（材料加工工程专业论文）基于模型推理的注塑模设计系统的研究与开发.pdf

上海交通大学硕士学位论文 摘要 塑料注射成型指塑料原材料经注塑机熔融塑化并注入模具，在模具中固化后脱 模成为制品。由于注塑模具有高效率、制品精度高等特点，适用于成型形状复杂、 尺寸准确的产品，以及大批量的生产方式，应用广泛，已成为塑料成形技术不可缺 少的重要加工手段之一。注塑模设计是一个复杂的过程，严重依赖于设计者的经验， 如何提高设计智能化程度一直是注塑模c a d 领域的研究重点。基于模型推理 ( m o d e l b a s e dr e a s o n i n g ，m b r ) 是构建知识系统推理机制的一种方法，可以将基 于模型推理技术集成于注塑模c a d 设计软件，使设计软件具有一定智能，提高设 计效率，因此本文的研究具有重要的理论意义和应用价值。 分析了注塑模c a d 的国内外现状、当前常用的一些注塑模c a d 技术，阐述 了mb r 基本原理与实现技术及其在模具行业中应用的可行性。 ( 分析系统开发要求，建立了m b r 的注塑模设计系统的总体框架图、组织模型， 清晰地表达了系统的活动和数据流以及它们之间的关系，为系统的实现奠定了基 础。组件模型是基于模型推理设计中模块模型变动性的前提条件，采用特征技术与 约束技术建立起组件特征约束模型，使组件模型具有良好的变动性，从而支持模块 模型的变动性。 分析了模块模型的信息需求，并具体阐述了产品组件信息、层次信息以及装配 关系的表达方法。分析了产品模型中的设计参数类型和约束种类。在模块模型分类 的基础上，着重探讨了实体模块模型的具体建立方法。提出了以约束指定法和真接 输入法两者相结合的综合模块建模方法，最终形成约束驱动的产品模块模型。 分析了设计约束网络的形成和特点，然后利用设计问题不完全耦合的特点，采 用了规约分解的思想，并在图论和组合论的基础上，完善了设计约束网络求解规划 的方法。该方法综合采用了顺序求解和规约分解的方式，降低了需要求解的方程组 的规模，使得求解效率得到显著提高。 分析并构造了注塑模数据库的组织结构，明确了参与实例检索的项目内容，给 出了实例检索的分层检索过程，对实例相似性进行研究，给出了相似度计算公式。 阐述了数据库的管理与维护内容及要求。 、 在上述理论研究的基础上，基于w i n d o w s 的p r o e n g i n e e rc a d 平台，采用c 语言与p r o e n g i n e e r 二次开发工具p r o t o o l k i t ，结合a c c e s s 数据库进行二次开发， 实现了图形界面及结果三维显示。最后，对基于模型推理的注塑模设计系统进行了 实例测试，展示了系统运行的功能。通过实例证明本文提出的设计思想和技术路线 是可行的。 、一一一 关键词注塑模具设计模型推理知识系统智能设计 圭塑奎望奎兰堡主堂堡堡奎 a b s t r a c t p l a s t i ci n j e c t i o nm o l d i n gi sac y c l i c a lp r o c e s si nw h i c hp l a s t i cf e e ds t o c k i sm e l t e d a n dp r e s s u r i z e di n t ot h em o l dc a v i t y , t h e ns o l i d i f i e dt op r o d u c et h r e ed i m e n s i o np a r t s b e c a u s ei n j e c t i o nm o l d i n gh a ss u c hc h a r a c t e r i s t i c sa sh i g he f f i c i e n c y , g o o dp r e c i s i o n ， e t c ，i t i s a p p l i c a b l e t of o r m p r o d u c t s w h i c hh a v e c o m p l i c a t e ds h a p e a n de x a c t d i m e n s i o n s i sa p p l i c a b l et ov o l u m e p r o d u c e i th a sb e e no n eo ft h ei n d i s p e n s a b l e ， i m p o r t a n tp r o c e s s i n g m e t h o d s d u et ot h ec o m p l e x i t yo fi n j e c t i o nm o l d i n ga n dt h eg r e a t d e p e n d e n c e o n d e s i g n e r se x p e r i e n c e ，h o w t oi m p r o v et h el e v e lo f i n t e l l i g e n td e s i g nh a s b e e nt h ee m p h a s e si nt h ei n j e c t i o nm o l d i n gc a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) f i e l d m o d e l b a s e dr e a s o n i n g ( m b r ) t e c h n o l o g yi si n t r o d u c e dt od e s i g ns y s t e m ，s ot h i s t h em a j o rc o n t e n t so f t h ed i s s e r t a t i o ni n c l u d e sa sf o l l o w s ： t h ed o m e s t i ca n da b r o a da p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n to fi n j e c t i o nm o l d i n gc a d a r ea n a l y z e di nd e t a i l m b rt e c h n i q u ea n dt h ea p p l i e df e a s i b i l i t yi nt h em o l dd e s i g n f i e l da r es t u d i e di nd e t a i l ，t h er e q u i r e m e n t so ft h es y s t e ma r ea n a l y z e d ，t h es t r u c t u r e f r a m e w o r ko ft h ei n j e c t i o nm o l d i n gd e s i g n i n gs y s t e mb a s e d0 nm b ri sb u i l tu p t h e c h a n g e a b i l i t yo fc o m p o n e n t m o d e li st h ep r e r e q u i s i t eo ft h ec h a n g e a b i l i t yo ft h em o d u l e m o d e l f e a t u r et e c h n o l o g ya n dc o n s t r a i n tt e c h n o l o g ya r ea d o p t e di nt h em o d e l i n go f c o m p o n e n tm o d e l s ，w h i c hg u a r a n t e e st h eb e s tc h a n g e a b i f i t yo f t h em o d u l e m o d e l t h ei n f o r m a t i o nr e q u i r e m e n t so fm o d u l em o d e la r ea n a l y z e da n dt h ec o n c r e t e d e s c r i p t i o no fc o m p o n e n ti n f o r m a f i o n p r o d u c th i e r a r c h ya n da s s e m b l yr e l a t i o n s a r e b r o u g h t f o r w a r dh e r e 1 1 1 et y p e so f d e s i g n p a r a m e t e r sa n d t h ec o n s t r a i n ta m o n gt h e ma r e a n a l y z e d a l s o v a r i o u sm o d e l i n gm e t h o d so fs o l i d a s s e m b l ym o d e lb a s e do nt h e c l a s s i f i c a t i o no f a s s e m b l y m o d e l sa r ec o n c l u d e da n d a n a l y z e d t of o r ma c o n s t r a i n t d r i v e nm o d e l b a s e do na n a l y s i so ft h ed e s i g nc o n s t r a i n tn e t w o r kf e a t u r e s “d i v i d ea n dc o n q u e r a p p r o a c hw a sa d o p t e d b yt a k i n ga d v a n t a g eo fg r a p ht h e o r ya n dc o m b i n a t i o nt h e o r y , ap e r l e c tm e t h o df o rd e s i g nc o n s t r a i n tn e t w o r k s o l v i n gw a sp r o p o s e dw h i c hd e c r e a s et h e s o l v i n gs c a l ea n d r e s u l ti nh i g hs o l v i n ge 伍c i e n c y t h em o d u l em o d e lf o ri n j e c t i o nm o l dd e s i g ni s g i v e n t h ec o n t e n t sa n di t e m s r e t r i e v e do fc a s e sa r ep o i n t e do u t 1 1 1 em e a s u r e m e n to fs i m i l a rc a s e si ss t u d i e da n dt h e c o m p u t i n g f o r m u l ai ss e tu p h o wt om a n a g ea n dm a i n t a i nt h ec a s el i b r a r yi si n t r o d u c e d b r i e f l y 7 a c c o r d i n gt ot h et h e o r e t i c a ls t u d i e ss t a t e da b o v e t h es y s t e mf o rm b ri n j e c t i o n m o l dd e s i g ni se s t a b l i s h e db a s e do n p r o e n g i n e e ru s i n gcl a n g u a g ep r o g r a m m i n ga n d t h ed e v e l o p m e n tt o o l p r o t o o l k i ts o f t w a r ep a c k a g ew i t ha c c e s sd a t a b a s e a tp r e s e n t t h es y s t e mh a sc a p a b i l i t i e so fa c c o m p l i s h i n gt h em o l db a s ed e s i g no nt h es u p p o r to f k n o w l e d g eb a s ea n dd a t a b a s e a l l t h o s e p r o v e t h a tt h er e s e a r c hi ss u c c e s s f u la n d e f f e c t i v e k e yw o r d s e c t i o nm o l d i n gd e s i g n ，m o d e l b a s e dr e a s o n i n g ( m b r ) ， k n o w l e d g e - b a s e ds y s t e m ( k b s ) ，i n t e l l i g e n td e s i g n 2 上海交通大学硕士学位论文 ， 1 1 引言 第一章绪论 在设计工作中，伴随着许多陈述性和经验性知识的判断、决策、重用。要想将 知识集成到c a d 系统中，解决通用型c a d 系统智能化不高、专业性不强的问题， 一种最有效的方法是应用基于知识的系统( k n o w l e d g e - b a s e ds y s t e m ，k b s ) 技术。 所谓k b s 即是一种问题求解的智能软件：在某一专业领域内，它把有关人类专家 的知识和经验表示成计算机能够接受和处理的形式，采用专家的推理和控制策略， 解决该领域内只有专家才能解决的问题。 设计是产品开发过程中最重要的环节之一，有研究表明，虽然设计活动只占 5 的产品成本，却往往决定占到8 0 的产品成本。一个有错误的设计，无论后续 的开发过程是如何的精确、完美，都无法保证整个产品开发过程的高质量。正是由 于设计的重要性，科学工作者对设计背后规律的研究一直没有停止过，这就促进了 设计方法学的不断发展。 伴随着现代设计理论研究的起步，计算机辅助设计( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ， c a d ) 技术在理论和实践方面的研究也不断发展起来，并迅速应用到了遍及机械、 建筑、电子、广告、服装等许多领域。 以依据算法的结构性能分析和计算机辅助绘图为主要特征的传统c a d 技术在 产品设计中的成功应用，引起设计领域内的一场深刻变革。包括设计活动在内的问 题求解大致可分为两类工作：第一类是基于数学模型和数值处理的计算型工作；第 二类是基于符号性知识模型和符号处理的推理型工作【2 】。计算机引入设计是从设计 计算和分析开始的，接着进入到图形绘制领域，在这两方面计算机大大扩展了人的 能力，但这些方面都属于设计中的计算型工作。由于产品设计是人的创造力与环境 条件交互作用的物化过程，是一种智能行为，所以有相当多的工作是不能建奇= 起精 确的数学模型并用数值计算的方法求解的，而是需要设计人员发挥自己的创造性， 应用多学科知识和实践经验，分析推理，运筹决策，综合评价，才能取得合理的结 果，而这些工作是推理型工作。对推理型工作的计算机支持是继计算型工作计算机 支持后的c a d 技术的新发展，其主要特征是人工智能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，a i ) 技术引入到c a d 系统中，产生了智能c a d ( i n t e l l i g e n tc a d ，i c a d ) 系统或称之 为基于知识的系统( k n o w l e d g e - b a s e ds y s t e m ，k b s ) 。 基于知识的系统是7 0 年代中后期提出的一种新的设计技术，是一种新型的高 层次计算机辅助设计方法与技术。它把专家系统等人工智能技术与优化设计、有限 元分析、计算机绘图等各种数值计算技术结合起来，使计算机具有支持人类专家的 设计思维、推理决策及模拟人的思维方法与智能行为的能力，从而把设计自动化推 向更高层次。基于知识的系统的目标就是尽可能地使计算机参与设计过程，利用设 计专家的知识、经验的数据来完成产品的方案决策、结构设计、性能分析、图形处 理的全过程。因此，智能c a d 系统除了具有工程数据库、图形库等c a d 功能模 块外，还应具有知识库、推理机等智能模块。 当进行一项设计时，参照与当前设计相似的样板，可快速完成变形设计( v a r i a n t d e s i g n ) 的任务。当找不到相关经验与实例时，才应用一般设计法则和知识经过推 理与决策进行创造性进行设计( c r e a t i v e d e s i g n ) 或适应性设计( a d a p t i v e d e s i g n ) 的设计任务。 上海交通大学硕士学位论文 基于知识的系统的方法是模拟人类专家的这种设计思维和推理的过程。其中的 设计原型是对一类设计方案的抽象和设计对象的描述，概括了设计的基本特征和共 同属性，包含设计模式和设计实例( d e s i g nc a s e s ) 。在解决变形设计问题时采用基 于实例推理( c a s e b a s e dr e a s o n i n g ，c b r ) 方法进行快速求解：在找不到相似实 例的情况下，先根据设计模式与某些规则构造设计对象的模型，再用基于模型推理 ( m o d e l b a s e dr e a s o n i n g ，m b r ) 方法进行求解。将k b s 技术应用于注塑模的设 计中是十分有意义的。 1 2 注塑模c a d 的国内外研究现状 随着工程技术的需要和材料科学的不断发展，塑料制品越来越受到人们的青 睐，“以塑代木”，“以塑代钢”的趋势越来越明显。塑料作为新型的合成材料，由 于重量轻、耐水、耐化学腐蚀、外观美观、制造、安装方便，广泛用于国民生产的 各部门。塑料制品的大量使用推动了c a d 技术在塑料行业的不断发展，c a d 与 c a m 的结合使模具生产全盘自动化，更是塑料制品生产的重大技术革命1 3 。 注塑模c a d 技术是一项改造传统模具生产方式的关键技术。采用这一技术可 以很方便地在计算机中创建注塑件及注塑模具的模型，进行注塑工艺过程以及加工 的模拟与评估，以获得最佳设计效果，从而避免传统模具生产中需要的“反复试模” 这一复杂过程，极大地提高了生产效率。据有关资料统计表明1 4 i ，模具c a d c a m 技术的应用，可使模具成本降低1 0 3 0 ，交货期提前2 0 - 5 0 ，材料耗减少2 - 5 。 在国外，塑料机械工业中大量使用c a d 技术始于七十年代末期，首先是在模 具( d i ea n dm o u l d ) 设计和制造部门。目前国外的模具c a d 忙a m 技术已经达到 相当高的水平。据前西德联邦贸易部在1 9 8 1 年的报道，西德2 5 的模具是采用 c a d c a m 技术设计和生产的。美国塑料行业的c a d c a m 技术的发展也极为迅 速，其c a d 软件销售量以每年3 0 的增长率上升。英国6 7 的塑料模具是用c a d 技术设计的。据国际生产研究协会预测，到2 0 0 0 年作为设计和制造之问的联系手 段，图纸将失去其主要作用。我国也以提出了到2 0 0 0 年取消图纸并培养出掌握c a d 的工程技术人员2 0 0 万的目标，在各地建立了c a d 培训基地网点。 世界上第一套塑料模具c a d 软件是澳大利亚m o l d f l o w 公司于1 9 7 6 年推 出并以公司名字命名的m o l d f l o w 。目前m o l d f l o w 已经发展得比较完善， 实现了对注塑过程的模拟、设计原理的应用和精确计算，并逐步优化模拟过程，使 设计工程师在产品设计阶段可以在计算机上“制造”塑料产品，并能灵活地适应市 场需求的变化。继m o l d f l o w 之后美国康奈尔大学、德国的亚森( a a c h e n ) 技 术大学、美国的c v 公司、m c a p 公司、日本的c a d m 公司等也相继开发了塑料 模具c a d c a m 系统。第一套塑料模具c a d c a m 经过数年努力研制而成，于1 9 8 2 年推出，它就是后来称为g r a f t e k 的系统。塑料模具c a d c a m 的应用带来了 巨大的社会效益和经济效益。据报道，美国p r o t e t y p e & p l a s t i cm o l d 公司采用了 c o m p u t o o l 公司的c a d c a m 系统后，一年内生产效率提高了一倍，节省了3 5 的准备时问，制造周期平均缩短了3 0 ，材料节省了1 0 ，模具成本降低了1 0 一 3 0 【鲥。 国内注塑模c a d c a m 系统的研究起步较晚。由于吸收了国外软件丌发的经 验与技术，发展很快。1 9 8 7 年在华中理工大学出现我国自行开发的第一个注塑模 c a d 系统：上海交大、合肥工大、大连理工大、浙江大学等在注塑模c a d c a m 系统研究方面也做了许多工作。合肥工大建立了基于微机的注塑模c a d 系统 6 上海交通大学硕士学位论文 i p m c a d ，上海交大结合人工智能技术进行智能注塑模c a d 系统的研究。 目前国内实际使用的注塑模c a d 系统大多是基于几何模型，使得单个结构零 件的装配关系只有在所有结构零件详细设计完成后才能体现出来。装配建模技术是 利用集合造型系统确立每个装配零件的几何模型的基础上，通过用户的交互操作建 立各零件的相互关系定位、尺寸和约束关系，从而生成装配模型，利用它可以 进行零件干涉检查和模具力学性能分析等。华中理工大学在c a d 系统中将这种交 互式装配建模方法应用到标准模架的建库工作中。 在传统注塑模c a d 系统中建立与修改塑件几何模型比较困难，由塑件作为模 型不能直接自动转换成型腔、型芯模型，而且模具多个零件之间关联设计与联动修 改能力较差，但是基于约束和特征的变动设计技术是克服上述弱点的有效方法。变 动设计以变动产品模型为核心。变动产品兼有特征模型、约束模型和尺寸驱动的共 同特点，着重强调模型的变动特性。需要研究的主要内容包括模型的表达、实例化 方法、建模与修改方法，基于变动模型的系统与应用等，厦门大学、浙江大学等单 位在这方面进行了大量的理论探讨和一些应用工作，目前尚待完善。 计算机应用于注塑模设计过程关键是要解决已有知识库、专家经验库和逻辑推 理库之问的关系。目前许多c a d 系统采用人工干预的手段，由模具设计人员以交 互方式作出判断和决策，还有少部分c a d 系统局部采用人工智能、专家系统技术。 国外，m v a g h u l t 5 j 等人在注塑件设计的c a d 开发环境中加入专家系统技术， 建立了一个注塑材料选择的专家系统g e r e s ，该系统选择11 类判据作为选择材料 的依据和标准，提出了对判据进行松弛方法应用于选择，系统集中了六位塑料专家 的实际经验，并进行了验证，但该系统将描述塑料属性的事实调入计算机内存进行 了操作，因而限制了系统知识库的规模。t h k w o n a n d p a w e e k s l 6 1 将专家系统技 术应用于注塑模冷却系统的设计中，而m w i g g i n s 等人用专家系统开发工具 i n s i g h l 2 建立了望料选择和缺陷诊断的专家系统，以产生式规则为推理表达形式， 建立了5 1 条规则，但该系统对用户的提问太多，且涉及较多的专业知识，因而限 制了其适用性。c k k w o n g l 7 , 8 l 等人将基于事例推理( c b r ) 技术应用到塑件的注 射参数的生成中。k s h e l e s h - n e z h a d l 9 1 将基于事例推理和基于规则推理( r b r ) 两 者结合起来应用到注塑模工艺生成过程中，利用c b r 来产生实验性的工艺参数， 利用r b r 来进行纠正和修改。y u h m i nc h e n 1 0 1 等人开发的注塑模成本有效性设 计系统，提供设计时在线的成本评估和建议，帮助设计人员避免高成本设计。国内， 上海交通大学率先在工艺决策和模具结构设计中运用基于事例推理方法开发了智 能注塑模c a d c a m 系统。从国内外研究的现状来看，将m b r 引入注塑模设计系 统中的工作还不完善。本文运用基于模型推理技术，以塑件特征信息为输入问题， 推理后获取注塑模具设计所需的模架系统的数据信息。相信随着本研究工作的进 行，可以进一步完善m b r 理论在注塑模设计方面的应用。 1 3 基于模型推理技术 1 3 1 基于模型推理技术简述 在推理方法上，知识推理( k n o w l e d g e - b a s e dr e a s o n i n g ，k b r ) 可分为以下 三类：基于规则的推理( r u l e - b a s e dr e a s o n i n g ，r b r ) ；基于实例的推理( c a s e b a s e d r e a s o n i n g ，c b r ) ； 基于模型的推理( m o d e l - b a s e dr e a s o n i n g ，m b r ) 。 上海交通大学硕士学位论文 基于模型的推理技术是随着计算机编程技术的发展而发展的。在早期，以面向 过程的方法进行编程时，m b r 被定义为模拟( s i m u l a t i o n ) “，即以计算机建立一 个真实世界进程的系统模型，由于系统建模是编程必要的步骤，m b r 被逐渐淡化。 但是，随着面向对象的编程技术的出现，随着面向对象的分析和设计方法 ( o n e c t o r i e n t e da n a l y s i sa n dd e s i g n o o a d ) 1 2 , 1 3 1 的提出，m b r 又被注入了新 的活力。 m b r 技术在建模上可由整体到局部分为三个层次：( 1 ) 组织模型( m a c h i n e r y m o d e l ) ：这一总模型负责分配( p l a n ) 和调度( s c h e d u l e ) 整个系统中各个模块的 功能；( 2 ) 模块模型( m o d u l em o d e l ) ：这一类模型是用于进行变换、嵌套、组合以产 生复合输入问题的解；( 3 ) 组件模型( c o m p o n e n tm o d e l ) ：这一类模型是用于进行组 件的功能特征和物理特征的构建及调试。 m b r 技术在理论上采用约束系统进行推理。首先，运用组件描述语言 ( c o m p o n e n td e s c r i p t i o nl a n g u a g e ，c d l ) 将组件的约束特征描述出来：然后， 将约束特征转化入并行约束编程框架( c o n c u r r e n tc o n s t r a i n tp r o g r a m m i n gf r a m e ， c c pf r a m e ) 即约束系统( c o n s t r a i n ts y s t e m ) ，进行推理。c c p 框架将输入问题的 外部约束与组件及模块间的内部约束进行匹配、组合，最终得到输出结果。 从以上说明可看出，模块模型是一个非常重要的概念。一个系统或一个产品可 以根据其功能特征和物理特征划分为不同的模块，而组件可以看作为再划分的子模 块。通过模块的组合和变换可以适应不同的系统或产生新的产品，这就是基于模块 的设计( m o d u l e b a s e dd e s i g n ，m b d ) 1 3 2 基于模型推理技术的特点 m b r 由其特性决定了它具有以下优点：( 1 ) 问题不匹配时可以解答。当不能完 全满足输入问题的约束要求时，可对不满足的模块进行修改以满足问题。( 2 ) 部分 继承成功设计的成果。可以将修改的模块存入模块模型库和模块数据库中，以备以 后使用，如同将大问题分解为子问题，再将它们存为小c a s e 。( 3 ) 问题的创新性解 答。c b r 是根据搜索出来的旧的结果给出解答，m b r 是根据约束条件由模块组合 出新的结果。( 4 ) 数据冗余性低、维护简单。对于不同的结果，其可以包含相同的 模块，而且存储于数据库中相同位置，所以数据不冗余，维护简单。 但是，m b r 也有其不足：首先是给出问题的约束要充分，否则会使系统无法 控制约束，最终无法获得结果；其次，其不具有经验知识的记忆能力，知识的学习 完全局限于模块模型。对于r b r 、c b r 、m b r 的简单比较见表1 1 。 表1 1r b r 、c b r 、m b r 的比较 f o r m1 1 c o m p a r i s o ni nr b r 、c b r 、m b r 通过以上分析可以看出c b r 、m b r 各有优缺点，目前较好的方法是把c b r 上海交通大学硕士学位论文 和m b r 集成起来，c b r 适合于解决经常遇到的问题；m b r 适合于解决新问题。 因此，可以用m b r 将新问题分解为若干子问题，用c b r 解决这些子问题，然后 再结合这些子问题的解，形成个新问题的解。 1 3 3 基于模型推理设计的关键技术 归纳起来，基于模型推理设计的关键技术主要包括如下三个方面： m b r 设计系统的组织模型、模块模型、组件模型的建模。组织模型负责分配 和调度整个系统中各个模块的功能；模块模型是用于进行变换、嵌套、组合以产生 复合输入问题的解，当组件模型匹配时，直接调用已存在的实例进行组合，当组件 模型不匹配时，通过对约束网络的求解，得到满足设计要求的产品原形：组件模型 是用于进行组件的功能特征和物理特征的构建。 组件模型、模块模型约束的匹配与求解。约束特征的描述与约束系统对约束的 求解具有很高难度，由于设计的反复修改性和变动性，支持基于模型推理设计的系 统也必须提供对表达设计意图的约束进行维护、传播和求解的能力。在这种环境下， 产品的信息不再是一些孤立的量，而是通过表达设计意图的约束网络联系在一起。 并且由于约束技术的采用，系统可以表达更高层次的设计意图，而并非只是模型的 几何信息的关联。 组件实例库的组织与检索。对于开发人员来说，复合型的存储库较易开发；而 对于维护人员来说，独立的知识库和数据库是易维护的。必须根据模型对数据、信 息、知识进行认真仔细地分析后，分类进行存储。构造注塑模数据库的组织结构， 明确参与实例检索的项目内容，给出实例检索的分层检索过程，对实例相似性进行 研究。 1 4 本文研究意义及主要内容 本文研究的m b r 注塑模设计系统是上海交大青岛海尔c 3 p 联合研究室正在开 发的智能注塑模设计系统的一部分。到目前为止，c b r 注塑模设计系统部分己基 本完成，在实际使用的过程中，海尔方面提出了一些新的要求：在给出一个注塑件 的特征模型后，不仅是搜索出已有的模架系统组成的实例，而且对于结果不能满足 输入条件时，希望能部分修改某一部分以满足条件，而不是修改整个实例；再者， 希望实例库的输入与维护能更加简单。从以上需求分析可以看出，运用m b r 来解 决这些问题是最合适的。因此，本项目研究具有很大的实用意义。 另一方面，从国内外研究的现状来看，将m b r 引入注塑模设计系统中的工作 还不完善，相信随着本研究工作的进行，可以进一步完善m b r 理论在注塑模设计 方面的应用。 全文内容安排如下： 第二章主要分析系统开发要求，建立了m b r 的注塑模设计系统的总体框架图、 组织模型，清晰地表达了系统的活动和数据流以及它们之间的关系，为系统的实现 奠定了基础。组件模型是基于模型推理设计中模块模型变动性的前提条件，采用特 征技术与约束技术建立起组件特征约束模型，使组件模型具有良好的变动性，从而 支持模块模型的变动性。 第三章主要分析了模块模型的信息需求，并具体阐述了产品组件信息、层次信 息以及装配关系的表达方法。分析了产品模型中的设计参数类型和约束种类。在模 9 上海交通大学硕士学位论文 块模型分类的基础上，着重探讨了实体模块模型的具体建立方法。提出了以约束指 定法和直接输入法两者相结合的综合模块建模方法，最终形成约束驱动的产品模块 模型。 第四章主要分析了设计约束网络的形成和特点，然后利用设计问题不完全耦合 的特点，采用了规约分解的思想，并在图论和组合论的基础上，完善了设计约束网 络求解规划的方法。该方法综合采用了顺序求解和规约分解的方式，降低了需要求 解的方程组的规模，使得求解效率得到显著提高。 第五章主要分析并构造了注塑模数据库的组织结构，明确了参与实例检索的项 目内容，给出了实例检索的分层检索过程，对实例相似性进行研究，给出了相似度 计算公式。阐述了数据库的管理与维护内容及要求。 第六章对基于模型推理的注塑模设计系统进行了实例测试，展示了系统运行的 功能。 上海交通大学硕士学位论文 第二章m b r 设计系统的组织模型和组件模型 2 1 注塑模设计概述 2 1 1 注塑模设计过程与内容 塑料注射成型工艺是成型塑料制品的一种重要方法。其基本工艺路线是塑料原 材料经注塑机熔融塑化并注入模具，在模具中固化后脱模成为制品。注塑模具有高 效率、制品精度高等特点，适用于成型形状复杂、尺寸准确的产品，以及大批量的 生产方式。目前，随着高分子材料科学的进步，各种具有特殊优越性能的功能性工 程材料不断开发出来，逐步替代了金属、木材等传统材料，广泛应用于航空、航天、 汽车、家电、电子、建筑、水利灌溉、家居民用等国民经济各个领域，直接或间接 地影响着我们的生活。 注塑模按其在注射机上的安装方式可分为移动式和固定式注射模具；按模具的 成型型腔数目可分为单型腔和多型腔注塑模具；按注塑模的总体结构特征可分为： 单分型面注塑模、双分型面注塑模、带有活动镶件的注塑模、自动卸螺纹注塑模、 无流道注塑模等。 注塑模具的主要设计内容包括型腔布置、分模面设计、模架结构设计、浇注系 统设计、制品顶出机构设计、温控系统设计及模具结构强度计算。其基本的设计过 程为：首先是型腔布置及分模面设计，其次是模架结构设计、浇注系统设计、制品 顶出机构设计、温控系统设计及模具结构强度计算，但其中也有次序交错的部分， 如制品顶出机构及温控系统设计。 2 1 2 注塑模具设计的考虑因素 设计注塑模具时，既要考虑塑料熔体流动行为等塑料；b d - r 工艺要求方面的问 题，又要考虑模具制造装配等模具结构方面的问题，归纳起来大致有以下几个方面： 了解塑料熔体的流动行为，考虑塑料在流道和型腔各处流动的阻力，流动速度， 检验最大流动长度。根据塑料在模具内流动方向( 即充模顺序) ，考虑塑料在模具 内重新熔合和模腔内原有空气导出问题。 考虑冷却过程中塑料收缩及补缩问题。 通过模具设计来控制塑料在模具内结晶、取向和改善制品的内应力。 进浇点和分型面的选择问题。 制件的横向分型抽芯与顶出问题。 模具的冷却或加热问题。 模具有关尺寸与所用注塑机的关系，包括注塑机的最大注射量、锁模力、装模 部分的尺寸等的关系。 模具总体结构和零件形状要简单合理，模具应具有适当精度、光洁度、强度和 刚度，易于制造与装配。 以上这些问题，并非孤立存在，而是相互影响的，往往会引发各种冲突，应综 合加以考虑。目前，人们往往依靠的是设计人员的经验进行设计。这样的注塑模具 设计往往是一个试错过程，设计人员需对设计方案进行反复修改，才能获得可以接 上海交通大学硕士学位论文 受的设计方案。为了尽量避免和减少设计冲突产生的可能，本文针对注塑模具设计， 提出一种局部智能化设计系统，主要采用基于模型推理技术，来用于注塑模具的计 算机辅助设计。 2 1 3 注塑模设计系统中局部智能化设计思想 软件工程与人工智能是计算机科学的两个重要分支。软件工程是通过对软件生 产周期的研究，寻求科学和工程化方法工具和支撑环境，达到开发低成本高质量软 件产品的目的，其本身就是知识密集的智能活动。人工智能是对人的智能活动自身 的研究，从中找出用计算机来代替人的一部分智能活动的软件设计过程，所以两者 有着紧密的联系。人工智能软件的开发可以使用软件工程学方法，软件工程亦可 以采用人工智能技术来辅助完成。具体应用可在如下方面：( 1 ) 基于知识的模糊判 定来描述需求分析；( 2 ) 应用知识推理机来实现局部的详细设计；( 3 ) 专家系统自 动分析生成工具用于软件设计、分析和测试；( 4 ) 对软件的定义阶段可用自然语言 作规格说明。当然，就目前软件工程和人工智能各自的发展水平来讲，还都没有真 正达到全部实现这些功能，但是，随着软件工程技术在各个领域系统开发中应用的 日渐成熟，以及a i 技术不断在各个领域的相互渗透和应用，两者的紧密结合必是 未来软件开发和研究应用的方向之一。 注塑模的设计过程是一个非常复杂的系统。传统的设计方法要依靠有经验的技 术人员查阅大量的资料来完成设计。在注塑模的设计过程中应用软件工程技术已经 能够实现计算机辅助设计c a d 过程，在传统的注塑模c a d 软件系统中应用a i 技 术也已经作了较多的研究工作，但在注塑模全过程中完全实现人工智能化的系统即 注塑模i c a d 系统研究还不多。其主要原因是a i 技术还不成熟，特别是在塑料模 具c a d c a m 系统中真正应用好a j 技术的系统还不多，其理论和方法都需要研究 和论证，因此，目前有待于我们去研究和探讨。本文认为，在这个方面需要开展两 个方面的工作：一是在应用软件工程思想方法开发注塑模c a d 软件系统时应用 a i 技术；二是在应用a i 技术开发专家系统时应用软件工程的思想方法具体实施软 件系统实现的整个过程。前者正是本文要研究的内容。分析目前一些c a d 系统， 有些是采用人工交互手段由设计人员来实现人工干预实现决策，而有些则局部采用 a i 技术如r b r 、c b r 、m b r 等。就目前模具计算机应用水平及发展状况来分析， 本文认为要实现全部的智能化、自动化的注塑模的设计过程在目前的条件和环境下 是不现实的，但实现局部的人工智能化是可以实现的。这方面的文献1 1 4 , f 5 1 在材料选 择、设备优选及塑件工艺c a p p 方面应用专家系统已经做了一些有意义的尝试，而 且实践也证明在注塑模c a d 系统中局部应用人工智能技术是可行的且是有意义 的。 但传统的专家系统是基于规则的，对专家系统的构造和使用存在较大的局限 性，因此，推广应用并不广泛。本文应用m b r 技术在注塑模设计c a d 系统中实 现局部智能化推理，应用软件工程设计方法实现系统框架、流程的设计及编程实施 过程。本文认为，未来工程类c a d 系统实施应是在方案决策阶段应用c b r 技术， 在具体实施参数选择时应用r b r 技术，计算结果决策中应用m b r 技术来实现其 全过程。 圭塞奎望查兰堡主堂垡堡奎 2 2 基于模型推理注塑模设计系统框架 基于模型推理注塑模设计系统是在w i n d o w sn t 操作系统下开发的应用软件， 其支撑软件是c 语言编程环境v i s u a lc + + 5 0 6 0 ，三维c a d c a m 软件 p r o e n g i n e e r ，数据库开发环境a c c e s s 。根据前面所述的模块化设计思想，按模具 结构及设计特征将该系统划分为若干子模块，然后对这些功能模块单独开发，最后 系统总体集成。该系统中主要应用m b r 这一智能推理技术。当然，交互设计也是 系统不可或缺的部分。系统框架如图2 1 ： 图2 1 基于模型推理的注塑模设计系统框架 f i g 2 1s y s t e mo fi n j e c t i o nm o l d i n gd e s i g nb a s e do nm b r 2 3 设计系统的组织模型 按照软件工程的实施步骤，系统三个层次的模型如图2 2 。 i d b r 智能注塑模设计系统组织模型 图2 2m b r 智能注塑模设计系统组织模型 f i g 2 2m a c h i n e r ym o d e lo fs y s t e mo f i n j e c t i o nm o l d i n gd e s i g nb a s e do nm b r 上海交通大学硕士学位论文 该系统被划分为几个既相互独立又彼此联系的予模块，包括模架( m o l d b a s e ) 、 浇注系统( p o u r ) 、顶出统( e j e c t ) 、温控系( t e m p e r a t u r ec o n t r 0 1 ) 、抽芯系统 ( e x t r a c t ) 、辅助机构系统( a s s i s t a l l ts y s t e m ) 这六个模块。 2 4 组件模型的发展 产品组件模型的研究从简单到复杂，由几何模型逐步向集成化方向发展，提出 的模型可以概括为如下四种 1 6 - 1 9 ： 1 面向几何的产品信息建模 这一模型包含三维线框模型、曲面模型、实体模型以及曲面实体混合模型，它 们的目的是表达产品的尺寸、形状等几何信息，因而对非几何信息无法合理表达。 2 面向特征的产品信息模型 为了解决面向几何信息的产品建模不能方便表达产品非几何信息的缺陷，人们 又提出了产品特征模型。特征模型用特征来表达设计对象，使得设计者可以用更接 近工程习惯的语言描述产品，具有良好的优越性。 3 基于知识的产品信息模型 这一模型是使用人工智能技术、约束技术等建立起来的，它将专家设计经验和 产品设计过程