（机械电子工程专业论文）基于fbs的车灯模具计算机辅助概念设计系统研究.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 基于f b s 的车灯模具计算机辅助概念设计系统研究 摘要 概念设计阶段对整个模具设计制造过程有举足轻重的影响，因此 有关概念设计的理论、方法和应用的研究在国内外学者中受到很大的 关注。本文提出了基于功能一行为一结构( f b s ) 的车灯模具计算机辅助 概念设计过程方法以弥补以往注塑模设计的强经验性，开发了基于 f b s 的车灯模具计算机辅助概念设计系统，并在最后给出了车灯模具 概念设计的设计过程实例。 本文针对概念设计过程的特点，提出了基于f b s 的车灯模具计算 机概念设计过程模型，对车灯模具概念设计中的功能、行为、结构建 模方法进行了研究，并且在此基础之上分析了模架、侧抽芯机构、顶 出机构的功能、行为、结构建模。 本文通过对概念设计一般映射过程机制的分析，提出了车灯模具 计算机辅助概念设计的f b 、b s 映射过程机制，并分析了车灯模具概 念设计中模架、侧抽芯机构、项出机构的f b 、b s 映射过程。 本文最后结合具体的实际研究项目内容，开发了基于f b s 的车灯 模具计算机辅助概念设计系统，并给出了车灯模具概念设计的设计过 程实例。 本文以f b s 为基础提炼了概念设计知识，比较以往直接以自然设 计经验为对象的知识表达方法，明显提高了设计知识表达的科学性和 有效性。将f b s 概念设计方法应用到注塑模车灯模具概念设计过程 中，规范了注塑模的概念设计过程，提高了注塑模的设计效率。 浙江工业大学硕士学位论文 关键词：概念设计，功能，行为，结构，设计过程 m 浙江工业大学硕士学位论文 r e s e a r c h o nc o m p u t e r - a i d e dc o n c e p t u a l d e s i g ns y s t e mo fl a m pm o l db a s e do nf b s a b s t r a c t t h ep h a s eo fc o n c e p t u a ld e s i g nh a sg r e a ti n f l u e n c eo nt h ew h o l e p r o c e s so fm o u l dd e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g ，w h i c hm a k e s t h es c h o l a r sa t h o m ea n da b r o a dh a v eg r e a ti n t e r e s t si nt h er e s e a r c h e so nt h et h e o r y , m e t h o da n da p p l i c a t i o no fc o n c e p t u a ld e s i g n i no r d e rt oo f f s e te x p e r i e n c e l i m i t a t i o no ft h ef o r m e rm o u l dd e s i g nm e t h o d ，t h i sp a p e rp u tf o r w a r dt h e c o m p u t e r - a i d e dc o n c e p t u a ld e s i g np r o c e s sm o d e lb a s e do l l f u n c t i o n - b e h a v i o r - s t r u c t u r e ( f b s ) ，a n dd e v e l o p e dt h ec o m p u t e r - a i d e dc o n c e p t u a l d e s i g ns y s t e mb a s e do nt h ef b s ，a n dg i v i n gt h ee x a m p l eo f t h ec o n c e p t u a l d e s i g np r o c e s si nt h ee n d i nv i e wo f t h ec h a r a c t e ro f t h el a m pm o u l dd e s i g np r o c e s s ，t h i sp a p e r p u tf o r w a r dt h ec o m p u t e r - a i d e dc o n c e p t u a ld e s i g np r o c e s sm o d e lb a s e d0 1 1 t h ef b s ，a na _ l y s e st h ef u n c t i o n , b e h a v i o ra n ds t r u c t u r em o d e l i n gm e t h o d ， a sw e l la st h em o u l d b a s e ，c o r e - p u l l i n g ，a n dk n o c k o u tm o d e l i n gm e t h o d t h i sp a p e ra n a l y s et h eg e n e r a lm a p p i n gp r o c e s sm e c h a n i s m ，a d v a n c e t h ef b ，b sm a p p i n gp r o c e s sm e c h a n i s mo ft h ec o m p u t e r - a i d e dl a m p m o u l dc o n c e p t u a ld e s i g n a n da n a l y s et h ef b , b sm a p p i n gp r o c e s so ft h e t h em o u l db a s e c o r e - p u l l i n g & n o c k o u tc o n c e p t u a ld e s i g np r o c e s s b a s e do np r a c t i c a lp r o j e c t , t h i sp a p e rd e v e l o p e dt h ec o m p u t e r - a i d e d c o n c e p t u a ld e s i g ns y s t e mb a s e do r l t h ef b st h e o r ya n do f f e r e dt h e e x a m p l eo f t h ec o n c e p t u a ld e s i g np r o c e s si nt h ee n d t h i sp a p e ra b s t r a c t e dt h ec o n c e p t u a ld e s i g nk n o w l e d g eb a s e do nf b s ， i v 浙江工业大学硕士学位论文 a n di m p r o v e ds c i e n t i f i e a l n e s sa n dv a l i d i t yo ft h e d e s i g nk n o w l e d g e g r e a t l y , c o m p a r e dt ot h ef o r m e re x p r e s s i o nm e t h o db yd i r e c te x p e r i e n c e d e s i g n i tr e g u l a t e st h ec o n c e p t u a ld e s i g np r o c e s so fm o u l dd e s i g na n d i m p r o v e st h ee f f i c i e n c yo ft h ec o n c e p t u a lm o u l dd e s i g nb ya p p l y i n gf b s c o n c e p t u a ld e s i g nm e t h o dt ol a m pm o u l dd e s i g np r o c e s s k e y w o r d s ：c o n c e p t u a ld e s i g n ，f u n c t i o n ，b e h a v i o r ，s t r u c t u r e ，d e s i g n p r o c e s s v 浙江工业大学硕士学位论文 浙江工业大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育 机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名：厕剀勿、 日期：沙锌朔琊日 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，同意学校保 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。 本人授权浙江工业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。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 作者签名 ( 请在以上相应方框内打“寸) 导师签名： 厕剀及 1 妒 日期：俨锌期耀日 日期：坩锌，月z ( i 日 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 进入二十一世纪，随着科技力量的注入和发展，各行各业都有了前所未有的 新发展，尤其是网络和计算机技术的发展，使传统的制造业在制造模式和制造方 式上都有了新的形式和内涵。制造技术是衡量一个国家工业发达水平和经济实力 的重要标志，是决定生产力水平高低的关键，因而制造业在一个国家的经济实力 发展中扮演着非常重要的角色。要提高制造业的水平和制造企业的竞争力，首先 要解决的问题是对传统的生产模式发起挑战，在生产中不断地引入新概念、新方 法和新技术。 在制造业中，产品的设计是竞争的制高点，发达国家在资本输出时，将产品 的制造阶段放在发展中国家，以期获得较低的制造成本，但是设计阶段都放在本 国，并严加保护，以在市场竞争中获得主动权。我们作为发展中国家，必须拥有 自己的知识产权，有自己的设计产品才能不受制于人，为此，研究产品的设计方 法学也是至关重要的。 1 2国内外相关理论和技术研究综述 1 2 1 产品概念设计概述 概念设计是设计的前期工作过程，概念设计的结果是产生设计方案。但是，概念 设计不只局限于方案设计还包括设计人员对设计任务的理解，设计灵感的表达，设 计理念的发挥。概念设计还应充分体现设计人员的智慧和经验。因此，概念设计前 期工作应充分发挥设计人员的形象思维。概念设计后期工作较多的注意力集中在 构思功能结构、选择功能工作原理和确定机械运动方案等，与传统的方案设计没有 多大区另l j 。概念设计由于内涵广泛艘其有更大范围内的创新和发明。 概念设计处于产品设计的早期，目的是提供产品方案。研究表明，产品大部 分成本在概念设计阶段就已确定【5 1 1 。概念设计是产品设计过程中的关键环节，不 浙江工业大学硕士学位论文 仅决定着产品的质量、成本、性能、可靠性、安全性和环保性，而且产生的设计 缺陷无法由后续设计过程弥补。 总之概念设计是方案全面创新的一个设计过程，它集成了设计师的智慧和灵 感、先进设计方法的应用、设计资料和数据库广泛采纳、相关的专业知识运用等 等。 1 2 2 注塑模具的总体设计与开发现状概述 一注射模具的结构组成 根据模具中各个部件的不同作用，一套注射模可以分成以下几个部分【1 - 4 1 ： 1 ) 内模零部件：赋予成型材料形状和尺寸的零件，通常由c o r e ( 下模) ， c a v i t y ( 上模) ，镶件( 镶针) 等组成； 2 ) 浇注系统：将熔融塑料由注射机射嘴引向闭合的模腔，一般由灌口主流 道、分流道、浇口和冷料穴组成： 3 ) 热交换系统：为了满足注射成形工艺对模具温度的要求( 冷却或加热) 需要对模具温度进行较精确的控制； 4 ) 行位系统：当侧向有凸凹及孔时，在塑料被顶出之前，必须先抽拔侧向 的型芯( 或镶件) ，才能使塑胶产品顺利脱模； 5 ) 顶出系统：实现塑胶产品脱模的机构，其结构形式很多，最常用的是顶 针、司筒和推板等脱模机构； 6 ) 导向定位部件，是保证动模与定模闭合时能准确对准、脱模时运动灵活， 注射时承受侧向力的部件，常由导柱和导套及定位块、锥等组成； 7 ) 排气系统：将型腔内空气导出的结构，如：排气槽及镶件配合时的间隙； 8 ) 结构件：如模架板、支承柱、限位件等。 一模具设计的一般流程 模具的总体设计如图i - i 所示，首先根据客户提供的模具寿命、塑件特征等信 息来确定型腔数目、分型面等信息，然后进行浇注系统的设计等等。 流程图只说明了在模具设计过程中考虑问题的先后顺序，在实际的设计过程 中可能并不是按此顺序进行设计的。并且设计中经常要再返回上步或上几步对已 设计的步骤进行修正，直至最终决定设计。 本文只讨论其结构设计中的模架、侧抽芯机构、顶出机构的概念设计部分， 2 - 浙江工业大学硕士学位论文 不涉及到工艺部分。 模具确认表 总指标：交货期，模具寿命 塑胶产品：材料、表面质量、 几何形状、其它要求 注射机：型号规格 i 型腔数目 冷却系统 jl 型腔排布、模架确定 结构件设计 0 j r 分型面 型腔精确尺寸 上 l 塑腔尺寸i 顶出系统 l 主浇道及分流道 t - 导向定位系统 工 i 浇口 i i l排气系统 图1 1 模具总体设计流程图 1 2 3 模具概念设计研究现状和发展趋势 在国外已经将注塑模设计模块很好地集成到三维造型软件中，方便了注塑模 的快速开发嘲。如p t c 公司p r o e 软件的m o l dd e s i g n 模块提供了模具的分模功 能，为了进行标准模架设计，开发了独立运行的e m x 软件；如美国e d s 公司的 u n i g r a p h i e s 的软件几乎是注塑模c a d c a m 用户的首选软件，其提供的 m o l d w i z a r d ( 注塑模向导) 模块可以进行分模与标准模架及各种结构件的设计。 其他，美国生信实维公司的s o l i d w o r k s 软件的m o l d b a s e 模块提供标准模架 浙江工业大学硕士学位论文 库，完全与s o l i d w o r k s 其它软件集成i 法国达索公司的c a t i a 软件提供了注塑 模辅助设计模块( m o l dd i em a c h i n i n ga s s i s t a n t ) ；以色列c i m a l r o n 公司推出的 q u i c k 系列产品中的注塑模专家软件o 讧o l d e x p e r t ) 能自动产生分模面，并在模架设 计过程中实现了模架零件的全相关，并能自动产生材料明细表和n c 加工的钻孔 表格；英国d e l c a m 公司推出的p o w e r s h a p 系统包括p s - m o l d - m a k e r 模块，是 面向模具制造的模具总装设计专家系统，可自动为复杂注塑模创建模具结构及抽 芯机构，自动产生分模面，加工信息被自动封装，并可直接输出到p o w e r m i l l 模 块，自动产生加工程序；日本u n i s y s 株式会社推出的专用注塑模设计和制造系 统的c a dc e u s 综合了塑料产品设计从产品形状设计、模具设计到模具生成所需 要的全部功能。 我国的注塑模设计与制造技术的发展也相当迅速，c a d 技术在模具设计与制 造中得到了广泛的应用和一定的发展1 6 - 8 1 。国家对注塑模c a d 应用和推广相当重 视，并投入了大量的人力和物力进行研究和开发。目前从事注塑模技术研究的机 构和院校已经达到3 0 余家，并开发出了一系列的注塑模c a d 系统。华中理工大 学模具技术国家重点实验室在三维参数化造型系统i n t e s o l i d 上开发了注塑模三维 结构设计系统；上海交通大学c a d 国家工程研究中心( 上海模具技术研究所) 完成 国家“七五”重点攻关项目“注塑模计算机辅助设计系统”的研制，并开发了集成化 c a d c a m c a e 系统。此外，国内的一些注塑模c a d c a m c a e 软件还有浙江 大学开发了精密塑料模c a d c a m 软件系统，合肥工业大学开发了注塑模软件 i p m c a d 。郑州工业大学的z - m o l d 等。 在工程设计领域，设计后期的详细设计阶段和装配设计阶段的c a d 技术已相 当成熟。而对于概念设计，一般认为它包括产品早期设计阶段的草图设计、构思设 计、初步的参数设计和结构设计等内容。因而c a c d 研究往往是以详细设计过程 中的c a d 技术为基础，将其中的建模技术、真实感显示技术等针对概念设计进行 改进，从而建立一套面向c a c d 的理论和技术。 将虚拟现实、人工神经网络 0 1 、遗传算法等新兴技术以及并行设计、协同 设计等设计方法引入概念设计领域，并结合传统的优化设计技术、模糊技术、智能 技术进行c a c d 的研究也逐渐受到关注。 浙江工业大学硕士学位论文 1 3 本文的研究内容和论文框架 本论文是在浙江省重大科技攻关招标项目( 编号：0 2 1 1 0 1 5 6 0 ) 基于w e b 的 产品创新开发平台研究及其在模具行业中的应用的子系统“模具概念设计知识库 及辅助设计系统”以及浙江省自然科学基金资助项目( 编号：y 1 0 4 5 3 0 基于知识 和数值模拟的注塑模协同优化技术研究的基础上完成的，主要研究了该项目中 的车灯模具概念设计模块，以f b s 产品概念设计过程方法作为理论基础，研究设 计开发了车灯模具概念设计辅助设计系统和知识库维护管理系统。该系统包括车 灯模具中的模架部分、侧抽芯机构部分、顶出机构部分的概念设计知识维护模块 和计算机辅助概念设计模块的内容。 本文主要包含以下几点内容： 1 基于f b s 的车灯模具概念设计功能建模分析 研究了基于f b s 的车灯模具计算机辅助概念设计功能建模方法，对车灯模具 概念设计中的模架、侧抽芯机构、顶出机构的功能建模进行了分析。 2 基于f b s 的车灯模具概念设计行为建模与f b 映射机制分析 研究了基于f b s 的车灯模具计算机辅助概念设计中的行为建模方法以及f b 映射机制，对车灯模具概念设计中的模架、侧抽芯机构、项出机构的行为建模进 行分析以及f b 映射过程分析。 3 基于f b s 的车灯模具概念设计结构建模与b s 映射机制分析 研究了基于f b s 的车灯模具概念设计中的概念结构建模方法以及b s 映射机 制，对车灯模具概念设计中的模架，侧抽芯机构、顶出机构的概念结构进行分析 以及b s 映射过程分析。 4 车灯模具知识库维护及计算机辅助概念设计系统的开发 综合利用前先提出的概念设计系统理论知识，给出了车灯模具计算机辅助概 念设计系统的概念数据模型，以及软件实现流程，软件实现包括知识库维护模块 和辅助设计模块，并在最后给出了具体的概念设计过程实例结果。 本论文共分七章，本文的脉络组织结构如图1 2 所示 浙江工业大学硕士学位论文 1 4 本章小结 第一章绪论 多 l 第二章基于f b s 的产品概念设计方法 之多 第三章车订模具概 害设计功能建模 第四章车灯椟具概 念设计行为建模及 f b 臃射帆制分析 第五章车灯模具概 念结构建模及b s 映 射机制分析 一o 第六章车灯模具概念设计系统实现 il 飞。多7 5 第七章总结与展望 图1 - 2 论文的组织结构 本章主要讲述了本论文研究的主要内容以及技术路线，勾勒出了全文的脉络 框架，也大致确定了本论文研究的范围，后文的研究将在本章的基础上一步一步 地展开，以具体内容充实整个框架中的内容。 第二章基于f b s 的产品概念设计技术方法 2 1 引言 本章主要论述了基于f b s 的产品概念设计方法，并利用f b s 理论对注塑模 车灯模具的概念设计过程进行分析研究。 2 2 基于f b s 的产品概念设计 2 2 1 基于f b s 的概念设计过程的定义 g e r o j s 等人在1 9 9 0 提出了基于功能俨u n c t i o n ) 为( b e h a v i o r ) 结构( s 协l c t l 】r e ) 的f b s 框架模型，根据人的认知特点将概念设计过程划分为功能建模、行为建模和 结构建模三个阶段 n - t 6 】。 产品概念设计过程是一个信息映射从抽象到具体的设计过程。如图2 1 产品概 念设计映射过程模型所示。 q l 、q 、q 3 分别表示功能集、行为集、概念产品集。 m i 、锄分别表示从功能集到行为集的映射和从行为集到概念结构产品集的映 射。 其中每个集合都可以用特征变量以及相应的约束信息等来表示，在以后的章 节将会分别描述功能集、行为集、概念产品集的建模方法以及以及侧抽芯机构、 顶出机构、模架的建模实例。 图2 - 1 产品概念设计映射模型 浙江工业大学硕士学位论文 2 2 2 基于f b s 的概念设计过程建模 在概念设计过程中，获得功能需求到形成概念产品，是一个从抽象到具体， 逐步精化的过程。在宏观上它表现为如图2 1 所示的三个集合之间的逐级映射， 在微观上又可以把它分解为更加详细的一个设计过程【1 1 - 2 0 。 如图2 2 左半部分表示概念设计的不同阶段，右半部分表示推理决策步骤的 阶段性结果( 其中椭圆表示推理过程的结果，方框表示决策的结果) ，当决策结果 不满意的时候可以返回到上一层重新进行设计。 助媸需隶 功能产品设计 ， 行为产品设计 ， 概念产品设计 t 图2 2 产品概念设计过程模型 首先通过功能需求获得功能信息，然后对功能进行分解，最终获得功能元信 息，然后形成功能产品方案，对功能产品方案进行评价，若不满意则进行返回重 新设计功能，若满足则继续进行对功能的行为设计，寻找实现该功能的行为项， 浙江工业大学硕士学位论文 最后形成行为产品方案，对行为产品方案进行评价，若不满足则返回到上一步进 行功能设计，若满足则继续进行概念结构设计，寻找实现该行为的结构信息，对 该结构信息进行分解，最终得到满足的概念产品方案，若找不到符合的概念产品 方案则重新返回进行结构设计 2 3 基于f b s 的车灯模具概念设计方法与基于知识的设计方法的比较 本节在基于f b s 的概念设计理论的基础上具体分析比较了传统的基于知识的 概念设计方法和基于f b s 的概念设计方法。 ( 1 ) 传统基于知识的概念设计方法 传统基于知识的注塑模设计过程是强经验弱理论的设计过程，设计者在整个 设计过程中注重经验知识，采用基于规则知识推理的设计过程方法。经验知识是 否充实将直接影响到整个注塑模设计结果的好坏，设计知识的组织也是不够规范 和科学。下面给出了传统的基于知识的顶出机构注塑模概念设计规则知识： i f 拔模斜度小t h e n 用推板； i f 薄壁t h e n 用推板； i f 深度大t h e n 用推板； i f 拔模斜度小a n d 薄壁a n d 深度大t h e n 用圆顶杆； i f 是管类塑件t h e n 用顶管； i f ( 塑件内部有筋) t h e n 用扁顶杆复合顶出； i f ( 塑件内部有槽) t h e n 用扁顶杆复合顶出； i f ( 塑件内部有带细孔的圆柱凸台) t h e n 用顶管复合顶出 由以上描述的传统的基于知识的的知识表达可知，知识描述不够科学和规范， 尤其是在知识不够充分的情况下会导致错误的结论，容易对概念设计结果产生错 误结论。 ( 2 ) 基于f b s 的概念设计方法 基于f 1 3 s 的车灯模具概念设计方法是从车灯塑件产品的功能需求分析入手， 查找知识库，寻找到符合该功能需求的行为产品模型，用户交互判断该行为模型 是否满足要求，若不满足则返回进行功能设计，若满足则继续下一步进行概念结 构设计，最终产生符合用户要求的概念产品模型，具体概念设计流程见2 ，2 1 章节。 浙江工业大学硕士学位论文 基于f b s 的车灯模具概念设计方法对设计知识进行层次划分，分为功能知识、 行为知识、概念结构知识。功能知识包含输入、输出、子功能、父功能等知识项， 具体将在3 3 章节的基于f b s 的产品概念设计功能建模与知识表达中分析描述； 行为知识包含状态变量、影响变量、效用值、适用条件等知识项，具体将在4 2 章节的基于f b s 的概念设计行为建模分析中分析描述；概念结构知识包含结构参 数、影响参数，参数值等知识项，具体将在5 2 章节的基于f b s 的产品概念结构 建模分析中分析描述。 ( 3 ) 基于f b s 的车灯模具概念设计方法与基于知识的设计方法的比较 本文通过对以上两者的分析比较可知，基于f b s 的车灯模具概念设计方法相 对于传统的基于知识的设计方法，有以下几个优点： ( a ) 知识表达符合设计过程的需要； ( b ) 设计求解过程更好地和设计的实际过程相吻合； ( c ) 避免了设计结果与知识量的相关性。 2 4 基于f b s 的车灯模具计算机辅助概念设计系统框架 2 4 1 基于f b s 的车灯模具计算机辅助概念设计过程建模 在上一节给出的基于f b s 的概念设计过程模型的基础上结合车灯模具概念设 计过程，给出了如图2 - 4 所示的车灯模具概念设计过程模型。其信息包括塑件特 征信息、注塑模功能分析、注塑模功能行为设计、注塑模概念结构设计、还有注 塑模的概念设计结果方案评价。其中每个阶段都与设计知识库进行交互，来支撑 整个概念设计的进行 浙江工业大学硕士学位论文 塑件需求分析 一功能需求特征信 功能结构一 一一一行为结构一 方素解橐一 终方案解集- p - 图2 - 4 车灯模具概念设计过程模型 具体的车灯模具概念设计流程表示如下： 首先通过对塑件特征信息的分析以及外部要求的描述，得出注塑模的功能， 然后对功能进行分解，寻求实现该功能的行为解答项，然后对实现该行为的概念 结构进行设计，最终得到符合塑件特征要求的概念结构产品模型。在推理设计过 程中都与设计知识库进行交互 2 4 2 基于f b s 的车灯模具计算机辅助概念设计知识库构成 上一小节分析了基于f b s 的车灯模具计算机辅助概念设计过程模型，其中知 识库是整个概念设计的重要基础，本小节就对车灯模具的概念设计知识库构成进 行描述。 概念设计知识包含了四部分知识。第一部分是模架、侧抽芯机构、顶出机构 的功能、行为、结构对象知识，其内容包含了模架、侧抽芯机构、顶出机构的功 能设计知识，行为设计知识以及概念结构设计知识；第二部分是模架、侧抽芯机 构、顶出机构的设计规则知识，其内容包含了塑件特征一功能、功能一行为，行 为一结构的设计规则知识；第三部分是模架，侧抽芯机构、顶出机构的功能、行 为、结构实例知识，其内容包含了对模架、侧抽芯机构、顶出机构的设计结果实 浙江工业大学硕士学位论文 例；最后一部分是常用工程资料知识，其内容包含了对于概念设计相关的工程资 料知识。具体见图2 5 基于f b s 的车灯模具计算机辅助概念设计知识库构成。 基于阳s 的藉模具计算机警概念设计知识掌t 图2 - 5 基于f b s 的车灯模具计算机辅助概念设计知识库构成 2 5 本章小结 本章通过论述基于f b s 的产品概念设计过程模型，然后给出了基于f b s 的 车灯模具概念设计的过程模型以及知识库构成，详细论述了该理论框架，作为以 后章节的功能建模、行为建模、结构建模的宏观指导方针。 浙江工业大学硕士学位论文 3 1 引言 第三章车灯模具概念设计的功能建模分析 本章主要论述了车灯模具概念设计中的功能建模方法以及功能知识的表示方 法。 首先，简要地对车灯模具的塑件特征信息进行了描述，然后对功能进行建模 分析，论述了功能的层次性以及相关性，并给出了功能产品模型。 其次，研究了功能知识的数据项以及功能知识的表示方法，提出了使用 e x p r e s s 语言定义的功能信息结构表达框架模型。 再者，从具体的研究模块出发，分别研究论述了车灯模具的模架、侧抽芯机 构、顶出机构的功能建模方法。 3 2 车灯模具塑件制品特征信息分析 在对车灯模具的功能、行为、结构建模分析之前，有必要对车灯塑件制品的 特征进行分析，因为车灯塑件制品的特征信息是整个车灯模具概念设计的入口， 整个f b s 映射过程中将首先获得车灯模具的需求信息即塑件产品特征信息。 图3 - 1 车灯塑件 塑件制品的特征可以分为：形状特征、材料特征、精度特征、工艺特征等， 其中形状特征是最重要的特征如图3 1 所示为奥迪前大灯，由图中可知车灯塑 件是属于壁薄、侧凹特征多的塑件，因此在车灯模具中普遍存在着侧抽芯机构， 本文也把侧抽芯机构的概念设计作为一个重点研究对象。 浙江工业大学硕士学位论文 3 3 基于f b s 的产品概念设计功能建模与知识表示分析 3 3 1 功能建模分析 对功能的研究有众多的评论，但至今还没有一个完全统一的定义。不管是哪种 形式的定义。功能在设计中应能完成以下几个任务：功能必须根据给定要求表示设 计者的意图；功能必须能描述满足设计要求的设计对象劢能应能被定性或者定量 地评价，可以测定设计意图的满意度。 功能建模在产品概念设计过程中扮演着重要的角色，功能具有层次性，通常 分为：总功能，子功能，功能元，这三个层次。我们把功能层次中处于底层不能 再分的子功能称为功能元【2 l 】。 如图3 - 2 的功能产品模型所示，功能可以分解为多个子功能，子功能也可以 分解为多个功能元。其中功能项( 包含总功能、子功能，功能元) 都有功能参数 信息。 3 3 2 功能建模表示 图3 - 2 功能产品模型 知识表示方法有很多，与推理方法有着密切的关系。举例如下所示【笠】： 1 1 产生式规n ( p r o d u e t i o nr u l e ) 产生式规则把知识表示成“模式一动作”对，它的推理机制采用演绎推理为基 础。产生式系统最初由p o s t 于1 9 4 3 年提出的一种计算机制。格式表达如下： i f t h e n ( 或 ) 如：i f t h e n 2 ) 逻辑表示法( l o g i c ) 浙江工业大学硕士学位论文 逻辑表示法是用一阶谓词表示知识，是一种叙述性的知识表示方法。它的推 理机制采用归结原理。格式表达如下： b u l e c b o x ) 用来表示：盒子是蓝色的。 3 ) 框架表示法( f l a m e ) 框架结构作为基于规则的系统的基础，提供了强有力的手段对实体、概念、 关系进行描述，提供了利用继承性和附加过程等多种灵活的推理机制，并为规则 的组织提供了条件。表达实例如下所示： 研匡架名 啪名l x ： 管值l ， q 曹名2 ) h ( 丰蓉值2 舡侧面名2 1 x 女1 面值2 1 1 ，侧面值2 1 2 ， 肛侧面名n l x 惯f j 面值n l l ，侧面值n 1 2 ， 本文采用面向对象知识表达的通用框架，如表3 1 所示， 表3 1 功能知识描述1 5 5 】 功能数据项中文描述英文描述 功能代号字符串 s t r i n g 功能名称字符串 s t r i n g 输入输入集 硒p m ) 输出输出集 o u t p u t ) 约束关系 功能约束关系 ( t o m t i t 父功能父功能集 f u n c t i o n 子功能子功能集 f u n c t i o n 本文用s t e p 标准定义的e x p r e s s 语言( i s 0 1 0 3 0 3 11 ：1 9 9 4 ) 表达功能信息 结构框架1 2 2 - 2 3 j ，表达如下所示： f u n c t i o nf u n c t i o n n a m e i n p u t ：s e t o ：? 】o f s t r i n g 浙江工业大学硕士学位论文 o u t p u t ：s e t 【o ：? 】o fs t r i n g c o n s t r a i n t ：c o n s t r a i n t s s u p f u n c f i o n ：s u b t y p eo f f u n c t i o n s s u b f u n c f i o n ：s u p t y p eo f f u n c t i o n s e n d _ f u n c t i o n ； 以下分别以上述理论方法实现注塑模模架、抽芯机构、顶出机构的功能建模 以及知识表示的实例分析研究。 3 4 模架功能建模分析 3 4 1 模架的功能模型 整个模架根据其实现的功能可以分解为：定位功能、形成注塑空问功能、导 向功能、连接功能等等。定位功能又可以分解为：定位模架子功能、定位复位杆 子功能，具体功能分解如图3 - 3 所示。 图3 - 3 模架功能需求树 根据3 3 2 节所描述的功能建模表达方法，结合模架功能需求树( 图3 - 3 ) ，给 出部分功能建模表述实例，如下所示： f u n c t i o no r i c n t a t i o n _ m o u l d b a s e ，定位模架 i n p u t ：p r o d u c tp r o j e c t i o n _ a r e a 产品投影面积 p r o d u c t _ w i d t hd i a 产品宽向排布 c a v i t y _ p r e s s 型腔压力 o u t p u t ：b c z e l p a n e lw i d t h ,面板宽度 b o t t o m p a n e l w i d t h , 底板宽度 b e z e l p a n e l l e n g t h , ，面板长度 b o t t o m p a n e l l c n g t h ，底板长度 c o n s w a i n t ： 浙江工业大学硕士学位论文 b e z e l p a n e l _ w i d t h p r o d u c t _ w i d t h _ d i a 锄d ，底板宽度 产品宽向排布 b o t t o m p a n e lw i d t h p r o d u c t _ w i d t h _ d i a 底板宽度 产品宽向排布 s u p f u n c t i o n ：o r i e n h a t i o n f t m c t i o n 定位功能 s u b f u n e t i o n ：n o n e e n d _ f u n c t i o n ； f u n c t i o nf o r m _ i n j e c t m o u l d s p a c e _ f u n c t i o n 形成注塑空间功能 i n p u t ：p l a s t i e h e i g t h , ，塑件高度 p r o d u c tp r o j e c t i o na r e a ，产品投影面积 p r o d u c tw i d t hd i a ，产品宽向排布 o u t p u t ：a p _ l c n g t h , b pi 锄g t h t p1 e i l g l h i i a 板长度、b 板长度、推板长度 a p _ w e i g h t , b p _ w e i g h t , t p _ w e i g h t , ，a 板宽度、b 板宽度、推板宽度 a p _ h e i g h t , b p _ h e i g h t , t p _ h e i g h t a 板厚度、b 板厚度、推板厚度 c o n s t r a i n t ：a p 板宽度 塑件宽度w e i g h t p r o d u c t w i d t hd i aa n di i a b p _ w e i g h t p r o d u c t _ w i d t h _ d i a 佃板宽度 塑件宽度 s u p f u n c t i o n ：n o n e s u b f u n e t i o n ：n o n e e n d _ f u n c t i o n ； f u n c t i o nr e s e t f u n e t i o n复位功能 i n p u t ：t md i s t a n c e 脱模距 o u t p u t ：r e s e t _ l o n g ，r e s e tn u m b e r 复位杆长度，复位杆数量 c o n s n a i n t ：r e s e t _ l o n g r e s e t _ l o n g 腹位杆长度 脱模距 r e s e tp a r a l l e lr e s e t 复位杆p a r a l l e l 复位杆 s u p f u n c t i o n ：n o n e s u b f u n c f i o n ：n o n e e n d _ f u n c t i o n ；，j 漠具闭合时顶出系统的各个顶出元件恢复到原来设定的位置 3 4 2 模架功能设计规则知识表达 目前模架的设计开发已经标准化了，在分析塑件的特征信息后，可以得到标 准模架型号，然后对标准模架机型个性化定制，这样大大地提高模具的开发效率 以及节约模具的开发成本。本文在该部分收集了模架的设计规则知识，其内容涉 浙江工业大学硕士学位论文 及到与模架相关的塑件信息、环境信息等信息，部分信息表达如表3 2 塑件特征对 模架型号的影响规则信息表所示。其中包含有规则代号、规则前项、规则后项等 信息。当得到模架的规格型号之后可以更好地指导功能设计。 表3 2 塑件特征对模架型号的影响规则知识表 规则代号塑件特征信息( 规则前项)模架规格型号( 规则后项) 产品投影面积 7 5 6a n d 产品投影面 n 汀w r i 积 1 4 0模架规格 3 0 3 0 , 3 5 7 0 1 a n d 产品宽向排布 1 0 0 0a n d 产品投影 f i 汀忱面积 2 0 0 模架规格 4 0 4 0 , 4 5 7 0 a n d 产品宽向排布 1 4 8 0a n d 产品投影 f l 订w r 3 面积 2 6 0模架规格 5 0 5 0 。6 0 8 0 a n d 产品宽向排布 2 8 1 0a n d 产品投影 n “惭面积 包紧力 s u p f u n c t i o n ：s i d em o v e 侧向运动功能 s u b f u n c t i o n ：n o n e e n df u n c t i o n ； f u n c t i o nl i m i td i s t i n c t 限位功能 i n p u t ：p l a s t i c _ s i d e _ c o n c a v e _ d e p t h ( p l a s t i cs i d e _ p r o t m d _ h e i g h t ) ，塑件侧凹( 凸) 深度( 高度) o u t p u t ：c o r ep u l l i n gd i s t a n c 圮，抽芯距 c o n s t r a i n t ：c o r ep u l l i n g _ d i s t a n c e = p l a s t i cs i d ec o n c a v e d e p t h ( p l a s t i c _ s i d e _ p r o t r u d _ h e i g h t 卜( 2 3 )，抽芯距= 塑件侧凹( 凸) 深度( 高度) + ( 2 3 ) 啪 s u p f u n c t i o n ：c o r e _ p u l l i n g ，抽芯功能 s u b f t m c t i o n ：n o n e e n d _ f u n c t i o n ； 一1 9 - 浙江工业大学硕士学位论文 3 5 2 侧抽芯机构功能设计规则知识表达 塑件制品的侧凹形状将直接影响到所使用的侧抽芯机构的类型，本文收集了 影响的规则知识，部分规则知识表达如表3 , 3 所示。该表包含了规则代号、塑件 制品的侧凹类型( 规则前项) 、抽芯机构类型( 规则后项) 等内容。 表3 3 塑件特征对侧抽芯机构的影响 规则代号塑料制品的侧凹类型( 规则前项)抽芯机构类型( 规则后项) f c w r l 塑料制品h a s l l 0 侧凹凸h a s n o 抽芯机构 ( 塑料制品h a s 外侧凹) a n d ( 抽芯 f c w r 2 距i s 大) a n d ( 抽芯力i s 大)抽芯类型i s 油缸抽芯 a n d ( 侧凹i s 深) f c 、7 l ，i b ( 塑料制品h a s 外侧凹) a n d ( 抽芯 抽芯类型i s 斜导柱外滑块抽芯 距i s 小) a n d ( 侧凹i s 浅) 抽芯类型i s ( 斜顶杆式o r 斜导柱 f c w r 4 塑料制品h a s 内侧凹式内滑块抽芯o r 内抽式滑块o r 斜顶块) 抽芯类型i s ( 油缸抽苍o r 外滑块抽 f c 、肌u 塑料制品h a s 内外侧凹 芯o r 内抽式滑块) f c 、r n 3 6 顶出机构功能建模分析 3 6 1