（机械制造及其自动化专业论文）模具方案设计的智能化实现技术与方法研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 模具方案设计是保证模具整体结构优化，各组成部分功能协调，加工制造方便，以 及调试运行顺利与制品成型生产过程可靠的关键。如何在短时间内，针对不同复杂程度 的塑件结构，给出合理的模具设计方案，是现代模具设计技术研究的核心内容。智能化 设计作为2 1 世纪模具技术研究领域的前沿技术，备受世界各国学者的高度重视。因此， 研究模具智能化设计技术，对提高模具设计质量，缩短模具制造周期，促进模具技术发 展具有重要意义。 针对注塑模具方案设计的特点，结合分布式人工智能技术、r b r 与c b r 推理技术， 利用a u t o c a d 平台的开放性优势，使用面向对象的编程语言v c + + 和数据库技术，通 过建立基于多主体的智能化设计系统，研究了模具方案设计的智能化实现技术与方法。 在深入研究主体内部结构特点的基础上，提出主体通用模板的概念，并通过扩展模板功 能，构建了知识主体和功能主体的结构；采用多主体技术，以分布式控制代替集中式控 制的方法，实现了各主体自主决策、彼此协作与并行设计的工作模式；分析了设计过程 中主体内部规划的表示方法和生成机制，采用基于约束传播的策略实现了各主体间的冲 突消解，并研究了主体问的承诺和通信机制，以及主体内部功能模块执行规划动作时的 状态转换原则；在各知识主体内部，采用以c b r 技术为主，r b r 技术为辅的推理方式， 实现了相似实例的匹配、修改和结构设计；并通过建立模具设计质量目标函数，对模具 各功能结构问的广义距离进行综合评价，给出模具总体方案的优化建议，实现模具方案 的合理优化设计。 最后，应用研究的智能化设计技术与方法，以蜜饯盒盖塑件为实例，给出了模具方 案智能化设计的过程与方法。设计结果显示，采用基于多主体的分布式控制方法，结合 r b r 与c b r 推理技术，以及综合模具功能结构间广义距离评价的优化策略，进行模具 方案智能化设计的方法是可行的，推出的模具设计方案合理正确。 关键词：注塑模具；方案设计；多主体技术；r b r 与c b r ；约束传播 大连理工大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nt h ei n t e l l i g e n tr e a l i z a t i o nt e c h n o l o g ya n dm e t h o df o r n j e c t i o nm o u l dp r o j e c td e s i g n a b s t r a c t m o u l dp r o j e c td e s i g ni st h ek e yt o 翻f l s u r et h ei n 姆a lo p t i m i z a t i o ns t r u c t u r eo f m o u l d , t h e c o o r d i n a t i o nf u n c t i o nb e t w e e nt h ep a r t s ，t h ef a c i l i t a t i o nf o rm a n u f a c t u r e , t h e 吼l c c e s so f d e b u g g i n ga n dr u n n i n ga n dr e l i a b i l i t yo ft h ep r o c e s sm o u l d i n gp r o d u c t i o n s f o rp l a s t i cp a r t s t r u c t u r e si nd i f f e r e n tc o m p l e xd e g r e e s ，h o wt og a i nt h er e a s o n a b l em o u l dd e s i g np r o j e c ti n s h o r tt i m ei st h ec o r ec o n t e n ta b o u tm o d e mm o u l dd e s i g nt e c h n o l o g yr e s e a r c h a st h e a d v a n c e dm o u l dt e c h n o l o g yi n 2 1 “c e n t u r y , i n t e l l i g e n td e s i g nr a i s e sr e s e a r c h e r st op a y a t t e n t i o na r o u n dt h ew o r l d r e s e a r c h i n gt h em o u l di n t e l l i g e n td e s i g nt e c h n o l o g yh a s i m p o r t a n t s a l s et o i m p r o v ed e s i g nq u a l i t y , s h o r t e n m a n u f a c t u r et i m ea n dp r o m o t e d e v e l o p m e n to f m o u l dt e c h n o l o g y a i m i n g a tt h ec h a r a c t e r i s t i c so f 埘e c t i o nm o u l dp r o j e c td e s i g na n du s i n go b j e c t - o r i e n t e d p r o g r , m ：i l i l a gl a n g u a g ev c + + a n d d a t a - b a s et e c h n o l o g yo nt h eo p e np l a t f o r mo fa u t o c a d t h ei n t e l l i g e n tr e a l i z a t i o nt e c h n o l o g ya n dm e t h o d sf o rm o u l dp r o j e c td e s i g na r er e s e a r c h e db y b u i l d i n gt h ei n t e l l i g e n td e s i g ns y s t e mo nm u l t i - a g a n tw i t hd a it e c h n o l o g y , r b ra n dc b r t h e c o n c q n o f g e n e r a la g e n t t e m p l a t e i so o m e u p0 1 1 t h e b a s i s o f s t u d y o n t h e i n s i d es t r u c t u r e o ft h ea g e n t , a n ds t r u c t u r e so fk n o w l e d g ea g e n ta n df u n c t i o na g e n ta r eb u i l tb ye x t e n d i n g f u n c t i o no ft h et e m p l a t e t h em u l t i a g e n tt e c h n o l o g yi s a d o p t e d , w h i l ea u t o n o m o u s d e c i s i o n - m a l d n g , c o o p e r a t i o na n dc o n c u r r f f l td e s i g no f t h ea g e n t sa r er e a l i z e dw i t hd i s t r i b u t e d c o n t r o li n s t e a do fc e n t r a l i z e dc o n t r o lm e t h o d d u r i n gd e s i g np r o c e s s ，l a y o u tr e p r e s e n t a t i o n m e t h o da n dg e n e r a t i v em e c h a n i s mi n s i d ea g e n t s 躺a n a l y s e da n dt a l co fc o n s t r a i n t s p r o p a g a t i n gi su s e dt od i s p e lc o n f l i c t sa m o n ga g e n t sw h e nn e c e s s a r y t h em e c h a n i s mo f p r o m i s ea n dc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nd i f f e r e n ta g e n t sa l ei n v e s t i g a t e d ，a n df o rf u n c t i o n m o d u l es t a t e s ，t h et r a n s f o r m a t i o np r i n c i p l et h a ti sn e e d e dw h i l et h el a y o u ti sb e i n ge x e c u t e di s s t u d i e ds u b s e q u e n t l y i n s i d ek n o w l e d g ea g e n t s 鹤c b ri st h ec h i e fm e a s u r ew h i l er b rt h e s u b s i d i a r yo n o ，t h es i m i l a rc a s ci sm a t c h e da n dm o d i f i e d , a n ds t r u c t u r ed e s i g ni sr e a l i z e d t h e g e n e r a l i z e dd i s t a n c e sb e t w e e nf u n c t i o ns i r u c t u c so fm o u l da r oe v a l u a t e ds y n t h e t i c a l l yb y b u i l d i n go b j e c t i v e f u n c t i o no fm o u l dd e s i g nq u a l i t y , a n da c c o r d i n gt ot h ee v a l u a t i o n , o p t i m i z a t i o ns u g g e s t i o n sf o rg e n e r a lm o u l dp r o j e c t 黜g i v e nt om a k ei tp e r f c c t f i n a l l y , t h ei n t e l l i g e n td e s i g nm e t h o da n dp r o c e s sf o rm o u l dp r o j e c ta r cs h o w nb yu s i n g t h ei n t e l l i g e n td e s i g nt e c h n o l o g yr e s e a r c h e da n dt h ec o n f e c tb o xc o v e rt h a ta st h eo a s l t h e d e s i g nr e s u l tp r o v e st h a tt h em e t h o do fm o u l dp r o j e c ti n t e l l i g e n td e s i g n , w h i c h1 i t ht h e 一l 一 模具方案设计的智能化实现技术与方法研究 d i s t r i b u t e dc o n l r o lm e a s u r e ：o nm u l t i a g e n t , r b c b ra n do p t i m i z a t i o nt a l c ：o ni n t e g r a t i n g g e n e r a l i z e dd i s t a n c e sb e t w e e nf u n c t i o ns l 工1 l c t i l r e so f m o u l d , i sf e a s i b l ea n dt h eg a i n e dm o u l d d e s i g np r o j e c ti sc o r r e c ta n d r e a s o n a b l e k e yw o r d s ：珂e c t i o nm o u l d ；p r o j e c ld e s i g n ；m u l t i a g e n tt e c h n o l o g y ；, r b ra n dc b r ； c o n s t r a i n t sp r o p a g a t i n g r v 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工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，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 导师签名： 髫签 - 手碰l 一 丝2 年j 三月上日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 塑料产品以其较轻的材质、良好的绝缘性、化学稳定性、耐磨耐冲击性等优良的品 质，在日常生活、医疗保健、电子通信、汽车机械、航空航天等众多领域得到广泛的应 用。在高分子材料科学不断发展，人们生活理念更新进步，以及市场需求日益扩大等多 方面因素的推动作用下，塑料制品制造业正以前所未有的速度迅猛发展，并显示出强大 豹生命力。众所周知，大部分塑料制品的生产是通过摸具成型的，而在各种塑料制品中， 注塑制品的应用比例越来越高，目前己高达3 5 左右。因此，注塑模具已经成为塑料制 品生产领域十分重要的工艺装备，其设计制造水平将直接影响制品的精度与质量。随着 科学技术的不断发展及全球化市场竞争的日趋激烈，现代工业产品的精度、质量和生产 周期等指标要求越来越高，应用传统的c a d 技术和依靠设计师经验为主导的设计方法， 已经不能满足产品市场发展对模具设计制造技术的高质量、短周期和低成本的要求【l 】。 因此，如何采用先进的技术提升模具设计与制造技术水平，是模具技术研究领域急需解 决的重要课题。智能化设计技术是在充分总结和提炼设计知识和经验的基础上，对知识 和经验进行有效的表示和存储，并将人工智能技术与计算机技术、软件技术，网络通信 技术等互相融合形成的先进设计技术。它能够利用大量的设计知识、经验以及成功的设 计实例。借助计算机高效的计算能力和网络快捷的通信能力，快速地设计出具有专家水 平的产品，并对设计结果进行优化，使其满足设计要求。智能化设计技术具有缩短设计 周期、提高设计质量，使不同的设计者都能够获得高水平设计结果的优点，近年来成为 模具技术研究领域的热点。 1 1 模具c a d 技术发展概况及趋势 1 1 1 模具c a d 技术发展概况 模具c a d 技术随着机械c a d 技术的发展而发展。最初的研究主要集中于塑料在型 腔中的流动、保压和冷却的分析模拟，随后模具c a d 的各个单项功能的研究成果逐渐 突现出来，研究的范围从注射机选择、塑料品种选择、模具各个部件设计到模具价格评 估无所不包，为以后的模具c a d 设计软件的商品化打下了坚实的基础。随着实体造型 技术，特别是近十年来特征造型技术的日趋成熟，各种通用三维造型商品化软件包的推 出，模具c a d 技术迈上了一个崭新的台阶。 ( 1 ) 国外发展概况 p t c 公司提出的单一数据库、参数化、基于特征、全相关等全新的概念改变了机 械c a d c a e c a m 的传统观念。其中参数化设计( p a r a m e t r i cd e s i g n ) 也称为尺寸驱动 模具方案设计的智能化实现技术与方法研究 设计( d i m a n s i o n - d d v e nd e s i g n ) ，它不仅可使c a d 系统具有交互式绘图功能，还具有 自动绘图的功能。利用参数化设计手段开发的专用产品设计系统，可使设计人员从大量 繁重而琐碎的绘图工作中解脱出来，大大提高设计效率，并减少信息的存储量。 利用这些概念开发出来的p r o e n g i n e e r 软件将设计至生产全过程集成到一起，应用 与模具设计相关的模块p r o m o l d e s i g n ( 注塑模、压铸模、锻模设计) 、p r o d i e f a c e ( 冲 压模设计) 、e x p e r tm o l d b a s ee x t e n s i o n ( e m x 模架专家库) 和m o l d f i l l i n gs i m u l a t i o i l o p t i o n ( 注塑模具流动分析功能包) 等，实现三维的塑件设计、模具设计和分析，以及 加工代码的生成。 美国s d r c 公司提出了一种比参数化技术更先进的实体造型技术超变量化几 何( v a r i a t i o n a lg e o m e t r ye x t e n d e d ，v o x ) 技术，这成为c a d 软件今后发展的方向。 v g x 技术扩展了变量化产品结构，允许用户对一个完整的三维数字产品从几何造型、 设计过程、特征，到设计约束，都可以进行实时的直接操作。并且随着设计的深化，v g x 可以保留每一个中间设计过程的产品信息。同时，v g x 为用户提供了一种交互操作模 型的三维环境，设计人员在零部件上定义关系时，不必关心二维设计信息如何变成三维 模型，从而简化了设计建模的过程。采用v g x 的长处在于，原有的基于特征的参数化 实体模型，在可编辑性及易编辑性方面得到极大的改善和提高。i - d e a s 即是该公司的 代表性产品，是全世界制造业广泛应用的大型c a j ) c a e c a m 软件。 c a e ( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ) 是一种用计算机辅助求解问题的近似数值分 析方法，求解的问题主要包括复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、 热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等。c a e 的分析方法主要包括有限元法和模态分析法。其中有限元法是用计算机把复杂的零件形 体自动分割成有限个形状简单的网格单元，然后逐个分析、计算这些小单元体的变形， 并按一定的关系求得零件的总变形。 c a e 系统采用参数优化方法进行方案优选，使方案设计考虑的因素更为精细、全面 和合理。c a e 系统还可以对金属切削加工、铸造、焊接、成型、试验、装配和物料流动 等各种工艺过程进行仿真，除了对产品加工质量进行预测之外，还能够深入研究这些工 艺过程的机理和规律。 澳大利亚的m o l d f l o w 公司( m o l d f l o wp t yl t d ) 应用双面流( f u s i o n ) 技术、实 体流技术等进行数值模拟分析，形成m o l d f l o w 软件，为优化塑料制品设计、优化模具 结构以及优化注塑工艺参数等工作提供了可靠、高效的理想方法。 ( 2 ) 国内发展概况 我国在开发模具c a d 技术方面起步较晚，经过。八五”期间多所高校联合攻关， 大连理工大学硕士学位论文 完成了“塑料注射模具设计制造技术的研究”国家项目，首次全面系统地开发注塑模具 c a d c 剐三c j m 系统。经过2 0 多年的努力，我国c a d 技术除了对许多国外软件进行 了汉化和二次开发外，还诞生了不少具有自主知识版权的c a d 系统。 合肥工业大学开发了注塑模具二维系统口m c a d 和三维系统i p m c a d v 3 0 。随后 以a u t o c a d r l 3 和m d t 为环境，进一步采用参数化特征模型、特征建模技术和装配模 型技术，研制出注塑模具c a d 三维参数化系统i p m c a d v 4 0 ，在技术性能、实用性与 通用性几方面都达到较高水平。 华中科技大学1 9 8 8 年实现了注塑模具c a d c a e c a m 集成系统h s c l 0 版，1 9 9 7 年推出了h s c 2 0 版。该系统以a u t o c a d 软件包为图形支撑平台，包括模具设计子系 统、塑料流动、冷却与保压模拟子系统，数控线切割编程子系统，建库工具和设计进程 管理模块，已实现商品化，其中的模具结构设计系统是二维的。近年来，在华中科技大 学华中软件公司的三维参数化造型系统i n t e s o l i d 上开发了三维注塑模结构设计系统。 广州红地技术有限公司开发的金银花( i a a n i c e r a ) 系统是国家科委8 6 3 c i m s 主题 在“九五”期间科技攻关的c a d c a m 系统研究成果，属于二维和三维一体化设计系统。 机械设计平台m d a 2 0 0 0 v 2 ( m e c h a n i c a ld e s i g na s s i s t a a t ) 采用最先进的三维参数化特 征设计技术，其强大的三维零件特征造型功能和二维工程图自动生成功能，很大程度上 摆脱了传统绘图方式对设计思路的束缚。 1 1 2 模具c a d 技术发展趋势 c a d 技术作为成熟的普及技术已在企业中广泛应用，并已成为企业的现实生产力。 围绕企业创新设计能力的提高和网络计算环境的普及，注塑模具c a d 技术的发展趋势 主要围绕在网络化、集成化和智能化等方面。 ( 1 ) 模具c a d c a e c a m 系统集成 为了充分发挥c a d 、c a e 、c a m 技术的最大潜力，人们将它们融合在一起，实现 c a d c a e c a m 系统集成，把产品从原材料到产品的设计、分析、制造全过程纳入到集 成系统中去，实现设计制造过程的自动化和最优化。 计算机集成制造c i m ( c a a r n p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g ) 是实现这一目标的革命 性概念，同时也是模具c a d c a e c a m 一体化技术集成发展的必然趋势。c i m 系统由 技术信息系统( t i s ) 、制造自动化系统( m a s ) 和管理信息系统( m i s ) 组成， c a d c a e c a m 系统是技术信息系统的主要组成部分。其中工程数据库是c i m 系统集 成的关键技术之一，在注塑模具中进一步建立和完善面向对象的工程数据库，将模具模 架、塑料材料、注塑机等参数输入至工程数据库中，供模具c a d c a e c a m 系统共享， 模具方案设计的智能化实现技术与方法研究 实现信息流的无阻碍传递和转换。针对c i m s 的研究对模具生产管理的加强、产品质量 的提高和生产周期的缩短等方面都有很大的借鉴意义【3 1 。 ( 2 ) 基于网络的模具c a d 虚拟协作 模具c a d 系统发展的一条主要途径是实现网络化，即包括硬件与软件的集成，使 独立的计算机按照网络协议信息通信接口、系统操作控制策略等进行通信，实现资源共 享。分布式的模具c a d c a e c a m 系统结构灵活、功能强大，每个工作站可以单独使 用，也可联合使用，能使用户实现异地协同、综合全面的设计与分析，实施工程与产品 创新。由多个人、多个企业在多台计算机上协同完成越来越大的项目是模具制造业的发 展趋势，将分散在不同地区的现有智力资源和生产设备资源迅速组合，建立动态联盟的 制造体系，以适应全球化制造的发展潮流。目前已出现了通过因特网实现跨国界模具设 计的成功例子。模具c a d 网络技术的应用为模具企业实现敏捷制造和动态联盟奠定了 技术基础，但是由于网络安全问题的影响，目前还不能实现联盟成员彼此完全共享资源 与信息的目标，随着网络通信和安全技术的完善，基于网络的模具c a d 虚拟协作必将 有更大的飞跃。 ( 3 ) 模具c a d 的智能化、。， 以往模具c a d 系统较重视软件数值计算和几何建模功能的开发，而忽视了非数据 非算法的信息处理功能的开发，这在一定程度上影响了模具c a d 系统的实际效用。随 着人工智能技术的发展，以及知识工程和专家系统技术的日趋成熟，人们将这些技术引 入模具c a d 领域中，形成智能的模具c a d 系统，目的是能够快速实现模具整体功能的 优化设计，减轻设计人员的工作强度，提高设计结果的质量。面向制造、基于知识的智 能化功能现已成为衡量模具软件先进性和实用性的重要标志之一陋1 0 1 。 1 1 3 模具方案设计智能化实现技术的现状 注塑模具方案设计是模具生产周期中至关重要的环节。合理的模具方案设计是模具 各组成结构详细设计的依据，决定了模具的总体结构、工作方式、生产效率等重要方面， 直接影响模具设计与制造的质量。由于设计者对塑件的相关信息和设计要求的理解不 同，对模具设计的经验知识和理论知识的积累和运用也存在差异，因此需要将人工智能 技术引入模具设计过程中，协助或代替设计人员完成重要的设计工作，并保证工作的质 量。不过在注塑模具方案设计智能化实现技术方面，有应用价值的研究成果还比较少， 多数都集中在对模具局部结构的智能化设计阶段，而很少能综合应用这些研究成果，开 发出用于整体方案设计的智能化设计系统。这需要合理利用大量的资源和知识，协调数 量众多的智能动作，对系统的控制方法进行有效的研究，合理地检测和消解设计过程中 大连理工大学硕士学位论文 的冲突等。 现有的关于模具方案设计智能化实现技术的研究具有代表性的工作有： 唐合存等采用基于a h p 的模具设计方案决策方法。a h p ( a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ) 是根据问题的性质和要达到的总目标，将问题分解为不同的组成因素，并按照因素间的 相互关联影响和隶属关系将其按不同层次聚集组合，形成一个多层次的分析结构模型， 并最终把系统分析归结为最底层( 方案层) 相对于最高层( 决策目标) 的相对重要性权值 确定或相对优劣次序的排序问题。即将模具分解为不同层次的局部结构，由下至上地逐 层考察不同组成因素的权重，并由此构建判断矩阵，通过计算判断矩阵的一致性以检验 权重是否合理，并计算待选方案对最终目标的相对权重及排序，由此进行决策f l l 】。 陈璞等利用人工智能技术，在v i s u a lc 斗斗6 0 环境下开发了注塑模方案设计专家系 统，用来帮助设计者在模具设计前期完成合理的方案设计。系统采用了实例匹配和归纳 推理两种不同手段，系统中的设计知识分别采用了数据库记录、链表以及集成了框架、 规则和方法的对象等多种形式来表示，各类知识的学习和修改采用了包括神经网络在内 的多种机制l l ”。 陈松茂等研究了将a s p 服务与c b r 技术相结合的基于网络协作的设计系统。a s p ( a p p l i c a t i o ns e r v i c ep r o v i d e r ，应用服务提供) 为用户提供可访问的商业应用，其托管 相关应用程序，使它们适合用户的需要，然后管理这些程序的运行、升级、维护和支持。 不同用户可以通过使用权限访问模具设计实例库，利用异她协同的方式进行实例推理和 修改设计工作，充分发挥每个设计单元的优势，提高设计效率 x 3 1 。 由以上研究成果可见，深入分析模具设计过程，按照功能重新认识模具结构，构建 面向多层次、多目标的设计体系，结合模具设计的特点利用规则推理、实例推理、神经 网络等人工智能技术，并且重视基于网络的异地协同设计模式，是目前模具智能化设计 方法研究的主要内容。但是这些研究成果存在以下不足：不能针对模具整体设计过程提 出有效的完整的实现方法：对智能化设计过程采用集中式的顺序控制方法，不适合模具 设计过程中各组成部分互相关联、彼此约束的联合设计的特点；统一的知识库规模庞大， 很难便捷地存储和检索知识，维护起来也比较困难；设计者参与决策的情况过多，设计 过程的智能化、自动化水平偏低；利用网络的协同设计虽具有一定的并行设计特点，但 是仅在每个节点体现了智能化设计，而未能在整个网络环境下形成智能化协同设计。 1 2 课题研究的意义和内容 1 2 1 课题研究的意义和应用价值 模具方案设计属于概念设计阶段，对模具最终设计结果有决定性作用。设计者根据 模具方案设计的智能化实现技术与方法研究 塑件的几何特征、成型工艺条件、材料特性、设计要求等因素，确定型腔数量、型腔布 局形式，设计成型零件、浇注系统、冷却系统、推出系统，选择模架规格、注塑机参数 等，并将这些功能结构组合为有机的整体，形成合理的模具设计方案。在设计过程中， 需要综合考虑的因素很多，有些甚至是彼此矛盾的，这对设计人员的经验和水平提出很 高的要求。将人工智能技术引入设计系统，使不同设计者都能够获得具有专家水平的设 计结果，并极大地缩短设计周期，提高设计质量，使产品满足市场与用户的需求，为现 代模具设计提供了一种非常有效的方法。 目前，在模具方案设计的智能化实现方法和技术的研究中，占主导地位的思想是通 过深入了解模具结构及其设计过程的内在规律，对相关设计知识和经验进行归纳和表 达，并基于知识集成和知识发现的方法，综合应用神经网络、遗传算法、基于规则和基 于实例的推理技术等多种有效的人工智能技术，对模具结构进行智能化设计。这种思想 虽然是适合现代人工智能技术发展水平的，然而针对注塑模具独有的设计特点，这些方 法和技术均不能全面地满足实际要求。注塑模具的设计过程中涉及到的信息是大量的、 多领域的，它们彼此相关、互为因果，并且需要被反复评价和挑选优化，同时又是规则 化与模糊性并存、需要不断更新与扩充。这必将导致形成一个非常庞大复杂的知识库， 并且各种信息流的交汇与冲突将严重降低智能化设计方法的使用效率，以至于对设计中 需要解决的关键问题和外部信息的重要变化失去足够的敏感性。将整体设计任务拆解为 若干子任务，交由不同的设计模块分别进行设计是解决以上问题的理想方法，但是其往 往需要设置集中式的控制机制，使得如何协调各个模块进行有效的沟通和协作成为难以 解决的问题，同时，把如此庞大的任务分解为合适数量和功能的模块也是关键问题之一。 尽管神经网络也是很好的工具，但是网络连接模型表达复杂，训练过程较长，不能对自 身的推理方法进行解释，对已有知识维护更新困难，这些缺陷决定其不能独立担当设计 任务中的主要部分。 本课题研究将分布式人工智能中的多主体技术引入模具方案智能化设计，能够较好 地解决知识库和规则库规模过大且难以维护、各模块集中控制困难、对大型复杂机械产 品的设计没有适合的智能化方法等诸多问题。其采用分布式控制代替集中式控制，能够 极大地简化知识库和规则库的结构，不必为集中控制各模块的运行而设计复杂的程序和 算法，并且实现并行设计，极大地提高设计效率。同时，这种方法具有较好的兼容性和 平台无关性，使得已经取得一定效果的研究成果能够得到充分的利用。 本课题的实用价值在于使注塑模具方案的智能化设计自动、高效地完成，大幅度减 少了对设计师经验的依赖以及在缺少分析数据对设计结果支持的情况下进行设计的盲 目性与同类智能化实现方法比较，本课题提出的实现方法有利于控制知识库、规则库 大连理工大学硕士学位论文 的规模，显著提升了对智能化设计过程的控制水平，较少需要设计者的参与，兼容性与 可扩展性强，为结构复杂、联系紧密的大型机械产品方案设计的智能化实现奠定了基础。 1 2 2 课题研究的主要内容 针对模具方案设计的特点，采用分布式智能的多主体技术，基于规则和实例的推理 技术，以及设计方案的评价与优化方法，研究模具方案智能化设计的实现技术与方法。 本课题主要研究了以下几方面的内容： ( 1 ) 多主体系统架构，主要研究多主体系统的结构形式，各主体间协作协调的方法， 并与模具方案设计内容相结合，构建基于多主体系统的模具方案设计系统框架。 ( 2 ) 研究注塑模具各个功能结构的特点和相互关系，设计与之相应的知识主体和功 能主体，对主体内部结构进行深入分析，构建通用的易于扩展和维护的主体模板。 ( 3 ) 基于规则推理与实例推理相结合的模具方案智能化设计方法，主要是根据初始 设计信息，通过实例推理搜索相似设计实例，再结合专业化的知识库和规则库，由规则 推理对相应部分进行修改和再设计，智能化地推出设计结果。 ( 4 ) 采用基于广义距离的模具设计质量目标函数对设计方案进行评价，并研究方案 优化策略。 研究工作以多主体系统为核心，结合规则推理、实例推理和方案评价与优化的技术 与方法，基于a u t o c a d 2 0 0 2 平台，使用面向对象的编程语言v a 叶6 0 和o b j e c t a r x 2 0 0 2 为开发工具，初步实现了注塑模具方案智能化设计。 模具方案设计的智能化实现技术与方法研究 2 模具方案设计知识及智能化设计工具的选择 2 1 注塑模具的基本结构与类型 注塑模具的结构是由塑件结构和注塑机的形式决定的。凡注塑模具，均可分为动模 和定模两大部分。注塑时动模与定模闭合构成型腔和浇注系统，开模时动模与定模分离， 通过脱模机构推出塑件。定模安装在注塑机的固定模板上，而动模则安装在注塑机的移 动模板上f 1 4 】。根据模具上各个部件的作用，可细分为以下几个部分： ( i ) 成型零件 成型零件是构成型腔的模具零件，包括凹模、型芯、成型杆、镶块等。凹模用以形 成塑件的外表面，型芯用以形成塑件内表面，成型杆和镶块用以形成塑件的局部结构。 成型零件尺寸应精确，在塑料熔体的冲击下不能产生变型和偏移，常经过特殊热处理以 提高使用寿命。 ( 2 ) 浇注系统 浇注系统由主流道、分流道、浇口和冷料井所组成，将塑料熔体由注塑机喷嘴引向 型腔内部，并传递熔体压力。浇注系统布局分平衡式和非平衡式两类。设计时应尽量缩 短熔体流程，合理选择浇口尺寸、数量和位置，避免产生湍流、涡流、喷射等情况，避 免高压熔体对型芯和嵌件产生冲击，并使凝料方便脱出。 ( 3 ) 导向部分 为确保动模与定模合模时准确对中而设置导向零件。通常有导向柱、导向孔( 套) 或在动定模上分别设置互相吻合的内外锥面，有的注塑模具的推出装置为避免在推出过 程中发生运动歪斜，也设有导向零件如推板导柱。 ( 4 ) 分型抽芯机构 带有侧向突出或侧孔的塑件，在被推出以前必须先进行侧向分型，拔出侧向凸凹模 或抽出侧型芯，塑件才能顺利脱出。按抽芯与分型的动力来源可分为手动、机动、液压 或气动分型抽芯。具有侧抽机构的注塑模具，其活动零件多、动作复杂，在设计中要特 别注意其机构的可靠、灵活和高效。 ( 5 ) 推出机构 推出机构是在开模过程中，将塑件和浇注系统凝料从模具中推出的装置，一般由推 杆、推杆固定板、推板、主流道拉料杆及复位杆联合组成。推出机构的设计应防止塑件 在被推出时变形或损坏，要有针对性地选择合适的脱模结构，使推出重心与脱模阻力中 心向重合。在选择推出位置时，应尽量选择对塑件内部或外观影响不大的部位。 大连理工大学硕士学位论文 ( 6 ) 排气系统 为了在注塑过程中将型腔内原有空气排出，常在分型面处开设排气槽。由于小型塑 件排气量不大，可直接利用分型面排气，大多数中小型模具的推杆或型芯与模板的配合 间隙均可起排气作用。排气槽应开设在熔体最后充满的部位，其截面尺寸以有利于排气 又不溢料为原则。 ( 7 ) 模温调节系统 为了满足注塑工艺对模具温度的要求，模具设有冷却或加热系统。冷却系统一般在 模具内开设冷却水道，加热系统则在模具内部或四周安装电加热元件。模具温度稳定、 冷却速度均衡可以减小塑件的变形，减少塑件成型收缩率的波动，提高塑件尺寸精度的 稳定性。同时，在均衡布置模温调节系统时，应注意其与模具其他结构是否发生干涉， 并进行相应的调节。 注塑模具的分类方法很多，按照注塑模具总体结构分类，可以将注塑模具分为单分 型面模具、双分型面模具、带活动镶件模具、侧向分型抽芯模具、机动脱螺纹模具等， 见表2 1 【15 1 。 模具方案设计的智能化实现技术与方法研究 表2 1 注塑模具基本类型 t a b 2 1b a s i ct y p e so f 坷e c t i o nm o u l d 模具类型简要描述 单分型面模具主流道设在定模一侧二裟竺鬈；：i 嚣开模后塑件连同流道 双分型面模具 指浇注系统和詈拿熹茎詈望竺詈要量塞萎霎量矗蓬篓三板式模具 带活动镶件模具 由 券：；凳慧煮：鬈：篓：薹玉景罢兰耄藿冀! ；i ；嚣髫一 侧向分型抽芯模具当鬈燮裟麓篇塞黼嬲絮雾冀嚣恫 带有螺纹的塑件需自动脱模时，设置可转动的螺纹型芯或型环。利 机动脱螺纹模具 用注塑机旋转或往复运动或专门的驱动和传动机构带动螺纹型芯 或型环转动，使塑件脱出 叠层模具 相当于多个两板式模具重叠在一起构成，适用于生产浅而薄的小型 零件，要求注塑枧有较大开模行程 无流道模具 包括热流道和绝热流道模具两类，采用对流道进行加热或绝热的办 法保持从注塑机喷嘴到型腔浇口之间的塑料呈熔融状态 2 2 注塑模具各功能结构之间的关系 注塑模具各组成结构不仅能够实现各自特有的功能，而且互相联系，彼此约束，具 有非常密切的关系。在模具设计阶段，必须综合考虑每一个独立结构的特点，以及它与 其他结构的联系，结合塑件的结构、精度、模塑性能、生产周期和数量等初始设计信息， 经过反复的设计和修改过程，才能最终确定模具整体设计方案。注塑模具典型结构如图 2 1 所示，各组成结构之间的关系如图2 2 所示。 一1 0 - 大连理工大学硕士学位论文 图2 1 注塑模具典型结构图 f i g 2 1f i g u r e 衙t y p i c a ls l l u c i i l i o f i j e e t i o nm o u l d 爿型腔雍| i 爵与数量r 一 ；l 成型零件( - - - 1 标准模架e ! i挠注系统藩一 爿冷却系统| 耋一 一 抽芯机拘 一 一_i 习推出系统陲 习导向与对中系统k 习捧气磁i 图2 2 注塑模具各组成结构之问的关系 f i g 2 2r e l a t i o n s h i pb e t w c c nd i f f e r e n ts t r u c t u r e so f i j e e t i o nm o u l d 模具方案设计的智能化实现技术与方法研究 由图2 2 可知，注塑模具的组成结构之间存在复杂而普遍的关联，任何结构都可能 是其他结构设计的依据，同时也制约其他结构的类型选择、结构形式、尺寸和位置等。 模具方案设计的难度很大，对其智能化实现技术与方法的研究也更困难。 2 3 注塑模具方案设计的基本原则 注塑模具方案设计需要综合考虑很多因素，其中既有普遍意义的因素，又有其特有 的影响因素，其设计过程必须遵循一定的设计原则。 ( 1 ) 满足需求原则 注塑模具的功能来源于用户和市场的需求，满足需求是一切设计最基本的出发点。 从确定设计目标、使用要求、技术指标、设计与制造工期到拿出总体方案，进行可行性 论证，综合效用分析直至具体设计、试制、鉴定，模具交付后的信息反馈等都是紧紧围 绕用户和市场需求来运作的。 ( 2 ) 系统与优化原则 可以将注塑模具视为一个系统，以系统工程的观念来指导其设计。系统工程解决设 计问题的基本思想是首先从系统的整体目标出发，将整体功能分解成若干个子功能：然 后找出能完成各个子功能的技术方案，再把能完成各个子功能的技术方案进行协调组成 方案组；最后，从成本、技术、效益等各方面考虑，进行分析、评价和优选，进而实现 整体优化。 ( 3 ) 标准化、系列化、通用化原则 标准化是指将产品( 特别是零部件) 的质量、规格、性能、结构等方面的技术指标加 以统一规定并作为标准来执行。系列化是指对同一产品，在同一基本结构或基本条件下 规定出若干不同的尺寸系列。通用化是指在不同种类的产品或不同规格的同类产品中尽 量采用同一结构和尺寸的零部件。注塑模具应用广泛，各结构部件已有标准化规格，并 形成了系列产品，在使用和维修过程中有很好的互换性和通用性。这减轻了设计工作量， 有利于提高设计质量并缩短生产周期；减少了刀具和量具的规格种类，便于设计与制造， 从而降低其成本；便于组织标准件的规模化、专门化，易于保证产品质量，节约材料， 降低成本；提高互换性，便于维修和评价产品质量。 ( 4 ) 信息原则 先进的信息处理技术使设计出的模具在正式加工制造前，即可采用虚拟现实技术在 虚拟工厂中显示出加工制造、安装试模直到运行的全过程，从中发现问题，以便在正式 加工前就可以进一步改进设计，以改善性能和提高质量。设计人员应全面、充分、正确 地掌握与模具设计有关的各种信息，利用这些信息来正确引导模具总体方案的设计。 大连理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 简化原则 在确保产品功能的前提下，应力求设计出的模具方案简单化，以便在确保质量的同 时降低成本。在方案设计阶段和改进设计阶段，尤其要突出应用这个基本原则。 ( 6 ) 保证塑料熔体流动平衡 注塑过程中，型腔内部将形