例的推理技术解 决相关的装配问题。 以卸料弹簧的校核过程作为过程型知识开放性的研究案例。提出了用p e 仃i 网模型表示过程型知识，用数据表文件及相应存储规范实现知识外置，并且， 设计了用于解释、执行和控制外置知识的元知识算法。这种知识外置技术在一 定程度上使用户动态地自定义并完善c a d 系统的过程型知识成为可能。 最后对所做的工作做了总结，并对以后的进一步研究做了展望。 关键词：冲模c a d ，开放性，描述型知识，过程型知识，i n v e n t o r 二次开发 a b s t r a c t 一一 a b s t r a c t d i e sa c ta l li m p o r t a n tr o l ei nm o d e mi n d u s t r y n e a r l ys i x t yt on i n e t yp e r c e n to f p r o d u c t sa r em a n u f a c t u r e db yd i e s ，a m o n gw h i c hs t a m p i n g - d i e sa r ew i d e l yu s e d t h e p o p u l a r i z a t i o no fc a d h a si m p r o v e dt h ee f f i c i e n c yo fs t a m p i n g 。d i ed e s i g n ，b u tw i t h c o m p e t i t i o ng e t t i n gm o r ea n dm o r ef u r i o u s ，c o m p a n i e sh a v et or a p i d l y f i tw i t ht h e c h a n g i n gm a r k e ta n ds i m u l t a n e o u s l yk e e p i n gt h eq u a l i t y o fd e s i g n i t saw i s e s o l u t i o nt ot a k et h e o r yo fk b e i n t ot h ed e s i g no fc a ds y s t e mr a t h e rt h a nr e s t r i c tt o t r a d i t i o n a lt h o u g h t s d e s i g no fs t a m p i n g d i e ，f u l l o fk n o w l e d g e ，c a nb eg r e a t l y i m p r o v e db yk b e i nq u a li t ya n dt i m e h o w e v e r , an e wd i l e m m ao c c u r sb e t w e e n s p e c i a l i z a t i o na n df l e x i b i l i t y o ft h es y s t e m t r a d i t i o n a ls y s t e m sh a v ep r o f e s s i o n a l f u n c t i o n s b u tr u l e sa n dr e s o u r c e sa r er i g i d l ye m b e d d e di n t ot h ep r o g r a m ，t h u sw h e n k n o w l e d g ef r e q u e n t l yu p d a t i n gw i t hp r o d u c t s ，t h i s k i n do fs y s t e mi sn o tp r a c t i c a l e n o u g h s o ，t h eo p e n n e s si sf a t a l l yi m p o r t a n tt ok b e s y s t e m s i nt h ep a p e r , h o wt or e a l i z et h eo p e n n e s so fk b es t a m p i n g - d i ec a d s y s t e mi s r e s e a r c h e d a c c o r d i n gt od i f f e r e n tk i n d so fr e p r e s e n t a t i o nm o d e ，k n o w l e d g ea m o n g s t a m p i n 争d i ed e s i g na r eg r o u p e di n t ot w os o r t s ：t h ed e c l a r a t i v ea n d t h ep r o c e d u r a l a n dr e l a t e dt w ok i n d so fc a d m o d u l ea r es t u d i e dt on n p r o v et h eo p e n n e s s g e n e r a ls t r u c t u r ed e s i g nm o d u l ei st a k e na st h er e s e a r c hc a s eo ft h ed e c l a r a t i v e k n o w l e d g e so p e n n e s s a sf o rg e n e r a ls t a n d a r dp a r t s ，l i b r a r yi sc o m p o s e db y t e m p l a t e f i l e sd i m e n s i o n a l l yd r i v e nb yd ba n da u t o - a s s e m b l yi sr e a l i z e db yt h ep r o d u c t i o n a s s e m b l vr u l e s a sf o rb r a n d n e wp a r t s ，m a n a g e m e n ti sr e a l i z e db yi n d e x t a b l ea n d r e l a t e da s s e m b l yp r o b l e m sa les o l v e db yc b rt e c h n o l o g y t h u s ，i t sp o s s i b l ef o r u s e r st od y n a m i c a l l ya c c u m u l a t ea n dr e u s et y p i c a ls t r u c t u r e s t h ec h e c k i n gp r o c e s so fu n l o a d s p r i n g si st a k e na st h er e s e a r c hc a s eo ft h e p r o c e d u r a lk n o w l e d g e so p e n n e s s i ti sp u tf o r w a r dt h a tp e t r i - n e tc o u l db eu s e dt o r e p r e s e n tp r o c e d u r a lk n o w l e d g ea n dd b f i l ew i t hs p e c i f i cr u l e st os a v ek n o w l e d g e o u t s i d et h es y s t e m f u r t h e r m o r e ，r e l a t e dm e t a - k n o w l e d g ei sd e s i g n e dt ot r a n s l a t e ， e x e c u t ca n dc o n t r o lo u t s i d e - k n o w l e d g e w i t ht h i sm e a nq u o t e da b o v e ，t os o m ee x t e n _ t ， u a b s t r a c t i t 。p o s s i b l ef o ru s e r st od e f i n ea n dr e f i n et h e i ro w np r o c e d u r a lk n o w l e d g e i nt h ee n d ，t h e r ei st h es u m m a r i z a t i o no ft h ej o ba n dt h ee x p e c t a t i o nt of u t u r e r e s e a r c h k e yw o r d s ：s t a m p i n g d i ec a d ，o p e n n e s s ，d e c l a r a t i v ek n o w l e d g e ，p r o c e d u r a l k n o w l e d g e ，i n v e n t o rs e c o n d a r y d e v e l o p m e n t 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子 版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、 缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检 索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有 关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在 不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部 内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 跚盘支 蝴年弓月l 复日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 沁r 年；月、z e t & 舯苔年；月、z 第1 章绪论 1 1 研究背景及意义 1 1 1 研究背景 第1 章绪论 模具在现代工业生产中占有重要作用，6 0 9 0 的产品需要使用模具，用 模具生产出的工件所表现出的高精度、高一致性、高生产率和低消耗等特点是 其他加工制造方法所不能比拟的【l 】。随着消费结构和产业结构的加快升级，先进 模具设计及制造技术和先进生产装备正变得越来越重要。而模具在很大程度上 决定着产品的质量、效益和新产品的开发能力，模具工业已经成为工业发展的 基础。综上所述，作为一种高附加值的技术密集产品，模具的技术水平已经成 为衡量一个国家制造业水平的重要评价指标1 2 j 1 3 j 。 工业的信息化，旨在用先进的工具进一步将工程人员从繁重琐碎的工作中 解脱出来，从而能够更多地投入到高级的、创造性的劳动中去以提高产品质量 和生产效率。 传统c a d 技术的应用，大量企业采用的是通用的二维或三维的设计软件， 如a u t o c a d 、s o l i d w o r k s 、u g 等等f 4 j ，使设计师摆脱了铅笔、橡皮和图板，在 一段时间内，满足了生产力提高的需要。但是，随着电子、轻工、汽车等行业 的发展，冲压制品使用量日趋增大，产品质量要求也越来越高，同时企业要求 能够快速地响应市场。为了适应大批量生产高精度冲压产品的要求，冲压模具 的使用也愈加广泛，用于生产复杂冲压件的冲压模具的工步数多，步距精度要 求高，因此其设计制造的难度大，生产周期长。为适应市场变化，提高产品竞 争力，缩短生产周期，提高设计效率，已成为冲压模具生产的当务之急，而要 达此目的，传统的通用c a d 软件已经无法胜任，这是因为冲模设计的难点在于 设计过程的繁杂、大量依靠基于经验的隐性知识等特点，基于底层绘图级的通 用c a d 软件不能从根本上进一步提高冲模设计的效率。 所以，迫切需要为模具设计人员提供一个智能化的专用的模具设计制造工 具。一个理想的c a d 系统应该既能充分利用计算机的高速计算能力，又能充分 第l 章绪论 发挥出人的创造性作用【5 j ，【6 】， 7 1 。将基于知识的工程( k b e ，k n o w l e d g eb a s e d e n g i n e e r i n g ) 技术引入到冲模c a d 系统中是很有现实意义的，并且也是未来冲 模数字化设计的一大趋势。但是，一味地用老方法、老思路是不合适的，并不 是k b e 必然就能提升设计软件的功能，冲模设计有其自身的特点，需要在应用 k b e 技术的同时，充分考虑到系统的实用性、可行性。例如，目前的k b e 冲模 c a d 系统或者是其它专用k b e 系统大多是一次开发成形，不具有动态地定制、 完善知识的能力，对于产品单一不变的情况是合适的，但对于企业快速响应市 场的需求，当产品更新换代较快时，这种系统就不具有足够的柔性。本课题将 在这方面做一些研究和探索。 课题来源于上海市“十五 重大科技攻关项目：“基于知识的产品创新冲模 三维数字化设计技术与系统”( 项目编号：0 4 d z l l 0 0 6 ) 以及国家科技支撑计划项 目“机械装备行业专业应用软件及知识管理系统开发和应用一基于知识的冲压 工艺及模具设计系统开发 ( 项目编号：2 0 0 6 b a f 0 1 a 4 3 ) 。 1 1 2 研究意义 我国虽是一个发展中国家，但随着近年来的迅猛发展，正逐步转变为一个 制造大国、制造强国，很多产品都离不开模具，特别是当今一些高端商品如消 费电子产品、豪华轿车等，对模具的质量要求就更高，这就需要发达的模具业 的支持和推动。1 9 9 6 年至2 0 0 2 年间，中国模具制造业的产值年平均增长1 4 左 右，2 0 0 3 年增长2 5 左右。目前模具生产企业已经超过2 0 0 0 0 家，其中冲压模 具企业约占5 0 捧j 。从国内市场看我国模具生产处于供不应求的状态，特别是大 型、精密、复杂和长寿命模具的产需矛盾十分突出，并成为制约不少行业发展 的“瓶径”，近几年来我同模具进口始终保持在近1 0 亿美元的规模，成为世界最 大的进口国。据统计，全国大陆地区约有4 0 亿元以上的模具设备市场，而且每 年还以2 0 左右的速度增长。因此，未来我国模具行业产需两旺，预计将会持续 高速运行 9 1 。 然而产值并不等于技术质量。目前技术含量低的模具已供过于求，生产利 润空间狭小，而技术含量较高的中、高档( 高精密) 模具，还远不能适应国民 经济的发展需要，高端模具仍有很大部分依靠进口。国际市场上，一方面是我 国在中低端模具产品方面有较强的竞争力，国际采购到我国的比例逐年增加， 2 第1 章绪论 另一方面是工业发达国家将模具生产向我国转移，利用的是我国低廉的劳动力。 所以模具行业的重头将转向高精密等高档模具，而在高精密复杂模具设计领域， 高技术的模具c a d 软件将成为高附加值的竞争焦点。所以在总体形势较好的情 况下，也应该充分认清我国潜在的发展瓶颈和危机并加强这方面的投入和研究。 有鉴于模具工业的特点和其重要性，政府对模具产业的发展极为重视，并 采取了多种措施给与大力扶持。如自1 9 9 7 年以来，相继将模具及其加工技术和 设备列入了当前国家重点鼓励发展的产业、产品和技术目录和鼓励外商 投资产业目录；从1 9 9 7 年到2 0 0 5 年，对全国部分重点专业模具厂实行增值税 返还7 0 的优惠政策；1 9 9 9 年又将有关模具技术和产品列入原国家计委和科学 技术部发布的当前同家优先发展的高新技术产业化重点领域指南( 目录) 。 这些，都充分体现了国务院和国家有关部门对发展模具工业的重视和支持【l 0 1 。 怎样来加速发展我国冲压模具的水平是值得关注的问题。具体说来，主要 应从设计和制造两方面入手。在设计环节，因为涉及了大量知识和方法等偏软 的流程，所以计算机技术的发展和渗透使产品设计方法获得较大提升成为可能。 高效的、先进的设计方法将使设计质量提高，同时缩短设计周期。 在“十一五”振兴模具工业的途径与对策【1 1 】中，还特别强调了自主开发 和引进的重要性，即引进已经商品化了的c a d c a e c a m 软件和设备，并对于 引进的软件应加强二次开发工作，用电子信息工程等高新技术和先进适用技术 改造企业传统的生产模式，将先进技术转化为生产力。 本文以占相当比重的冲模为研究对象。冲模设计是复杂的，面对激烈的市 场竞争，企业需要高效快速地响应市场并且要控制成本引。以发展的眼光看， 用户需要的是一套专用的冲模设计系统，具有集成性和智能性，并能积累并重 用以往设计、经验和资源，这样的系统将有利于设计周期的缩短和设计质量的 提高。 k b e 技术的引入是一大发展趋势，但是，有两个核心问题需要解决。 ( 1 ) k b e 并非一种通用的实施方法，在具体的设计中必须充分结合冲模设 计本身的特点，专业化的c a d 软件需要总结、抽象领域知识、设计特点和经验， 在此基础上，进一步考虑系统的需求、功能和实现方案。 ( 2 ) k b e 的应用往往会带来一种新的矛盾：设计系统的专业化与柔性之间 的冲突。通用c a d 平台在某种意义上是最为柔性的，它无所不能，但设计效率 不高，而当系统变得专业化之后，虽然某些功能实现了高效、快速批处理，但 第1 苹绪论 使用者同样会发现不足之处：有时候系统的设计模式不符合或不支持自己的意 图，例如，目前在通用平台上二次开发是实现冲模c a d 软件的理想选择，通用 c a d 软件虽然集成了标准件库，但般没有冲模标准件且大多不支持全新标准 件的添加，所以需要独立开发专用的零部件库，但当用户需求发生变化时大多 软件不支持新标准件的添加及其相关功能，往往要鼋新开发，且这样的系统不 适用于不同需求的不同用户。所以，这就给冲模c a d 系统的设计提出了新的要 求，即怎样使系统具有更好的开放性。 本文在k b e 技术应用于冲模c a d 系统以及k b e 系统的开放性上做了一些 初步的研究和实践。重点是k b e 技术的开放性的设计和实现。 1 2 国内外研究现状及综述 1 2 1 知识工程 知识工程起初是由美国的f e i g e n b a u m 教授在1 9 7 7 年提出的【1 3 1 。 早期的主要应用形式是简单的专家系统。对于知识工程，尚无统一的、完 备的定义i l 训，不过人们有一个普遍的共识：知识工程是以知识为处理对象，借 用工程化的思想并以计算机技术为基础，对如何用人工智能的原理、方法、技 术为设计构造和维护知识型系统的一门学科，是人工智能的一个运用分支。知 识工程的核心目的是怎样重用知识。因此，知识的表示、知识的获取、知识的 运用便构成了知识工程的三大要素，【1 6 l ，【1 7 1 。 ( 1 ) 知识表示问题。知识表示是指在某专门领域内，把知识和本领域专家 所具有的经验知识进行形式化，使计算机可以使用。知识表示是知识的符号化 过程【l 引，它涉及知识库的设计、管理和维护等问题。 ( 2 ) 知识获取问题。知识获取是指把事实知识和经验知识移植到知识库。 它的主要课题是支持从专家那里获取知识。获取方式分为自动式和非自动式【1 9 1 。 ( 3 ) 知识运用问题。知识使用是指在某一数据结构上，为了用形式化的知 识解决问题，应该怎样处理和应用知识。知识表示与知识使用如同数据与算法， 之间存在表里一体的关系。 知识工程的研究内容主要包括：基础理论研究、实用技术的开发、知识型 系统工具研究和智能机等相关课题的研究。其中基础理论研究基本理论方法， 4 第1 章绪论 包括知识的本质、知识的表示、推理、获取和学习方法等。实用技术主要研究 解决建立知识系统过程中遇到的问题，包括，实用知识表示方法、实用知识获 取技术、实用知识推理方法、知识库结构系统、知识系统体系结构等。知识工 程系统能解决专家水平的问题，能快速的进行假设和搜索解答。系统具有大量 的基础知识和通用的问题求解能力，选择知识的恰当表示方式，具有自动推理 的能力，能够从结构步骤分析、解决、推理问题。 现在具有知识处理能力的软件系统已成为新一代c a d 系统的重要标志和发 展趋势。事实上，知识工程的关键问题是围绕“如何重用知识 而展开的，具 体地，包括知识的存储方式、知识与c a d 系统的集成、以及知识库的开放性等 关键问题。 1 2 2 模具c a d 的应用 国外于2 0 世纪6 0 年代末开始模具c a d c a m 的研究，2 0 世纪7 0 年代初已 投入了实际生产中【2 0 】，【2 。如美国的d i e c o m p 公司于1 9 7 3 年研制成功计算机辅 助设计级进模的p d d c 系统；1 9 7 7 年，捷克斯洛伐克金属加工工业研究院研制 成功a i c t 冲模c a d 系统，但这些系统往往只能提高画图的效率，对设计方面 的支持功能很弱。到8 0 年代中期，随着模具工业的飞速发展以及c a d c a m 技 术的重要性被模具界的广泛认可，一些公司开始推出商用的级进模c a d c a m 系统，如a u t o t r o i 系统、f a n u cc a d c a m 系统、a d m sd i em a s t e r 系统、美国 c o m p u t e rd e s i g n 公司的s t r i k e r 系统等【l4 1 。这些系统普遍实现了图形的交互操作， 为模具设计人员提供了一定的分析和计算功能。但重要的设计内容，如凸凹模 形状、成形性分析和条料排样等，仍需由模具设计人员交互完成，从而限制了 设计效率的提高。到8 0 年代末，人工智能技术被引入级进模c a d c a m 系统， 多以专家系统的形式出现，如s m a r t 系统和m e t e x 系统等。但模具设计过程 的复杂性，特别是模具零件与成形工艺间的关联性，又从很大程度上限制了人 工智能技术的应用范围，使这些系统难以大范围推广使用【2 2 】，【2 3 1 。 目前，市场上主流的冲模c a d 软件主要有：s t r i k e rs y s t e m ss s d i e p r o f e s s i o n a l 、v 6d i e d e s i g n 、c a x a c p d 、统赢p r e s s c a d 、n xp r o g r e s s i v ed i e d e s i g n 、p r o ep r o g r e s s i v ed i e 等。下面对以上主流软件作一些分析和介绍。 s t r i k e rs y s t e m ss s - d i ep r o f e s s i o n a l ：由美国s t r i k e rs y s t e m s 公司 5 第1 章绪论 在a u t o c a d 平台上进行二次开发的专用冷冲模设计软件，可以完成简单模、复 合模、弯曲模、连续模和拉伸模的设计。s s d i e 软件开发力量很强，已经具有 1 5 年以上的积累，其技术处于国际领先水平，具有世界上最大的冷冲模具设计 用户群，是目前最专业的冷冲模设计软件1 2 4 1 ，1 2 5 1 。 v 6d i e d e s i g n ：由新加坡新科益c a d i t 软件公司在a u t o c a d 平台上进行 二次开发而成，支持各种模具的设计包括级进模、复合模和传统模具，能够进 行板金件展开计算、自动产生排样图、产生模具的平面图、用户可以设计标准 和非标准模具、提供了强大和智能化的尺寸功能、全自动提供孔的定位和尺寸 数据、自动生成选定的、相关联的孔的清单、在模具设计完成时能自动生成材 料清单【2 6 1 。 c a x a c p d ：是由北京北航海尔软件有限公司开发的冷冲模没计软件，适 用于级进模、复合模、落料模、冲孔模、翻边模等多种冷冲模的设计。突出的 特点是智能化，免绘图，在设计过程中，设计者仅需从模具的结构、辅助机构、 部件的功能、模具零件加工的工艺性等概念上参与设计，而无需直接绘制模具 图。全部模具图都是在”概念”设计之后，根据设计者的指定( 投影方向，剖切位置) 自动生成的，自动生成的图纸信息准确可靠、信息完备度超过9 5 ，并可在 c a x a - e b 或a u t o c a d 等交互环境下进行任意编辑。系统的使用及配套成本 较低1 2 7 1 。 统赢p r e s s c a d ：由统赢信息有限公司在a u t o c a d 平台上开发的冲模专用 软件，可将公司设计作业标准化，并累积设计经验，减轻人为错误、全自动旋 转测试，找出最省料的排料方式，可精确地全自动产生整组模具详细的开模及 合模测视组立图、计算整组模具的剪力中心及所须的冲剪力、冲床吨数、弹簧 个数、完全以加工的观念管理图层操作，简单便捷彻底解决冲模设计之图层管理 问题、自动检查冲头位置可避免发生不当的设计，还可轻易的检测零件位置， 避免发生干涉现象、智能型的全自动模具尺度标注功能、线割清角功能、自动 化穿线孔、起割孔绘制、线割计价功能等。其在台湾及大陆有一定的市场占有 率1 2 引。 n x p r o g r e s s i v ed i ed e s i g n 由u g s 公司在u g 平台上二次开发而成，适用 于级进模的设计。其优化了冲模设计过程，生产力水平远远超过了传统c a d 软 件。n xp r o g r e s s i v ed i ed e s i g n 提供了一个基于最佳实践的结构化工作流程，使 冲模专用的设计任务实现了自动化，并且还提供了标准部件库，为用户提供了 6 第l 苹绪论 一个分步操作过程，促进了效率最高的工作流程的应用，同时把设计技术的复 杂组件集成到了自动化的顺序中。以过程专用的功能取代了劳动密集型的操作 步骤，只需要极少的输入就能执行，比传统软件系统的周转速度快了很多，支 持捕捉并利用用户自己的设计专业知识来进一步提高生产力。此外集成了制造 功能，n xp r o g r e s s i v ed i ed e s i g n 把嵌入的标准部件知识用于基于特征的高级加 工。c a m 系统能够理解并利用对不同部件的精确性要求，此外，n xp r o g r e s s i v e d i ed e s i g n 还支持设计团队之间的协同设计【2 9 1 。 p r o ep r o g r e s s i v ed i e - 由p t c 公司在p r o e 上二次开发而成，适用于级进 模的设计。易于使用的向导能指导用户完成自动的钢带布局定义、冲头模具创 建，以及模具组件的放置和修改。文档、间隙切口和钻孔均会自动创建，从而 使模具设计师能够避免手动执行容易出错的任务。利用定制的解决方案来开发 级进模的模具能取得最好的效果。其功能和特点包括：面向过程的工作流程能 自动执行级进模的设计和细化工作，从而加快投入生产的速度；包含大型的模 具组件和紧固件库，从而加快详细设计的速度；加快展平和识别特征的速度， 以便于分段处理；提高了设计灵活性，甚至允许在创建模具后添加新的设计流 程；通过自动完成重复性任务来提高效率，例如创建间隙切口等1 3 0 1 。 通过以上比较，市场上主流的商品化冲模c a d 软件无一例外地是在某个成 熟的通用c a d 平台上二次开发而成的，其中，s t k e rs y s t e m ss s 。d i e p r o f e s s i o n a l 、v 6d i ed e s i g n 、统赢p r e s s c a d 等是基于二维平台a u t o c a d 的， 由于a u t o c a d 进入市场较早，换平台会给企业带来一定的成本，所以目前的市 场占有率较高，特别是一些中小型企业，并且其在出工程图方面有着较强的功 能，所以这些冲模c a d 软件还是有着很大的市场占有率，特别是在中国市场。 n xp r o g r e s s i v ed i ed e s i g n 、p r o ep r o g r e s s i v ed i e 等软件则是在一些三维通用平 台上开发的，在信息化程度较高的企业中使用较多，并且在未来的市场竞争中 将成为具有潜力的主流力量。 通过研究以上各种冲压模具设计软件的性能和特点可以发现：目前许多冲 模c a d 系统已具有很强的分析计算与图形处理功能，并提供交互设计的工具， 但设计结果的优劣仍取决于设计者的经验，无法对已完成的模具设计思想进行 重用，软件的智能性有待进一步提高。模具设计过程是一个建立在经验与知识 基础上的创造性思维过程，将基于知识的c a d 技术引入冲模设计是时代发展的 必然，并且以往的二维系统已无法适应高效、直观、可视化的设计要求，三维 7 第1 章绪论 设计平台必将取代以a u t o c a d 为代表的二维平台。 1 2 3 冲模c a d 系统开放性的研究 目前，在通用三维平台上二次开发是实现冲模c a d 软件的理想选择。但是 大多数的k b e 系统开发是一次性的，程序设计者从领域专家那里获取领域知识， 并将其嵌入到软件代码、程序框架中予以实现。从知识的不同表示方法，设计 中的知识可分为描述型和过程型知识。对于描述型知识，专用零部件库是典型 案例，通用c a d 软件虽然集成了标准件库，但一般没有冲模标准件且大多不支 持全新标准件的添加，所以需要独立开发专用的零部件库，但当用户需求发生 变化时大多软件不支持新标准件的添加，往往要重新开发，且这样的系统不适 用于不同需求的不同用户。对于过程型知识，零件的校核过程是典型案例，传 统的做法是将设计过程刚性地嵌入到程序中，程序通过反复发布来完善，工作 量大，并且修改余地很有限，对开发设计人员要求高。所以，这就给冲模c a d 系统的设计提出了新的要求，即怎样使系统具有更好的开放性。 在冲模c a d 系统的开放性方面，有一些相关的研究：文献【3 1 】中提出了在 a u t o c a d 平台上实现模具动态装配模型的方法，但是在二维平台上的设计过程 不符合工程师的思维模式，不利于进一步提升设计效率；文献1 3 2 提出了一种可 配置的模架设计方法，文献【3 3 】采用m i c r o s o t te x c e l 作为数据库对连续模中的标 准件进行管理，但是却都没有提到如何处理用户添加拓扑结构全新的零件及其 装配的问题。k b e 系统的开放性研究并不多，尤其是从系统的层面提出一种通 用的解决方案。对于过程型知识系统的开放性研究更是很少。 开放性不足的原因，笔者认为是涉及创建零部件的数据、规则或多或少以 代码的方式写入到了程序中，这样一旦程序编译发布，许多功能也就框死了。 所以，提高系统开放性的主要途径就是将知识( 包括装配规则、驱动参数、设 计经验和资源等) 从代码层向描述层转移，并且设计出合理的程序机制来增强 系统与外界的数据交流能力。 1 3 研究内容 本文探讨了如何设计并实现基于知识的冲模c a d 系统的开放性。系统的专 8 第1 苹绪论 用性( 即应用于冲模设计) 以及知识工程技术的引入是研究中的两大前提和基 础，重点在系统的开放性上做相应的探讨和研究，具体地，本文将从知识表示 的不同形式分别对涉及描述型知识和过程型知识的相关模块进行研究，考虑模 块的开放性问题。各章节的具体安排如下： 第1 章：介绍了研究背景和意义，从我国的国情和市场应用的角度分析了 冲模c a d 的现状、前景以及开放性对系统的重要性。 第2 章：介绍了冲模设计的过程和特点，解释了本文涉及的冲模c a d 系统 的体系结构和本设计中两个相关的模块( 总体结构c a d 模块和连接件c a d 模块) ， 最后介绍了开发平台、开发语言及a p i 的调用等基本开发技术。 第3 章：宏观地介绍了基于知识的系统，思考了知识和系统的关系，并研 究了冲模设计中知识的分类、获取、和表示等技术。 第4 章：研究描述性知识的开放性设计与实现。以冲模总体结构设计模块 为案例，对零件库和自动装配功能以及开放性问题进行了研究和设计，着重考 虑了全新的用户零件与系统的集成问题。 第5 章：研究过程型知识的开放性设计与实现。对于冲模设计中的过程型 知识，提出了用p e t r i 网表示知识，建立了规范的、可扩展的、开放的知识存储、 使用方案。并以连接件c a d 模块中的校核过程为案例例，研究其具体实现方法。 第6 章：分别简单介绍了第4 、第5 章里的模块运行实例，包括界面、操 作流程和运行结果等。 第7 章：总结和展望。 9 第2 章冲模c a d 系统的开发概述 第2 章冲模c a d 系统的开发概述 冲模c a d 系统t j - d i e1 0 是一个二次开发的系统，通用平台选用a u t o d e s k i n v e n t o r9 ，开发工具为m i c r o s o f tv i s u a lc 卜+ 6 0 ，数据库平台选用m i c r o s o f t a c c e s s2 0 0 0 ，这一章将介绍相关软件和相关的二次开发的技术概要。 2 1 冲模设计的流程 冲压加工【3 4 1 ，是指借助于常规或专用设各的动力使板料在模具中直接得到 变形力并进行变形，从而获得一定形状、尺寸和性能的产品零件的生产技术， 简称为冲压。冲压加工的模具1 3 引，指用于冲压加工的专用设备，能制造出一定 数量的冲压件，简称为冲压模具或冲模。冲压模具的设计过程简单地讲就是在 搜索冲压设计必须的原始资料的基础上，对其进行分析，确定合适的工艺方案， 再由工艺方案设计出合适的具体模具。 冲压模具的一般设计流程如图2 1 所示。 图2 1 冲压模具的一般设计流程 在图2 1 中，冲模的设计主要有以下几部分组成： ( 1 ) 搜索必要的资料。 1 0 第2 章冲模c a d 系统的开发概述 包括制件的形状、尺寸、材料、精度、生产批量等信息， 本、质量、总体尺寸等多方面的要求。 ( 2 ) 确定制件的冲压工艺方案。 由( 1 ) 中的资料进行分析，确定所要采用的工序( 冲孔、 和之间的顺序。 还有对模具的成 落料、拉伸等) ( 3 ) 模具的形式选择。 根据产品的批量、精度等要求和生产条件、成本限制、制造水平等因素， 选择模具的形式，如复合模、连续模或简单模。 ( 4 ) 工艺计算。 在( 2 ) 的基础上，通过定量计算、经验判断及综合分析将工艺方案量化、 数字化、具体化，包括确定排样图、毛胚尺寸、凸模和凹模的尺寸、压力中心、 冲压力的大小等等。这一步是后面模具总体设计的基础。 ( 5 ) 模具设计。 包括两部分内容：总体结构的设计和零部件的详细设计。在图2 1 中，总 体结构的设计部分用黑框显示，表示为本论文涉及的部分。总体结构设计的任 务是根据( 3 ) 、( 4 ) 两步的结果选择冲模的模架、各模板的尺寸，这是零部件 详细设计的基础，确定了冲模的大的框架后，就可以设计细节部分了，如工作 零件的装配方式，卸料板的装配方式、采用什么结构导料、定位等。 ( 6 ) 压力机的选定。 压力机的装模高度必须符合模具闭合高度的要求，即模具的闭合高度应在 压力机的最大闭合高度与最小闭合高度之间，另外，压力机的工作台尺寸一般 应大于模具尺寸。 以上所述的设计流程是较为传统的方式，实际上，在设计师的脑海中，设 计过程远比这种串行的设计模式复杂。往往在工艺设计的时候就考虑到了模具 的结构或零部件的详细设计，如选定了级进加工模式时考虑是否选用侧刃定位 等，而在模具结构的详细设计阶段可能会修改前面的总体结构布局。总之，一 个好的较优化的设计必然是在各方面因素的综合分析、全盘考虑的情况下诞生 的，这就意味着设计过程将是一种循环式的、并行式的、不断修改的过程。 第2 章冲模c a d 系统的开发概述 2 2 冲模c a d 系统t j d i e1 。0 2 2 1 t j - d i e1 0 的体系结构 “基于知识的冲压模具三维数字化设计系统t j d i e1 0 ”是在充分利用先进 制造技术的思想下设计开发的，以全生命周期的理念将冲模的设计与制造诸多 环节串连为一体。计算机技术的应用是实现这一数字化系统的关键。系统主要 解决的问题是冲压模具的设计，但与传统设计不同之处在于系统是面向行业与 设计过程的而不仅仅是一套c a d 作图工具，面向行业与设计过程的c a d 系统 同传统c a d 系统的最大区别是针对特定行业的特定产品，因此开发这类系统离 不开对行业的特定产品分析。另一方面，这意味着系统要迎合设计者的设计意 图、设计习惯( 包括设计师可以定制自己的冲模典型结构库并可以在以后设计 中重复利等) ，从而最大程度地简化设计中那些在一定程度上固化的繁琐的流 程。事实上整个系统的功能己超出了模具设计范嗣，从前期的冲压制件建模到 后期的模具数控加工接口，这样把围绕模具设计的相关上下游工作紧密地整合 起来，使该系统具有更强的功能并能显著提高冲模设计的质量与效率。 “基于知识的冲压模具三维数字化设计系统 系统由以下几个部分组成， 结构体系见图2 2 ，其中，黑框部分为本文中研究涉及的部分： ( 1 ) 核心层，包括：几何引擎、二维三维约束求解、通用函数库、图形管 理器。 ( 2 ) 通用平台层，包括：特征造型、基本曲面造型、零件设计、装配设计、 工程图设计、知识管理、标准件机制、设计资源管理、逆向工程、复杂曲面造 型、集成接口等。 ( 3 ) 应用层，即冲压模具专用系统，包括：基于知识的冲压件产品信息集 成建模、冲压模具工艺设计、冲压模具总体结构设计、冲压模具详细结构设计、 辅助分析、工程图自动生成、数控加工、设计流程导航、专业设计知识库、设 计资源库建库工具、设计资源管理、应用集成接口等。 ( 4 ) 数据交换与二次开发接口。 1 2 第2 章冲模c a d 系统的开发概述 图2 2 基于知识的冲压模具三维数字化设计专用系统体系结构 2 2 2 论文涉及的两个主要模块 下面具体讨论以下后面将要提到的冲模总体结构模块以及连接件c a d 模 块。 ( 1 ) 冲模总体结构模块，顾名思义是用来设计总体结构的，对应于系统体 系结构中的冲压模具总体结构设计、标准件建库工具和设计资源管理部分。冲 模的总体结构是指设计冲模的结构布局，确定各板块的外形尺寸并进行初步装 配。总体结构设计一般位于工艺设计与零部件详细设计部分之间，其承接了前 续设计的结果，同时为后续的零部件详细设计制定出了结构框架和基础。在开 始设计总体结构之前，需要明确冲模的相关信息，包括模具的类型( 简单模、 复合模、级进模) 、模具的导向方式( 无导向、滑动导向、滚动导向) 、模具的 导柱布置形式( 后导柱布置、对角导柱布置、中间导柱布置、四导柱布置) 、凹 模的周界尺寸( b l ) 、毛坯条料的尺寸等，只有明确了以上基本的参数后才能 确定模具的总体结构尺寸，包括模架的选定、各模板( 垫板、固定板、卸料板 等) 的外形尺寸，并可以作出装配的草图，接下去就可以进行进一步的零部件 的详细设计了，如安装凸模、凹模，卸料螺钉等等。在计算机技术介入的情况 下冲压模具设计可能会有所变化，由于冲压设计必须的原始资料( 包括冲压制 件的三维模型等) 已数字化了，并且在后序的设计过程中都将采用这一技术， 这就使设计过程的简化及更好的信息复用成为可能。第4 章将对该模块中的描 第2 苹冲模c a d 系统的开发概述 述型知识的相关问题展开研究。 ( 2 ) 连接件c a d 模块，主要用来完成冲模上与各种孔系相关的功能，对 应于系统体系结构中的冲压模具详细结构设计和辅助分析部分。功能的集成化、 一体化是该模块的设计重点。具体功能包括以下三类： 创建孔系。如螺栓孔系、卸料螺钉孔系等，在装配环境中实现，将孔系 作为一个设计整体来完成，包括各涉及板块的打孔尺寸、位置以及孑l 的 阵列等，这样处理更简洁并且符合设计者的思维。当然，对于非阵列的 孔系就显得更加简单了。 装配连接件。这里的连接件包括螺钉、导正销、卸料螺钉及弹簧等。孔 系模块的基本作用是在冲模设计过程中创建一系列的孔特征，而孔特征 常常用来插入连接件从而形成装配关系，如螺栓联接孔、卸料螺钉联接 孔挡料销孔等等，所以本模块充分考虑到了用户使用的方便性，将与这 些孔系相关的装配功能集成了进来，用户首先要将连接件插入装配文件 中，