（材料加工工程专业论文）基于知识的覆盖件修边工艺设计研究.pdf

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 摘要 工艺设计是覆盖件产品开发的核心环节之一，它直接关系到产品的质量、成本、 生产效率和模具的寿命。汽车工业的高速发展对覆盖件工艺设计提出了越来越高的 要求， 提高工艺设计集成化、系统化和智能化程度:实现经验设计向 科学设计的飞 跃是研究人员多年追求的目 标。近年来，计算机软硬件技术、图形学技术、人工智 能技术和板料成形理论的发展和交叉集成开创了利用智能化方法进行覆盖件成形工 艺设计的新领域，显著提高了 设计的效率和质量，减少了开发的周期和成本， 其成 果对推动我国汽车工业和模具工业的发展起到至关重要的作用。本文在全面回顾和 分析覆盖件工艺和模具设计c a d / c a e / c a p p技术发展现状的基础上，将基于知 识的工程 ( k n o w l e d g e -b as e d e n g i n e e r i n g , k b e )方法引入覆盖件修边工艺智能设 计，将面向对象方法、基于规则推理和基于模型推理综合应用于修边工艺设计，研 究开发了覆盖件修边工艺智能设计系统。 作者探讨了基于知识工程的基本过程、 特点和关键技术，将知识工程与三维造 型系统相结合，通过三维设计系统和设计知识之间的迭代实现产品功能信息在设计 各阶段、各部分之间的传递，指导和控制设计过程。文中阐述了智能化修边工艺设 计的相关理论。在分析了覆盖件冲压产品及其模具设计过程和相互约束关系的基础 上， 提出了覆盖件修边工艺的智能化设计思想，实现了对模具修边工艺设计过程的 控制和优化。 作 者 建立了 基于 知 识的 模具 修 边 工艺 智能 设 计 模型， 该模 型 采 用知 识工 程的 方 法，表达模具修边工艺设计过程各部分间的层次关系和设计准则， 是智能设计过程 的核心和关键。基于u g平台建立了覆盖件修边工艺设计原型系统。 运用特征识别、 知识定义和规则推理等技术，实现了覆盖件修边工艺设计，并用实例进行了验证。 关键词:覆盖件修边工艺智能化设计基于知识的工程工序件设计 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 ab s t r a c t p r o c e s s p l a n n i n g i s o n e o f th e k e y is s u e i n t h e d e v e l o p m e n t o f a u t o p a n e l s . c h a l l e n g e s a n d p r e s s u r e s fr o m g r o w i n g g l o b a l i z a t i o n o f m a r k e t s h a v e f o r c e d a u t o m o t i v e e n t e r p r i s e s t o s h o rt e n t h e i r p r o d u c t d e v e l o p m e n t c y c l e a n d r e d u c e c o s t s b y m e a n s o f in c r e a s in g u s e s o f h ig h - t e c h a n d ， p r o c e s s e s n o w a u t o p a n e l p r o c e s s p la n n i n g a n d d ie d e v e l o p m e n t a r e u n d e r g o i n g a h i s t o r i c a l t r a n s it i o n fr o m t r i a l - a n d - e r r o r - b a s e d a r t t o m a t h - b a s e d a n d t e c h n o l o g y - d r i v e n . u t i l i z i n g i n t e l l i g e n t , i n t e g r a t e d a n d s y s t e m a t i c m e t h o d s , t h e k n o w l e d g e - d r i v e n t r im - p r o c e s s p l a n n i n g s y s t e m w i l l t a k e a h u g e l e a p l e a d i n g t o a n in n o v a t io n d e s i g n s y s t e m , w h i c h c a n i n c r e a s e d e s i g n q u a l i t y a n d e f f i c i e n c y e ff e c t iv e ly w h i l e r e d u c i n g d e v e l o p m e n t t i m e a n d c o s t s d r a m a t i c a l l y d u e t o c o m p l e x it y o f a u t o p a n e l d ie d e s i g n , t h e r e i s a n i n c r e a s i n g n e e d f o r i n t e g r a t i o n f o r a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e , s u c h a s k n o w l e d g e - b as e d s y s t e m s , h a r m o n i o u s a n d t h e d e s i g n e r i n t e l l i g e n c e t o s p e e d u p d e s i g n p r o c e s s . t h e re f o r e , b a s e d o n t h e r e s e a r c h c a d / c a e / c a p p o f a u t o p a n e l d i e s , i t i s p r o p o s e d t o e s t a b l i s h a k n o w l e d g e - b as e d s y s t e m t o f u l l y s u p p o r t a u t o p a n e l p r o c e s s p l a n n i n g . a c c o r d i n g t o d i ff e r e n t d e s i g n t a s k s a n d k n o w l e d g e t y p e s , o b j e c t - o r i e n t e d m e t h o d ( o o m ) ,r u l e - b a s e d r e a s o n i n g , m o d e l - b a s e d r e a s o n i n g a r e i n t e g r a t e d a n d a p p l i e d i n t h e i n t e l l i g e n t a u t o p a n e l p r o c e s s p l a n n i n g s y s t e m d e v e l o p e d b y t h e a u t h o r s t h e a u t h o r b u i l d s a n i n t e l l i g e n t t r i m m in g p r o c e s s d e s i g n m o d e l b a s e d o n k b e . t h i s m o d e l u s e s t h e m e t h o d s o f k n o w l e d g e e n g i n e e r i n g t o e x p r e s s t h e d e s i g n p r o c e d u r e a n d r u l e s , w h i c h i s t h e c o r e o f t h e i n t e l l i g e n t d e s i g n . r e a s o n i n g i s u s e d t o p e r f o r m s e c t i o n d e s ig n r u l e s i n t r i m p r o c e s s d e s i g n , w h i c h r e d u c e s m a n u a l i n t e r v e n t i o n a n d i n c re as e s t h e in t e l l i g e n c e d e g r e e . b as e d o n t h e p l a t f o r m o f u qt h e a u t h o r h as s e t u p a p r o t o t y p e d e s i g n s y s t e m o f p a n e l t r i m p r o c e s s p l a n n i n g . b y m e a n s o f f e a t u r e r e c o g n i t i o n , f e a t u r e d e f in i t i o n a n d r u le r e a s o n i n g , e t c ., t h e s y s t e m r e a l i z e s t h e f u n c t i o n s o f p a n e l t r i m m i n g p r o c e s s p l a n n i n g , a n d i s p r o v e n t o b e p r a c t i c a l b y s e v e r a l p l a n n i n g c a s e s . k e y w o r d s : p a n e l p a n e l t r i m m i n g p r o c e s s i n t e l l i g e n t d e s i g n 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 w o r k p i e c e d e s i g n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的 研究成果。尽我所知，除文中已 经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个 人 或集体己 经发表 或撰写 过的 研究 成果。 对本 文的 研究做出 贡 献的 个 人 和 集 体， 均已 在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学 位 论 文 作 者 签 名 二 0 日 期 : 2- 乎年t a 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了 解学校有关保留、使用学位论文的规定，即: 学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本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和汇编本学位论文。 保密口，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密. o ( 请在以上方框内打 “ 1 1 1 ) 学位论文作者签名: 日 期 : 2 夕 币 俘s lq 指导教师签名 日 期 ; 娜 v v 年 : 每 / 会叫 .s 月多日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 绪论 1 . 1课题的来源、目的和意义 本课题来源是“ 十五” 国 家科技攻关计划课题 ( 项目 编号: 2 0 0 1 b a 2 0 5 b 0 9 ) 关于 大型复杂件工艺智能设计系统关键技术研究关于工艺设计的一部分。 汽车工业是国民经济的支柱产业。2 1 世纪的汽车制造业将面临全球范围的市场 竞争，更加激烈的竞争态势要求大大缩短汽车新产品的开发周期。大型汽车覆盖件 模具的设计制造是汽车制造业的核心技术之一，也一直是制约我国汽车工业发展的 一个瓶颈环节。在这方面， 我国与工业发达国家相比 还有相当大的差距。虽然改革 开放以 来，我国已能生产奥迪，捷达，大众和富康等轿车，但生产这些轿车的覆盖 件模具几乎全部依赖外国进口。即使是我国自 行开发的车型，特别是轻型车，大部 分关键性覆盖件模具也是进口的， 花费大量外汇。我国汽车年产量在“ 十五竺 末期， 将达到3 0 0 万辆。由于汽车换型周期越来越短， 每年平均将有1 5 个当量车型更换。每 个车型平均约需大中型覆盖件模具2 6 0 套， 进口 一套模具平均价格为1 0 万美元。 因此， 我国 汽车工业对覆盖件模具的需求量很大， 市场十分广阔。 但国内模具设计制造周 期太长，制造质量和可靠性较差，汽车生产厂家无法接受。随着中国加入wt o 的成 功，要求汽车工业在未来五年内必须有新的关键性的突破。汽车工业的发展形势要 求我们尽快攻克汽车覆盖件模具设计制造的核心技术，形成汽车覆盖件模具的自主 开发能力和足够的生产能力， 推动我国 汽车工业和模具工业的发展。 汽车覆盖件工艺及模具设计是一个包含了对知识的继承、集成、重用、创新和 管理的 复杂过程， 将优化设计方法和基于知识的方法( k b e ) 引入覆盖件冲压工艺设计 后，跨领域专家的经验与知识共享能够使得设计更具有创造性和预见性，领域知识 在整个产品生命周期内的一致性保证了 产品开发的成功率， 大大缩短了 模具开发周 期， 使设计模式向着“ 设计一 分析评价一 优化一 设计” 的自 适应方向 发展，促使从经验设 计向 科学设计的飞跃，是覆盖件冲压工艺设计的发展方向，也是使其摆脱依赖经验 的有效途径，在理论突破和实践创新上具有深远的意义。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 . 2覆盖件冲压工艺c a p p的发展现状、存在的问题及其发展趋势 1 .2 1覆盖件冲压工艺c a p p的发展现状 传统的工艺设计主要由 技术人员凭经验来保证工艺设计的要求， 在考虑了 产品 成形 的可能性和结构的合理性后进行手工设计， 而没有制定一套完整的工艺数据管理方法和 操作性设计准则。 随着工程问题复杂性的增加和工艺设计规范性要求的提高， 这种设计 方法的 不足显露无疑，并且逐步被计算机辅助工艺设计 ( c a p p )的方法所替代。 大型 复 杂 冲压 件的 工艺 设计因 其自 身 特点的 复杂性， 其工艺设计本身就是一 个在不断 探索 和 完善成熟的过程， 它的 计算机辅助设 计也是一个更复杂而有待不断探索的过程。 同时在 长期的 生 产实践中 人们也 积累了 大量的 经验规则和成功 与失 败的 实例， 这些定量 和定 性 的知识为 在该领域开展计算机辅助工艺设计奠定了基础。 基于知识的工程方法学自 8 0 年代以来就一直是人工智能研究领域内最为活跃的 分支之一，它是通过知识驱动和繁衍， 对工程问 题和任务提供最佳解决方案的计算 机集成处理技术。由于汽车覆盖件工艺及模具设计过程是一个包含了对知识的继承、 集成、 创新和管理的复杂设计过程， 将k b e 技术引入该领域后，跨领域专家的经验 与知识共享能够使得设计更加富有创造性和预见性， 而且领域知识在整个产品生命 周期内的 一致性保证了产品开发的成功率， 大大节省了 覆盖件模具开发的周期。 下 面将概述基于知识的金属板料和覆盖件成形工艺c a p p 系统的研究现状。 1 . 2 . 1 . 1汽车覆盖件冲压工艺性分析的研究现状 传统的工艺性分析主要依靠个人的经验，通过粗略分析零件的几何特点、材料 特 性 等， 做出 定 性 分 析结 论。 随 着计 算 机 技 术的 融 入， 提出了 力学 模 拟 法 田 y n a rn i c s s i m u l a t i o n ) 、 几 何模拟法( g e o m e t ry s i m u l a t i o n ) 、 专家 系统( e x p e r t s y s t e m ) 等方 法， 借 助计算机辅助分析的方法，在一定程度、一定范围内做出了一些定量的分析结论， 但还是无法解决汽车覆盖件冲压工艺性分析中的一些根本性问 题。 随着零件信息模型从几何模型到特征模型的发展，出现了将产品可成形性分析 按特征分解细化，基于零件工艺特征或结构特征的可成形性分析方法。该方法可以 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 解决各特征的局部可成形性分析，但在覆盖件各特征的工艺性协调及复杂整体工艺 j性分析上却无能为力。 近年来，伴随着知识模型的出现，人工智能技术的发展，出现了基于知识工程 ( k n o w l e d g e b as e d e n g i n e e ri n g ) 的 覆盖 件产品 可成形性分析。 基于知识工 程的 可成 形 性分析是建立在零件知识模型基础上的工艺性推理过程。如文献【 1 3 1 在知识驱动的冲 压 产品建模的 基础上， 通过基于规则的 推理( r u l e b as e d r e a s o n i n g ) 技术， 进行冲压结 构工艺性分析、表面质量分析、 特征可行性分析和冲压材料分析。 文献 1 4 1 在定义合 理的 产品 知 识 模型的 基础上， 利用 基于 模 型的 推理( m o d e l b a s e d r e as o n in g ) 技 术， 有效地获取几何模型的形状特征和相应的拓扑关系，根据知识库中定义的可成形性 规则，进行匹配计算后判断产品的可成形性。还有基于实例推理( c as e b a s e d r e as o n i n g ) 的 产品 可 成形 性分 析p 6 1 。 由 于 领 域 规则的 抽 取 和知 识的 表 达不 完 全， 复 杂 曲 面特征实例化描述和检索困难，目 前工艺性分析还不完全，对复杂覆盖件更是如 此。 此外，美国p t c公司与日 本丰田汽车公司联合研制开发的p r o / d i e f a c e模块， 在 工艺 设计 完成后通过生成等高 轮廓线图 和延伸率曲 线分析局部或整体的 材料 变形 1 6 1 ， 这 是一种后趋检验式工艺分析法，不利于提高整体设计效率。而 we i 提出在汽车覆盖 件 拉 延模具 型面设 计时 进行整体可 成 形性分 析的 思想1 1 7 1 ， 即在汽车覆盖 件拉延模具 型面设计的过程中， 初始阶段采用几何成形性分析。 然后进行模糊评价分析， 最后 采用数值模拟进行整体分析检验。这是在 c i ms思想下的工艺性分析方法， 对于实 现c a d / c a e / c a p p / c a m的集成很有帮助。 目 前， 采用多种方法对覆盖件可成形工艺性进行分析，并将分析结果反馈给产 品设计和工艺设计，实现基于分析知识的设计也是有待研究的问题。 1 . 2 . 1 . 2汽车覆盖件冲压工艺方案设计的 研究现状 汽车覆盖件冲压工艺方案设计， 是在考虑冲压操作方便、 安全、 模具结构合理、 工件及废料排出顺畅等要求的基础上，根据产品结构形状和技术要求确定拉延、修 边、冲孔、翻边、整形等工序的先后顺序及各工序的具体内容。由于工艺方案设计 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 涉及的内容、需要考虑的因素很多， 且很多工作很难用一个工艺决策或公式来表达， 不能进行定量的计算，因此目前汽车覆盖件冲压工艺方案的确定仍以经验设计为主。 随着计算机技术、人工智能技术和知识工程的应用，人们开展了一些关于计算 机 辅 助工艺 方 案设计的 研究。 如华中 科技大学 1 8 1 在基于特征的 覆盖 件模型上， 通 过 特征映射与分解产生一组彼此相关联的工艺特征，再对这些工艺特征进行交互的组 合 和 排 序 ， 而 得 到 工 艺 方 案。 而u n ig r a p h i c : 公 司 的 专门 处 理 汽 车 覆 盖 件 冲 压 工 艺 设 计的d i e e n g i n e e ri n g 模块在工艺方案 设计时， 设计者必须 先根据零件的 形 状结 构 特 点 和 经 验， 人工确定工序步骤， 再交互 地将具体成形内 容分 配给各个工序1 9 1 . p t c 公司的p r o / d i e f a c e 模块中 汽车覆盖件冲压工艺方案的设计也是根据设计者的 经验 交互式完成的。人们为了提高工艺方案设计的质量和降低对经验的依赖性，纷纷探 索不同的工艺方案设计的智能化方法。如利用零件实例和相似性，应用成组技术进 行工 艺 过 程设计的c b r 方法( 1 0 - 1 2 1 ; 以 工艺 特征 模型为 基础， 根据规则和知 识进 行推理 来 确 定 工 艺 方 案的 方 法 13 1 .在 完 备产 品 模 型的 基 础 上， 按 层次 模 型 逐一 展 开 工 艺 推 理 的 基 于m b r的 工艺 方案设 计3 4 1 . 以 基 于知 识的单 特征工艺工步 编排技术、 特征 组合 编 排 技 术 来 完成 方 案 设 计的 基于 知 识 的 工 艺 方 案设 计 方法 14 1 等。 可以 说，目 前 计 算 机辅助覆盖件工艺方案设计是以交互式为主流，以智能化为研究热点，采用混合决 策方式和基于知识的设计方法将是当前研究的趋势。 1 .2 . 1 .3覆盖件工序件详细设计的研究现状 覆盖件工艺的详细设计主要包括确定毛坯形状、工序件设计、机床规格型号、 土装和生产定额等其中，最重要的是工序件的设计，尤以拉延工序件的设计最为关 键。 它包括冲压方向的选择、 工艺补充部分和压 料面的生成和拉延筋的布置等，人 们对该过程的关键技术已进行了不少研究。 冲压方向的选择 不同类型的模具冲压方向的选择具有不同的准则。对于拉延模具而言，冲压方 向 的 选择要求模具型面无闭 角，开始拉延时凸 模与毛坯的接触面积尽可能大， 位置 尽可能居中，且接触部位要多而分散。这些经验的判定准则，主要从几何方面进行 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 考虑， 比 较容易进行数学描述和分析计算， 一般可借助几何c a i ) 系统进行冲压方向 优选， 并得到了不少应用。 如p r o / d i e f a c e 直接借助其c a d系统的几何处理功能， 对人工确定的一系列冲压方向进行几何计算，将结果以拉深等高线的方式反馈给用 户， 最后由 设计人员确定适当的冲压方向 。 ， 。 随 着建模技术和优化设计的发展， 建立了 基于优化模型的冲压方向优化计算法。 国 内 有 不 少 这方 面的 研究， 如 根 据确定 汽 车 覆盖 件冲 压 方向 的 原 则， 建 立冲 压 方向 的优化模型和评价函数，通过截面线将复杂的三维空间问题转化为二维问题，求出 可行域， 再将二维问题的分析结果综合起来得到三维问题的结果，然后进行优化并最 终求 得 最 佳 冲压 方向 ( m z s -i a 1 。目 前冲 压 方向 优 化 算 法是 研究的 重点， 但 优 化 模型 和 算法仍需进一步研究和改进。 覆盖件拉延工艺补充面和压料面的设计 覆盖件大多形状不规则，很难满足拉延成形工艺的要求，其成形时大多需要添 加工艺补充部分和压料面以便拉延出 合格产品。工艺补充面和压料面涉及到工艺设 计、模具设计等与经验密切相关的领域，其形状多半也是复杂的空间曲面，不仅需 要确定型面补充走向、型面补充范围等，还需要描述其空间几何形状，是一个涉及 边界条件以确保成形顺利实现的创造性过程。 目 前这一问 题的解决主要依靠个人经验，通过对零件几何的定性分析来确定， 借助于曲面造型功能软件来完成。 如借助于u g i i 提供的丰富曲 面构造功能， 根据典 型截面线的形状，灵活运用各种曲面构造方法，完成各个曲面片，再对曲面之间的 过渡进行处理， 完成工艺补充面和压料面的设计z s -a o 1 由 于工艺补充面和压料面设计对于 覆盖 件成形工序件设计有着极其重要的意 义， 因 此在c a d , c a p p 领域内 有不少这方面的研究。 如p r o / d i e f a c e 模块 1 6 1 先确 定压料面，再在产品边缘、孔边、缺口处或有特殊要求的地方建立扩展，修整产品 边缘，再沿修整后的产品边缘构造槛和过渡曲面联接到压料面上，并建立产品与过 渡曲 面、 过渡曲面与压料面的过渡圆角， 完成工艺补充面与压料面设计。 w i t 的d i e e n g in e e r in g 模 块 1 19 1在 确 定 压 料 面 和 修 整 零 件 边 界 后， 根 据 工 艺 补 充 典 型 截 面 线 和 相 应规则， 采用参变量的方法来控制与设计工艺补充面，最后形成压料面与工艺补充 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 面的整体型面。国内 在借助图形软件的基础上也对此有不少研究，如利用工艺补充 典型截面线，采用二维截面特征，利用多种曲面造型混合的方法实现参数化工艺补 充 面的 交 互设计 8 . 2 2 1 和基于变量化技术的 工艺补充面和压料面设计法1 3 2 1 。 这些研究 简化了 传统工艺补充和压料面的设计， 提高了设计效率， 但还都存在着工艺设计自 适应能力差的问题，很难满足复杂产品设计的要求，仍需设计人员个人经验的 判断 和决策。 覆盖件拉延筋的设计 拉延筋是冲压成形过程中拉延张力的主要提供者，合理、准确的拉延筋设计， 是缩短模具调试时间的有力保证。传统设计中，拉延筋与凹模圆角的尺寸都是固定 数值， 根据经验来设计，然后在模具调整过程中通过打磨调整拉延筋几何参数以使 零件顺利成形。随着计算机技术、模拟技术和成形理论的发展与应用，建立拉延筋 阻力模型， 通过有限元分析、 模拟来优化拉延筋设计的方法得到了广泛研究和应用。 目 前，拉延筋的设计主要通过改进拉延筋模型和引入优化算法来完成。在拉延 筋阻力模型的建立上，出现了考虑拉延筋约束阻力、厚向应变和约束保持力的等截 面三维 等 效拉延 筋模型。 3 -3 5 1 ， 能 有效 地反 映 润滑条 件、 几何参数与 筋压入 深度变化 的 改 进等 效拉延筋阻力 模型3 6 . 3 7 3 ， 拉 延 筋专家模型3 8 4 0 1 等。 其应用是将 拉 延筋模型 抽取出 来， 根据几何参数、受力情况和金属流动建立数据模型，再嵌入冲压成形型 面模型中，用有限元法模拟拉延筋在拉延成形中的过程和作用，分析拉延筋主要几 何 参 数 对 压边 力 和 拉 延筋 约束 阻 力的 影 响 4 21 。 文 献 4 2 呜 入 基因 遗 传算 法 对 拉 延 筋及 凹模圆角参数进行分段优化，从而使拉延筋几何参数及其变化率更加合理。 尽管土述拉延筋的分析和设计使拉延筋的设计更合理，但拉延筋在拉延成形中 的应力状态、受力情况、边界条件的关系，简化或等效的拉延筋模型与真实模型之 间有较大的差别，分析的结果往往有较大偏差。 1 .2 . 1 . 4汽车覆盖件计算机辅助工艺设计系统的研究现状 传统冲压工艺设计采用类比法，依靠设计者的经验来保证工艺设计的要求。在 产品多样化和复杂化时代， 在长期生产实践中积累的大量经验规则与案例的基础上， 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 传 统 设 计 逐 渐 被 计 算 机 辅 助 工 艺 设 计 ( c o m p u t e r a id e d p r o c e s s p la n n in g ) 所 巷 代 。 覆 盖 件 c a p p先后经历了派生式和创成式两个阶段，目 前正朝着智能化的创成式 c a p p 系统和混合式c a p p系统方向发展。 华中 科技大学建立汽车覆盖件c a p p 系统2 0 1 ， 利用覆盖件特征模型记录和表达设 计结果，依照一定的规则转换为相应的功能代码，利用成组技术从典型工艺库中检索 出 标准的工艺方案来进行设计修改，属于典型的 派生式c a p p 系统。上海交通大学用 半 创 成式设 计的 汽 车覆盖件拉延模设计 14 3 及西南交通大学利用专家系统 技术 进行创 成 式 设 计的z y c a p p / e s i 系统 4 4 1 ， 华中 科技 大学 在覆盖 件特征 模型基础 上实 现的 基 于特征的 冲压工艺设计1 1 8 1 和基于特征和知识的 工艺方案推理机制和推理过程的覆盖 件 冲 压c a p p 系 统 2 2 1 ， 属 于 创 成 式c a p p 系 统。 而 上 海 交通 大学 采用 特 征 编 码 技 术， 开 发出 的 基于模式性知识和人工神经网 络的 轴对称板料拉深工艺设计系统2 1 1 ， 属于混 合式c a p p系统。l e e由基于知识的集合分析模块、优先元模块和工艺可行性分析模 块构成的工艺评估系统4 5 1 . 匈牙利 m is k o l c大学的板料成形工艺规划的 c a d / c a p p / c a m系统; 北京航天航空大学的e t d s a p 汽车覆盖件工艺要领设计原型 系 统 4 2 以 及 上海交通大学的 覆盖件工艺 智能设 计模 块 1 4 都属于 基于知识的c a p p 系 统方面的尝试。无论那种形式的 c a p p系统都不能很好的解决工艺设计的智能化问 题，目 前，混合式和基于知识的 c a p p系统都处于研究阶段，虽有一些原型系统的 建立，但很多地方仍需设计人员经验的决策与判断。对于复杂覆盖件要么不能完全 处理，要么非常烦琐，真正实用的覆盖件c a p p 系统较少。 此外， 有不少学者将数值模拟技术和优化算法相结合应用于覆盖件工艺设计中。 如m .h i l l m a n n 以a u t o f o r m软件为核心， 将工艺参数和几何参数定义为设计变量， 采 用 基于 成形极限图 ( f l d ) 的 破裂准则 和 起皱准则作为目 标函 数， 以 修正梯度 方法为 优化算法来克服目 标函数不光滑的问题， 建立车身覆盖件产品工艺优化设计系统， 并 采 用并 行计算的 方法对油 底壳 成形时的 压 边力和 拉延筋进行了 优化14 6 1 。 还 有学者 尝 试 挖 掘c a e 模 拟结 果 的 知 识 规 则以 辅 助 工艺 设 计 4 7 1 。 c a e 融 入 覆 盖 件 工艺设 计 中己 成了 大家的共识和研究的方向。 随着系统工程和c i ms思想的导入， 在覆盖件产品制造周期的要求下， c a p p系 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 统工艺设计与工艺管理的一体化成为人们研究的另一热点。汽车覆盖件工艺设计是 产品设计与产品制造之间传递和管理信息的桥梁和纽带，通过工艺设计完成多工步 的安排和任务分配及相关的信息传递。如d .l u tt e r s 等研究了制造周期中基于知识和 信 息 管 理 的 智 能 化 板 料 成 形c a p p 系 统 框 架 4 8 1 , j .a .p e n o y e r 提出 未 来 的 计 算 机 辅 助 设计系统将能提供一套可管理整个产品生命周期的工具， 指出基于k b e的op 集成 将是实现这一目 标的途径4 9 .5 0 覆盖件冲压工艺设计与工艺管理的一体化是适应资 源快速配置，优化产品制造过程，实现产品开发过程的关联性、全球化和网 络化要 求的。 但工艺设计是一个有序而又需要多次检验和往复修改的设计过程，工艺设计 与工艺管理的一体化的实现仍有不少地方需要研究，目 前只是实现了初步信息的传 递、关联性设计和一些简单管理。 1 . 2 .2覆盖件冲压工艺 c a p p的存在问题 上述文献表明，汽车覆盖件成形工艺设计正朝着智能化的方向发展，但是，目 前开发的工艺设计系统大都集中在利用c a d 技术进行工序件的设计和工序安排，而 对于覆盖件设计和制造过程中的工艺知识归纳、继承、重用与共享，以及集成c a d 和k b e 技术的工艺设计智能系统研究较少。 本文认为这些不足集中体现在: 1 ) 对于智能化、系统化、工程化的研究重视不够:尽管各种新概念、新方法、 新技术在工艺设计中不断获得应用，但始终缺乏对于工艺设计系统智能化、系统化 和工程化的研究， 缺乏各种技术之间及其技术与管理、与人之间的集成，从而使得 这些新技术、 新概念和新方法所起的作用甚小，也使得工艺设计系统的整体发展缺 乏坚实的实践基础和动力。 2 ) 工艺设计系统中专家知识积累少，可操作性差: 覆盖件工艺设计的影响因素 较多，同时又相辅相承，互相制约。为此设计人员需要在大量的设计实践中积累典 型零件和典型工艺的实例，并且归纳出具有普遍性的工艺知识，以计算机能够识别 的方法存贮在c a p p 系统的知识库中。 工艺知识的积累需要较长的工作年限和较高的 技术水平，是一个循序渐进、日 积月累的过程。同时国外覆盖件模具制造企业对于 涉及到自 身产品设计和制造能力的专家系统采取了秘而不宜的措施，这都给智能化 工艺设计系统的开发带来了极大的困难。此外对于工艺知识，特别是不确定性知识 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 的表达还没有一个统一的描述形式，人类专家的经验也没有从不同角度和不同层次 以多种思维方式进行整理，这些都从根本上限制了工艺设计系统的实用性。 3 ) c a i 和c a p p 系统间的藕合仅限于简单的几何模型传递， 深层次的特征信息、 工艺规则、设计约束和知识模型的信息都没有作为关键要素进行集成。目 前的工艺 设计系统还缺乏有效的获取和繁衍新知识的方法，大量c a e 分析结果仅被作为评判 工艺 方案的 依 据， 而没 有对其加以 分析， 挖 掘出 隐 含 其中能 指导 工艺设计的 深 层知 识来完善知识库，提高工艺设计的质量。 4 ) c a p p 系统中关联性很差，一般而言，目 前的工艺设计依然是顺序设计，依 照设计一 检查一 修改一 设计的循环过程进行，有时设计的修改可能会导致重复设计，缺 乏适时修改性和设计的关联性。 5 ) c a p p 系统中对一些关键部分的设计缺乏准确、优化的设计，如板料冲压成 形毛坯的优化计算和设计， 拉延件工艺补充部分的设计与优化，压料面与拉延筋的 优化设计， 翻边的展开处理，修边线的设计计算等。 6 )覆盖件c a p p 中柔性决策系统的研究较少。由于不同制造企业的制造环境和 工艺习惯不尽相同， 工艺决策本身不是一个适于量化的过程，工艺知识的表达困难， 柔性工艺决策一直是一个棘手问 题。 虽然引 入了模糊推理( f i ) 、 工艺排序的人工 神经 网络 ( a n n ) 和遗传算法( g a ) 等冯法， 但工艺决策作为路线排序的准则层， 涵盖的 直觉 经验较多， 难以 用数学公式表达滩以设计一个独立的推理机。 现行的解决方案大多是 采用多分支决策机制设计多个对应的推理框架或将决策知识固化在工艺排序之中， 前者造成系统庞大、知识冗余， 后者则导致系统柔性不足、二次开发困难， 很难找到 合适的方法。 1 . 2 .3覆盖件冲压工艺c a p p 的发展趋势 汽车覆盖件成形工艺设计系统是冲压成形理论、 先进制造技术、 人工智能技术、 优化技术、电子信息与计算机集成技术等众多学科相互交叉、紧密结合在汽车覆盖 件设计与制造领域的集中体现。 它代表着该领域2 1 世纪的科技发展方向， 可以 预见， 覆盖件c a p p系统将沿着以下方面不断发展: i ) 基于知识的智能化工艺设计系统。 实践表明， 在c a p p 系统中不能一味强 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 调智能性而忽略了人的主观能动性，对于复杂的覆盖件设计更是如此，同时单一的 智能化方法无法完成汽车覆盖件复杂的工艺设计任务，所以工艺设计系统的智能化 应是以交互式为基础，以数据库、知识库为核心，采用检索、修订、创成等混合决 策技术和多智能体技术的综合智能化， 从而形成基于知识的智能化交互式系统框架， 实现先进性和实用性的要求。覆盖件工艺设计系统的知识库应包括工艺数据库、典 型工艺实 例库和工艺规则库， 它将为工艺设计人员的决策提供多种使用方便的 帮 助， 在复杂的 覆盖件工艺设计时，减低工艺设计对工艺人员的经验要求，使只有较少经 验的工艺人员也能顺利解决关键部分的设计。 z ) 工艺设计和管理一体化的系统。现今覆盖件的设计过程大多是顺序进行的， 难以避免设计对象在概念设计、工艺设计和制造等环节中被重复地调用。随着产品 结构和制造复杂程度的增加， 这种设计流程将会被一种体现系统工程构想的一体化系 统所替代， 系统工程 ( s y s t e m e n g i n e e ri n g ) 的构想正逐步应用于覆盖件工艺设计中。 产品工艺设计与工艺管理的一体化体现在工艺信息系统的构想中，即系统的内容应 该包含从产品设计、工艺安排、制造、销售直至售后服务全过程中工艺信息及文件 的管理功能和工艺流程管理功能。这种集成化的系统通过对制造资源的快速配置， 优化产品制造过程，并对产品制造合作伙伴的工艺设计及管理工作流程进行控制， 实现关联设计，缩短产品开发周期，减低产品开发成本，实现产品开发过程的关联 性、 全 球 化和网 络 化。 文献6 8 研究了 基于w e b 实 现c a p p 系统 通用化工艺 决 策 所涉 及的关键技术和相应的实现方法， 提出了 在 i n t e r n e t环境下， 应用 we b技术、 a s p / a d o技术， 以 及客户和服务器端棍合编程技术实现 c a p p的通用化工艺决策的 思 想， 并 在此基础上建立了c a p p 系统的 通用化工艺决策推理机制。 文献6 9 认为 采用 虚 拟制造的 先进制造技术， 并借助于功能强大的i n t e m e t / i n t r a n e t 信息系统， 是降 低产品 的设计生产成本， 加快产品的开发周期并提高产品质量的一种高效可靠的设计手段。 3 ) 实现c a p p并行设计及与c a d , c a e , c a m的集成。 集成化和智能化是c a p p 系统的两个主要发展方向，用一种完整的工艺和制造模型来概括设计、制造、 模具、 夹具、 量具和材料处理等过程的内 容， 将从覆盖件产品 概念设计到产品流通之间 所有 的工程功能无缝集成在一个上下贯通的过程中，实现 c a d / c a e / c a m/ p d m, k b e 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 系统、信息和通讯技术以 及自由曲 面加工等关键技术的发展。c a p p 将c a d中的信 息用于自 身的设计及其后继c a m的设计，实现信息的传递与集成; c a e根据c a d 与c a p p中的信息， 利用仿真算法模拟， 并将模拟结果传递给c a p p系统， c a p p系 统采用优化算法对其所需的部分进行确认、修改或优化设计，并将完整的正确的信 息传递给模具设计c a d / c a m. f o r d 公司 提出的 直接工程( d i r e c t e n g i n e e r i n g ) 就是全 球化、系统化思想的集中体 现， 目 前己 经成功地运用于传动系统和发动机罩等汽车零 部件的设计制造中，效率提高1 0 倍以上。 1 . 3本文的研究工作 k b e 技术已 被列为我国 制造业信息化的 两大关键技术之一，它的实施是材料加 工学科的一个重要研究方向，将对缩短产品开发周期、提高产品设计效率和质量产 生显著的影响。将基于知识的方法引入汽车覆盖件工艺设计领域，对于设计知识的 归纳、 继承、重用与共享将产生非常显著的效果，从而使整个设计模式向 着“ 设计一 分析一忧化” 的自 适应方向发展，促使从经验设计向科学设计的飞跃。为此开展汽车 覆盖件智能工艺设计系统的研究就是将k b e 技术和c a x 技术相互集成，通过对人工 智能若干单元技术的理论探索和工程应用的研究，更好地指导成形工艺与模具结构 设计。 本文通过对k b e 及其关键技术的研究，结合工艺设计的特点，以汽车覆盖件为 研究对象，对修边工艺智能设计系统关键技术进行深入研究。 主要系统工作包括: u) 对大型覆盖件修边工艺进行分析，总结一般的修边工艺设计方法。 ( 2 ) 结合知识工程的思想，建立基于知识的覆盖件修边工艺的设计模型。 ( 3 ) 结合实际的设计 过程与方法，建立修边工艺设计的特征模型。 ( 4 ) 实现设计模型的联动控制， 即相关的设计信息通过相互约束保证其一致性。 ( 5 ) 实现基于知识的修边线确定和修边夹角的检查。 采用参数化、 变量化技术， 实现基于k b e技术的覆盖件修边工艺设计。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 基于知识的覆盖件修边工艺设计原理 2 . 1覆盖件的特点及其冲压工艺设计 2 . 1 . 1覆盖件的特点和要求 汽车覆盖件是指构成汽车车身或驾驶室、覆盖发动机和底盘的薄金属板料制成 的异形体表面和内部零件。轿车的车前板和车身、载重车的车前板和驾驶室等都是 由覆盖件和一般冲压件构成的。 ( 1 ) 覆盖件的分类 1 )按功能和部位分类:可分为外部覆盖件、内部覆盖件和骨架类覆盖件三类。 外部覆盖件和骨架类覆盖件的外观质量有特殊要求， 内部覆盖件的形状往往更复杂。 2 ) 按工艺特征分类: 对称于一个平面的覆盖件， 诸如发动机罩、 前围板、 后围 板、散热器罩和水箱罩等。这类覆盖件又可分为深度浅呈凹形弯曲形状的、深度均 匀形状比较复杂的、深度相差大形状复杂的和深度深的几种。不对称的覆盖件，诸 如车门的内、外板，翼子板，侧围板等。这类覆盖件又可分为深度浅度比较平坦的、 深度均匀形状较复杂的和深度深的几种。可以成双冲压的覆盖件，所谓成双冲压既 指左右件组成一个便于成型的封闭件，也指切开后变成两件的半封闭型的覆盖件。 具有凸缘平面的覆盖件，如车门内板，其凸缘面可直接选作压料面。 2 ) 覆盖件的 要求 同一般冲压件相比，覆盖件具有材料薄、形状复杂、结构尺寸大和表面质量要 求高等特点。覆盖件的特点决定了它的特殊要求。 1