（材料加工工程专业论文）基于知识的注塑模具装配体设计系统关键技术的研究.pdf

基于知识的注塑模具装配体设计系统关键技术的研究 摘要 注塑模具装配体设计是注塑模设计的一个核心环节，它是一个建立在设计专家丰 富的经验与知识基础上的创造性思维过程，如何提高注塑模具装配体设计智能化程度 一直是注塑模c a d 领域的研究重点。 本文将基于知识工程( k n o w l e d g e - b a s e de n g i n e e r i n g ，k b e ) 技术引入注塑模具装配 体设计领域中，把注塑模具装配体设计的专家经验与知识表示成符合c l i p s ( c l a n g u a g ei n t e g r a t e dp r o d u c t i o ns y s t e m ) 语法规范的产生式规则形式，建立注塑模具装配 体设计知识库，并采用c l i p s 知识推理机完成知识的自动推理，从而实现了注塑模具 装配体的智能化设计。 首先，分析了注塑模c a d c a m 技术的发展及现状，k b e 基本原理与实现技术及 其在模具行业中应用的可行性，提出注塑模设计系统中局部智能化设计思想，应用软 件工程学中模块化设计方法和思想，建立了基于知识的注塑模具装配体设计系统总体 框架图。睛晰地表达了系统的活动和数据流以及它们之间的关系，为系统的实施和实 现奠定了基础。 然后，研究了系统实现关键技术，即注塑模具装配体设计知识的获取、表示和推 理。利用嵌入式c l i p s 作为系统的知识推理机，实现了装配体设计的智能化设计。通 过引入领域专家经验及装配体设计资料，获取该领域的设计知识并把它们表示成符合 c l i p s 语言规范的产生式规则形式，建立了注塑模具装配体设计知识库。给出了在v c 平台上嵌入c l i p s 知识推理机的步骤方法，研究了c l i p s 与v c 信息交换，c l i p s 访 问数据库c l i p s 推理过程监控，推理机制等关键技术。还研究了利用基于特征的参 数化技术自动生成三维模架图形，最后给出了系统程序实现时所用到的主要数据结构。 在上述理论研究的基础上，基于w i n d o w sn t 9 5 9 8 的p r o e n g i n e e r 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 开发了基于知识的注塑模具装配体设计 系统。通过实例证明本文提出的设计思想和技术路线是可行的。 本文认为把k b e 技术、c a d 技术和专家经验知识结合起来，构建智能化的设计 和决策体系，造就一个高级的“模具设计专家”，从整体上提高注塑模的水平，以低 成本，高决策能力来设计出高质量的产品，无疑具有很高的理论价值和实际的经济效 一 关键词：注塑模，装配体设计，k b e ，c l i p s ，计算机辅助设计 r e s e a r c ho nk e y t e c h n o l o g i e sf o rk n o w l e d g e b a s e d i n je c t i o nm o u l da s s e m b l yd e s i g ns y s t e m a b s t r a c t i n j e c t i o nm o u l da s s e m b l yd e s i g ni s ak e yp a r to fi n j e c t i o nm o u i dd e s i g na n di sa c r e a t i v et h i n k i n gp r o c e s sb a s e do nd e s i g n e x p e r t s e x p e r i e n c ea n dk n o w l e d g e h o wt o i n c r e a s et h ea u t o m a t i o no fi n j e c t i o nm o u l da s s e m b l yd e s i g nh a sb e e nt h ef o c u so f i n j e c t i o nm o u l dc a d a r e a t h i sp a p e ra p p l i e sk b e ( k n o w l e d g e b a s e d e n g i n e e r i n g ) t e c h n o l o g y i n t o i n j e c t i o n m o u l dd e s i g n 。w et r a n s f o r mt h ee x p e r te x p e r i e n c ei ni n j e c t i o nm o u l da s s e m b l yd e s i g ni n t oa f o r m a ta c c e p t e db yc l i p s ( cl a n g u a g ei n t e g r a t e dp r o d u c t i o ns y s t e m ) ，e s t a b l i s hi n j e c t i o n m o u l da s s e m b l yd e s i g nk n o w l e d g eb a s e ，a n du t i l i z ec l i p si n f e r e n c ee n g i n et oa c c o m p l i s h t h ea u t o m a t i ck n o w l e d g ei n f e r e n c e ，h e n c er e a l i z et h ei n t e l l i g e n td e s i g no fi n j e c t i o nm o u i d a s s e m b l y f i r s t ，t h i sp a p e ro v e r v i e w st h ed e v e l o p m e n ta n ds t a t eo fc a d c a m ，t h eb a s i c p r i n c i p l e s ，r e a l i z a t i o nt e c l m o l o g i e s a n da p p l i c a t i o np r o s p e c to fk b e ，p r o p o s e sl o c a l i n t e l l i g e n td e s i g nm e t h o d ，u s ep a r td e s i g ni ns o f t w a r ee n g i n e e r i n g ，e s t a b l i s h e st h eo v e r a l l s t r u c t u r eo f k n o w l e d g e - b a s e di n j e c t i o nm o u l da s s e m b l yd e s i g ns y s t e m ，c l e a r l yi l l u s t r a t e st h e s y s t e m sa c t i v i t y a n di n n e rd a t af l o w , w h i c ha r et h en e c e s s a r yp r e p a r a t i o nf o r t h e i m p l e m e n t a t i o na n dr e a l i z a t i o no ft h es y s t e m s e c o n d ，r e s e a r c hi sc o n d u c t e do r lt h ek e yt e c h n o l o g i e sf o rt h er e a l i z a t i o no f t h es y s t e m ： t h e a c q u i r e m e n t ，r e p r e s e n t a t i o n a n di n f e r e n c eo fi n j e c t i o nm o u l da s s e m b l y d e s i g n e m b e d d e dc l i p si su s e da st h ek n o w l e d g ei n f e r e n c ee n g i n et ot h es y s t e ma n di n t e l l i g e n t i n j e c t i o nm o u l da s s e m b l yd e s i g ni sr e a l i z e d b ya c q u i r i n ge x p e r te x p e r i e n c ea n dk n o w l e d g e i ni n j e c t i o nm o u l da s s e m b l yd e s i g n ，t r a n s l a t i n gt h e mi n t oap r o d u c t i o nr u l ef o r m a tt h a tc a n b ea c c e p t e db yc l i p s ，w ee s t a b l i s h e si n j e c t i o nm o u l da s s e m b l yd e s i g nk n o w l e d g eb a s e t h ep r o c e d u r eo fe m b e d d i n gc l i p so nv cp l a t f o r mi sg i v e n ，t h ei n f o r m a t i o ne x c h a n g e b e t w e e nv ca n dc l i p s ，d a t a b a s ea c c e s s ，i n f e r e n c ep r o c e s sc o n t r o la n dc h e c k ，i n f e r e n c e m e c h a n i s ma r ea l s ot h o r o u 曲l ys t u d i e d w ea l s os t u d yo nh o wt oa u t o m a t i c a l l yg e n e r a t e t h r e ed i m e n s i o n a lc a dm o d e lb yu s i n gf e a t u r e db a s e dp a r a m e t e rt e c h n o l o g y t h em a j o r d a t as t r u c t u r eu s e di nt h ei m p l e m e n t a t i o no f t h es y s t e mi sg i v e n b a s e do nt h ea b o v et h e o r ys t u d y ，k n o w l e d g e b a s e di n j e c t i o nm o u l da s s e m b l ys y s t e mi s d e v e l o p e du s i n gca n dp r o t 0 0 l k i t0 1 1t h ep l a t f o r mo fp r o e c a s es t u d i e ss h o wt h e t e c h n o l o g ym e t h o dp r o p o s e db yt h ep a p e r i sf e a s i b l e i i w eb e l i e v ei t sh i g h l yv a l u a b l et oc o m b i n ek b e t e c h n o l o g y , c a dt e c h n o l o g y , e x p e r t k n o w l e d g ea n de x p e r i e n c et oe s t a b l i s hi n t e l l i g e n td e s i g na n dd e c i s i o ns y s t e m ，d e v e l o pa n a d v a n c e dm o u l dd e s i g ne x p e r ts y s t e m ，i m p r o v eo v e r a l lt e c h n o l o g yl e v e li nm o u l dd e s i g n ， d e s i g nh i g hq u a l i t yb yl o wc o s ta n dg o o dd e c i s i o na b i l i t y k e y w o r d s ：i n j e c t i o nm o u l d ，a s s e m b l yd e s i g n ，k b e ，c l i p s ，c a d i l l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南昌大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：桶互碾签字目期：舌k 缓丛一年 月细 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南昌土学有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权南昌大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：简互霏 签字日期：勿百晤6 月日签字日期：勿百。j 年6 月尹日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签 签字日 电话 邮编 f 月l 矽日 i 第一章绪论 1 1 注塑模c a d c a m 的研究现状 塑料工业作为国民经济中的一个重要行业，其增长速度与国民经济的增速高度相 关。从塑料工业历年的增长情况来看，我国塑料工业的增长速度比g d p 增速要高出 3 5 个百分点。2 0 0 2 年，全年产值超过2 0 0 0 亿元，利税近1 6 0 亿增长超过2 0 f ”。塑 料注射成型是生产塑料制品的主要方法之一，注塑制品已广泛应用于日常生活用品、 家用电器和汽车零部件等。注塑模具能够一次成型结构复杂、尺寸精度高的产品，适 用于高效率、大批量的生产方式1 2 j 。塑料工业的高速发展带动模具工业的迅速发展。 我国模具行业模具总量已位居世界第三，据不完全统计，目前模具生产厂共有2 万多 家，从业人员5 0 万人，达到3 6 0 亿元。总量供不应求，出口约2 亿美元进口约1 0 亿 美元。近年来，模具行业结构调整步伐加快，主要表现为大型、精密、复杂、长寿命 中高档模具及模具标准件发展速度快于行业平均发展水平，塑料膜、压铸模比例增长： 模具最集中的省份是广东和浙江，这两个省的模具产值占全国总量的6 0 以上。塑料 模已能生产3 4 ”、4 8 ”大屏幕彩电塑壳模具，大容量洗衣机全套塑料模具及汽车保险杠 和整体仪表板等塑料模具。塑料工业和模具工业的蓬勃发展带动着c a d c a m 技术飞 速发展【3 】o 2 0 世纪6 0 年代中期，英国、美国、加拿大的学者就开始了有关塑料熔体在模具 型腔内流动和冷却的基础研究。塑料流变学、几何造型技术、数控加工及计算机技术 的发展有力地推动了注塑模c a d c a e c a m 研究的深入，由最初的c a d 技术和c ，j 订 技术以图纸为媒介传递信息向c a d c a m 一体化方向发展。2 0 世纪8 0 年代中期注塑 模c a d c a e c a m 进入实用阶段，出现了许多商品化注塑模c a d c a e c a m 软件， 比较著名的有澳大利亚m o l d f l o w 公司研制的注塑流动和冷却分析软件 m o l d f l o w ：德国i k v 公司c a d m o u l d 系统，可用于注塑模流动分析、冷却分析、 力学性能校核；美国a c t e c h 公司的c m o u l d 等等。我国注塑模c a d c a m 研究始 于2 0 世纪7 0 年代末，发展也很迅速。“八五”期间，由北京航空航天大学、华中理工 大学、四川联合大学等单位联合进行了国家重点科技攻关课题“注塑模 c a d c a e c a m 集成系统”，并于1 9 9 6 年通过鉴定，部分成果已投入实际应用，使我 国的注塑模c a d c a e c a m 研究和应用水平有了较大提高。目前出现的拥有自主版权 的软件有，华中理工大学开发的塑料注塑模c a d ，c a e c a m 系统h s c 2 0 ，郑州工业 大学研制的z m o l d 分析软件等1 4 j 。 注塑模具的设计过程需要大量的设计知识和专家经验。而一般( 传统的早期的) 的 c a d 系统都是一种人机交互系统，使用c a d 系统的设计人员在系统行为之中起着主 导和决策的作用。人工智能( a i ) 、专家系统( e s ) 和基于知识的系统( k n o w l e d g eb a s e d s y s t e m ，k b s ) 技术的发展及其在设计领域的应用，为c a d 技术的发展开辟了新的途 径。 智能c a d 系统( 或基于知识的c a d 系统或c a d 专家系统) 是一个具有大量知 识与经验的程序系统。智能c a d 方法是2 0 世纪7 0 年代中后期提出的一种新的设计 方法。它采用人工智能技术，运用知识库中的设计知识进行推理、判断和决策，解决 以前必须由人类专家解决的复杂问题。由于知识库中的知识来源于很多人类专家长期 积累的经验，因此，一个成功的智能c a d 系统可以达到甚至超过领域设计专家的水 平。 注塑模智能c a d 技术是和通用智能c a d 技术的发展是息息相关的，同时又有自 身的特点，尤其是注塑模具设计具有诸如外部约束条件多、结构复杂且灵活多变以及 经验性与试探性强等特点，这些往往要在注塑模智能c a d 技术中得到反映。 目前在注塑模智能c a d 技术中所应用的人工智能技术主要有：专家系统( e s ) 、 机器学习、基于知识的系统( k b s ) 、基于事例的推理方法( c b r ) 、约束满足法、基 于知识的工程( k b e ) 、基于神经网络的设计方法、模糊设计方法以及遗传算法等，其 中专家系统、机器学习、基于知识的系统( k b s ) 、基于事例的推理方法( c b r ) 应用 最为广泛。人工智能技术在注塑模智能c a d 的应用领域主要有：塑料选材与优化、 工艺分析、分模设计、模架选择和设计、模具结构设计和优化以及塑料制品缺陷分析 与预测等”。 目前已经商品化的注塑模智能c a d 软件都是针对模架选择和设计以及模具结构 设计和优化而设计的功能模块，但集成化一体化的注塑模智能c a d 软件并不多见。 国外的如：英国d e l c a m 公司的塑料模设计专家系统；美国p s p 公司的i m e s 专家系 统，能帮助模具设计人员用专家的知识解决注塑模的质量问题；以色列c i m a t r o n 公司 的c i m a t r o n 系统中的模具专家软件包；澳大利亚m o l d f l o w 公司的m p a ( 塑件顾问) 、 m p x ( 注塑专家) ；新加坡国立大学基于u g i i c a d 软件平台开发的i m o l d ( 智能模 具设计与装配系统) 和基于c a d k e yc a d 软件平台开发的模具专家系统等 1 2 - 15 j 。国 内则是由上海交通大学首次将人工智能技术引入注塑模c a d 系统中，并于1 9 8 8 年开 发出集成化注射模智能c a d 系统；还有华中理工大学、北京航空航天大学、郑州工 业大学和合肥工大学等大学和科研机构正在做这方面的研究和软件开发工作。 1 2 注塑模装配c a d 的研究现状 注射模具的装配体设计属于概念设计范畴，其任务主要是进行设计决策。它以塑 件的形状特征、尺寸大小、工艺要求和年生产量等作为初始信息，运用设计知识和设 计经验进行推理，以确定模具的总体结构方案，包括型腔数目、侧向抽芯机构类型、浇 注系统结构、冷却系统方案以及标准模架类型和系列尺寸，还要确定对模塑设备的要 2 求【1 。由于装配体设计的复杂性和方案的非唯一性，所以设计过程往往要经过反复修 改才能完成由于总体方案的设计对模具结构设计过程和设计结果具有决定性影响， 而且问题求解的经验性强，很需要采用智能c a d 技术。 上海交通大学在s o l i d w o r k s 平台上开发的注塑模k b e 设计系统中有一个注塑模架 模块，这个注塑模块根据注塑架的设计过程，引入事例推理技术( c b r ) ，提出了基于 事例推理的注塑模架自动设计系统。整个系统基于参数化图形库，并提供了用户自行 设计模架的工具，能方便地改造成符合用户要求的专用模架度设计系统，并可进一步 用于注塑模具详细结构设计，可较大幅度地提高模具设计的质量与速度【l7 坤】。张佑生 等采用框架和产生式规则相主要结合的知识表示和正向推理方法，并考虑到某些知识 具有模糊性和不确定性的特点，采用了模糊知识表示方法和模糊推理技术，智能完成 注塑模总体方案设计 19 1 ，不过它的知识推理由程序设计语言i ft h e n 实现，不利于系 统的扩张。石峰娄臻亮等选择影响注塑件质量的注塑模浇注系统方案为研究对象， 提出了浇注系统方案智能化设计策略。考虑到浇注系统方案设计中存在的模糊性和不 确定性等因素，对经典的粗糙集理论进行了扩展。将等价关系扩展为模糊相似关系，提 出一种模糊粗糙集模型归纳学习算法，并利用此模型建立了具有规则数目少、规则简捷 等优点的浇注系统方案设计模糊知识库，并开发了一个浇注系统方案智能化设计原型 系统 2 0 1 。于同敏等在分析了注塑模具脱模机构设计原则与要求的基础上，给出了脱模 机构智能化设计系统的总体结构。应用面向对象的知识表示与存储和模糊推理技术， 建立了智能化选择脱模方式的推理机制。实现了注塑模具脱模方式选择的智能化和结 构设计的三维参数化【2 l j 。 国内在注塑模智能装配c a d 系统方面的研究主要集中在利用数据库技术与参数 化造型技术实现标准模架库，标准零件库。还有一些研究集中在装配体的装配模型的 表示与建立1 2 2 。33 1 。 注塑模智能装配体设计系统实质上也是一个装配体设计系统，因此，研究智能装 配体设计系统的开发方法对我们有很大的借鉴作用。从目前掌握的资料来看，智能装 配体设计系统开发采用的技术主要有基于知识工程方法和基于结构的设计方法 ( c o n f i g u r a t i o n b a s e dd e s i g nm e t h o d ) 。 装配体设计活动涉及到了专家的知识与经验( 包括设计标准与准则，设计方案对制 造性、工艺、市场、成本等要求的可行性等) ，为了在不需要人工参与或者很少参与的 情况下，能快速地、自动地根据用户要求改变或产生新的设计方案，提高设计的质量， 我们就必须将这些设计知识与经验转换成计算机可以理解的表示形式并开发相应的程 序对这些知识进行推理，从而自动推演出最优的设计方案。 南洋理工大学开发的a o d e s ( a s s e m b l yo r i e n t e dd e s i g ne x p e r ts y s t e m ) 就是一 个基于知识的装配体设计专家系统 3 4 3 5 。该系统由c c + + 与内嵌式专家系统实现。 3 a o d e s 的功能结构图如图1 1 所示： 图1 1 智能装配体设计系统a o d e s 的功能结构图 从图中我们可以看出，系统左半部所有的功能模块如概念设计模块，结构设计模 块( 详细设计模块) 、紧固件选择模块等都是建立在右半部的专家咨询子系统之上。推 理机模块利用知识库中的知识解决问题并消解规则冲突。知识维护模块获取知识、检 查知识的一致性、改变或添加知识。控制与分派模块启动系统、转换运行环境。i o 模块是一个人工界面。黑板是程序运行时各模块公用的内存区域，这样各个模块就可 以很方便地交换数据。 基于结构的设计把整个装配体的设计分解成组成装配体的组件的设计。它根据装 配体的功能、功能、性能、成本从预先定义的零件库中选择合适的零件，并把它们组 合起来，形成完整的装配体。结构设计采用面向对象技术分析设计过程，装配体中的 零件称为设计单元( d e s i 盟u n i 0 ，它是具有属性与方法的对象。各个对象给本身赋值完 成设计工作 3 6 - 3 8 1 。 结构设计方法从面向对象的观点分析装配体设计过程，促使开发人员开发面向对 象程序，使程序具有很好的模块性、可维护性。利用基于结构的设计方法，文献 3 7 】 开发了打印机进纸机构设计专家系统，文献 3 8 以s o l i de d g e 为c a d 软件平台，i r e 专家系统为推理机一个水平加工中心设计专家系统( h o f i z o m nm a c h i n i n gc e n t e rd e s i g n e x p e r ts y s t e m ) a 1 3 课题的来源、意义及内容 1 3 1 课题的来源与研究意义 本课题的来源：江西省科技项目，电器产品注塑成型过程c a d c a e 技术集成与 产品质量预测；江西省跨世纪学术和学科带头人项目，智能化薄壳注塑成型技术应用 4 研究。 目前，注塑模c a d c a m 系统虽然己逐步达到了实用化的程度，取得了较好的效 果，但由于注塑模的设计是一个极为复杂的过程，以至于设计时的自动化程度还很低， 设计过程还主要依赖于模具工程师的个人积累的实践经验，靠人工交互来实现，从而 使得设计周期长，成本高的问题一直难以解决。计算机、通讯、电子、汽车等产业的 迅猛发展，带动注塑产品的设计趋向于、超小型、超大型高精度及高复杂性方向发展， 市场激烈竞争导致要求更短的交货周期、更低的设计成本、更高的设计效率。而注塑 模设计是一个复杂的多环节、多反复的系统性工程。光凭自身积累的经验，模具设计 人员已越来越难适应工作的需要。为此有必要开发出更高设计效率、更易使用而且不 需太多个人经验的自动化模具设计工具软件，而作为注塑模设计关键内容之一的注塑 模装配体设计的研究显得更为迫切和重要。 对于注塑模装配体智能设计技术，由于其实现的困难性，对这方面的研究论述并 不多见，大多都集中在利用参数化技术与数据库技术实现标准模架库，标准零件库。 目前国内也有一些研究把k b e 技术引入注塑模设计领域，但是，对于k b e 系统的重 要组成部分一知识推理机，这些研究均采取了两种策略：用程序设计语言i f - - t h e n 表示或自己构造知识推理机。对于第一种策略，因为系统的知识与源程序编写在一起， 不利于系统的完善与维护；对于第二种策略，因为构造推理机是一项非常复杂且工作 量大的工程，不利于系统的实现。为此，本文进行了有益的尝试，把自由软件c l i p s 引入系统，作为知识推理机以自动完成系统的知识推理工作，从而有效地实现了注塑 模装配体的智能设计。 1 | 3 2本文的主要研究内容 本文的主要研究内容包括： 1 分析研究k b e 技术，建立基于知识的注塑模装配体设计系统总体框架。 2 建立符合c l i p s 语法规范的模架设计知识库。 3 在v c 开发平台上嵌入c l i p s 推理机。 4 分析、研究、应用c l i p s 的知识推理机制，建立装配体的虚拟模型。 5 采用数据库技术建立标准模架，标准零件库并实现对它们的访问。 6 研究基于p r o e 的变形化技术与参数化技术，实现三维装配体c a d 模型的自 动生成。 7 研究p r o t o o l k i t 开发技术，提取注塑模装配体模型信息，开发友好的图形 用户界面系统。 具体论文内容安排如下： 第一章介绍了注塑模c a d c a m 系统的研究现状，在此基础上指出了传统c a d 技术向智能化转变的必然性。分析了当前将k b e 技术应用于注塑模设计领域的不足， 5 提出了采用c l i p s 推理机进行知识的推理，实现注塑模具装配体智能化设计的技术路 线，从而明确了本文的研究对象与研究意义。 第二章介绍了k b e 的基本原理和实现技术，对k b e 的实现技术中主要需解决的 问题如面向对象的软件开发方法，知识的表示，推理，获取与繁衍等作了简述，为分 析、理解和应用该技术于模具设计中打下了良好的基础。 第三章给出了注塑模设计系统的功能模型，并在此基础上提出了作为注塑模架设 计子系统的“基于知识的注塑模装配体设计系统”的框架模型，并简要阐述了各组成 部分的功能。 第四章主要研究了基于知识的注塑模装配体智能设计技术。应用k b e 技术，实现 了注塑模装配体设计知识的获取及表示，建立了注塑模装配体设计事实库、规则库。 在v c 平台上，构建嵌入式c l i p s 知识推理机进行知识推理，研究并实现c l i p s 与 v c 信息交换，访问数据库，推理过程监控等关键技术。研究基于p r o e 的变形化技术 与参数化技术，实现三维模架的自动生成。给出了程序实现的主要数据结构，完成了 注塑模具装配体设计系统的软件开发。 第五章简述了系统开发平台p r o e 的二次开发特点并通过实例详细介绍了系统的 运行情况。 第六章对全文进行了总结，并对今后的研究和发展趋势作了展望。 1 4 小结 本章介绍了注塑模c a d c a m 系统的发展、研究状况和当前常用的c a d c a m 技 术，在此基础上指出了传统c a d 技术向智能化转交的必然性。然后又介绍了本文的 具体研究领域注塑模装配c a d 的研究状况，分析了当前的不足，提出了将k b e 技 术应用于该领域，并采用c l i p s 自动完成知识推理以实现注塑装配体智能设计的技术 路线，从而明确了本文的研究对象与研究意义。 6 第二章知识工程的基本原理与实现技术 2 1 知识工程的产生背景 纵观世纪之交的世界科学技术发展趋势，信息产业的飞速发展对全球经济的增长 将起到巨大的推动作用；对于传统产业，特别是制造业的提升也将产生极大的影响。 如何利用信息技术有效地改造传统产业，对国民经济的发展将产生深远的战略意义。 随着智能技术的发展与完善，当今世界各发达国家正致力于研究如何将人类知识作为 改造传统产业的原动力，并且取得了卓越的成效。“基于知识的工程( k n o w l e d g e b a s e d e n g i n e e r i n g ，1 0 3 目”正是这一原动力的核心。 现代工程设计中，知识创新作为工程设计和制造领域的第一推动力，它的主导作 用日益明显。但是知识创新始终是建立在千百年来人类工程实践的经验和理论之上， 在不断的知识改良和知识重组中获彳导创新。k b e 正是一种新型的以知识为中心的智能 设计方法，它己成为当今智能设计领域最活跃的分支之一，是促进工程设计智能化的 重要途径。工程设计过程是一个知识驱动的创造过程，在这一过程中，包含了对知识 的继承、集成、创新和管理。国内外对于工程设计中的专家系统技术已进行了许多研 究，但l f l 前传统的工程设计专家系统普遍存在产品信息模型简单、知识表示方法单一、 图形处理能力不强、无法与有限元仿真结果有机结合等诸多问题，实用性较差。k b e 技术正是针对传统的设计型专家系统在工程设计领域的缺陷，于2 0 世纪8 0 年代提出 的一种新型的智能型工程设计方法。以k _ b e 技术为核心的工程设计方法学，在集成了 a i 与c a d c a m c a e p d m 技术的基础上，对知识驱动的创造过程进行全面的数字 化、形式化和系统化，使工程设计过程的创造活动有合理、完备和统一的机制、环境 与支撑【3 9 4 引。 在工程制造业长期的科技发展中积累了大量的共性知识，有些知识已经得到归纳 和整理，制定了许多国家、行业或企业标准、规范，但是，大部分知识仍然以不规范 的形式存在。企业中专家的特有知识仍仅为领域专家所掌握，知识的共享性差，远远 没有发挥这些领域知识在技术创新中的作用。知识的继承缺乏数字化的表示，难以将 其与现有的c a x 系统有效集成于工程实际。各行业已普遍认识到，人才的流失必然 造成本企业知识资产的流失，缺乏经验的技术人员在工程实践中经常犯重复性的错误。 目前信息技术日益得到广泛应用，如何集中力量将国家和企业的知识有效地整理、归 纳、继承。实现知识信息化、知识的重用和共享，是亟待解决的问题。 计算机辅助工具c a x 技术( 如c a d 、c a m 、c a e 、p d m e r p 、c a p p 等) 在产 品开发的需求确定、规划设计、实施制造、过程管理、维护和支持等各环节的应用 所产生积极的影晌，目前已成为实践证明的共识。许多c a x 单元技术已相当成熟， 并初步实现了智能化。然而，目前的智能系统无法有效地繁衍知识，难以满足产品开 7 发的创新需求；同时，集成于系统的知识类型有限，无法与其他的c a x 系统实现知 识的交流。而基于网络的k b e 系统既可以利用系统内的知识，又可以充分享用基于网 络的公共知识库资源，最大限度地发挥知识的作用。 k b e 技术的开发与实施，具有重要意义； 1 k b e 技术是a j 技术的拓展与提升，它提供了繁衍知识的手段、拓宽获取知识 的途径；对复杂、混合知识的高度集成与共享以及新的知识管理模式。 2 对于工程和产品开发周期的缩短，效率的提高和成本的降低将产生非常明显的 效果。如图1 所示，与传统方法相比，采用k b e 技术后，产品开发周期明显 缩短，创造性工作所占的比例由2 0 增加到8 0 。 采用k b e 技术改造传统产业，发挥产业知识对产业发展的引导作用，对我国民族 产业在加入w t o 后尽快提高在国际市场的竞争力具有深远的战略意义。 2 2k b e 技术的研究现状 使用专门工具进行k b e 系统开发是一种有效的方法。k b e 工具是专用于获取并 自动重用设计师、应用专家以及高级销售知识的开发环境。k b e 工具主要可分为2 大 类： 1 带推理机f 6 l j ( i n f e r e n c ee n g i n e ) 的工具。如n a s a 的c l i p s 、b r i g h t w a r e 的a r t 、 c a m s o f t 的d c l a s s 、h a l e ye n t e r p r i s e 的e c l o p s e 等。 2 。带推理机制与图形机痞l j ( g e o m e t r ye n g i n e ) 的工具。如k t i 的i c a d 、t e c h n o s o f t 的a m l 、h e i d e 的i n t e n t 等。由于此类工具可以直接处理几何图形，因此 是比较合适的开发环境。 美国h e i d e 公司开发的i n t e n t 是目前较为活跃的基于规则设计的k b e 系统开发 工具，它提供的i n t e n t 语言，集成于c a d 图形平台( 目前已集成于a u t o c a d 、u o i i 、 c a t i a ) ，并提供可对几何图形操作的开发环境，方便了基于图形的k b e 系统的开发， 具有很好的技术性能： 1 i n t e n t 是一个强有力的面向对象的开发系统，能减少开发时间和维护费用。通 过直接的a p i ( 应用程序开发接口) ，i n t e n t 可以与s o l i d w o r k s 和a u t o c a d 等 c a d 系统集成；通过o l e 技术，可以支持v b 、v c 等进行开发；通过o d b c ， 可以与o r a c l e 、a c c e s s 、e x c e l 等格式的数据库相连。i n t e n t 语言是一个集成了 c e g ( c o n f i g u r a t i o n ( 构型) 、e n g i n e e r i n g ( 2 1 2 程) 、g e o m e t r y ( 几何) ) 的k b e 开发系统。与交互式c a d 、参数化c a d 、 2i n t e n t 是集成了c a d c a m c a e p d m 的k b e 开发工具，这完全区别与传统的 专家系统开发工具。通过建立i n t e n t 设计模型，以产品数据管理为中心，可以 将产品输入、数据库、工程分析、c a d 绘图、数控加工等工作集成起来。 面对k b e 领域的潜在市场，国外著名的c a d c a m 系统开发商，如u g s 公司 ( u n i g r a p h i c s ) 、p t c ( p r o e n g i n e e r ) 、s d r c ( i d e a s ) 和d a s s a u l t ( c a t i a ) 争相开展 基于知识的工程设计系统的开发，主要在于建立基于产品的几何和非几何特征的模型， 使工程师在设计时能得到基于产品领域知识的帮助，从而提高产品的设计和创新能力。 如u g s 的u gv 1 7 开始集成了i n t e n t 语言，并在几何处理方面加以拓展，建立了k b e 模块：k n o w l e d g ef u s i o n ( k f ) 。u g 提出制造业公司在产品设计中可以通过“k n o w l e d g e d r i v e n a u t o m a t i o n ( k d a ) ”技术来获取专业知识。k d a 技术是在深层引入h e i d e 公司 的工业标准最新智能语言i n t e n t 来提高m c a d k b e 的竞争力。相比以前的技术，u g s 已经开发了一个构造知识于u g 核心的紧密的集成产品，而不必使用某个k b e 方案来 对m c a d 软件进入数据的转入或转出。k d a 可从存在每个产品生命周期的不同阶段 获取和再循环知识。可再利用这些知识来改进产品设计、工程分析和加工过程【4 斗”】。 近年来，美国、日本和欧洲各国政府在k b e 技术的开发与应用方面给予了有力的 支持，并且均将其列为国家未来发展战略的重要核心技术。许多跨国公司和著名大学 也纷纷开展研究，以提高企业的产品开发的创新能力。 j a n g l l a r 是欧洲率先使用k b e 的公司之一，已开发了许多应用程序，加速了新车 型平台的改型设计。开发的应用程序包括有发动机机罩加强板的设计和前大灯产品模 型设计。以前大灯设计为例，应用k b e 以后，开发周期从以前的4 - 8 周缩短到1 天。 l o t u se n g i n e e r i n g 已开发了一系列的轿车设计概念模型i c e ( i n t e g r a t e dc a r e n g i n e e r i n g ) 并已经成功商品化。包括汽车总布置系统、悬架设计、发动机设计和内部 设计、传动系统设计、车身结构分析模块。这套系统使得汽车设计周期和设计质量得 到了显著的改善。 c h r y s l e r 利用s t o n e r u l e 和a i o n d s ( t r i z i cc o r p ) 开发了一个汽车车门玻璃升降系 统g l a s sd r o p 用于评估玻璃升降对铰链、门锁等车门附件是否产生干涉。采用k b e 技术以后，该项评估由以前的8 1 0 小时缩短到现在的几分钟。 在国内，许多高校，如上海交通大学、清华大学、同济大学、华中科技大学和南 京航空航天大学，也广泛开展了a l 、专家系统和k b e 技术的应用研究，完成了许多 国家的基金和攻关项目，并与国内外企业展开深入的应用合作，成果和效益非常明显。 由此看出，当前k b e 技术的研究正处于发展期，将是下一代的计算机辅助系统的 核心技术，是国内外的研究热点。 2 3k 1 3 e 的发展趋势 笔者认为k b e 技术的研究将会集中在以下几个方面，而而这几个方面也是k b e 技术最本质的特征。 1 自动化 9 与传统的设计工具不同，k b e 系统并不仅仅是辅助设计工作，它提供完全的自动 化设计。 k b e 可以大大减少设计时间，它把工程知识和各种指定的约束如成本( c o s t ) ，法 规( 1 t e g i s l a t i n ) ，加工工艺( m a n u f a c t u r i n g p r o c e s s e s ) 有机地结合在一起，并存储于系统 的知识库中。利用知识库中的知识，k b e 系 统可以自动化设计过程，使设计人员可以将 主要精力集中于创新设计上。 k t i ( k n o w l e d g et e c h n o l o g i e si n t e r n a t i o n a l ) 是 一家专门提供k b e 服务的公司。该公司的 k b e 应用程序开发环境i c a d 的生成模型如 图2 1 所示：我们可以看出在k b e 应用程序 中，用户只需输入一些对产品的功能要求， 系统就可以自动生成一个完整的产品信息模 型，从而实现了真正的设计自动化( t r u e d e s i g na u t o m a t i o n ) ，大大缩短了产品开发周 期。这个模型充分反映了k b e 技术的一大本 质：产生能力( g e n e r a