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摘要 摘要 当前，制造业的信息化和全球化已成为制造业发展的一个重要趋势。制造 企业信息化建设的核心是产品的数字化设计、制造及相关数字化技术的集成。 三维c a d 技术正逐渐成为企业设计应用的热点，也是企业深化运用所必需的工 具。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 量要求越来越高，因此冲压模具设计越来越得到重视。冲压工艺作为冲压模具 设计中关键的一个环节，其设计的结果直接影响模具的结构和冲压产品的质量， 所以建立一个智能化的冲压工艺设计系统是整个模具设计的基础所在。本文正 是从这个实际需求出发，以知识工程为背景，对冲压工艺设计相关的理论、应 用方法等进行了研究。 首先，通过分析冲压工艺设计系统的功能需求，构建了基于知识的冲压工 艺设计系统的架构，并分析了系统各个模块的具体功能及模块间的逻辑关系。 然后，针对冲压工艺设计中较为关键的两项技术：毛坯优化排样和工步排 样，本文在基于知识的背景下进行了深入的研究。 为提高毛坯排样的材料利用率及排样精度，且考虑到程序的执行效率问题， 本文在分析了多种常见毛坯优化排样算法的基础上，提出了基于包容矩形的优 化排样算法，并分别阐述了针对四种常见排样模式的具体优化算法流程。 为将规则知识更充分地运用到工步排样中，以提高工步排样的智能性，结 合本次系统开发的实际需求，本文研究了工步排样规则知识的特点和处理方法， 设计出适用于工步排样的基于规则推理方式，提出了基于规则的工步排样技术。 最后，本文介绍了基于知识的冲压工艺设计的原型系统。设计系统对一典 型弯曲件实例进行了“冲压件原型一展开件一毛坯排样图一工步排样图- - 3 1 艺 参数计算”的完整工艺设计流程，验证了本文对基于知识的冲压工艺设计的研 究是切实可行的。 关键词：冲压工艺，知识工程，毛坯排样，排样算法，工步排样 a b s t r a c t a b s t r a c t n o w a d a y s ，i n f f o r m a l i z a t i o na n dg l o b a l i z a f i o na r eb e c o m i n gt h ei m p o r t a n tt r e n df o r m a n u f a c t u r e c a da st h e3 dt e c h n o l o g yi sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ep o p u l a rf o rt h e e n t e r p r i s e s a st h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i c s ，l i g h ti n d u s t r ya n da u t o m o b i l e ，t h e d e m a n df o rs t a m p i n gp r o d u c t si si n c r e a s e da n da l s ot h es t a n d a r do f q u a l i t yi sh i g h e r s t a m p i n gp r o c e s si st h ec r i t i c a lp a r to fs t a m p i n gd e s i g n , s ow en e e dt op a ym o r e a t t e n t i o nt ot h es t a m p i n gp r o c e s sp l a n n i n g b e c a u s eo f t h i sp r a c t i c a ld e m a n d , r e l a t i v e t h e o r ya n dm e t h o d so fs t a m p i n gp r o c e s sa r es t u d i e di n t h i sp a p e rb a s e do n k n o w l e d g e f i r s t l y , i nt h i sp a p e r , t h ew h o l ep r o c e s so f s t a m p i n gd e s i g ni sa n a l y z e d t h es t r u c t u r e o f t h es t a m p i n gp r o c e s ss y s t e mi si n t r o d u c e d a tt h es a m et i m e , t h ef u n c t i o no f e v e r y p a r ti sa n a l y z e dc o n c r e t e l y s e c o n d l y , t h et w oc r i t i c a lt e c h n o l o g i e so fs t a m p i n gp r o c e s s ：l a y o u to f b l a n ka n dt h e a r r a n g e m e n to f s t e p s 黜l u c u b r a t e di nt h i sp a p e r ： i no r d e rt oi n c r e a s et h em a t e r i a lu t i l i t yr a t i o ，p r e c i s i o no fl a y o u ta n dt h ee f f i c i e n c yo f p r o c e s s , an e wr a n g eb o x - b a s e da l g o r i t h mf o ro p t i m a lb l a n kl a y o u ti si n t r o d u c e d b a s e do i lt h es t u d i e so f t r a d i t i o n a la l g o r i t h m t om a ( ef u l lu s eo f k n o w l e d g ei nt h es t e pa r r a n g e m e n ta n di m p r o v et h ei n t e l l i g e n c e o fs y s t e m , t h em a n a g e m e n to fr u l e sa n dt h em e a n so fr e a s o n i n ga r es t u d i e di nt h i s p a p e r f i n a l l y , t h ek n o w l e d g e - b a s e ds t a m p i n gp r o c e s ss y s t e mi sd e v e l o p e d a ne x a m p l eo f t y p i c a lb e n dp a r ti si n t x o d u c e d ，w h i c hp r o v e st h ef e a s i b i l i t yo ft h es t u d yo n k n o w l e d g e - b a s e ds t a m p i n gp r o c e s sp l a r m i n g k e yw o r d s ：s t a m p i n gp r o c e s s ，k b e ，b l a n kl a y o u t ，a l g o r i t h mo f l a y o u t ，s t 印 a r r a n g e m e n t 申请同济大学工学硕士学位论文 基于知识的冲压工艺设计系统 研究与开发 ( 上海市“十五”重大科技攻关项目编号：0 4 d z l l 0 0 6 ) 培养单位： 一级学科： 二级学科： 研究生： 指导教师： 机械工程学院 机械工程 机械制造及其自动化 张丰 李爱平教授 二o o 七年三月 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：致丰 洳0 7 年弓月f i 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、已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：酞辜 扫0 7 年月1 7 日 第1 章绪论 1 1 研究背景和意义 1 1 1 研究背景 第1 章绪论 当前工业正面临着市场全球化、制造国际化和品种需求多样化的新挑战， 各企业间围绕着时间、质量和成本的竞争越来越激烈。对于制造业企业来说， 如何实现高质量、低成本、短周期的新产品开发是赢得竞争的关键【1 】。而随着电 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。为了适应大批量生产高精度冲压产品的要求，近年来冲压模具的使用 也愈加广泛，而且冲压模具的工步数多，步距精度要求高，因此迫切需要为模 具设计人员提供一个智能化的冲压模具设计系统 2 1 。冲压工艺设计是冲压模具设 计中关键的一个环节，冲压工艺设计的结果直接影响模具的结构和冲压产品的 质量，所以建立一个智能化的冲压工艺设计系统是整个模具设计的基础所在【3 】。 冲压模具设计过程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，它不仅是参考经验知识的辅助设计，更是在现有知识基础上的进 一步积累创新，即是一个包含了对知识的继承、集成、创新和管理的过程【4 】。以 c a d c a m c a e p d m a i 技术的集成作为典型特征的基于知识的工程( r , a e k n o w l e d g eb a s e de n g i n e e r i n g ) ，它是指利用人工智能技术，通过知识规划、信息 提取、产品建模和分析，以及信息重用，将企业成熟的领域知识和设计经验融 于设计系统中，实现知识与工具的集成，是当今设计制造领域研究的热点【5 】。知 识工程可以对模具设计这一知识驱动的创造过程进行全面的规范化和系统化， 使设计过程得到合理、完备和统一的环境与支撑【l 6 1 。故而在模具的设计中，k b e 技术具有重要的应用价值。 冲压工艺设计作为模具设计中的重要环节，它是一项经验性很强的工作， 设计中所用到的一些经验知识是依靠设计人员在生产实践中不断摸索获得的l 刀。 冲压工艺设计过程是数值计算、数据检索、图形处理、知识处理、优化设计等 的集合，同时也是一个创造性劳动的过程。此外，冲压工艺系统是一个研究较 第1 章绪论 为深入的领域，在此基础上进行k b e 研究具有坚实的技术基础。 目前，冲压工艺设计系统的应用中主要存在如下难点【8 9 1 1 ) 冲压工艺设计本身是一个创造性劳动过程，涉及信息面广，对专业知识 和经验要求较高，这就要求k b e 系统能提供相应的冲压工艺知识，在工艺设计 过程中给予用户帮助和指导 2 ) 基于k b e 的系统设计要能与交互式设计相结合，并能使两者的设计结果 可以相互转化，这样不但能提高系统的自动化程度，而且提高了系统的柔性， 并充分发挥人在设计中的主导作用。 3 ) 冲压工艺设计是一个反复设计和修改的过程，这涉及到再设计的问题。 这就要求在k b e 系统中能处理设计在各个阶段的状态参数，以便再设计中能够 通过逐级回溯，返回设计前的状态。 4 ) 计算机辅助冲压工艺设计往往不能兼顾程序计算效率的高低与计算结果 的优劣，尤其在毛坯优化排样方面，排样结果的优化常常以牺牲计算效率为代 价。 在冲压工艺设计中引入知识工程，可以有利于获取更全面的冲压模具设计 知识，将知识更好地运用到工艺设计的全过程中。用知识作为设计的主导，把 知识贯穿于设计的始终，可以更好地协助设计人员设计出优化合理的冲压工艺 方案。 本课题来源于上海市“十五”重大科技攻关项目“基于知识的产品创新冲 压模具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 ) 。 1 1 2 研究意义 冲压工艺设计可以称之为冲模设计的灵魂，其设计结果直接影响到模具设 计、性能和寿命，并最终影响冲压生产的可行性冲压工艺设计是一个复杂的 过程，涉及的因素很多，相互之间又是关联的，一套合理的工艺设计方案可以 获得高质量的模具，而工艺设计中的一处不当则可能导致模具中难以修复的缺 陷【l o l 。 一些工程师在生产中积累了大量工艺设计方面的经验，成为模具开发的宝 贵财富，但是这种过分依赖经验的传统模具工艺设计方法，又制约了模具设计 技术的提高。一方面，培养一批具有相当经验的工艺工程师需要相当长的时间， 2 第1 章绪论 一般至少需要3 到5 年；另一方面，随着零件产品更新速度的加快，积累的经验 难以跟上产品更新的速度，而且光凭经验有时也无能为力，所以必须将冲压工 艺设计中的显性知识和隐性知识集成在系统中，这样才能发挥计算机集成系统 的最大优判1 2 】。 基于知识的冲压工艺设计，可以提高设计的智能化程度，提高冲压工艺设 计的可靠性和设计效率主要表现在以下几个方面防1 3 】： 1 ) 提高后续模具结构设计的合理性。基于知识的冲压工艺设计使模具整体 的设计更加合理可行，有助于某些工艺参数和模具结构的优化。 2 ) 有效缩短设计周期。将知识工程运用到冲压工艺设计中，可提供常用的 计算方法、工艺知识和工步排样设计规则知识库，能有效缩短设计周期，提高 设计的可行性。 3 ) 较大幅度地降低成本。冲压工艺设计中的优化排样能最大限度地节省原 材料。并且c a d 技术的采用，可以避免模具的反复修模和试模，从而大大降低 了成本。 4 ) 充分发挥设计人员的主观能动性。c a d 技术将设计人员从繁冗的计算和 绘图工作中解放出来，使其可以从事更多的创造性劳动。并且，冲压工艺设计 系统可以为设计人员提供表达设计构思和反复修改方案的有效手段，从而提高 设计结果的合理性和设计效率。 本课题的研究目的是面向冲压模具行业，将知识工程应用于冲压模具的工 艺设计过程，开发一个基于知识的、智能的冲压模具三维数字化工艺设计系统， 为模具设计人员提供一个真正支持冲压工艺设计过程的工作环境，为实现整个 冲压件的智能设计和制造提供基础。 本课题研究的冲压工艺设计系统其功能主要包括：弯曲件展开、毛坯排样、 工步排样和工艺参数计算。该冲压工艺设计系统建立了融合专业冲压模具知识 和专家经验的工艺知识库，在提供用户交互操作的基础上，实现了冲压件“冲 压件原型一展开件一毛坯排样图一工步排样图一工艺参数计算”的整个工艺设 计过程。基于知识的冲压工艺技术研究有利于实现冲压工艺设计的智能化，高 效化和规范化，对冲压工艺设计的计算机辅助系统具有显著的实际应用价值。 1 2 相关研究综述 第1 章绪论 1 2 1 知识工程概况 1 ) 知识工程的定义 知识工程是一种新型的以知识为中心的智能设计方法，它起源于传统的 c a d 和专家系统，可看成是c 觥址狎d m 和人工智能技术的集成和发展。迄今 为止，尚无一个公认、完备的定义一些机构有着各自关于k b e 的定义，举例 说明如下： 美 w a s h i n g t o n 大学机械工程系的d a l ee c a l k i n s 教授认为k b e 是一种设计 方法学，将与下一代c a d 技术紧密结合。使用启发式的设计规则，它将涵盖构 件、装配和系统的开发。k b e 系统储存产品模型，它包含了几何和非几何信息， 以及描述产品如何设计、分析和制造的工程准则【1 4 1 。 美国f o r d 汽车公司的j a p e n o y e r l ”】等人认为e 运用知识完成工程任务，这 些知识是特意积累和储存的，并以计算机作为中介。k b e 通常指使用一些计算 机系统，如专家系统、基于网络的知识库等。 英国c r a n f i e l d 大学的h u i h u al i t l 6 】博士认为k b e 是一种特殊类型的基于知识 的系统，它专注于工程设计以及后继的制造、销售等活动 u g s 公司认为k b e 是获取智能对象或人造物( 如零件) 的生命周期内实质 的方法学，包括操作性、功能性和性能的要求，以及获取它的进一步变化。u g s 更进一步指出，k b e 是可以记录和重用工程设计规则的系统、是可以记录和重 用的公式的表单、选择和装配相关零件的系统。 上海交通大学模具c a d 国家研究中心认为，k b e 是通过知识的驱动和繁衍。 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【1 4 1 。 2 ) 知识工程的特点 k b e 技术是人工智能技术的一个分支，是近年来在专家系统的基础上发展 起来的一项技术，具有区别于其他设计方法的特点和自身的结构体系【1 7 】。在传 统的设计方法中，设计过程多数是以设计者为中心传统设计方法缺乏对众多 领域知识的集成，设计对象的规模和复杂性很大程度上都受到了限制。基于k b e 的设计则是以知识模型为中心，实现工程知识与c a d 的集成，各类知识库均可 与产品模型相关联。设计师只需按要求输入和进行重要的设计决策，即可获得 优化的设计结果，因而可以极大地提高设计效率，改进设计质量。和参数化c a d 4 第1 章绪论 以及设计型专家系统相比，k b e 具有的主要特点包括【l q ： k b e 是以产品知识模型为中心，与c a x 系统集成，用于解决工程问题的 计算机系统，其集成包括产品设计、工程分析、评估、绘图、加工和数据库等 方面。 k b e 是集成化的大规模知识处理环境，能处理多领域知识和多种描述形 式的知识，具有知识的继承、繁衍、集成和管理功能。k b e 的知识推理过程是 模式匹配和逻辑规则推理的过程，采用模式识别、基于规则、基于事例和基于 模型等方法进行知识的推理。 k b e 面向整个设计过程，强调产品全生命周期中各系统的集成，具有开 放的体系结构。 k b e 系统涉及多领域、多学科知识范畴，模拟和协助人类专家群体的推 理决策活动，往往具有分布、分层、并行的特点。 1 2 2 模具0 a d 技术概况 1 ) 模具c a d 的定义 模具c a d 是计算机辅助模具设计的简称，指利用计算机进行模具设计的技 术。模具c a d 系统给设计人员提供了一个高效的设计环境，使人的创造力获得 充分的发挥，摆脱了大量繁琐的重复性绘图工作，更重要的是改变了传统的图 纸、实物传递方式，从而大幅度地提高了模具设计和制造的质量，对于传统的 模具设计是一次重大变革。它是自电力革命以来最具有生产潜力的工具之一， 也是未来模具行业继续生存和发展的战略前提【埘。目前，它已被公认为是现代 模具技术中最重要的基础之一，是模具生产中的重大技术革命，是模具生产走 向全面自动化的根本措施【埘。 在模具中，冲压模具在汽车、仪表、电子等领域都有着广泛的应用。尤其 是随着各种新型冲压成型方法和先进冲压设备的研制成功，冲压更是突出地显 示了其生产效率高，成本低、质量稳定、操作简便、便于实现机械化和自动化、 适合大规模生产的显著优点，应用范围更加广泛【1 7 1 。 2 ) 国内外冲压模具c a d 发展概况 计算机技术的发展带动了制造业的进步，并渗透到各个工程领域。在模具 c a d 方面，二十世纪6 0 年代，国外一些飞机和汽车制造公司已经开始了冲压模 第1 章绪论 具c a d 方面的研究工作进入二十世纪7 0 年代，模具c a d ，c a m 技术己经在生产 中得到应用【l 引如1 9 7 3 年美国d i e c o m p 公司研制了计算机辅助级进模设计系统 p d d c ，该系统包括图形与材料特性输入、模具结构选择、凹模排样、模具总装 图绘制及n c 指令生成等功能；1 9 7 7 年捷克斯洛伐克金属加工工业研究所研制了 a k t 冲模c a d 系统，该系统适用于普通冲裁简单模、复合模和连续模设计：1 9 7 8 年日本机械工程实验室研制成功冲裁级进模系统m e l 9 1 二十世纪8 0 年代中期，随着c a d ，c a l 订技术的发展，级进模计算机辅助设计 进入新一轮发展阶段许多用于模具设计的商用c a d c a m 软件出现了。商品 化程度较高的模具设计软件主要是德国s t e p p e r 公司开发的k i w i 系统和美国 c o m p u t e rd e s i g n 公司开发的s u i k e r 系统。此外，还有f a n u c 级进模c a d c a m 系统、 a u t o - t r o l 的级进模设计系统、a d m sd i em a s t e r 系统、u - g r a p h 稹 具辅助设计系统、 p r o s h e e t m e t a l 、m e t a l c a d 和e x c e s s & s t r i k e r 系统等。这些商用系统中的 大多数是从己有的c a d c a m 系统中进行二次开发来的，它们以交互操作为主， 主要作为设计人员的辅助工具以提高工作效率，因此，设计过程仍需专家的参 与【1 厶2 0 】。 自二十世纪9 0 年代以来，模具设计系统的研发领域又发生了新变化。人工 智能技术的引入，推动了冲压产品计算机辅助设计的进一步发展。图形识别、 基于规则和框架的推理、模糊推理和基于特征的设计等先进的趟技术和c a d 技 术不断地应用到模具c a d 中，其具体表现形式以专家系统为主然而，由于模 具设计过程的复杂性，目前绝大多数级进模设计专家系统都没有实现完全的实 用化，而且商品化程度都不高f 2 l 】。 国内的冲压模c a d 研究开始于二十世纪8 0 年代，华中理工大学( 1 9 8 3 ) 、 北京机电研究所( 1 9 8 5 ) 、上海交通大学( 1 9 8 6 ) 各自开发的冲压模c a d 系统 中均包含了冲压模具设计模块，可实现冲压模具的工步排样与结构设计。对于 电子、仪表行业中应用较为广泛的冲裁弯曲成形级进模，华中理工大学，西安 交通大学、上海交通大学等高校都进行过c a d 技术方面的研究 2 2 1 。 随着计算机技术的发展，模具c a d 技术也日趋成熟，通用机械零件c a d 逐 步从工作站向微机转移，二维设计逐步向三维设计方向发展，模具c a d 技术也 在发生着根本性的变化。国内外企业近几年也在根据自身的发展需要，抓住机 遇大力推广c a d 技术的应用，以使企业有一个更好的发展【2 3 l 。 6 第1 章绪论 1 2 3 基于知识的冲压工艺设计系统概况 当前c a d 、c a m 、c a e 和a i 等技术得到迅猛发展，在工程设计与制造中得 以广泛应用，但各类知识的相对独立性和设计制造一体化的矛盾成了制约它们 进一步发展的瓶颈。一方面，工程设计人员常常受到知识的转换和识别等问题 困扰；另一方面，由于较强的专业性，造成了设计人员相互沟通的知识壁垒， 因而这样一条知识供应链相当脆弱。如何实现产品生产周期中涉及的所有知识 领域的集成，知识工程不失为一条解决之道。 当前，将基于知识的工程运用到冲压模具c a d 技术己成为热点，冲压模具 自动化技术发生了质的飞跃。国内外都对这一领域投入了相当的精力，并且已 开发出一些原型系统，主要表现在产生式规则、基于框架的推理、模糊推理和 基于特征的设计等等，以下主要对冲压工艺设计领域的部分研究做出阐述【1 4 弘 2 5 1 a s l a z a r o 等人开发的s m a a r t 系统( s m a a r t ，s h e e tm e t a la d v i s o ra n d r u l et u t o r ) 该系统是一个基于特征的c a d 系统，为模具设计人员提供了有关 金属板料加工的信息。系统采用基于规则和对象的知识表示，从三个抽象层次 上提取了十个特征以及六十五条规则。s m a a r t 系统根据设计规则为产品设计 人员提供在线的咨询和帮助，这样，在模具制造和产品生产过程中可以杜绝或 减少问题的发生。 l e e 等人开发了一个主要适用于拉深件的工艺可行性评估系统。该系统由一 个基于知识的几何分析模块、一个有限元模块和一个工艺可行性分析模块构成。 冲模设计的经验规则以框架形式保存于知识库中。如果通过几何推理得不到工 艺可行性的信息，系统通过有限元模拟( p a m s t a m p ) 得到应变分布情况，工 艺可行性分析模块随后根据有关准则评判零件的可加工性。 m t i s z a 等人所研发的m e t e x 系统( m e t e x ，m e t a lf o r m i n ge x p e r t s y s t e m ) 。该系统应用成组技术进行多工步成型加工的工艺设计。系统以a u t o c a d 为平台，用a u t o l i s p 语言构造了用于生成工艺方案的专家系统，系统采用根据 几何特征和加工特性的复合分类方法进行零件编码，形成零件族，从而实现工 艺设计的自动化。当系统处理过程中发现难以做出决策时，由人工进行干预。 s k e s c h e 等人开发的a s f e x 系统( a s f e ，a x i s y m m e t r i cs e q u e n c ef o r m i n g e x p e r ts y s t e m ) 用于对称拉深件的冲压工艺设计。a s f e x 使用设计规则生成圆 7 第1 章绪论 杯件的拉深工艺方案和各工步的模具几何信息。同时也开发了一个计算机辅助 设计分析系统，用来分析复杂薄板件在多工步冲压中的成形性。 s i t a m m a n ( i b m ) 和k i n z e l ( o s u ) 等人开发了轴对称拉深工序设计系统，由基于 知识的专家系统模块和工艺分析模块组成。先由专家系统模块根据设计经验和 规则产生初步工序，再由工艺分析模块模拟金属成形过程、计算应力和应变的 分布、校验工序排列正确与否 我国于8 0 年代中期才开始展开模具c a d c a m 系统的应用研究，与国外相比 有l o 蛰 1 5 年的差距。经过近2 0 年的研究和开发，虽然取得了很大成绩，但无论 在技术能力和技术储备，还是在技术的应用普及上，我国的冲压模具设计水平 都与国外有相当的差距目前在该领域的研发主要集中于上海交通大学、华中 科技大学、华中理工大学等高校【1 4 】。 华中科技大学开发了基于知识的级进模c a d c a m 软件，用户通过特征设 计产品的3 d 线框模型，系统将模型展开，在人工进行了毛坯排样后，用户能通 过交互命令进行工步排样，随后进行交互式模具结构设计脚l 。 上海交通大学研究了面向冲压零件的特征技术、基于框架、决策表、面向 对象的知识表示和推理、基于神经网络的毛坯外形预测等技术和方法，提出利 用智能化、系统化和集成化技术开发冲压模具c a p p 系统的发展趋势，构建了基 于知识的冲压模具c a p p 系统和产品设计管理一体化系统工程的框架。在1 9 9 4 年 开发了智能型多工位冲裁级进模工步排样系统，实现了引线框架类零件的工步 自动排样【l 2 6 j 。 华中理工大学的童枚等人根据冲裁级进模工步设计的基本原则和特点，提 出一种自动设计与交互设计相结合的设计方法，进行工步排样设计。工步排样 中涉及到的一些数学模型，如孔的自动识别等受到重视。李志等人提出了智能型 多工位级进模条料排样系统，将专家系统技术引入了冲压工艺设计中所涉及到 的问题及解决方案，结合专家系统知识，针对冲压件特点，提出了冲压件及其 工艺知识在专家系统中的表达方式，建立了冲压件及条料的框架模型【2 7 l 。 合肥工业大学建立了面向集成环境的冲压件工艺设计系统框架，并针对不 同零件状态，系统分别采用检索方式和基于知识的专家系统相结合的决策方式 进行工艺决策，使系统具有实用性、灵活性、可扩充性的特点【2 8 】。 南京理工大学提出了建立计算机辅助拉深模工艺设计的集成环境思想。它 基于事例的初始设计，通过数值模拟对设计进行评价，提出对设计的修改建议， 8 第1 章绪论 并探讨了基于变量化技术的工艺补充部分和压料面的设计方法。研究了基于特 征映射的冲压工艺设计方法，提出了基于特征的冲压件定义模型，基于产生式 规则知识，利用特征映射技术实现设计特征向工艺特征的映射，提出了基于面 向冲压的设计可冲压性评价思想【2 9 】。 综上所述，国内外都对冲压工艺设计这一领域进行了深入的研究，但是大 部分的冲压工艺设计系统在设计过程中还是需要较多的人工干预，在智能化方 面还有待于进一步提高，并且对于领域内的专家知识和设计经验的利用并不是 很充分。由于冲压工艺设计涉及的知识具有多样性、分散性和复杂性，要求设 计软件具有对知识获取、增加和修改的能力。因此，本文基于知识对冲压工艺 设计展开研究将有助于提高冲压工艺设计的自动化程度，并且能更好地将设计 经验和专家知识运用到设计中去。 1 3 主要研究内容 本文以冲压工艺设计系统为研究背景，将知识工程运用到冲压工艺设计这 一领域，探索其理论依据及其应用途径。考虑到篇幅所限，本文的研究主要围 绕冲压工艺设计中的两个关键技术：毛坯优化排样技术和工步排样技术展开研 究，提出了基于包容矩形的毛坯优化排样算法和基于规则推理的工步排样技术。 冲压工艺设计中的其余技术问题，不是本文研究的重点，因此只在系统实例中 进行一般介绍。 本文的具体内容如下安排： 第一章：介绍了知识工程的概况和冲压模具c a d 技术的发展，并且分析 了知识工程在冲压工艺设计领域的运用情况，指出了将k b e 技术运用到冲压 工艺设计中的重要性和可行性，从而确定了本文的研究意义及研究内容。 第二章：分析了冲压设计系统的功能要求，构建了基于知识的冲压工艺 设计系统的结构框架，确定了系统各个模块的具体功能及模块间的逻辑关 系，并且对系统的开发环境进行了介绍。 第三章：研究了基于知识的毛坯优化排样技术。在介绍了几种常用毛坯 排样算法的基础上，提出了兼顾运算效率和精度的基于包容矩形的优化排样 算法，并设计出毛坯排样模块的具体流程。 第四章：研究了工步排样技术。分析了工步排样领域知识的表示方法以 9 第1 章绪论 及知识获取的方式，研究了适用于工步排样的规则推理方式，提出了基于规 则的工步排样技术，并设计出工步排样模块的具体流程。 第五章：在前面各章研究的基础上，阐述了冲压工艺设计系统的实现技 术，并介绍了冲压工艺设计系统的实例。系统对一典型弯曲件进行了完整的 工艺设计，验证了本文所提出的基于知识的冲压工艺设计是切实可行的。 第六章：总结全文，并对今后研究的方向和发展趋势做出展望。 1 4 本章小结 本章主要介绍了知识工程的概况和冲压模具c a d 技术的发展，并且分析了 知识工程在冲压工艺设计领域的运用情况，指出了将k b e 技术运用到冲压工艺 设计中的重要性和可行性，从而确定了本文的研究意义及研究内容。 l o 第2 章冲压工艺设计系统的架构和开发环境 第2 章冲压工艺设计系统的架构和开发环境 2 1 冲压工艺设计系统的架构 2 1 1 冲压模具设计系统 本项目研究的内容是在a u t o d e s k 公司最新的三维机械设计软件i n v e n t o r 基 础之上，面向冲压模具行业开发出用于冲压模具设计的三维数字化设计系统( 简 称冲压模具设计系统) 该系统能依据用户需求，在设计资源与知识向导的支持 下，为用户提供一个基于知识的、智能的、开放的冲压模具三维数字化设计整 体解决方案。系统的功能如图2 1 1 3 0 l 所示，主要包括：作业管理、冲压件产品建 模、冲压工艺设计、冲压模具结构设计、工程图生成等。 本课题研究的范围是对冲压模具设计系统中的冲压工艺设计部分展开研 究，图2 1 中的灰色区域就是本课题研究的内容。 图2 1 基于知识的冲模三维数字化设计系统主要功能模型 1 1 第2 章冲压工艺设计系统的架构和开发环境 冲压工艺设计部分作为冲压模具设计系统中的重要部分，与其他功能之间 有着紧密的联系，其主要逻辑关系如下： 1 ) 作业管理及产品建模模块 该模块为冲压工艺设计提供作业信息和产品信息模型，包括作业名称、冲 压件文件路径，冲压件类型、冲压件材料、生产批量等信息 2 ) 冲模结构设计模块 冲压工艺设计为冲模结构设计提供工艺数据和排样图信息，包括排样图文 件、步距、料宽、各刃口数据信息、冲压力、压力中心等。 2 1 2 冲压工艺设计系统 冲压工艺设计系统依据用户需求，在设计资源、知识规则库和知识向导的 支持下，对输入的零件模型进行冲压工艺设计冲压工艺设计系统的体系结构 如图2 2 所示，主要包括应用层、基础平台和数据接口其中应用层又分为： 用户操作界面、功能实现层( 包括弯曲件展开、毛坯排样、工步排样和工艺参 数计算) 和支持层( 包括设计流程导航、工艺设计知识库、设计资源管理) 。由 于工艺设计需考虑众多因素，所以系统将在实现智能化的同时提供交互设计的 平台，以帮助用户快速确定最优化的设计结果。 冲压工艺露鬟鬻鬟霪篓霪鬟鬟鬟鬟鬟震囊要麓覆鬟鬟鬈鬟鬟鬟霪鬟鬟搦 黧 s t e p 设计系统 毛坯摊样 工步捧样i i 艺参数计算 i g 翳 弯曲件展开 设计流程导航工艺设计知识库设计资源管理 专用接口： x j ，a c i s ， s t l 慨 接口： a u t o d e s k c a p p c m i 数据库系统- 略 c c e s sc a i 玛z 台 i n v e n t o r c a e r p 基础平台操作系统 鹕w i n d o w s通用文档 w o r d ，e x c e l 。 p d f 图2 2 冲压工艺设计系统体系结构 冲压工艺设计系统的主要功能包括：弯曲件展开、毛坯排样、工步排样和 工艺参数计算四大模块，其功能模型如图2 3 所示。各个模块的主要功能分析 如下： 1 2 第2 章冲压工艺设计系统的架构和开发环境 图2 3 冲压工艺设计系统功能模型 1 ) 弯曲件展开 弯曲件的展开是指对于具有弯曲特征的冲压件，在其中性层进行展开。本 系统基于展开的具体算法与相关知识，建立相应的功能模块，得到毛坯展开图。 2 ) 毛坯排样 毛坯排样指毛坯在条料上的布排，其目的是在满足冲压工艺的前提下，获 得尽可能高的材料利用率。根据用户的实际需求，本系统的毛坯排样功能模块 主要分为优化排样和用户自行排样两种形式。 毛坯优化排样：主要由用户指定排样模式、旋转角度增量、旋转角度范围、 y 向增量( 双排时) 和搭边值等参数，系统自动得到每一个旋转角度下的排样 方案，计算材料利用率和步距等参数。本课题着重研究了毛坯优化排样的算法， 并实现了基于知识的毛坯优化排样，为用户提供优化的毛坯排样方案。用户根 据需要，可以选择相应的优化排样方案，系统会自动生成毛坯排样图，并且记 录下相关参数值，例如材料利用率、步距、料宽等，将其保存在数据库中为后 第2 章冲压工艺设计系统的架构和开发环境 续的设计提供数据信息。 用户自行排样：该功能的设置主要是考虑到在某些情况下用户并不需要优 化的排样方案，而是希望能首先确定步距、料宽等重要参数再进行排样。在用 户交互操作的基础上，根据排样模式、步距、料宽，旋转角度、搭边值等参数 来进行排样系统依据以上参数可以自动计算当前方案下的材料利用率，能自 动生成毛坯排样图，并且记录下当前方案的相关参数值。 3 ) 工步排样 毛坯排样完成后，由用户交互操作进行工步排样。首先由用户交互操作完 成刃口定义，包括定义刃口的工艺类型、刃口名称等参数；然后进行工步定义， 即将刃口一一安排到相应的工步中，得到工步预排样方案。在用户完成工步预 排样方案后，系统根据知识库中的工步排样规则对该排样方案的合理性做出判 断，及时给用户提示和指导，帮助其进一步改进和完善工步排样，最终得到合 理的工步排样方案，并由系统自动生成工步排样图和相关参数信息，将其保存 到数据库。 4 ) 工艺参数计算 工艺参数主要包括冲裁力、卸料力、反顶力、压力中心和凹模最小工作区， 这些参数是后续的模具结构设计的重要依据和参考。工艺参数计算就是通过分 析、计算，得到这些工艺参数信息，并且保存入数据库 2 2 系统的开发环境 本系统是以i n v e n t o r 作为开发平台，采用m i c r o s o f tv i s u a lc h 0 ( 简称 v c + + 6 0 ) 作为开发工具，编译、连接、调试均在v c + + 6 0 中进行，数据库采 用m i c r o s o f t a c c e s s 数据库。 本系统所采用的开发平台i n v e n t o r 是美国a u t o d e s k 公司推出的三维机械设 计软件，能与a u t o c a d 完全兼容。i n v e n t o r 包含标准的机械零件库，提供了独 特的草绘功能，简单方便。它具有快速智能的2 d 自适应布局，可以方便地从 1 4 第2 章冲压工艺设计系统的架构和开发环境 二维转换到三维，并且自动尺寸标注的功能可以方便地完成所有的关键尺寸的 标注i n v e n t o r 主要具有以下特点： 优秀的三维设计解决方案。 杰出的三维参数化尺寸驱动系统。 产品零部件的各个视图和图纸数据的关联性。 独特的自适应技术和优秀的工程图功能 为可以让用户更好地实现二次开发和个人定制，i n v e n t o r 提供了强大的二 次开发接口( a p i ，a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ) ，开发出与产品特色紧密 相关的本地化计算机辅助设计软件。a p i 的技术基础是微软的自动化技术，这 类自动化接口在以w m d o w s 为平台的应用程序当中是相当普遍的。用户通过 i n v e n t o r a p i ，可以用高级语言来控制i n v e n t o r 的各种对象以及相关的属性和方 法，进而开发出需要的应用程序。 2 2 2 开发工具v i s u a io h - 对于i n v e n t o r 的二次开发，大多数流行的编程语言都可实现，例如v i s u a l c + + 、v i s u a lb a s i c 、d e l p h i 和j a v a 等。考虑到v i s u a lc + + 是一个功能强大的应 用程序集成开发环境，它提供了高质量的用户化编程能力，具有以下特点： 简单性。v i s u a lc - h 中提供了m f c 类库、a t l 模板类以及a p p w i z a r d 、 c l a s s w i z a r d 等一系列的w l z a r d 工具用于帮助用户快速的建立自己的应用程序， 大大简化了应用程序的设计。 灵活性。v i s u a lc - h 提供的开发环境可以使开发者根据自己的需要设计应 用程序的界面和功能。 访问速度快。v i s u a lc + + 提供了新的访问技7 i o 旬l ed b 和a d o ，o l e d b 和a d o 都是基于c o m 接口的技术，使用这种技术可以直接对数据库的驱 动程序进行访问，这大大提高了访问速度。 可扩展性。v i s u a lc + + 提供了o l e 技术和a c t i v e x 技术，这种技术可以 增强应用程序的可扩展能力。 鉴于v i s u a lc - 件的以上特性，本系统采用v i s u a lc h 作为二次开发的工具， 并且运用m i c r o s o f t a c c e s s 数据库。 第2 章冲压工艺设计系统的架构和开发环境 2 3 本章小结 本章介绍了冲模设计系统的功能模型，分析了冲压工艺设计的功能要求， 构建了基于知识的冲压工艺设计系统的结构框架，确定了系统各个模块的具体 功能及模块问的逻辑关系，并且对系统的开发环境进行了介绍。 1 6 第3 章基于知识的毛坯排样技术 第3 章基于知识的毛坯排样技术 在冲压生产中，由于原材料消耗在成本中占有很大的比重，通常会达到6 0 0 , 4 以上，所以提高材料利用率是节省成本的关键。毛坯排样指冲压件毛坯在条料 或板料上的布排，其主要目的是在满足冲压工艺的前提下获得尽可能高的材料 利用率。同时，毛坯排样的结果又是工步排样的基础，因此毛坯排样是冲压工 艺设计中的重要环节。 由于传统的手工排样很大程度上取决于工人的经验，排样效率低，误差较 大，因此结合计算机c a d 技术实现智能优化排样是冲压的发展趋势，本文对冲 压件毛坯排样技术展开研究具有极其重要的意义。 3 1 毛坯排样问题分析 由于目前使用带料进行冲压加工的多工位级进模已成为现代模具工业的发 展趋势，在此本文优先考虑“无限长”带料的毛坯排样优化问题，此时d 1 1 ： ，7 2 而n x a x 1 0 0 0 0 ( 3 - 1 ) ，7 2 而。 ( 3 。1 其中，撑一一个步距内毛坯数目； 彳一单个毛坯面积； p 一送料步距； 形一料宽。 对于普通的单、双排排样，p 、形都取决于毛坯排放的旋转角度a 和双排时 相邻毛坯y 向的相对错移量y ，所以式( 3 1 ) 可表示为叫： 印( 口，力2 而而n x 獗d 历 3 2 ) 由式( 3 - 2 ) 可知，为得到较高的材料利用率叩，只要取r l m x = i n a x ( 口( y ) ) 即可，在一定范围内改变a 和y 的值，计算相应的，即可得到较高的材料利用 率。根据排样方式、变化角度和y 向变化等参数，通过优化排样算法对毛坯图 进行处理，能得到